Bevruchting bij bloeiende planten vindt plaats door de levering van zaadcellen aan de zaadknop door de precieze groei van stuifmeelbuizen uit stuifmeel. Stuifmeelbuisgeleiding speelt een cruciale rol bij het beheersen van de groei van pollenbuizen en een pollenbuis-aantrekkend peptide LURE wordt uitgescheiden door de synergetische cellen naast de eicel in de eicel om tot succesvolle bevruchting te leiden. LURE is specifiek voor elke plantensoort en is dus verantwoordelijk voor de bemesting tussen dezelfde soort.

LURE1 is al geïdentificeerd in een modelplant Arabidopsis thaliana, en er zijn meldingen geweest over de aanwezigheid van receptoren op de pollenbuis die verantwoordelijk zijn voor het detecteren van LURE1. Het sleutel- en slotmodel illustreert de relatie tussen het LURE-peptide (ligand) en zijn receptor. Tot nu, onderzoekers wisten niet aan welke receptor LURE bindt, of hoe het dat doet.

Om de exacte receptor op de pollenbuis voor LURE te identificeren, Tetsuya Higashiyama, een professor aan de Nagoya University en zijn medewerkers aan de Tsinghua University, die expertise hebben in structurele biologie van plantenliganden en -receptoren, analyses van de complexen uitgevoerd door middel van röntgenkristallografie. Het team onderzocht het eiwit dat aan LURE bindt door LURE van Arabidopsis thaliana en zijn eiwitreceptor te maken door kweken van insectencellen. Als resultaat, ze waren in staat om te bepalen dat LURE specifiek bindt aan een eiwitreceptor genaamd PRK6 (pollenreceptor-achtige kinase 6) op de pollenbuis. De resultaten van dit onderzoek worden gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

Het onderzoeksteam slaagde erin de kristalstructuur van LURE gebonden aan de PRK6-receptor te verkrijgen en te analyseren. Als resultaat van hun analyses, ze vonden dat LURE wordt gebonden door te worden ingevoegd tussen het leucine-rijke herhalingsgebied en het transmembraangebied van de PRK6-receptor.

LURE is gebonden aan een gebied nabij het membraan van PRK6. Dit gebied wordt het lusgebied genoemd en het team identificeerde dat de elektrostatische interactie tussen de positieve lading van LURE en de negatieve lading op het lusgebied van PRK6 significant was voor de binding. In aanvulling, ze waren ook in staat om aan te tonen dat een disulfidebrug wordt gevormd in het PRK6-lusgebied na de binding van LURE. Deze brug tussen cysteïneresiduen draagt ​​bij aan de stabilisatie van het lusgebied dat een belangrijke rol speelt bij de binding aan LURE.

Eerdere rapporten hebben aangetoond dat binding tussen peptiden en receptoren in planten voornamelijk plaatsvindt in het leucinerijke herhalingsgebied. Ten tweede, wanneer een ligandmolecuul bindt aan een receptor aan de buitenkant van de cel, een complex wordt meestal gevormd om signalen binnen de cel te communiceren. Anderzijds, de binding tussen LURE en PRK6 had plaatsgevonden op een andere positie dan wat tot nu toe in planten is gemeld, en er werden geen complexen gemaakt bij binding. Dit unieke bindingsschema tussen LURE en PRK6 lijkt het precieze controlemechanisme van de richting van de groei van de pollenbuis te weerspiegelen.

Na een nadere blik op de binding tussen LURE en het lusgebied van PRK6, ze waren in staat om de relevante aminozuren te identificeren die nodig zijn voor de binding. Het team testte de mate van binding en pollenbuisgeleiding door de aminozuren te wisselen, en vonden dat zowel arginine (R83) gelokaliseerd in LURE en asparaginezuur (D234) in PRK6 belangrijk waren.

"Ons laboratorium heeft intensief gewerkt om het pollenbuis-lokstofpeptide LURE en zijn receptoreiwit PRK6 te identificeren, en deze keer, we waren in staat om de kristalstructuur van het LURE-gebonden complex te bepalen om te bewijzen dat PRK6 de eigenlijke receptor van LURE is, " zegt Higashiyama. "Door zijn interactie met de PRK6-receptor, we ontdekten dat LURE de richting van de groei van de pollenbuis naar de eicel kan veranderen, maar we weten nog steeds niet hoe LURE de groeirichting met zo'n hoge precisie kan controleren, " legt Higashiyama uit.

"We hebben aangetoond dat PRK6 de neiging heeft zich te concentreren op LURE, dus het kan zijn dat bij de binding van LURE in het lusgebied van PRK6, PRK6 verandert zijn gedrag op het uiteinde van de pollenbuis. Door real-time observaties uit te voeren van de moleculaire activiteiten van LURE en PRK6 op het oppervlak van pollenbuizen, we hopen het exacte mechanisme van pollenbuisgeleiding te begrijpen."

Het LURE-peptide en de PRK6-receptor werken als een sleutel en slot, die specifiek is voor elke plantensoort. Higashiyama en zijn groep denken dat dit werk zal helpen om te onthullen waarom stuifmeelbuisgeleiding succesvol is tussen dezelfde soort en moeilijk is tussen verschillende soorten.

"We hopen specifieke 'sleutel- en slot'-systemen te kunnen ontwerpen zodat pollenbuisgeleiding efficiënt wordt tussen verschillende plantensoorten, en kan leiden tot succesvolle hybridisatie tussen verschillende soorten, " zegt Higashiyama. "Planten zoals broodtarwe, koolzaad, en katoen zijn allemaal belangrijke soorten die door kruisingen zijn ontstaan. We zijn van mening dat ons onderzoek van belang zal zijn voor het genereren van specifiek ontworpen kruisende plantensoorten."