高溫對植物減數(shù)分裂過程的影響

周巧玲　郭恒琳　勾曉婉

摘要 由于全球氣候變暖，高溫天氣變得更加頻繁，導(dǎo)致溫度變化敏感的作物產(chǎn)量大幅度下降。植物減數(shù)分裂過程對溫度變化更為敏感，僅次于開花期。減數(shù)分裂期間的高溫可能導(dǎo)致粗線期染色體配對中斷、紡錘體形成有缺陷、交叉頻率下降等，最終導(dǎo)致植物的育性下降。因此，研究極端溫度對作物的影響至關(guān)重要，將有助于培育作物的抗逆性?；诖?，主要綜述了植物減數(shù)分裂期間高溫造成的同源染色體配對缺陷、激素水平以及絨氈層發(fā)育等異常情況，以期進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的研究。

關(guān)鍵詞 熱脅迫;減數(shù)分裂;小孢子母細(xì)胞

中圖分類號：Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）11–0071–03

氣候變化日益嚴(yán)重已經(jīng)給世界范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了重大影響，高溫導(dǎo)致產(chǎn)量嚴(yán)重下降，給未來的全球糧食安全帶來極大風(fēng)險(xiǎn)[1]。不斷增長的糧食需求和全球氣候變化造成的嚴(yán)重農(nóng)作物損失，迫切需要制定戰(zhàn)略，大幅度改善糧食供應(yīng)。作為固著生物，植物經(jīng)常受到干旱、寒冷、鹽分和高溫等環(huán)境因素的影響，這些因素都會(huì)顯著影響植物的繁殖和受精過程。盡管栽培作物廣泛適應(yīng)世界上多個(gè)地區(qū)的生長環(huán)境，但一些發(fā)育階段對環(huán)境脅迫非常敏感，特別是花藥和花粉發(fā)育期間的溫度波動(dòng)[2-3]。而在花藥發(fā)育中一個(gè)至關(guān)重要的過程為減數(shù)分裂。

減數(shù)分裂是一種特殊類型的細(xì)胞分裂，在植物中發(fā)生在小孢子母細(xì)胞和大孢子母細(xì)胞中，產(chǎn)生倍性減半的配子。在減數(shù)分裂的早期，同源染色體中非姐妹染色單體的交叉互換實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)遺傳信息的交換。減數(shù)分裂重組在后代中產(chǎn)生新的遺傳等位基因組合，可以在群體中自然選擇，保護(hù)同源染色體的平衡分離，這對產(chǎn)生活配子和生育能力至關(guān)重要。

植物的雄配子減數(shù)分裂對環(huán)境溫度的變化十分敏感。由于受到全球變暖的影響，溫度逐年上升，當(dāng)溫度超過植物生長的最適宜溫度時(shí)，會(huì)顯著影響植物的育性，因此大量的研究集中在高溫對小孢子母細(xì)胞的影響。

1 高溫對減數(shù)分裂過程的影響

1.1 聯(lián)會(huì)復(fù)合體、聯(lián)會(huì)、交叉互換、同源染色體配對缺陷

由于同源染色體的配對和聯(lián)會(huì)依賴于染色體軸和聯(lián)會(huì)復(fù)合體（synapto-nemal complex，SC）的正確結(jié)構(gòu)，而高溫會(huì)干擾染色體結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)單價(jià)體的形成，從而破壞減數(shù)分裂過程。在大多數(shù)有性繁殖的真核生物減數(shù)分裂過程中，遺傳交叉（crossover，CO）的形成對染色體的準(zhǔn)確分離至關(guān)重要。通常28℃為擬南芥可育的閾值溫度，而37℃高溫處理下的同源四倍體擬南芥，觀察到偶線期的染色體橋狀結(jié)構(gòu)和粗線期受損的染色體配對和聯(lián)會(huì)，表明高溫誘導(dǎo)了染色體的異常相互作用，干擾了同源聯(lián)會(huì)。另外，溫度升高可通過調(diào)節(jié)擬南芥Ι型CO的形成而影響減數(shù)分裂的重組速率，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)擬南芥中參與I型CO形成途徑的HEI10豐度在熱脅迫下降低，導(dǎo)致染色體在后期I和四分體階段不均等分離。Lei等[4]也發(fā)現(xiàn)了高溫對染色體配對過程的破壞作用。在未經(jīng)過高溫處理的擬南芥對照組，在終變期觀察到5對同源染色體配對的二價(jià)體，而36℃～38℃熱脅迫處理的擬南芥出現(xiàn)10個(gè)單價(jià)體，并且導(dǎo)致減數(shù)分裂后期Ι同源染色體不平衡分離。此外，在減Ι后期觀察到著絲粒位點(diǎn)數(shù)目超過10個(gè)，表明姐妹染色單體之間的凝結(jié)力缺失，造成染色單體過早分離。這些結(jié)果表明：熱脅迫干擾了雄性減數(shù)分裂的染色體動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致染色體分離不平衡。

在擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)了CDKG1/CyclINL復(fù)合體在雄性減數(shù)分裂的聯(lián)會(huì)和重組過程中必不可少。在cdkg1-1純合子突變體中觀察到不完全聯(lián)會(huì)和不正常的二價(jià)體和單價(jià)體數(shù)目，說明cdkg1的缺失會(huì)影響聯(lián)會(huì)和染色體分離。同時(shí)，CDKG影響CO頻率，CDKG活性的下降揭示了一種雄配子特有、對溫度敏感的影響CO頻率的途徑。除此之外，在所有真核生物中，RAD51對減數(shù)分裂過程中的DNA重組是必不可少的，而擬南芥中的Atrad51C缺陷會(huì)導(dǎo)致四分體發(fā)育成大小不一的異常小孢子。這些小孢子繼續(xù)分化將成為大小不規(guī)則的花粉粒。在擬南芥突變體spo11中也發(fā)現(xiàn)了類似的不規(guī)則花粉粒。

減數(shù)分裂過程中DNA雙鏈斷裂（double-strand breaks，DSBs）的形成在高溫下也受到抑制。在多個(gè)物種中，ATM （全稱ATAXIA TELANGIECTASIA MUTATED）的活性與DSBs豐度呈負(fù)相關(guān)。它在感知DNA損傷和隨后引發(fā)DSBs修復(fù)事件方面的功能十分保守。擬南芥最近的一份報(bào)告表明，ATM通過限制SPO11-1在染色質(zhì)上的積累來限制DSBs的形成，而Atm突變體增加了SPO11-1的數(shù)量。先前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在熱脅迫的二倍體擬南芥中ATM的表達(dá)上調(diào)，因此高溫可能通過激活A(yù)TM干擾DSBs的形成，并伴隨著單價(jià)體的誘導(dǎo)。熱脅迫還破壞染色體上ASY1和ASY4（軸相關(guān)蛋白）的穩(wěn)定性，從而影響染色體軸的形成。高溫通過使ASY4介導(dǎo)的軸的穩(wěn)定性受損，破壞與ASY1相關(guān)的聯(lián)會(huì)復(fù)合體的穩(wěn)定性，在同源四倍體擬南芥中，熱脅迫破壞了聯(lián)會(huì)復(fù)合體中依賴ZYP1的橫向細(xì)絲的構(gòu)建。Higgins等[5]對大麥的研究表明：高于35℃的高溫導(dǎo)致CO形成迅速減少，30℃時(shí)平均每個(gè)花粉母細(xì)胞中的CO頻率從14.8下降到13.5。因此，認(rèn)為CO的減少與CO分布的改變在某種程度上是相關(guān)的。

1.2 激素水平異常

赤霉素（GAs）、生長素（IAA）和乙烯（Ethylene）等植物激素在花粉發(fā)育過程中起著重要作用。有研究表明，它們參與了高溫中雄性生殖細(xì)胞的保護(hù)。生長素在花粉發(fā)育的早期和晚期產(chǎn)生，調(diào)節(jié)小孢子有絲分裂、花絲伸長、花粉成熟和花藥開裂。在長期接觸高溫的大麥花藥中，生長素濃度的下降可能是導(dǎo)致花粉敗育和不育的主要因素。乙烯水平的下降增強(qiáng)了番茄小孢子對中等高溫的敏感性。

激素在花粉發(fā)育方面起著重要的作用，過量的脫落酸（ABA）和低水平的IAA及細(xì)胞分裂素（CTK）可能會(huì)導(dǎo)致育性下降或花粉不育。對水稻的研究發(fā)現(xiàn)高溫明顯使粒重下降，高溫引起了幼穗中IAA、玉米素（Z）和玉米素核苷（ZR）的減少，ABA含量的增加。耐熱品種在高溫下受精結(jié)實(shí)較好，檢測發(fā)現(xiàn)其幼穗中存在較高的IAA、Z+ZR和游離多胺含量，較低的ABA含量和高表達(dá)的氧化還原調(diào)控相關(guān)的蛋白有密切關(guān)系。

1.3 絨氈層、紡錘體、胞質(zhì)、花藥壁等形成異常

胼胝質(zhì)（1，3-b-葡聚糖）是小孢子母細(xì)胞的特殊細(xì)胞壁，在小孢子細(xì)胞壁的形成中起到重要作用。Filomena等[6]發(fā)現(xiàn)，番茄在36℃/26℃（日間/夜間）下生長3 d后，孢子體和配子體組織發(fā)生了顯著的變化。由于絨氈層分泌酶將小孢子從四分體壁中釋放出來，在小孢子發(fā)育過程中作為營養(yǎng)來源，因此熱脅迫誘導(dǎo)的絨氈層缺陷可能強(qiáng)烈影響雄配子發(fā)生的進(jìn)程，從而影響小孢子細(xì)胞的正確形成。在熱脅迫大麥花藥中，減數(shù)分裂特異基因Asy1和花藥脂轉(zhuǎn)移蛋白（LTP）編碼基因過早激活，LTP通常在退化前的成熟絨氈層細(xì)胞中高表達(dá)。由此推測，高溫加速了花藥早期發(fā)育進(jìn)程，如花粉母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂、花藥壁細(xì)胞增殖受阻和細(xì)胞降解。在矮牽牛的PCF細(xì)胞質(zhì)雄性不育系中，也觀察到類似的早熟絨氈層退化。在CMS甜菜中，LTP的表達(dá)受到強(qiáng)烈抑制。這些事件可能是高溫導(dǎo)致花粉敗育和雄性不育的原因。

在雙子葉植物和單子葉植物中，低溫主要通過干擾胞苷膜的形成，影響胞質(zhì)分裂，從而誘導(dǎo)減數(shù)分裂恢復(fù)和未減數(shù)配子的形成。相比之下，高溫條件下染色體動(dòng)力學(xué)和胞質(zhì)分裂都容易受到影響，尤其是減數(shù)分裂重組對熱應(yīng)激的反應(yīng)更復(fù)雜。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熱處理后，同源四倍體擬南芥中期Ⅰ微管陣列沒有顯示典型的紡錘體構(gòu)型而是它與隨機(jī)分布的單價(jià)染色體結(jié)合起來，同源染色體在減數(shù)分裂時(shí)分離不平衡，導(dǎo)致不規(guī)則的成膜體形成。中期Ⅱ觀察到紡錘體斷裂現(xiàn)象。這樣的改變導(dǎo)致相鄰細(xì)胞核之間產(chǎn)生不平衡的四分體和多聚體。Lei等[4]也觀察到一個(gè)孢子內(nèi)多個(gè)大小不一的核和多分體的出現(xiàn)，表明染色體分離不平衡。在中期Ⅰ，還觀察到不規(guī)則的紡錘體，微管豐度下降，染色體由線形微管連接，這表明熱脅迫嚴(yán)重?fù)p害了減數(shù)分裂Ι紡錘體的穩(wěn)定性。同時(shí)，微管纖維明顯降低說明成膜細(xì)胞的穩(wěn)定性也受到了影響。這些結(jié)果表明，高溫脅迫對雄性減數(shù)分裂過程中的微管細(xì)胞骨架有顯著的影響。

高溫還影響到花藥壁的發(fā)育。在突變體wda1中，花藥壁發(fā)育時(shí)沒有角質(zhì)層，而且在四分體時(shí)期，小孢子母細(xì)胞不會(huì)被花粉壁外壁覆蓋，從而導(dǎo)致敗育。結(jié)果表明：在花藥表皮細(xì)胞層，Wda1直接參與蠟質(zhì)合成，間接參與花粉被的形成。

1.4 其他異常現(xiàn)象

大量研究表明，熱應(yīng)激轉(zhuǎn)錄因子（Hsfs）和熱休克蛋白（HSPs）是響應(yīng)高溫脅迫的分子機(jī)制中的關(guān)鍵成分。與營養(yǎng)組織相比，雄性生殖細(xì)胞在發(fā)育過程中的高溫敏感性通常被歸因于花粉粒啟動(dòng)熱應(yīng)激反應(yīng)能力較弱，從而產(chǎn)生少量的熱休克蛋白。然而，這一假說可能只適用于成熟花粉，因?yàn)椴煌难芯堪l(fā)現(xiàn)HSPs在發(fā)育中的花藥和高溫中的花粉粒中高表達(dá)。熱休克蛋白作為分子伴侶，通常與高溫后形成的變性蛋白結(jié)合，避免它們出現(xiàn)錯(cuò)誤折疊、聚集或過早清除的情況，并使其能夠重折疊和恢復(fù)天然構(gòu)象。

Min等[7]在研究棉花中發(fā)現(xiàn)H05的花藥在高溫下蔗糖向葡萄糖和果糖的轉(zhuǎn)化存在缺陷，導(dǎo)致蔗糖積累，激活淀粉合成途徑，進(jìn)而影響花藥下沉強(qiáng)度。在H05的花藥中，高溫誘導(dǎo)的GhCKI表達(dá)較早且更為顯著，高濃度的GhCKI抑制了淀粉合成酶的活性，降低了花藥發(fā)育過程中淀粉和GLC的含量。GLC或可溶性糖可能通過PIF蛋白調(diào)節(jié)生長素的生物合成，PIF蛋白可能正向調(diào)節(jié)高溫下HT敏感品系H05的花藥中生長素的生物合成。另一種可能性是GhCKI直接磷酸化GhPIF蛋白，調(diào)節(jié)植物激素生物合成基因，最終導(dǎo)致H05的花藥敗育。植物SnRKs（尤其是SnRK1）可以補(bǔ)充酵母蔗糖非發(fā)酵1（Snf1）突變體的功能，促進(jìn)淀粉合成。SnRK1的沉默導(dǎo)致花粉中淀粉的異常積累和大麥的雄性不育。

2 結(jié)束語

本研究綜述了植物減數(shù)分裂期間溫度的脅迫作用，包括同源染色體配對缺陷、激素水平異常、絨氈層發(fā)育異常等。高溫導(dǎo)致花藥早期發(fā)育程序和生命周期的過早進(jìn)展，一系列基因，包括減數(shù)分裂特異的基因ASY1和花藥特異的LTPS在高溫中過早上調(diào)?；ㄋ幖?xì)胞的發(fā)育和分化，包括細(xì)胞譜系和細(xì)胞命運(yùn)的確定，都是有良好調(diào)控的程序。造孢細(xì)胞分化為小孢子母細(xì)胞，進(jìn)入減數(shù)分裂。此外，在花粉成熟和花藥壁開裂的過程中，花藥壁細(xì)胞的4個(gè)分位層（表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層細(xì)胞）依次退化，排除成熟花粉。這一降解過程由程序性細(xì)胞死亡控制，因此高溫可能通過影響調(diào)控程序性死亡過程的基因，加速花藥死亡，以保存自身能量，維持正常的新陳代謝功能。由于減數(shù)分裂過程受到多條路徑的交叉調(diào)控，如激素水平。因此，關(guān)于極端溫度對作物的影響，只關(guān)注減數(shù)分裂過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需從多個(gè)方面出發(fā)，綜合考量溫度對作物生長和產(chǎn)量的影響。

有研究推測，到2060年不利天氣頻率可能會(huì)大幅度增加，導(dǎo)致作物歉收更加頻繁。如果目前的氣候趨勢持續(xù)下去，對耐熱作物的培育變得越來越重要，仍需科研工作者進(jìn)一步努力。

參考文獻(xiàn)

[1] Jens H C， Ole B C. A summary of the PRUDENCE model projections of changes in European climate by the end of this century[J]. Climatic Change， 2007， 81（1）： 7-30.

[2] Warrag M O A， Hall A E. Reproductive responses of cowpea [Vigna unguiculata （L.） Walp.] to heat stress. II. Responses to night air temperature[J]. Field Crops Research， 1984， 8（1）： 17-33.

[3] H Chris Wien， Victor A Monterroso. Flower and pod abscission due to heat stress in beans[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 1990， 115（4）： 631-634.

[4] Lei X N， Ning Y J， Eid E I， et al. Heat stress interferes with chromosome segregation and cytokinesis during male meiosis in Arabidopsis thaliana[J]. Plant Signaling & Behavior， 2020， 15（5）： 1746985.

[5] Higgins J D， Osman K， Jones G H， et al. Factors underlying restricted crossover localization in barley meiosis [J]. Annual review of genetics， 2014， 48（1）： 29-47.

[6] Filomena G， Mieke W A， Celestina M， et al. Ensuring reproduction at high temperatures： The heat stress response during anther and pollen development[J]. Plants， 2013， 2（3）： 489-506.

[7] Min L， Li Y Y， Hu Q， et al. Sugar and auxin signaling pathways respond to high-temperature stress during anther development as revealed by transcript profiling analysis in cotton[J]. Plant Physiology， 2014， 164（3）： 1293-1308.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Effects of High Temperature on Meiosis of Plants

ZHOU Qiao-ling et al（Institute of Integr-ated Plant Biology，? School of Life Sciences， Jiangsu Normal University， Xuzhou， Jiangsu 221116）

Abstract As a result of global warming， hot weather has become more frequent， leading to a significant decline in the yield of temperature-sensitive crops. The meiosis process is more sensitive to temperature changes， second only to flowering. High temperature during meiosis may lead to chromosome pairing interruption， defective spindle formation， decreased crossover frequency， etc.， and ultimately lead to decreased fertility of plants. Therefore， studying the effects of extreme temperatures on crops is crucial and will help to foster stress resistance in crops. Based on this， this paper reviews the abnormal homologous chromosome pairing defects， hormone levels and tapetum development caused by high temperature during meiosis in order to further promote the research in related fields.

Key words Heat stress; Meiosis; Microspore mother cell

基金項(xiàng)目 江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（201910320052Z）;江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20190996）;江蘇師范大學(xué)博士學(xué)位教師科研支持項(xiàng)目（18XLRX033）;江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYCX21_2606）。

作者簡介 周巧玲（2001—），女，湖南衡陽人，主要從事植物細(xì)胞遺傳學(xué)研究。#通信作者：勾曉婉（1988—），女，黑龍江甘南人，講師，主要從事植物細(xì)胞遺傳學(xué)及進(jìn)化研究，E-mail：gouxw@jsnu.edu.cn。

收稿日期 2021-08-21