擬南芥花粉與花藥發(fā)育相關基因調控的研究進展

賈崇寧， 梁塔娜， 趙 永，2，張艷欣， 李麗麗，溫 琦， 趙慧博， 黃鳳蘭，3，4，5，6*

(1.內蒙古民族大學 生命科學學院， 內蒙古 通遼 028000； 2.東北林業(yè)大學， 黑龍江 哈爾濱 150040； 3.內蒙古自治區(qū)高校蓖麻產業(yè)工程技術研究中心， 內蒙古 通遼 028000；4.內蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點實驗室， 內蒙古 通遼 028000； 5.內蒙古自治區(qū)蓖麻產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新培育中心， 內蒙古 通遼 028000； 6.蓖麻產業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新內蒙古自治區(qū)工程研究中心， 內蒙古 通遼 028000)

擬南芥屬典型的雙子葉十字花科植物，是全球應用最廣泛的模式植物，被科學家譽為“植物中的果蠅”。擬南芥是自花授粉植物，基因高度純合，用理化因素處理易發(fā)生突變，容易獲得不同表現型突變體。模式植物的選擇和利用對于開展基因克隆、遺傳分析和功能研究意義重大，模式植物花粉和花藥生長發(fā)育基因調控的研究是重要的科研內容。對擬南芥花粉及花藥的基因調控探索有助于對植株不育的研究，對基因型作物的雜交育種與提高農作物的產質量具有重要意義[1]。

擬南芥花粉和花藥的生長發(fā)育對其生殖發(fā)育起著至關重要的作用?；ǚ郯l(fā)育是花粉管在柱頭表面生長的關鍵，是植物生殖發(fā)育的決定性因素。花藥生長發(fā)育直接關系到花粉與柱頭的識別?；ǚ酆突ㄋ幍陌l(fā)育異?？捎绊懶坌缘目捎訹2]。擬南芥作為重要的模式植物，研究其花粉和花藥發(fā)育對研究植物的生長發(fā)育具有重要意義。植物的授粉受精是一個復雜且重要的過程，該過程不僅幫助自身繁殖后代，產生的種子也是糧食生產的重要來源。開花植物的花粉和花藥發(fā)育包含了一系列生物學事件，眾多基因參與其中，已有的研究發(fā)現，許多控制脂類、脂蛋白、酶的基因在一定程度上影響花粉和花藥的生長發(fā)育。為其他植物花粉花藥生長發(fā)育的研究提供參考，從花粉萌發(fā)及其突變體小孢子表達、花粉識別及水合、花粉壁的發(fā)育模式、花粉管的生長發(fā)育、藥開裂及花粉粒釋放和花藥的育性等方面對擬南芥花粉和花藥發(fā)育相關基因的調控機制進行概述。

1擬南芥花粉發(fā)育的基因調控

被子植物授粉包括花粉在柱頭相互識別并與其黏附、花粉粒在柱頭表面水合、水合后萌發(fā)出花粉管、花粉管在花柱極性生長，最后進入胚珠?；ǚ酆椭^細胞的識別是花粉生長和萌發(fā)的關鍵，決定花粉在柱頭表面的水合和萌發(fā)以及花粉管在柱頭表面的生長[3]。

1.1花粉萌發(fā)及其突變體小孢子表達

WRKY轉錄因子是植物中的一類轉錄調控因子，對植物生長矮化、激素的合成和花粉活性有一定的影響[4-7]。WRKY18是WRKY蛋白家族第二組成員，WRKY18突變體花粉外形異常，其萌發(fā)率低[8-9]。WRKY18突變體在小孢子形成時期差異表達量開始明顯增加，突變體植株與野生型植株形態(tài)上無顯著差異，但突變體植株結實率較野生型植株結實率低，并且經PCR技術進行檢測突變體植株轉錄因子的表達量也明顯低于野生型。利用掃描電鏡觀察發(fā)現，突變體植株花粉形狀異常，花粉壁凹陷，且突變體植株花粉萌發(fā)率較野生型萌發(fā)率低[9]。

脫落酸(ABA)作為一種植物內源激素，對植物許多的生理過程起著重要作用[10-11]。ABA的濃度對擬南芥的花粉萌發(fā)以及花粉管的生長有一定的影響。通過對ABA合成缺失突變體以及ABA和干旱敏感突變體的研究發(fā)現，擬南芥花粉管中活性氧極性分布受ABA影響，所以擬南芥的花粉萌發(fā)受外源和內源ABA濃度的影響，擬南芥花粉的活力隨著ABA的濃度升高而降低[12-13]。周云等[13]研究發(fā)現，外源ABA對花粉管內H2O2的分布有一定影響，使得花粉管的生長受到抑制。微管(microtubule)作為重要的細胞骨架組分之一，對植物的氣孔關閉、根的生長發(fā)育以及種子萌發(fā)都有影響[14-15]。林坤等[12]研究發(fā)現，微管與ABA一起參與擬南芥的花粉萌發(fā)和花粉管生長。通過對微管結合蛋白Map18研究發(fā)現，Map18過表達植株花粉經ABA培養(yǎng)后，其萌發(fā)率明顯低于相同條件下野生型植株花粉，表明，微管結合蛋白Map18也參與ABA對擬南芥花粉萌發(fā)和花粉管生長調節(jié)[12]。

1.2花粉識別及水合

擬南芥是典型的十字花科干燥柱頭的植物，具有特異性，其表面可主動調控水合，柱頭和花粉相互識別，只有合適的花粉才可以完成水合。對于柱頭表面在水合過程中的作用，推測柱頭表面在水合時發(fā)生狀態(tài)變化從而對液體通透，證明柱頭上花粉水合的特異性[16]。

擬南芥花粉的水合與花粉粒表面和柱頭表面的脂類物質有關，且雄性植株的育性與脂類合成轉運有密切關系[17]。干燥柱頭的植物花粉外被可能同濕柱頭表面一樣富含脂類，幫助花粉水合[18]。擬南芥cer突變體中的花粉柱頭不能水合，與正?；ǚ刍旌鲜诜蹠r花粉可以正常水合[17，19]。在cer突變體中，cer1、cer3和cer6突變體的花粉在試驗內無法水合，表現出高度不育的特點，但突變體花粉在體外試驗或高濕度環(huán)境育性恢復可以發(fā)生水合。cer3突變體植株花粉不能在柱頭萌發(fā)，柱頭形成胼胝質。另有研究表明，含油層脂質的合成(或)轉運可能與cer3有關，并且可為花粉與柱頭之間的識別提供幫助[20]。cer6突變體株系在后期微量添加缺失的C29和C30脂類可使cer6突變體株系育性部分恢復[21]。脂類的合成與轉運對擬南芥的植株育性起重要作用。CHOI等[22]研究發(fā)現，擬南芥ATP結合盒轉運蛋白ABCG9和ABCG31在絨氈層表達，影響花粉壁組分甾醇糖苷的轉運。

花粉內部信號也可影響花粉在柱頭表面的水合過程。趙婷婷[23]研究表明，影響水合的重要因子是活性氧。kinβγ蛋白由4個胱硫醚4個胱硫醚β合酶(CBS)結構域和1個糖原結合結構域構成(硫氧氧化還原蛋白)。kinβγ是糖信號轉導關鍵調控因子SnRK1 comple的調節(jié)亞基。擬南芥kinβγ突變體的花粉不能在柱頭正常水合和萌發(fā)。通過超微結構分析發(fā)現，突變體花粉過氧化物和線粒體的數量減少，結構異常，并且活性氧水平降低，外源添加活性氧可恢復花粉水合，并且在花粉中過表達過氧化氫酶cat3導致花粉的活性氧降低，進而導致花粉在柱頭表面水合的異常[24]。

1.3花粉壁的發(fā)育模式

在擬南芥中，花粉最外層的花粉壁是一層特殊的細胞壁，包括花粉內壁和花粉外壁。花粉壁的特定模式決定花粉表面的結構特征?；ǚ弁獗诒Ｗo小孢子細胞質并決定花粉與柱頭的特異相互識別?；ǚ郾诘陌l(fā)育模式對植株的可育性有重要影響。RPG1/SWEET8是擬南芥中調控花粉壁模式建成的重要基因，RPG1/SWEET8的缺失會導致初生外壁積累異常，孢粉素沉積混亂，小孢子降解，從而影響花粉壁模式的形成，進而導致突變體植株不育[25]。

1.4花粉管的生長發(fā)育

擬南芥花粉管在花柱中生長是其進入胚珠的前提，雄配子的基因可以調控花粉管與柱頭的相互識別作用[26]。干燥柱頭表面具有被角質層覆蓋的乳突細胞，允許水和大分子物質通過。乳突細胞由內壁和外壁組成，花粉釋放某些物質分解乳突細胞壁中的纖維素和半纖維素，隨即產生信息交流的物質交換，完成花粉管的萌發(fā)[27]。

擬南芥中囊泡分選蛋白VPS41 的缺失會導致花粉管無法穿透引導組織而導致敗育，植株花粉管中第二階段的內吞作用嚴重受阻，表明分選蛋白VPS41第二階段的內吞途徑對調控花粉管在柱頭生長有重要作用[28]。內吞作用通過質膜的變形流動將胞外物質、膜蛋白以及脂類運送到細胞內，參與調控植物信號引導從而影響植物的生長發(fā)育。同樣，作為雄配子體中的基因OBL1也可以調控花粉管與柱頭之間的作用。擬南芥花粉管中含有脂滴，其可以儲存三酰甘油(TAG)；NtOBL1和AtOBL1是作為TAG潛在的脂酶，通過對AtOBL1突變體的研究發(fā)現，擬南芥中OBL1作為脂酶通過分解三酰甘油調控花粉管在引導組織中的極性生長[29]。

擬南芥DG1定位于花粉管的亞頂端細胞質及質膜，其基因編碼蛋白屬銜接蛋白類似物。曹夢醒[30]研究發(fā)現，網格蛋白的內吞作用與DG1有關；降低DG1的表達不影響花粉的體外萌發(fā)，通過雌性激素的處理，花粉仍可以在柱頭表面萌發(fā)，花粉管也可在乳突細胞表面正常生長，但是花粉管卻不能正常進入引導組織。

2擬南芥花藥發(fā)育的基因調控

擬南芥的花藥發(fā)育可劃分為4個階段，包括花藥原基細胞分化為花藥組織、小孢子母細胞減數分裂形成小孢子四分體、小孢子發(fā)育為花粉粒和花藥室開裂?；ㄋ幧L發(fā)育直接關系到花粉與柱頭的識別，花藥和花粉發(fā)育異常可影響雄性的可育性，體細胞、花藥形態(tài)與生殖細胞的發(fā)育、花粉發(fā)育、花粉粒的功能、小孢子發(fā)生及花藥的開裂等因素均可導致雄性不育[2]。

2.1花藥開裂及花粉粒釋放

花藥開裂涉及細胞的分化和退化以及花藥水分狀態(tài)和結構的變化，花藥正常開裂是花粉與柱頭相互識別的前提，藥室內壁加厚是花藥開裂的關鍵，藥室內壁的次生加厚為花藥開裂提供動力。研究發(fā)現，擬南芥MYB26基因對花藥內室厚度發(fā)育和開裂起關鍵作用。MYB26突變體的藥室內壁不能擴張、皮層不能木質化增厚，導致藥室內壁無法正常開裂。MYB26基因通過調控一系列與次生增厚的相關基因間接調控花藥的發(fā)育。此外，MYB26基因也可以調節(jié)NST1和NST2的表達，進而控制二次增厚的過程[31]。有研究表明，NST1和NST2突變體無法使藥室內壁次生加厚導致花藥不開裂，與MYB26突變體表現型類似。MYB26在花藥內細胞發(fā)育中起重要作用，并在木質素生物合成途徑的上游發(fā)揮作用[32]。MS1142植株突變體因其莢果短小萎縮，無法形成種子，外壁形成異常導致雄性植株不育[33]。MS1521基因通過調控擬南芥花藥壁內層細胞纖維化，無法為藥室開裂提供動力，導致其無法開裂，植株不結種子[31，34]。MS1521的突變也可能導致蛋白水解，通過另一種途徑影響花藥開裂[35]。

RUS4屬于擬南芥DUF647蛋白家族，沉默RUS4基因會導致擬南芥的育性下降?；ㄋ師o法正常開裂是RUS4基因沉默突變體(RUS4-amiRNA)育性下降的主要原因。qRT-PCR分析表明，NST1/NST2、MYB103/MYB85基因在RUS4-amiRNA花蕾中的表達明顯降低。RUS4基因的表達可能會影響藥室內壁次生加厚，通過間接激活轉錄因子基因MYB103和MYB85的表達從而影響次生壁合成過程。纖維素合成酶irx1、irx3、irx5以及轉移酶irx8在RUS4-amiRNA花蕾中的表達出現相似程度降低[36]。纖維素合成酶基因(IRXs)在NST1和NST2突變體中表達降低，導致藥室內壁不能加厚，花藥無法開裂[37]。

2.2花藥的育性

茉莉酮酸(JA)廣泛存在于多種植物中，調控多種生理過程。有研究表明，JA不能正常合成或JA信號轉導受阻的擬南芥突變體會導致花粉不能正常發(fā)育和花藥開裂延遲，影響擬南芥的可育性[38]。擬南芥CBSX2突變體表現為藥室內壁加厚，花藥開裂提前，過表達CBSX2導致花藥開裂失敗。對突變體施用外源JA可以使部分過表達CBSX2植株恢復育性。CBSX2通過對葉綠體中的硫氧化蛋白的調節(jié)，影響H2O2水平，從而參與次生加厚的表達[39]。DDE1和OPR3型突變體缺失編碼JA合成過程中一種酶opr 的基因，表現為雄性不育特征，施用外源JA可使花粉恢復育性[40-41]。JA合成受阻影響內層細胞和結締組織細胞的脫水過程，導致花藥不能開裂。DAD1和DDE2-2突變體均表現為花粉不育和花藥開裂延遲，外源噴施MeJA可恢復育性[35，42]?；ǚ郯l(fā)育和花藥開裂對擬南芥的可育性有重要影響，已有研究表明，JA可能同時調控花粉粒的成熟和花藥開裂2個獨立的過程。缺失合成過程中JA的某一種關鍵酶的擬南芥突變體均表現為雄性不育[38]。

NAC轉錄因子是植物特有的一類轉錄調控因子，對植物的生長發(fā)育、激素的調控以及信號轉導有重要影響[43-46]。最早在擬南芥中發(fā)現ANAC092參與乙烯和激素信號途徑[47]?，F有研究發(fā)現，ANAC092可能參與花藥的發(fā)育，ANAC092在花藥發(fā)育關鍵基因的突變體spl/nzz和ems/exs中表達量下降，但未發(fā)現花粉異常表型[48]。為排除NAC家族基因冗余影響，對過表達ANAC092轉基因植株發(fā)現其花粉活性沒有改變，但花粉數量減少，花粉粒長度增加[49]。

3小結與展望

擬南芥花粉形成和花藥發(fā)育是一個復雜的、連續(xù)的生物學過程，花粉發(fā)育經歷細胞減數分裂、絨氈層退化、花粉有絲分裂、藥室內壁及裂口組織分化，花粉成熟后最后花藥開裂釋放出成熟花粉粒。各個關鍵步驟彼此獨立又緊密聯系，每個過程受一系列基因的精細調控，有關此過程的基因發(fā)生突變均可能影響花粉和花藥的育性。模式植物擬南芥基因組的深入研究有利于人們開展遺產和基因等方面試驗。由于擬南芥基因組和其他植物基因組的同源性，研究其基因組可對改善作物品質、農作物抗逆性和環(huán)境保護等領域做出重要貢獻。擬南芥花粉及花藥的發(fā)育對雄性植物的育性影響巨大，花粉及花藥的發(fā)育異常會導致雄性不育[49-50]，繼續(xù)對擬南芥花粉及花藥的調控基因組進行研究可為對處理雄性不育體植株提供途徑。

盡管擬南芥的基因已經實現全序列分析，但是對于許多細節(jié)還有待進一步研究。對于擬南芥可育性、花粉形成和花藥發(fā)育的調控基因還需進一步鑒定。調控擬南芥花粉、花藥發(fā)育的基因眾多，但已被確認的基因卻相對較少。對于擬南芥花粉和花藥發(fā)育的網絡機制，仍有較多未知領域需要進一步探索。隨著基因編輯等技術的應用，越來越多的基因生物學功能將被揭示。