植物胚囊母細(xì)胞減數(shù)分裂異常研究

張小方　范春霞　高述民

摘要從細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)的角度，介紹了植物胚囊母細(xì)胞在減數(shù)分裂過程中的異常情況，及其對(duì)雌蕊育性的影響。

關(guān)鍵詞胚囊母細(xì)胞；減數(shù)分裂；雌蕊敗育

中圖分類號(hào)Q944.45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)01-0274-02

減數(shù)分裂是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，涉及到很多分子和細(xì)胞學(xué)事件，如DNA和染色體復(fù)制，染色體配對(duì)、聯(lián)會(huì)和重組、分離，以及胞質(zhì)分裂[1]。胚囊母細(xì)胞(embryo sac mother cell，EMC)減數(shù)分裂能否順利完成，關(guān)系到功能大孢子的正常形成、胚珠的雌配子體發(fā)育以及胚囊和胚的形成。而雌蕊敗育原因最常見的就是胚囊母細(xì)胞減數(shù)分裂不正常，同源染色體不能正常配對(duì)[2]。由于胚囊母細(xì)胞包裹在層層珠心細(xì)胞中，外面又有珠被和子房璧等組織，觀察研究比較困難。而花粉母細(xì)胞容易獲取且數(shù)量較多，研究操作簡(jiǎn)單快速。所以與雄性花粉母細(xì)胞相比，對(duì)雌性胚囊母細(xì)胞減數(shù)分裂的研究較少。然而，隨著細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)等各種研究手段的提高，人們對(duì)胚囊母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中染色體數(shù)目與結(jié)構(gòu)變異的細(xì)胞學(xué)研究，甚至減數(shù)分裂異常的分子生物學(xué)研究也有了一定的進(jìn)展。

1EMC減數(shù)分裂發(fā)生異常的時(shí)期

減數(shù)分裂一經(jīng)啟動(dòng)，細(xì)胞中的DNA復(fù)制1次卻進(jìn)行連續(xù)2次分裂，分別為減數(shù)分裂期Ⅰ和減數(shù)分裂期Ⅱ，這2個(gè)時(shí)期又分別包括前期、中期、后期和末期。而在這幾個(gè)時(shí)期中，不同育性相關(guān)基因的異常都有可能導(dǎo)致減數(shù)分裂進(jìn)程受阻。Siddiqi I等[3]對(duì)擬南芥雌性不育的dyad突變體研究發(fā)現(xiàn)，該突變體大部分胚珠能形成胚囊母細(xì)胞，但在減數(shù)分裂Ⅰ期未被阻斷。SYNAPSIS 1/DETERMINATE INFERTILE 1(SYN1[DIFI])基因突變使得減數(shù)分裂Ⅰ期和Ⅱ期的染色體分離出現(xiàn)異常，最終導(dǎo)致雌性不育[4]。而玉米減數(shù)分裂elongate1突變體發(fā)育缺陷發(fā)生在減數(shù)分裂II期[5]。最近在擬南芥AtKIN14a/atkin14a AtKIN14b/atkin14b突變體中發(fā)現(xiàn)，胚囊母細(xì)胞減數(shù)分裂Ⅰ中期的染色體定位發(fā)生異常，隨后分裂Ⅰ后期染色體分離也發(fā)生異常[6]。

2EMC減數(shù)分裂異常相關(guān)的基因及突變體

利用現(xiàn)代各種生物技術(shù)手段已誘變獲得一些減數(shù)分裂異常突變體，另外通過篩選cDNA等方法也已分離出一些減數(shù)分裂異常相關(guān)基因。如利用T-DNA插入誘變技術(shù)，并結(jié)合細(xì)胞遺傳學(xué)研究表明AtDMC1基因?qū)M南芥減數(shù)分裂至關(guān)重要，該基因缺失突變體在雌雄蕊減數(shù)分裂過程中，染色體行為嚴(yán)重錯(cuò)亂導(dǎo)致雌雄性不育[7]。再如利用內(nèi)源反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子Tos17插入誘導(dǎo)產(chǎn)生的水稻pair1突變體，表現(xiàn)出減數(shù)分裂專一性缺陷，最終導(dǎo)致次雌雄性配子體不育。水稻PAIR1基因編碼一種492kD蛋白，在減數(shù)分裂過程中對(duì)同源染色體配對(duì)起基本的作用[8]。最近，人們又從擬南芥AtKIN14b cDNA文庫(kù)中獲得基因特異性探針，進(jìn)行RNA熒光原位雜交，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AtKIN14b在減數(shù)分裂細(xì)胞中表達(dá)增強(qiáng)[6]，表明編碼該蛋白的基因是減數(shù)分裂過程所必需的。

另一方面，隨著顯微技術(shù)的發(fā)展以及染色方法的改進(jìn)，對(duì)減數(shù)分裂過程中的各種事件觀察研究也更精確了。利用熒光和投射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，atrad51c-1突變體中聯(lián)會(huì)異常且同源染色體列隊(duì)發(fā)生改變，說明擬南芥正常的減數(shù)分裂過程中，染色體聯(lián)會(huì)和雙鏈斷裂修復(fù)需要AtRAD51C基因[9]。玉米elongate1突變體不能形成正常單倍體胚囊而產(chǎn)生功能二倍體，利用共聚焦顯微鏡結(jié)合靜態(tài)細(xì)胞分析技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，該突變體產(chǎn)生異常二倍體胚囊是因減數(shù)分裂II期缺陷導(dǎo)致的。ELONGATE1基因不僅具有控制染色體濃縮的功能，還是胚囊母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂II期所必需的[5]。

水稻MEL1基因只在生殖細(xì)胞中特異表達(dá)，可以調(diào)節(jié)減數(shù)分裂和分裂前的生殖細(xì)胞、染色體的調(diào)節(jié)機(jī)制，以及減數(shù)分裂異常過程中可能發(fā)生的小RNA介導(dǎo)的基因沉默[10]。擬南芥AtMND1基因缺失會(huì)導(dǎo)致雌雄蕊減數(shù)分裂過程中染色體斷裂和錯(cuò)誤分離。RNA原位雜交顯示該基因在性母細(xì)胞中特異表達(dá)，通過對(duì)雙鏈斷裂進(jìn)行修復(fù)在減數(shù)分裂過程中發(fā)揮作用[11,12]。玉米MEI基因影響減數(shù)分裂很多方面，包括減數(shù)分裂的啟動(dòng)、減數(shù)分裂的控制和同源染色體配對(duì)等[13]。目前，對(duì)MEL1基因缺失導(dǎo)致的減數(shù)分裂異常主要集中在mel1突變體的異?；ǚ勰讣?xì)胞上[10]，而胚囊母細(xì)胞的基因缺陷導(dǎo)致的雌性不育研究很少。

3EMC減數(shù)分裂異常相關(guān)的特異蛋白質(zhì)

3.1影響染色體行為的特異蛋白質(zhì)

基因編碼蛋白的時(shí)空表達(dá)是研究減數(shù)分裂行為的重要部分。Mob蛋白在酵母染色體分離和細(xì)胞板的形成過程中起到重要作用。Citterio S等[14]從苜蓿中克隆出2種Mob1類基因后，設(shè)計(jì)了MsMob1轉(zhuǎn)錄物特異反義SP6-RNA探針，并制備MsMob 1蛋白多克隆抗體。通過原位mRNA定位和蛋白免疫定位證明MsMob1類似基因在突變型胚珠中減數(shù)分裂異常的胚囊母細(xì)胞中表達(dá)。真核生物中，Spo11蛋白調(diào)控DNA雙鏈斷裂，從而啟動(dòng)減數(shù)分裂重組。擬南芥中含有3種Spo11同源蛋白(AtSPO11-1，AtSPO11-2 和 AtSPO11-3)，其中前兩者參與減數(shù)分裂重組，而AtSPO11-3涉及DNA復(fù)制。AtsPo11-2突變體表現(xiàn)出明顯減數(shù)分裂異常，在分裂Ⅰ期發(fā)生聯(lián)會(huì)紊亂[15]。突變體XWI1的胚囊母細(xì)胞在減數(shù)分裂前進(jìn)行了多余的有絲分裂，且細(xì)胞器的極性分布消失，推測(cè)該基因編碼的特異蛋白SWI1可能是通過抑制有絲分裂而激活胚囊母細(xì)胞的減數(shù)分裂[16]。

3.2與紡錘體微管有關(guān)的特異蛋白質(zhì)

除了染色體行為異常外，減數(shù)分裂受阻還表現(xiàn)在紡錘體微管上的變化。擬南芥AtKIN14a和AtKIN14b基因編碼2種高度相似的驅(qū)動(dòng)蛋白[17]，2種基因共同協(xié)作控制植物的生殖發(fā)育，在配子體發(fā)育和雌蕊減數(shù)分裂過程中發(fā)揮類似的功能，只是AtKIN14a基因編碼蛋白在雄蕊減數(shù)分裂過程中發(fā)揮更多作用[6]。驅(qū)動(dòng)蛋白-14家族蛋白行使大量細(xì)胞學(xué)功能，包括適當(dāng)集合和定位到紡錘體微管上[18]。該類蛋白家族中有一類驅(qū)動(dòng)蛋白-5參與確保紡錘體正確組裝和其完整性[19,20]。通過免疫定位顯微技術(shù)，在缺乏編碼該類蛋白基因的突變體中發(fā)現(xiàn)中期Ⅰ的紡錘體具多極現(xiàn)象，組裝發(fā)生缺陷。而到了后期Ⅰ時(shí)，紡錘體結(jié)構(gòu)變得不對(duì)稱，失去完整性[6]。

4結(jié)語(yǔ)

減數(shù)分裂是植物有性生殖過程中一種特殊的有絲分裂，直接影響著植物的育性。胚囊母細(xì)胞減數(shù)分裂異常導(dǎo)致的雌蕊敗育是雌性不育的主要原因。研究影響胚囊母細(xì)胞減數(shù)分裂的因子，可為植物雌性不育在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及園藝植物等方面的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)。

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