Befruktning i blommande växter sker genom leverans av spermieceller till ägglossningen genom den exakta tillväxten av pollenrör från pollen. Pollenrörsvägledning spelar en avgörande roll för att kontrollera tillväxten av pollenrör och en pollenrörsattraherande peptid LURE utsöndras från synergidcellerna bredvid äggcellen i ägget för att leda till framgångsrik befruktning. LURE är specifik för varje växtart och ansvarar därför för gödslingen mellan samma art.

LURE1 har redan identifierats i en modellväxt Arabidopsis thaliana, och det har förekommit rapporter om närvaron av receptorer på pollenröret som är ansvariga för att detektera LURE1. Nyckel- och låsmodellen illustrerar förhållandet mellan LURE-peptiden (liganden) och dess receptor. Tills nu, forskarna visste inte vilken receptor LURE binder till, eller hur det gör det.

För att identifiera den exakta receptorn på pollenröret för LURE, Tetsuya Higashiyama, en professor vid Nagoya University och hans medarbetare vid Tsinghua University, som har expertis inom strukturell biologi av växtligander och receptorer, utfört analyser av komplexen genom röntgenkristallografi. Teamet undersökte proteinet som binder till LURE genom att göra LURE av Arabidopsis thaliana och dess proteinreceptor genom kulturer av insektsceller. Som ett resultat, de kunde fastställa att LURE specifikt binder till en proteinreceptor som kallas PRK6 (pollenreceptorliknande kinas 6) på pollenröret. Resultaten av denna studie redovisas i Naturkommunikation .

Forskargruppen lyckades få fram och analysera kristallstrukturen hos LURE bunden till PRK6-receptorn. Som ett resultat av deras analyser, de fann att LURE är bundet genom att infogas mellan den leucinrika repeterande regionen och transmembranregionen av PRK6-receptorn.

LURE är bundet till en region nära membranet av PRK6. Denna region kallas loopregionen och teamet identifierade att den elektrostatiska interaktionen mellan den positiva laddningen av LURE och den negativa laddningen på loopregionen av PRK6 var signifikant för bindningen. Dessutom, de kunde också visa att en disulfidbrygga bildas i PRK6-loopregionen vid bindning av LURE. Denna brygga mellan cysteinrester bidrar till stabiliseringen av slingregionen som spelar en betydande roll för bindningen till LURE.

Tidigare rapporter har visat att bindning mellan peptider och receptorer i växter huvudsakligen sker i den leucinrika repeterande regionen. För det andra, när en ligandmolekyl binder till en receptor på den yttre delen av cellen, ett komplex bildas vanligtvis för att kommunicera signaler inom cellen. Å andra sidan, bindningen mellan LURE och PRK6 hade skett i en annan position än vad som hittills rapporterats i växter, och inga komplex gjordes vid bindning. Detta unika bindningsschema mellan LURE och PRK6 verkar återspegla den exakta kontrollmekanismen för riktningen för pollenrörets tillväxt.

Efter att ha en närmare titt på bindningen mellan LURE och loop-regionen av PRK6, de kunde identifiera de relevanta aminosyrorna som krävdes för bindningen. Teamet testade graden av bindning och styrning av pollenrör genom att byta runt aminosyrorna, och fann att både arginin (R83) lokaliserat i LURE och asparaginsyra (D234) i PRK6 var viktiga.

"Vårt labb har arbetat intensivt för att identifiera pollenrörets lockande peptid LURE och dess receptorprotein PRK6, och denna gång, vi kunde bestämma kristallstrukturen för det LURE-bundna komplexet för att bevisa att PRK6 är den faktiska receptorn för LURE, " säger Higashiyama. "Genom sin interaktion med PRK6-receptorn, vi fann att LURE kan ändra riktningen för pollenrörets tillväxt mot ägglosset, men vi är fortfarande osäkra på hur LURE kan kontrollera tillväxtriktningen med så hög precision, " förklarar Higashiyama.

"Vi har visat att PRK6 tenderar att koncentrera sig mot LURE, så det kan vara så att vid bindningen av LURE i slingregionen av PRK6, PRK6 ändrar sitt beteende på pollenrörsspetsen. Genom att utföra realtidsobservationer av de molekylära aktiviteterna hos LURE och PRK6 på ytan av pollenrör, vi hoppas kunna förstå den exakta mekanismen för styrning av pollenrör."

LURE-peptiden och PRK6-receptorn fungerar som nyckel och lås, som är specifik för varje växtart. Higashiyama och hans grupp föreställer sig att detta arbete kommer att bidra till att avslöja varför pollenrörsstyrning är framgångsrik mellan samma art och är svår mellan olika arter.

"Vi hoppas kunna designa specifika 'nyckel och lås'-system så att pollenrörsstyrningen blir effektiv mellan olika växtarter, och kan leda till framgångsrik hybridisering mellan olika arter, " säger Higashiyama. "Växter som brödvete, rapsfrö, och bomull är alla viktiga arter som har uppstått som ett resultat av korsning. Vi tror att vår forskning kommer att vara betydelsefull för generering av specifikt utformade korsningsväxtarter."