杏的自交不親和機(jī)制研究進(jìn)展

韓雪平，王金政，薛曉敏，王來平

(山東省果樹研究所，山東泰安，271000)

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杏的自交不親和機(jī)制研究進(jìn)展

韓雪平，王金政，薛曉敏*，王來平

(山東省果樹研究所，山東泰安，271000)

摘要：被子植物的自交不親和有孢子體型不親和與配子體型不親和兩種類型，杏的自交不親和屬于配子體型不親和。從生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)和分子學(xué)角度綜述杏的自交不親和機(jī)制，對比分析研究自交親和品種和自交不親和品種不同的受精過程及杏的開花生物學(xué)和授粉生物學(xué)特性，為生產(chǎn)上花期管理、合理選配授粉樹提供依據(jù)，為杏種質(zhì)資源、遺傳育種及生物技術(shù)等方面研究提供參考。

關(guān)鍵詞：杏；自交不親和；配子體自交不親和

Kostina (1964)[1]將栽培杏(AmeniacavulgarisLam.)的700個品種劃分為4個地理生態(tài)群，即中亞生態(tài)群、伊朗-高加索生態(tài)群、歐洲生態(tài)群、準(zhǔn)噶爾-外伊犁生態(tài)群，其中歐洲生態(tài)群是杏演化歷史進(jìn)程中最為年輕的一個地理生態(tài)群，大多品種表現(xiàn)自交親和(Self-compatibility，簡稱SC)，華北和準(zhǔn)噶爾-外伊犁中國杏的地理生態(tài)群品種、類型或株系總體上表現(xiàn)為自交不親和[2](Self-incompatibility，簡稱SI。自交不親和性可分為兩大類型，一類是孢子體型SI(Sporophytic self-incompatibility，SSI)，一類為配子體型SI(Gametophytic self-incompatibility，GSI)。主要是由于花粉的S基因表達(dá)時期不同[3]。中國杏自交不親和屬于配子體自交不親和，因雌雄性器官具有相同的S等位基因，它們相互排斥，交配不親和。孢子體自交不親和受S位點復(fù)等位基因控制，當(dāng)自花授粉時，SP11/SCR與SRK(S位點蛋白11、S位點富半胱氨酸蛋白、S位點受體激酶)特異識別，造成后者的Ser/Thr激酶的磷酸化，引發(fā)了一系列由SLG、ARC1(S位點糖蛋白、孢子體自交不親和反應(yīng)臂重復(fù)蛋白)及水孔蛋白等因子參與的SSI信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,最終產(chǎn)生自交不親和[4]。

1配子體與孢子體自交不親和機(jī)制

自交不親和植物拒斥自我花粉和與其基因型相同的花粉，依它們的表現(xiàn)方式可劃分為3種類型，即花粉表型的遺傳控制，花的形態(tài)和所涉及遺傳位點的數(shù)量。根據(jù)花粉不親和表型遺傳控制方式的不同，單因子SI分為兩類，一類為配子體自交不親和性(gametophytic self-incompatibility, GSI)，花粉不親和表型由單倍體基因型決定，配子體型的S基因在減數(shù)分裂后才有活性，這類植物自交不親和表型取決于自身的單倍體S基因型。花粉管生長的抑制常發(fā)生在花柱傳遞組織中。另一類為孢子體自交不親和性( Sporophytic self-incompatibility, SSI)，即花粉不親和表型由孢子體基因型決定，孢子體型自交不親和性在十字花科、旋花科和菊科中發(fā)現(xiàn)，如油菜、白菜屬于這一類。一般認(rèn)為，孢子體的S基因在花藥中表達(dá)，其基因產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到花粉上發(fā)揮生物功能，因此花粉的自交不親和取決于花粉的二倍體親本植物即孢子體細(xì)胞核內(nèi)兩個S等位基因的相互作用。配子體型自交不親和和孢子體型自交不親和的作用方式，配子體花粉生長抑制在花柱傳遞組織中，孢子體花粉停止生長在柱頭表面[5](圖1)。

配子體型自交不親和遺傳機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜。GSI 分子水平研究的開端是Lewis在月見草(Oenotheraorganesis)中分離了與特定S等位基因相關(guān)的蛋白質(zhì)，因此，研究S-蛋白是如何識別自花和異花花粉的假說，主要有單基因和雙基因控制 SI 的兩類假說，但具體區(qū)分的分子機(jī)理還不清楚。單基因假說認(rèn)為，S 位點上的一個基因同時控制花柱和花粉的自交不親和性。雙基因假說認(rèn)為，花粉和雌蕊中分別存在不同S基因控制著 SI。這類假說以S-RNase的細(xì)胞毒素效應(yīng)為基礎(chǔ)，并又可分為兩種模型，即膜受體學(xué)說和胞內(nèi)抑制劑說[6]。膜受體學(xué)說是花粉S-基因產(chǎn)生的膜受體特與S-RNase特異性的結(jié)合。但這種模型很難解釋S-位點基因片斷重復(fù)的花粉自交親和的現(xiàn)象和茄科的二倍體加倍。胞內(nèi)抑制劑說認(rèn)為，花粉S-基因編碼一種特異的胞內(nèi)RNase抑制劑。這種抑制劑抑制除自己的S-等位基因編碼的S-RNase外的其它各種S-RNase 的活性。這種假說可以成功地解釋為什么二倍體花粉是自交親和的。體外核酸酶實驗證明，花粉管吸收S-RNase沒有表現(xiàn)出特異性[7-8]。運用花粉管的免疫組織化學(xué)標(biāo)記方法證明了親和與不親和的花粉管的細(xì)胞質(zhì)中都有 S-RNase 的積累。這為抑制劑假說提供了充分的實驗證據(jù)，但是這種抑制劑為何不對自體核酸酶發(fā)生抑制的機(jī)制卻很難讓人理解。

圖1配子體型和孢子體型自交不親和的作用方式

2生物學(xué)基礎(chǔ)

果樹花粉量的多少和花粉萌發(fā)率的高低直接影響其授粉、受精及坐果。因此，無論引種栽培，還是雜交育種工作，開展各個品種花粉量和生活力的研究都具有重要意義[9]。比較研究發(fā)現(xiàn)杏品種間花粉萌發(fā)率的差異很大，但是所有品種均為花粉可育型，并且大多數(shù)品種不完全花百分率很高，但是不完全花的多少是品種特性，受遺傳因素的支配[10]，因此綜合考慮自然授粉結(jié)實率很低的主要原因是雌蕊敗育。品種間不完全花百分率與花粉萌發(fā)率呈正相關(guān)[11]。但是，王朝鳳研究發(fā)現(xiàn)，花粉管生長長度比花粉萌發(fā)率更能代表花粉的代謝活力，與能否完成受精關(guān)系更為密切[12]，所以以花粉量和花粉管長度聚類分析的結(jié)果作為花粉萌發(fā)特性好壞的依據(jù)。

劉寶敬等[13]對孢子體不親和甘藍(lán)進(jìn)行的研究結(jié)果表明，自交不親和系與親和系的柱頭和花粉氨基酸組分有顯著差異，柱頭中蘇氨酸以及花粉中甘氨酸含量可以作為評價自交不親和性的指標(biāo)。鄭洲的實驗證明，花粉氨基酸組分在自交親和品種系與自交不親和品種系上無顯著差異，而花柱氨基酸的組分與花粉氨基酸組分有所不同，其中自交不親和品種系酪氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸和精氨酸含量明顯高于自交親和品種，含量的水平達(dá)到了差異顯著或極顯著。其原因可能與配子體不親和與孢子體不親和的花粉與花柱的識別不同有關(guān)。孢子體不親和性的識別部位主要在花粉和柱頭，而配子體不親和性的識別部位主要在花柱[14]。

3細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)

馮建榮和鄭洲都認(rèn)為，無論是自交親和還是自交不親和的品種，授粉24小時時，花粉在柱頭上萌發(fā)，二者并無明顯差異，48小時時，自交親和品種已有花粉管進(jìn)入子房， 而自交不親和品種花粉管多數(shù)生長至花柱近中部，未發(fā)現(xiàn)有進(jìn)入子房的。72小時觀察, 可以看到二者有明顯差異，自交親和品種的花柱基部有大量花粉管，許多花粉管已經(jīng)延伸進(jìn)入子房上端, 而自交不親和品種的花柱基部花粉管較少，只有極個別花粉管進(jìn)入子房, 多數(shù)的花粉管則在花柱中下部停止生長，同時有頂端膨大現(xiàn)象，并在授粉后96小時進(jìn)入子房[15]。彭曉莉研究72個授粉組合的花粉管伸長熒光顯微觀察結(jié)果看出，大多數(shù)花粉在授粉24小時后開始萌發(fā)，只有其中的6個組合授粉后96小時到達(dá)花柱基部，其余的均與鄭洲、馮建榮的研究結(jié)果一致。因此認(rèn)為花粉萌發(fā)率和花粉管達(dá)到花柱基部的多是花粉活力較高的品種。授粉組合中坐果率較高的授粉品種，花粉萌發(fā)率高、花粉管到達(dá)花柱基部的速度快，比率大。所以選擇花粉活力高、與母本親和性強(qiáng)的父本是提高坐果率的關(guān)鍵因素[16]。

4分子學(xué)基礎(chǔ)

一般情況下，配置授粉品種時考慮的首要因素是雜交親和力，一方面是因為雜交花朵坐果率30%以上才能夠滿足豐產(chǎn)栽培的要求，另一方面因為雜交坐果率數(shù)據(jù)還可為DNA分子水平上確定品種的S基因型提供依據(jù)。雜交結(jié)實率≤30%，一般認(rèn)為不親和，S基因型有可能相同；若品種間雜交坐果率超過30%，說明兩個S等位基因中至少一個S等位基因不同[17]。

當(dāng)將SI等位基因通過雜交引入自交親和(Self-compatibility,SC)植株時，常發(fā)現(xiàn)還有其它因素影響SI反應(yīng)，這在早期和現(xiàn)在的實驗中都有證實[18-19]。Berantzky 等更進(jìn)一步提出了遺傳證據(jù)，證明僅有 S-RNase 不足以決定雌蕊S表型。將S-RNase轉(zhuǎn)入同種SC植株并未使其獲得S基因特異性花粉拒斥作用，如巴旦水杏的自交不親和就是由于花柱中的S-核酸酶(S-RNase)進(jìn)入花粉管細(xì)胞器，導(dǎo)致自交授粉的花粉管的mRNA和rRNA降解,使細(xì)胞溶解，導(dǎo)致花粉管生長受到抑制[20]。然而當(dāng)S-RNase在SI和SC植株雜交的F1代表達(dá)時，卻可拒斥對應(yīng)的S基因型花粉，顯然存在非S-RNase參與柱頭中的SI反應(yīng)。自交親和Nicotiana sylvestris 品種中殘存的S-RNase 似乎也與此有關(guān)[21]。通過差異性cDNA克隆的方法從煙草花柱中分離到一個 SI 相關(guān)因子即天冬氨酸豐富蛋白HT，反義轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炞C明，降低該蛋白表達(dá)可使植株接受原本不親和的S基因型花粉(McClure et al,1999)[22]。凱特和新世紀(jì)品種的3個S-RNase 基因DNA、RNA(cDNA)片段序列顯示出P.aS8、P.aS9、P.aS10 在C1-C5 保守區(qū)間, 內(nèi)含子長度、堿基排列順序均有差異, 且在高變區(qū)(RHV) 和保守區(qū)(RC4)也有明顯的差異。據(jù)已有研究認(rèn)為S-RNase 基因的高變區(qū)(RHV)在自交不親和反應(yīng)中可能參與花粉S-蛋白的專一性識別[23-25]，而位于高變區(qū)內(nèi)的內(nèi)含子雖然沒有編碼形成S-RNase基因的氨基酸, 但是在雌蕊與花粉S-基因的識別及親和反應(yīng)中是否為多余的“垃圾序列”，或者具有某些尚未闡明的功能[26]。HT的功能還有待進(jìn)一步證實，可能與S-RNase形成復(fù)合物，或者與S-RNase進(jìn)入花粉管有關(guān)。

5小結(jié)與展望

分別從生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)和分子學(xué)角度闡述杏的自交不親和機(jī)制，花粉管的生長長度比花粉萌發(fā)率和完全花的比例更能代表自花坐果率的高低，從馮建榮、鄭洲、彭曉莉試驗研究證明，SC和SI的花粉管在花柱中生長的熒光顯微鏡觀察48小時時已出現(xiàn)差異，72小時時差異明顯，SC的花粉管已進(jìn)入子房上端，而SI則是在花柱中下部停止生長；杏花柱S-RNase 的活性與杏自交不親和性基因有關(guān)，S-RNase 可能是S 基因的產(chǎn)物，其中SC的花柱S-RNase 也出現(xiàn)了兩個帶[27]；對杏還確定了S1～S23 的23個S 基因及70個品種的S 基因型[28]。研究杏的自交不親和機(jī)制為歐洲杏中的自交親和品種和中國杏中的自交不親和品種的雜交育種工作提供理論基礎(chǔ)。

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收稿日期：2016-01-13

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2013BAD02B03-3-3)，山東省農(nóng)業(yè)良種工程。

*通訊作者：薛曉敏( 1979- )，女，河北邯鄲人，助理研究員，主要從事水果育種與栽培等研究工作。

作者簡介：韓雪平(1985- )，女，山東菏澤人，研究實習(xí)員，主要從事核果類的育種工作。Email：hanxuepingrun@163.com

中圖分類號：S662.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-2910(2016)04-0014-04