被子植物心皮及其相關(guān)功能基因研究進(jìn)展

楊 靜，王為然，朱家輝，寧新民，劉志清，孔 杰，阿里甫·艾爾西

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】心皮作為開花植物的重要雌性器官，目前已成為作物生殖發(fā)育研究的熱點(diǎn)。心皮作為被子植物雌蕊發(fā)育的關(guān)鍵，對(duì)于產(chǎn)量性狀的建成極為重要，研究心皮及其發(fā)育過程對(duì)于作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種意義重大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】心皮作為植物界進(jìn)化的產(chǎn)物，是被子植物特有的組織[1-3]，它也是包含胚珠和雌性配子體在內(nèi)的雌性器官[4]，心皮不僅能夠保護(hù)胚珠免受昆蟲或微生物的侵害，也有助于花粉識(shí)別和花粉管的伸長，為植物雌雄配子體的發(fā)育和受精后形成果實(shí)提供了重要場(chǎng)所[2,5]。雖然心皮對(duì)于被子植物的生殖發(fā)育作用重要，但由于其在發(fā)育早期較為隱蔽、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且取樣困難，對(duì)心皮的起始研究進(jìn)展較慢。在1991年，Coen等[6]才提出了心皮是由花發(fā)育ABC模型中C功能基因調(diào)控，后來補(bǔ)充形成的ABCDE模型中進(jìn)一步確定C+E功能基因控制心皮發(fā)育[7-8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，隨著研究的不斷深入，特別是分子生物學(xué)的快速發(fā)展。國內(nèi)外相關(guān)成果的檢索總結(jié)以心皮的起源、作用、發(fā)育過程，心皮的遺傳及激素調(diào)節(jié)、控制心皮發(fā)育的相關(guān)基因的研究進(jìn)展?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過成果梳理，明晰心皮的起源、作用和相關(guān)功能基因的種類，為培育出多心皮、高品質(zhì)種質(zhì)資源提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

查閱收集國內(nèi)外相關(guān)官網(wǎng)(中國知網(wǎng)，web of science)及文獻(xiàn)資料。

1.2 方 法

對(duì)檢索數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理匯總并分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 心皮的起源、作用及發(fā)育過程

2.1.1 心皮的起源

1857年我國植物學(xué)者李善蘭譯英國植物學(xué)家Lindley所著《植物學(xué)原理》一書時(shí)，提出心皮一詞，并將雌蕊的組成部分稱為“心皮”，認(rèn)為心皮是變態(tài)的葉，也是被子植物特有的器官，而雌蕊則是由心皮卷合而成的。心皮的產(chǎn)生被當(dāng)作植物進(jìn)化的重要標(biāo)志，也被作為劃分植物類群的依據(jù)。

心皮的研究始于被子植物，關(guān)于其起源目前有兩種學(xué)說，即心皮學(xué)說和生殖葉學(xué)說[4]。Goethe在1790年提出心皮學(xué)說，認(rèn)為心皮可能是變態(tài)的大孢子葉，它是子房表面或邊緣上著生著胚珠的大孢子葉，通過對(duì)折、邊緣融合而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)[9]，它的演化過程與相關(guān)基因的調(diào)控、誘導(dǎo)等共同作用形成的[5]。Melville在1963年提出了生殖葉學(xué)說，認(rèn)為雌蕊和雄蕊是源于一個(gè)著生于可育枝上名為“生殖葉”的葉狀器官聯(lián)合體，同時(shí)在該聯(lián)合體上分生出兩類小葉片，不育的稱為“苞葉”，可育的稱為小育葉，而后苞葉可以演化成花瓣和花萼，小育葉則形成被子植物的子房壁[10]。在被子植物中，若生育枝上著生兩種性別的器官，被稱為“兩性生殖葉”(圖2A)，而其雌蕊由具雌性可育枝的葉狀器官聯(lián)合體演化而來(圖2B-D)，雄蕊則是由一個(gè)著生于多個(gè)雄性可育分枝的葉狀聯(lián)合體演化而來的(圖2E-G)[11]。這不僅解釋了心皮的由來，也闡述了心皮與各部分花器官發(fā)育演化的相互關(guān)系。圖1,圖2

圖1 心皮學(xué)說示意[5]
Fig. 1 The sketch map of hypotheses for theorigin of the carpel[5]

圖2 生殖葉學(xué)說[11]
Fig. 2 Gonophyll theory[11]

2.1.2 心皮的作用

心皮作為被子植物花發(fā)育中最重要的器官，具有保護(hù)胚珠、接受花粉和引導(dǎo)花粉管生長致使卵細(xì)胞受精的作用[2]。在花粉粒萌發(fā)和生長的階段，心皮則為其自交不親和或內(nèi)部特異不親和機(jī)制提供一個(gè)位點(diǎn)，用以阻止近親繁殖，促進(jìn)后代廣泛雜交，這也將有助于保護(hù)植物進(jìn)化演變的能力。心皮的柱頭獲得花粉粒，可引導(dǎo)花粉管通向心皮組織[1]。

心皮作為新一代孢子體發(fā)生和發(fā)育的場(chǎng)所，同時(shí)也具有保護(hù)和傳播種子的作用[2]。在心皮發(fā)育過程中，構(gòu)成子房的心皮，其內(nèi)壁產(chǎn)生一些隔膜將子房分隔為若干部分，形成不同的心室。當(dāng)心皮展開，彼此以邊緣相接合，全部形成子房壁；心皮向內(nèi)彎入，在子房的中心彼此互相結(jié)合，心皮則部分形成子房壁，部分形成子房內(nèi)隔膜而將子房分隔為數(shù)室。心皮融合在植物發(fā)育過程中有很多好處，其中最重要的是提供一個(gè)花柱通腔，可以為整個(gè)花柱組織和子房提供內(nèi)部交換的地方；另一個(gè)重要的好處是能夠增強(qiáng)花粉管的競爭力，可選擇更強(qiáng)健的父本。除此之外，合生心皮不僅可以保護(hù)較大果實(shí)，在細(xì)胞壁保護(hù)方面減少能量的消耗，也可進(jìn)行更復(fù)雜和有效的種子傳播機(jī)制[12]。

2.1.3 心皮的發(fā)育過程

心皮作為雌蕊中一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)，它通常在花的器官中通過折疊、卷曲形成內(nèi)在的空間，胚珠被包裹在其中發(fā)育。被子植物里雙子葉植物心皮的數(shù)目在2～5，而且多數(shù)都排列在一個(gè)輪生體中[13]。相對(duì)于花芽來說，心皮形成是整個(gè)花器官形成過程中的一個(gè)特殊階段，雌蕊的子房、花柱、柱頭均由其卷合而形成。因此，僅僅從花芽分化來考慮心皮的形成機(jī)制，一是在形成階段上過于籠統(tǒng)，不能精確到具體的時(shí)期與位置；二是對(duì)于心皮分化特別是CMM (carpel marginal meristem)的形成機(jī)制無法深入解析。因此，心皮作為發(fā)生在花發(fā)育組織第四輪器官上的雌蕊群，不僅要了解其參與花發(fā)育事件的具體過程，也要了解其發(fā)育類型對(duì)雌蕊類型的影響。由于心皮數(shù)目及分合情況的不同會(huì)引起雌蕊類型的差異，僅由一心皮所構(gòu)成的雌蕊為單雌蕊，如豌豆、大豆、蠶豆等；由二個(gè)以上的心皮彼此分離，形成的雌蕊是分離的為離生雌蕊，如蓮、草莓、玉蘭等；在植物界中多數(shù)被子植物為這種合生的雌蕊，如番茄、茄、南瓜等。除此之外，心皮有時(shí)由子房直連至柱頭，完全合生成一個(gè)雌蕊；有時(shí)僅子房合生而花柱及柱頭仍為離生；有時(shí)子房及花柱合生而柱頭分離仍為離生；有時(shí)花柱合生而子房卻離生。世界上80%以上的植物類型都是合生心皮，而融合過程發(fā)生在心皮發(fā)育早期，它們均在花中央結(jié)合成一個(gè)單一的雌性組織，來參與花發(fā)育的后期進(jìn)程[14]。心皮發(fā)生和融合階段也是決定心皮數(shù)目的重要時(shí)期[3]。因此，根據(jù)心皮融合的類型，也可初步確定植物生殖器官的演化歷程。在不同類型的植物中，組成雌蕊群的心皮數(shù)不同，而胚珠又是通過胎座沿心皮腹縫線排列而著生于心皮上的，所以不同的心皮類型也會(huì)影響胎座類型發(fā)生變化。

2.2 心皮的遺傳及激素調(diào)節(jié)

2.2.1 心皮數(shù)目的遺傳

在植物的發(fā)育過程中，除了心皮的融合方式會(huì)影響后期花形態(tài)發(fā)育外，心皮數(shù)量差異也會(huì)導(dǎo)致果實(shí)發(fā)育的變化。心皮的數(shù)目可以通過花柱的數(shù)量或者腹縫線數(shù)目來識(shí)別，花柱頭或腹縫線的數(shù)量等于心皮的數(shù)量。在植物雌蕊器官發(fā)育過程中，大多數(shù)植物其心皮數(shù)目受遺傳的控制為主，因此，數(shù)量較為穩(wěn)定。

關(guān)于心皮數(shù)目的遺傳，在油菜中研究較多，但結(jié)果不盡相同。一種研究認(rèn)為，白菜型、芥菜型油菜多室性狀受 1 對(duì)隱性基因控制[15-16]，且多室性狀無胞質(zhì)效應(yīng)[15]；而另一種研究則認(rèn)為，芥菜型油菜多室性狀受 2 對(duì)隱性基因控制[17]，這可能與材料的特殊性有一定關(guān)系。在番茄心皮研究方面，多心室和少心室親本雜交一代的心室數(shù)與雙親平均值比較接近[18]。

在油菜中利用普通油菜2心皮與多心皮油菜進(jìn)行雜交，可獲得穩(wěn)定遺傳的3心皮油菜，3心皮油菜其單株產(chǎn)量顯著髙于2心皮油菜[19]。在番茄[20]、葡萄[21]、黃瓜[22]中，利用人工雜交、基因工程等多種方式，獲得了經(jīng)濟(jì)性狀好的多心皮品種，從而達(dá)到了增大果實(shí)、提高產(chǎn)量的目的。

2.2.2 激素對(duì)心皮的影響

在植物的生長過程中，激素的調(diào)控也會(huì)影響心皮的發(fā)育及其果實(shí)的形成。例如，高濃度的生長素存在于薺菜柱頭，能夠維持心皮中生長素在頂端發(fā)生極性分布，而不同極性的生長素分布則會(huì)共同促進(jìn)了薺菜心皮的形態(tài)建成[23]。當(dāng)薺菜中生長素的側(cè)向運(yùn)輸，能夠在一定程度上促進(jìn)細(xì)胞區(qū)位分裂增加，導(dǎo)致心皮發(fā)生彎曲[24]；若生長素在心皮中的縱向極性運(yùn)輸能力降低，則直接影響心皮長度發(fā)生變化[25]。生長素不僅參與心皮發(fā)育過程，而且在其存在的不同位置會(huì)出現(xiàn)濃度梯度分布，其中薺菜與擬南芥心皮發(fā)育中生長素的極性分布差異就導(dǎo)致了二者心皮形態(tài)的不同[26]。與此同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)，乙烯可促進(jìn)黃瓜心皮的發(fā)育，而ACC氧化酶(ACO)能將ACC轉(zhuǎn)化成乙烯；因此，ACC氧化酶基因通過調(diào)控乙烯的含量參與心皮發(fā)育[27]；并且，ACS11介導(dǎo)產(chǎn)生的乙烯對(duì)于雌雄同株黃瓜心皮發(fā)育都是必需的[28]。同樣，在擬南芥的花發(fā)育到第5個(gè)時(shí)期時(shí)，心皮原基中就可以檢測(cè)到細(xì)胞分裂素的響應(yīng)信號(hào)[29]；在花發(fā)育到第6～7時(shí)期，心皮原基細(xì)胞中ARR類和AHK類等細(xì)胞分裂素響應(yīng)基因高水平表達(dá)[30]。其中擬南芥中的ckx3和ckx5通過調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂素的濃度來調(diào)控花序分生組織的活性，而在雙突變體中細(xì)胞分裂素的濃度升高，心皮數(shù)量則會(huì)增加[31]。因此，植物中較高濃度細(xì)胞分裂素有利于正常發(fā)育的心皮；同時(shí)細(xì)胞分裂素對(duì)心皮的發(fā)育起正向調(diào)控作用，且高濃度的細(xì)胞分裂素可誘導(dǎo)心皮的生長和數(shù)量的增加。

表1 不同類型植物中影響心皮發(fā)育數(shù)量的相關(guān)基因
Table 1 Genes related to carpel development of number in different types of plants

基因來源Gene from plant基因名稱Gene name基因功能Gene function作者Author發(fā)表時(shí)間Publication time擬南芥Arabidopsis thalianaAG作用于CTK,增加心皮數(shù)量Li等[29]2010ckx3和ckx5心皮數(shù)量增加Bartrina等[31]2011AtMIF2/SlIM決定心皮數(shù)量,大小Bollier等[34]2018AP1心皮數(shù)量減少,缺失Roth等[35]2018STM心皮數(shù)量減少或缺失Roth等[35]2018玉米Zea mays LZag1在雌蕊中下調(diào),心皮數(shù)量會(huì)減少Bartlett等[36]2015番茄Lycopersicon esculentum Millerfasciated增加果實(shí)心室數(shù)Cong等[32]2008locule-number增加心皮數(shù)量Mu?os等[33]2011ATMIF2/SlIMA增加心皮數(shù)量Bollier等[34]2018

2.3 控制心皮發(fā)育的相關(guān)基因

2.3.1 調(diào)控心皮數(shù)量的基因

控制心皮數(shù)目的基因最早在番茄中發(fā)現(xiàn)，2008年Cong等首次利用QTL方法從番茄中克隆得到數(shù)量性狀fasciated(FAS)基因，并且主要在番茄花形成期的雄蕊和心皮中表達(dá)，該基因在多心室花芽發(fā)育期的第1個(gè)內(nèi)含子中插入了1段6～8 kb的片段致使FAS基因的表達(dá)量下降，使得果實(shí)中子房心室數(shù)量增多[32]。Munos等利用圖位克隆得到了另外一個(gè)調(diào)控番茄心室數(shù)量的locule-number(lc)基因，該基因位于WUSCHEL(WUS)基因3’末端下游1 080 bp處，長度為1 608 bp。對(duì)于lc基因的分析發(fā)現(xiàn)，其中的2個(gè)SNP的變化能夠影響心室數(shù)的增加，這可能是由于多態(tài)性的數(shù)量性狀核苷酸而引起的[33]。而在含有Pro35S:SlKNU-RNAi基因的植株中，ATMIF2和SlIMA能夠使番茄的心皮數(shù)增至8個(gè)[34]。

擬南芥中的ckx3和ckx5是使得心皮數(shù)增加的兩個(gè)基因[31]，而AG基因則作用于細(xì)胞分裂素的改變來增加心皮[29]，與此同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)部分基因會(huì)導(dǎo)致擬南芥中的花瓣和雄蕊數(shù)目顯著減少，心皮的數(shù)量隨之出現(xiàn)減少和缺失[35]，而AtMIF2/SlIM則能夠影響擬南芥心皮的數(shù)量和大小[34]。在玉米中，同樣發(fā)現(xiàn)了心皮數(shù)量減少的基因Zag1，該基因在雌蕊中主要通過下調(diào)表達(dá)起到減少心皮數(shù)量的作用[36]。表1

圖3 模式植物復(fù)合花器官結(jié)構(gòu)鑒定[40]
Fig. 3 Specification of floral organs by complexesof floral organ identity factors[40]

2.3.2 影響發(fā)育的基因

1990年，Yanofsky等從擬南芥中克隆出具有C類基因功能且唯一的同源異型基因AG，該基因能調(diào)控雄蕊和心皮原基的發(fā)育[37]，這也是較早對(duì)心皮研究的結(jié)果。1991年，提出了花發(fā)育的ABC模型[6]，研究認(rèn)為，心皮發(fā)育受遺傳物質(zhì)的調(diào)控，主要是通過C類功能基因MADSbox中的AGAMOUS(AG)和至少三個(gè)E類功能基因參與心皮發(fā)育的調(diào)控[38-39]；之后經(jīng)補(bǔ)充形成的ABCDE模型，才進(jìn)一步認(rèn)為C+E功能基因控制心皮發(fā)育[7-8]，并且對(duì)ABCDE 模型中不同功能基因?qū)ㄆ鞴俚陌l(fā)育進(jìn)行了詳細(xì)的劃分。圖3,圖4,表2

圖 4 花器官?zèng)Q定的ABCDE 模型[41]
Fig. 4 The ABCDE model of flower organ identity[41]

表2 擬南芥中ABCDE同源基因的分類[41]
Table 2 Classification of ABCDE homologous genes inArabidopsisthaliana

基因類型Gene classes基因成員Gene memberClass AAP1、AP2Class BAP3、PIClass CAG、SPT、CRCClass DSTK(AGL11)、SHP1、SHP2Class ESEP1(AGL2、E1)、SEP2(AGL4、E2)、SEP3(AGL9、E3)、SEP4(AGL3、E4)

3 討 論

近年來，關(guān)于植物心皮的研究發(fā)展較快。相關(guān)研究證實(shí)，大概有80 余種基因與心皮發(fā)育有關(guān)[42]。其中，最為相關(guān)的可以歸結(jié)為兩類，一類主要是植物激素及其相關(guān)調(diào)控基因直接或間接影響了心皮的發(fā)育進(jìn)程，另一類是直接相關(guān)基因的調(diào)控導(dǎo)致了心皮的數(shù)目變異。

以擬南芥為例，ARR類和AHK類基因、AGAMOUS基因、WUS-AG基因、DRNL基因高水平表達(dá)能夠促進(jìn)心皮的發(fā)育[27,30,43, 44]，而KNOX-I、SEP1/2/3/4基因(表2)、AgM、ATMIF2基因則會(huì)調(diào)節(jié)或抑制心皮的發(fā)育[27, 34,41,45]。與此同時(shí)，除發(fā)現(xiàn)的可直接調(diào)控心皮發(fā)育的基因外，也有通過間接作用改變激素濃度，從而起到調(diào)控心皮發(fā)育的作用的相關(guān)基因，可以使心皮形態(tài)發(fā)生變化[24-25]。

在黃瓜中，CsGID1a基因被敲除后將導(dǎo)致果實(shí)心皮和心室異常[28]，而ACC氧化酶(ACO)能將ACC轉(zhuǎn)化成乙烯參與心皮發(fā)育[27]，ACS11介導(dǎo)產(chǎn)生的乙烯對(duì)于雌雄同株黃瓜其心皮發(fā)育同樣非常重要[28]，CUM1則通過特異基因的驅(qū)動(dòng)表達(dá)來促進(jìn)心皮的發(fā)育[22]。

在棉花中，GhMADS3基因在雄蕊和心皮中的表達(dá)水平高，而Gh-MADS13參與了心皮的形成[46-47]；在薺菜中，發(fā)現(xiàn)SPATULA能夠調(diào)控心皮發(fā)育，CRC作為心皮發(fā)育的誘導(dǎo)因子，能夠改變心皮性狀和大小[48]；在矮牽牛中，同屬于C類基因的pMADS3和FBP6 對(duì)心皮發(fā)育起到調(diào)節(jié)作用[49]。此外，在玉米[36]，小麥[50]，葫蘆[28]中也分別找到了調(diào)節(jié)心皮發(fā)育的部分相關(guān)基因。表3

4 結(jié) 論

心皮作為被子植物雌蕊發(fā)育的關(guān)鍵，對(duì)于產(chǎn)量性狀的建成極為重要。但由于其本身在早期發(fā)育的隱蔽性和特殊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，目前其研究所涉及的植物種類較少，且多限于幾種模式植物。花芽分化初始期是心皮數(shù)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，但該時(shí)期的研究極少，在后期的發(fā)育階段中，完整的調(diào)控機(jī)制尚還不明晰，這對(duì)多心皮、高產(chǎn)材料的創(chuàng)制是不利的。未來心皮研究應(yīng)重點(diǎn)圍繞心皮發(fā)育的全過程，從其表觀形態(tài)、激素調(diào)控、基因表達(dá)等方面，盡早明晰調(diào)控心皮數(shù)量和發(fā)育的相關(guān)功能基因，并進(jìn)行克隆驗(yàn)證和遺傳轉(zhuǎn)化，進(jìn)而培育出多心皮、高質(zhì)量種質(zhì)資源。

表3 不同類型植物中影響心皮發(fā)育的相關(guān)基因
Table3 Genes related to carpel development in different types of plants

基因來源Gene from plant基因名稱Gene name功能Gene function作者Author發(fā)表時(shí)間Publication time擬南芥Arabidopsis thalianaARR類和AHK類促進(jìn)心皮的發(fā)育Jiao等[30]2010PIN3促使生長素的側(cè)向運(yùn)輸,造成心皮的彎曲朱占偉[24]2013AGAMOUS促進(jìn)干細(xì)胞向心皮發(fā)育Zhang[43]2014PIN3促使生長素的極性運(yùn)輸改變心皮長度胡清云[25]2014KNOX-I抑制心皮發(fā)育Chen等[27]2016WUS-AG促進(jìn)心皮的發(fā)育Chen等[27]2016SUP和CLV3促進(jìn)心皮原基的發(fā)育Prunet等[44]2017DRNL促進(jìn)心皮原基的發(fā)育Prunet等[44]2017SEP1/2/3/4等控制心皮的發(fā)育孟雨婷等[41]2017ATMIF2調(diào)節(jié)心皮早期發(fā)育Bollier[34]2018AgM調(diào)控心皮及花分生組織的形成和終止Diarmuid等[45]2018矮牽牛Petuniahy bridaVilmpMADS3和FBP6調(diào)控雄蕊和心皮的發(fā)育Morel等[49]2017黃瓜Cucumis sativus LCsGID1a調(diào)控黃瓜心室的發(fā)育Liu等[51]2015ACS11促進(jìn)乙烯產(chǎn)生,有助于心皮的發(fā)育Boualem等[28]2015ACC參與心皮發(fā)育chen等[27]2016CUM1驅(qū)動(dòng)特異基因表達(dá),促進(jìn)心皮發(fā)育Ran等[22]2018薺菜Capsella bursa-pastorisSPATULA調(diào)控心皮發(fā)育Arora等[48]2007CRC形態(tài),大小Arora等[48]2007棉花Gossypium hirsutumGhMADS3調(diào)控雄蕊和心皮的發(fā)育Guo等[46]2007Gh-MADS13參與心皮發(fā)育江蘇城[47]2013玉米Zea mays LSTS1使心皮缺失,次生心皮增加Bartlett等[36]2015Zag1 在雌蕊中下調(diào),使心皮發(fā)育畸形Bartlett等[36]2015gt1基因下調(diào),會(huì)抑制心皮的生長Bartlett等[36]2015小麥Triticum aestivum LWPll和WPIZ調(diào)控小麥心皮的發(fā)育Irish[50]2003葫蘆科CucurbitaceaeCmWIP1抑制心皮的發(fā)育Boualem等[28]2015CMACS11促進(jìn)心皮的發(fā)育Boualem等[28] 2015