花粉管向胚珠方向生長的控制機(jī)理

譚奧倫

(沈陽市第一中學(xué) 遼寧沈陽 110000)

植物從生長發(fā)育過程中的某個(gè)階段開始,經(jīng)過一系列的生長發(fā)育,直至產(chǎn)生后代且重新處于這個(gè)階段,稱為植物的生活史(life history)或生活周期(life cycle)。植物的生活史會出現(xiàn)兩種個(gè)體:(1)配子體(gametophyte),由孢子發(fā)育形成的單倍體,能產(chǎn)生配子,行有性生殖;(2)孢子體(sporophyte),由合子發(fā)育形成的二倍體,能產(chǎn)生孢子,行無性生殖。配子體的發(fā)育階段被稱為配子體世代(或有性世代),孢子體的發(fā)育階段稱為孢子體世代(或無性世代)。在植物的生長發(fā)育過程中,這兩種世代交替出現(xiàn)的現(xiàn)象稱為世代交替(alternation of generation)。世代交替現(xiàn)象在植物界中普遍存在,但是在藻類等低等植物中,配子體世代占主導(dǎo)地位,配子高度發(fā)達(dá),占據(jù)絕大部分的生活周期。而在被子植物等高等植物中,配子體退化,孢子體世代具有顯明的優(yōu)勢。

受精是被子植物的世代交替的重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。而雌配子體(胚囊)的發(fā)生和雄配子體(花粉)的發(fā)生是受精過程的基礎(chǔ)。其中,雌配子體的發(fā)生包含大孢子的發(fā)生、胚囊的發(fā)育。前者包括孢原細(xì)胞的有絲分裂、大孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂等。由于不同植物的大孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂的方式不同,會形成三種胚囊,70%的被子植物的胚囊發(fā)育形式是單孢型。成熟的單孢胚囊形成時(shí)處于8個(gè)游離核階段,胚囊兩端各有4個(gè)游離核。之后,兩端各有1個(gè)核向中部移動(dòng),形成中央細(xì)胞(2個(gè)極核)。珠孔端剩余的3個(gè)游離核各自生成細(xì)胞壁,形成3個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞,中間的細(xì)胞為卵細(xì)胞(egg),兩邊的為助細(xì)胞(synergid)。合點(diǎn)端的3個(gè)核形成3個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞,稱為反足細(xì)胞(antipodal cell)。這樣8個(gè)核7個(gè)細(xì)胞的胚囊即雌配子體。

被子植物的受精是由一系列復(fù)雜而連續(xù)的過程組成的?；ǚ?管)先后與柱頭、花柱、引導(dǎo)組織、珠柄、珠被、胚囊等不同的雌性組織相互作用,不斷向前生長,最終完成“長征”路程,進(jìn)入珠心組織,釋放精子,完成雙受精過程。具體來講,包括以下幾個(gè)階段:(1)花粉附著于柱頭,花粉管萌發(fā);(2)花粉管從柱頭的細(xì)胞壁之間穿過柱頭,進(jìn)入花柱;(3)花粉管在引導(dǎo)組織中向下生長;(4)花粉管到達(dá)子房,從珠孔、合點(diǎn)或胚珠中部進(jìn)入胚珠,沿著珠柄生長;(5)花粉管穿過珠心組織,從珠孔進(jìn)入胚囊。

花粉管是如何經(jīng)過長途跋涉,準(zhǔn)確定位到子房中的胚珠,這個(gè)問題幾十年以來一直受到眾多科學(xué)家的關(guān)注。迄今為止,雖然沒有完全弄清楚花粉管生長方向的分子機(jī)制,但經(jīng)過多年的研究,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),花粉管的生長同時(shí)受到雌蕊組織和雌配子體的導(dǎo)向。本文主要介紹,關(guān)于雌配子體導(dǎo)向中,一些已發(fā)現(xiàn)的幫助花粉管定位到胚珠的基因或信號分子,包括珠柄導(dǎo)向和胚囊導(dǎo)向兩方面。

1 珠柄導(dǎo)向

目前關(guān)于珠柄吸引花粉管生長的研究比較少?；ǚ酃軓奶プ竭_(dá)胚珠的有效生長距離約為200微米,但是研究者發(fā)現(xiàn),在magamata(maa)雌配子體突變體中,花粉管在珠柄中能正常生長,長至距珠孔近100微米時(shí),便迷失了方向,不能順利進(jìn)入珠孔。這說明,發(fā)育完整而成熟的雌配子體是花粉管準(zhǔn)確定位到珠孔,進(jìn)入胚珠的先決條件。

Lu Y等在2011年通過對K+通道突變株chx21 chx23的研究發(fā)現(xiàn),突變株的花粉管不能穿過隔膜,進(jìn)入珠柄或胚囊,而只能在引導(dǎo)組織中生長。體外受精時(shí),該雙突變株的花粉管也不能正確生長至珠柄。由此說明,珠柄成功地吸引花粉管需要K+。

不少科學(xué)家認(rèn)為,雌蕊胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的一些物質(zhì)對花粉管導(dǎo)向珠柄也至關(guān)重要。Palanivelu R等人在擬南芥pollen-pistil 2(pop2)突變體中發(fā)現(xiàn),花粉管的導(dǎo)向受γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyricacid,GABA)的影響。GABA廣泛存在于真核生物和原核生物體內(nèi),參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。pop2突變體內(nèi)合成GABA轉(zhuǎn)氨酶(可降解GABA)的基因發(fā)生了突變,GABA轉(zhuǎn)氨酶含量下降,GABA大量積累。另外發(fā)現(xiàn),野生型擬南芥的雌蕊中,GABA從柱頭至胚珠的含量逐漸升高,呈現(xiàn)梯度分布。對野生型體外施加GABA,花粉管的生長也受到抑制。這說明,低濃度的GABA可促進(jìn)花粉管生長,而高濃度GABA 則起抑制作用。GABA很有可能是通過趨化性的方式來引導(dǎo)花粉管向胚珠生長。

阿拉伯半乳聚糖糖蛋白(arabinogalactan protein, AGPs)可在被子植物的雌蕊中表達(dá),調(diào)節(jié)生長中花粉管的生長方向。TTS是在煙草的ECM中分離到一種阿拉伯半乳聚糖糖蛋白,引導(dǎo)組織中該糖蛋白的糖基化程度向著花粉管的生長方向不斷增加,而且TTS在體外也可以促進(jìn)花粉管生長,可推測到化學(xué)吸引是TTS蛋白引導(dǎo)花粉管朝向胚珠生長的原理。D-Ser作為谷氨酸鹽受體(glutamate receptors, GLRs)關(guān)鍵的激活劑,可激活花粉管尖端區(qū)的GLRs的活性,促進(jìn)Ca2+流入細(xì)胞質(zhì),通過調(diào)節(jié)花粉管中的Ca2+濃度以及波動(dòng)幅度,來促進(jìn)花粉管的生長。

總的來說,雌配子體可通過直接或間接的方式引導(dǎo)花粉管沿著珠柄生長:直接分泌吸引物質(zhì),通過吸引物質(zhì)沿著花粉管生長呈現(xiàn)梯度分布,來吸引花粉管順著珠柄生長;分泌信號,刺激珠柄細(xì)胞等孢子體細(xì)胞產(chǎn)生吸引物質(zhì)而間接影響花粉管的生長方向。

2 胚囊導(dǎo)向

胚囊導(dǎo)向是指胚珠的珠孔端對花粉管生長方向的吸引機(jī)制。近年來,這方面的研究取得了廣泛而深入的成果。下面選取一些典型的調(diào)控因子進(jìn)行介紹。

最先分離到的引導(dǎo)花粉管向珠孔生長的物質(zhì)是玉米中的ZmEA1。ZmEA1在卵器中表達(dá),是僅有94個(gè)氨基酸組成的小分子蛋白。Punwani JA等人于2007年通過RNAi干擾技術(shù),獲得ZmEA1低表達(dá)植株。將ZmEA1與GFP融合后,融合蛋白最先定位在絲狀器,接著環(huán)繞珠心細(xì)胞的細(xì)胞壁,導(dǎo)致花粉管定位不到珠孔,最終表現(xiàn)為雌性不育。另有研究者發(fā)現(xiàn),將ZmEA1的氨基端切除后,能在體外吸引花粉管向珠孔生長。遺傳學(xué)和生化方面均證實(shí)了ZmEA1對花粉管的胚珠導(dǎo)向的作用。

除了玉米,Okuda等人在模式植物藍(lán)豬耳草( Toreniafournieri)的助細(xì)胞的cDNA 文庫中也分離到了相關(guān)的信號分子——LUREs。LUREs屬于類防衛(wèi)素亞家族的一員,是富含半胱氨酸的分泌小肽(cysteine-rich polypeptides,CRPs)。免疫熒光顯微鏡觀察到助細(xì)胞合成的LUREs蛋白會分泌至絲狀器。采用反義核酸技術(shù)來降低LUREs的表達(dá)量,發(fā)現(xiàn)胚珠對花粉管的吸引能力也明顯減弱。該實(shí)驗(yàn)室的研究人員之后又在擬南芥中找到了5個(gè)LUREs蛋白(AtLUREs)。采用免疫熒光顯微鏡觀察,以及RHAi干擾技術(shù)降低這些AtLUREs的表達(dá)量,均得到了與藍(lán)豬耳草相同的結(jié)果。將合成AtLUREs的基因?qū)氲皆思?xì)胞進(jìn)行表達(dá),發(fā)現(xiàn)AtLUREs在體外也可以吸引花粉管向著珠孔生長。但是,其中一個(gè)AtLURE蛋白對花粉管的吸引能力較弱,檢測其結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)該蛋白的半胱氨酸發(fā)生了突變。重新將其突變?yōu)榘腚装彼岷?它的吸引活性也恢復(fù)了。這說明,AtLURE蛋白內(nèi)的半胱氨酸是保守的,且對維持AtLURE的功能起到重要作用。

對擬南芥的比較基因組學(xué)進(jìn)行研究,也發(fā)現(xiàn)了類似的花粉管導(dǎo)向分子。DUF784 ( domain of unknown function) 蛋白是在研究擬南芥myb98 胚珠時(shí)發(fā)現(xiàn)的,受到MYB98的調(diào)控,同樣是富含半胱氨酸的小肽,包含由多個(gè)基因家族的成員編碼的40個(gè)蛋白。DUF784的成員之間同源性很高,通常只有多基因突變體才有明顯的表型。研究人員采用RNAi技術(shù)降低了多個(gè)DUF784基因的表達(dá)量,用Aniline blue 對授粉24 h 的花粉管進(jìn)行染色,并用顯微鏡統(tǒng)計(jì)進(jìn)入珠孔的花粉管,發(fā)現(xiàn)進(jìn)入率僅為78%,而野生型的擬南芥中的進(jìn)入率為100%。同樣用GUS基因分別標(biāo)記野生型和RNAi干擾后的植株,再進(jìn)行GUS染色,DUF 基因RNAi轉(zhuǎn)基因植株中的花粉進(jìn)入率也比野生型低30%左右。由此可知,DUF784確實(shí)也可以影響花粉管進(jìn)入胚珠。

以上所述的幾種小肽,均是由助細(xì)胞分泌的?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),除了助細(xì)胞,胚囊內(nèi)的中央細(xì)胞和卵細(xì)胞同樣可以幫助吸引花粉管進(jìn)入胚囊。例如,Shimizu K K等于2000年發(fā)現(xiàn),在擬南芥的maa突變體的胚珠內(nèi),2 個(gè)中央極核不能正常融合, 所以無法形成中央細(xì)胞,同時(shí),該突變植株的花粉管無法正常進(jìn)入胚珠。

3 結(jié)語

近年來,人們對于被子植物受精過程中花粉管導(dǎo)向的研究取得了眾多進(jìn)展,無論雌性組織對花粉管的導(dǎo)向性,還是雌配子體對花粉管的導(dǎo)向性方面,均發(fā)現(xiàn)了不少調(diào)控物質(zhì),例如本文在胚囊導(dǎo)向性提到的玉米中的ZmEA1、藍(lán)豬耳草中的LUREs、擬南芥中的DUF784等花粉管導(dǎo)向信號分子,均是富含半胱氨酸的分泌性小肽,由胚囊內(nèi)的助細(xì)胞合成,分泌至絲狀器。但是,關(guān)于花粉管生長至胚柄導(dǎo)向性的研究還很不足,還需要科學(xué)家們更多關(guān)注。而且,我們現(xiàn)在離完全理解被子植物的花粉管的導(dǎo)向性的分子機(jī)制,也還有很長的路要走。

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