植物柱頭外露性狀研究進(jìn)展

王潔，王婧，孟秋峰，黃蕓萍，任錫亮，高天一，安學(xué)君

（1.寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江，315040；2.安徽省種子管理總站）

柱頭能夠捕獲花粉，促進(jìn)花粉萌發(fā)，花粉管極性生長(zhǎng)通過(guò)柱頭上的乳突細(xì)胞，穿過(guò)花柱進(jìn)入胚囊，最終完成雌雄配子的融合。由此可見(jiàn)，柱頭在被子植物授粉受精過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。

1 植物柱頭的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 植物柱頭的結(jié)構(gòu)

柱頭位于雌蕊的頂端，從花柱上部延伸，是第一個(gè)與花粉細(xì)胞相互作用的雌蕊組織，能接受親和的花粉，排斥異質(zhì)或不親和的花粉。不同植物的柱頭形狀差異很大，有的細(xì)長(zhǎng)、有的球形、有的呈羽狀等[1]。柱頭通常分裂成裂片或類似于針的頭部或成一個(gè)點(diǎn)，其最外層一般是薄薄的蛋白質(zhì)和蠟質(zhì)，最外層下面是富含纖維的細(xì)胞壁[2]。

柱頭常常有特殊的表面，一般根據(jù)表面形態(tài)可分為干柱頭和濕柱頭。干柱頭表面干燥，柱頭表皮細(xì)胞不能產(chǎn)生分泌物或僅有少量分泌物，表面細(xì)胞可以分化形成突起的乳突細(xì)胞。不同種類植物乳突細(xì)胞突起程度存在一定差異，乳突細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)一般比較少，常常含有大液泡，細(xì)胞壁存在分層，如蠅子草等；也有一些植物的柱頭表面沒(méi)有乳突細(xì)胞，如眼子菜、莎草等。擬南芥、油菜、水稻、玉米、小麥等都屬于干柱頭物種[3]。

濕柱頭物種柱頭表皮細(xì)胞能夠產(chǎn)生柱頭分泌物，并通過(guò)細(xì)胞壁穿過(guò)角質(zhì)膜的裂縫運(yùn)輸?shù)街^表面，分泌物富含多種蛋白質(zhì)、多糖、脂類、酚類化合物和植物色素。有些植物的乳突細(xì)胞在傳粉前解體，而另一些植物柱頭分泌功能一直延續(xù)到傳粉后很久。濕柱頭的柱頭細(xì)胞均具有腺細(xì)胞的特征，含有大量的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及小泡，細(xì)胞質(zhì)比較濃厚。煙草、矮牽牛、百合等都屬于濕柱頭物種[4]。

1.2 植物柱頭的功能

①粘附花粉 柱頭細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)膜是親水的，可以通過(guò)角質(zhì)膜的裂縫進(jìn)行吸水，從而起到粘附花粉的作用。由于表面存在黏性分泌物，濕柱頭基本可以粘附所有落在柱頭上的花粉，而干柱頭粘附花粉的機(jī)理則比較復(fù)雜。不同種類植物柱頭表面粘附花粉的機(jī)理差異也比較大，目前研究最多、最透徹的主要有十字花科的擬南芥和蕓薹屬作物。Edlund 等[5]研究認(rèn)為，擬南芥柱頭粘附花粉主要靠柱頭與花粉外壁之間的生物化學(xué)或者生物物理反應(yīng)；而Swanson 等[6]則認(rèn)為，這一過(guò)程主要依賴于花粉外壁的脂類和蛋白質(zhì)流到柱頭表面而形成的“foot”。對(duì)蕓薹屬植物的研究發(fā)現(xiàn)，與SI 位點(diǎn)相關(guān)的2 個(gè)柱頭表皮蛋白SLR 和SLG 在柱頭粘附花粉的過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用[7]。

②促進(jìn)花粉水合和萌發(fā) 柱頭是植物各器官或組織中唯一的水分可滲透位點(diǎn)，因而可以參與花粉的水合過(guò)程。濕柱頭表面的可流動(dòng)性分泌物可以將落在上面的花粉包圍并提供水分，這種水合過(guò)程并不特異。而干柱頭會(huì)對(duì)落到柱頭上的花粉進(jìn)行識(shí)別和篩選，并主動(dòng)調(diào)控花粉的水合過(guò)程，只有親和的花粉才能順利完成水合過(guò)程[8]。此外，柱頭表面的蛋白質(zhì)表層在花粉萌發(fā)及花粉管的伸長(zhǎng)過(guò)程中也發(fā)揮重要作用。

2 植物柱頭外露研究

柱頭外露作為提高作物異交結(jié)實(shí)率的重要性狀，在雜種優(yōu)勢(shì)利用中得到了廣泛的應(yīng)用。許多研究者對(duì)柱頭外露性狀開(kāi)展了大量研究，水稻、番茄等作物都轉(zhuǎn)育出了柱頭外露品種。

2.1 水稻

增加水稻的柱頭長(zhǎng)度可以提高柱頭外露率，增加異交結(jié)實(shí)率，進(jìn)而增加雜交稻的制種產(chǎn)量。李陶等[9]選用8 個(gè)秈型親本雜交，并在開(kāi)花時(shí)調(diào)查柱頭外露率和柱頭長(zhǎng)寬及角度等花器形態(tài)學(xué)特征。結(jié)果表明，水稻柱頭外露率受柱頭長(zhǎng)、柱頭角度、粒長(zhǎng)、子房長(zhǎng)的影響，并達(dá)到顯著水平。賀立偉等[10]調(diào)查了水稻不同品種的不育系材料柱頭外露與花器性狀的關(guān)系，并進(jìn)行了相關(guān)性和通徑分析，研究結(jié)果表明，柱頭跨度、穎花長(zhǎng)、穎花長(zhǎng)寬比和子房長(zhǎng)都可以明顯提高柱頭外露率，2 枚柱頭的間距也對(duì)柱頭外露率有顯著影響，柱頭長(zhǎng)度和外露長(zhǎng)度隨著柱頭間距增加而增大。這些研究結(jié)果表明，水稻花器發(fā)育能夠影響柱頭外露。目前，高柱頭外露率水稻品種的選育與應(yīng)用依然是研究熱點(diǎn)。徐秋生等[11]利用田間表現(xiàn)型與分子輔助相結(jié)合的手段育成了高柱頭外露率的溫敏核不育系生730S，該不育系除了具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗等常規(guī)優(yōu)良性狀以外，其柱頭外露率達(dá)到91.7%，異交結(jié)實(shí)特性比較強(qiáng)，目前已利用該柱頭外露不育系培育出了晚稻組合兩優(yōu)273，并通過(guò)了湖南省審定。紀(jì)惠忠等[12]利用傳統(tǒng)系譜法育種、南繁加代培養(yǎng)以及分子標(biāo)記輔助育種等多種方法，選育出了柱頭外露軟米兩系不育系浦粳2179S，并利用該不育系配成了3 個(gè)組合浦粳2179S/凡15、浦粳2179S/T22 和浦粳2179S/T201，食味綜合得分都在66 分以上。

2.2 番茄

番茄外露的柱頭明顯是由柱頭從花藥延伸而來(lái)，外露的花柱不能接受自身產(chǎn)生的花粉，從而影響自花授粉。外界環(huán)境的變化對(duì)番茄的花柱長(zhǎng)度有較大影響，高溫、低濕、干旱、低光強(qiáng)、短光周期等都能誘導(dǎo)番茄花柱伸長(zhǎng)，其中高溫是引起柱頭外露的主要外界環(huán)境因子[13]。研究指出，在高溫下，番茄柱頭會(huì)伸出花藥筒中心，致使有活力的花粉無(wú)法到達(dá)柱頭，影響授粉過(guò)程，從而導(dǎo)致果實(shí)產(chǎn)量大幅度降低[14]。王燕等[15]以番茄Micro-Tom 為材料觀察不同溫度對(duì)番茄花器生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)在30℃/25℃亞高溫處理下，柱頭外露率為41.1%，雄蕊顯著縮短；而在35℃/30℃處理下柱頭外露率提高到了46.7%，雌蕊和雄蕊都顯著變短；40℃/35℃處理下則不能正常開(kāi)花。細(xì)胞學(xué)特征觀察發(fā)現(xiàn)，在35℃/30℃高溫處理下花柱直徑增加，但花柱細(xì)胞數(shù)基本不受影響，而花絲細(xì)胞縱向長(zhǎng)度則顯著縮短。李景富等[16]分別以長(zhǎng)柱頭型和花藥閉合性雄性不育系為父母本，利用系譜法選育出了柱頭外露的新型番茄雄性不育系（PSL）N431-69，利用該不育系進(jìn)行雜交授粉，可以免去人工去雄的繁雜步驟，直接將父本花粉涂抹到母本外露的柱頭上即可，可節(jié)省人工成本50%。

2.3 其他植物

謝卿[17]以甘藍(lán)型油菜新品系GH30 和蕾期柱頭外露突變體為材料，對(duì)其F2代群體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)正常植株與柱頭外露突變體植株的數(shù)量比為1∶3，符合1 對(duì)隱性基因的遺傳特征。顯微鏡解剖觀察發(fā)現(xiàn)突變體柱頭較干癟，柱頭乳突細(xì)胞稀疏且細(xì)小。對(duì)柱頭外露性狀進(jìn)行基因定位研究，初步判斷B073C04-5 與突變呈現(xiàn)連鎖關(guān)系。郭巖等[18]以正常柱頭材料陸地棉TM-1 和柱頭外露材料CSB-18 為材料，觀察2 個(gè)品種花器的生長(zhǎng)情況，結(jié)果表明在整個(gè)發(fā)育階段2 個(gè)品種間柱頭長(zhǎng)度和苞葉不存在顯著差異，但是柱頭外露材料的花瓣卻顯著縮短。胡育瑋[19]利用煙草柱頭正常發(fā)育的不育系和可育系以及柱頭外露突變性狀不育系為研究材料，比較了不同發(fā)育時(shí)期的花器官發(fā)育特性，結(jié)果表明，溫度對(duì)柱頭外露沒(méi)有顯著影響，突變體柱頭外露的主要原因是花冠長(zhǎng)度明顯縮短；進(jìn)一步對(duì)3 個(gè)材料花柱、花冠以及子房的發(fā)育特征、內(nèi)源激素及相關(guān)基因表達(dá)量變化情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)花蕾發(fā)育早期柱頭外露突變體花蕾中生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、水楊酸、脫落酸、茉莉酸、乙烯等植物激素以及聚胺和碳氮代謝旺盛是其花柱伸長(zhǎng)的原因；花蕾發(fā)育后期柱頭外露突變體花冠中生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、聚胺、應(yīng)激蛋白合成、活性氧代謝、碳氮代謝的強(qiáng)度較弱，水楊酸、脫落酸和茉莉酸的代謝強(qiáng)度較高，推測(cè)這是導(dǎo)致其花冠長(zhǎng)度顯著縮短的主要因素。

3 問(wèn)題與展望

柱頭是授粉反應(yīng)的主要場(chǎng)所。在授粉過(guò)程中，柱頭特異性地接受親和性花粉粒，促進(jìn)花粉水合和萌發(fā)，以及花粉管在柱頭乳突細(xì)胞穿越和花柱中延伸，從而使精細(xì)胞到達(dá)胚珠進(jìn)行下一步的受精反應(yīng)。在授粉過(guò)程中，柱頭發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)，柱頭中許多重要的基因必然在授粉反應(yīng)中發(fā)揮了非常重要的作用。研究植物授粉反應(yīng)過(guò)程中柱頭基因的調(diào)控對(duì)于揭示植物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律及果實(shí)和籽粒形成機(jī)理具有重要意義，也可以為克服遠(yuǎn)緣雜交和自交不親和性、進(jìn)行農(nóng)作物遺傳育種創(chuàng)新研究以及培育優(yōu)良品種提供理論指導(dǎo)。然而，目前柱頭中僅有少數(shù)參與授粉反應(yīng)的基因其分子作用及功能被鑒定，如糖蛋白SLG基因、受體激酶基因和囊泡亞基Exo70A1基因等[20]。

隨著大數(shù)據(jù)及組學(xué)的快速發(fā)展，利用柱頭突變體材料基于組學(xué)的方法篩選柱頭特異性上調(diào)或下調(diào)表達(dá)基因，并分析這些基因的性質(zhì)和分子生物學(xué)功能，以期揭示授粉反應(yīng)的調(diào)控機(jī)理將成為下步研究熱點(diǎn)。隨著被子植物柱頭發(fā)育以及柱頭與花粉間信息傳遞機(jī)制研究的不斷深入，作物遺傳育種勢(shì)必會(huì)更快發(fā)展，為糧食發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。