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(nèi)蒙古民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 通遼 028000； 2.東北林業(yè)大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱 150040； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 內(nèi)蒙古 通遼 028000；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 通遼 028000； 5.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新培育中心， 內(nèi)蒙古 通遼 028000； 6.蓖麻產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心， 內(nèi)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(yīng)用最廣泛的模式植物，被科學(xué)家譽(yù)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(xiàn)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(diào)控的研究是重要的科研內(nèi)容。對擬南芥花粉及花藥的基因調(diào)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(nóng)作物的產(chǎn)質(zhì)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(guān)重要的作用?；ǚ郯l(fā)育是花粉管在柱頭表面生長的關(guān)鍵，是植物生殖發(fā)育的決定性因素?；ㄋ幧L發(fā)育直接關(guān)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(fù)雜且重要的過程，該過程不僅幫助自身繁殖后代，產(chǎn)生的種子也是糧食生產(chǎn)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(xué)事件，眾多基因參與其中，已有的研究發(fā)現(xiàn)，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(dá)、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(guān)基因的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行概述。

1擬南芥花粉發(fā)育的基因調(diào)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(jìn)入胚珠。花粉和柱頭細(xì)胞的識別是花粉生長和萌發(fā)的關(guān)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(dá)

WRKY轉(zhuǎn)錄因子是植物中的一類轉(zhuǎn)錄調(diào)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(dá)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(jié)實(shí)率較野生型植株結(jié)實(shí)率低，并且經(jīng)PCR技術(shù)進(jìn)行檢測突變體植株轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)量也明顯低于野生型。利用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，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(nèi)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(xiàn)，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(nèi)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(xiàn)，外源ABA對花粉管內(nèi)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(xì)胞骨架組分之一，對植物的氣孔關(guān)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(xiàn)，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(jié)合蛋白Map18研究發(fā)現(xiàn)，Map18過表達(dá)植株花粉經(jīng)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(jié)合蛋白Map18也參與ABA對擬南芥花粉萌發(fā)和花粉管生長調(diào)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(diào)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(zhì)有關(guān)，且雄性植株的育性與脂類合成轉(zhuǎn)運(yùn)有密切關(guān)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，與正常花粉混合授粉時花粉可以正常水合[17，19]。在cer突變體中，cer1、cer3和cer6突變體的花粉在試驗(yàn)內(nèi)無法水合，表現(xiàn)出高度不育的特點(diǎn)，但突變體花粉在體外試驗(yàn)或高濕度環(huán)境育性恢復(fù)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(zhì)。另有研究表明，含油層脂質(zhì)的合成(或)轉(zhuǎn)運(yùn)可能與cer3有關(guān)，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(fù)[21]。脂類的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)對擬南芥的植株育性起重要作用。CHOI等[22]研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCG9和ABCG31在絨氈層表達(dá)，影響花粉壁組分甾醇糖苷的轉(zhuǎn)運(yùn)。

花粉內(nèi)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(jié)構(gòu)域和1個糖原結(jié)合結(jié)構(gòu)域構(gòu)成(硫氧氧化還原蛋白)。kinβγ是糖信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵調(diào)控因子SnRK1 comple的調(diào)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(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，突變體花粉過氧化物和線粒體的數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)異常，并且活性氧水平降低，外源添加活性氧可恢復(fù)花粉水合，并且在花粉中過表達(dá)過氧化氫酶cat3導(dǎo)致花粉的活性氧降低，進(jìn)而導(dǎo)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(xì)胞壁，包括花粉內(nèi)壁和花粉外壁。花粉壁的特定模式?jīng)Q定花粉表面的結(jié)構(gòu)特征?；ǚ弁獗诒Ｗo(hù)小孢子細(xì)胞質(zhì)并決定花粉與柱頭的特異相互識別。花粉壁的發(fā)育模式對植株的可育性有重要影響。RPG1/SWEET8是擬南芥中調(diào)控花粉壁模式建成的重要基因，RPG1/SWEET8的缺失會導(dǎo)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(jìn)而導(dǎo)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(jìn)入胚珠的前提，雄配子的基因可以調(diào)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(zhì)層覆蓋的乳突細(xì)胞，允許水和大分子物質(zhì)通過。乳突細(xì)胞由內(nèi)壁和外壁組成，花粉釋放某些物質(zhì)分解乳突細(xì)胞壁中的纖維素和半纖維素，隨即產(chǎn)生信息交流的物質(zhì)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(dǎo)致花粉管無法穿透引導(dǎo)組織而導(dǎo)致敗育，植株花粉管中第二階段的內(nèi)吞作用嚴(yán)重受阻，表明分選蛋白VPS41第二階段的內(nèi)吞途徑對調(diào)控花粉管在柱頭生長有重要作用[28]。內(nèi)吞作用通過質(zhì)膜的變形流動將胞外物質(zhì)、膜蛋白以及脂類運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)，參與調(diào)控植物信號引導(dǎo)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(diào)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(xiàn)，擬南芥中OBL1作為脂酶通過分解三酰甘油調(diào)控花粉管在引導(dǎo)組織中的極性生長[29]。

擬南芥DG1定位于花粉管的亞頂端細(xì)胞質(zhì)及質(zhì)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(xiàn)，網(wǎng)格蛋白的內(nèi)吞作用與DG1有關(guān)；降低DG1的表達(dá)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(xì)胞表面正常生長，但是花粉管卻不能正常進(jìn)入引導(dǎo)組織。

2擬南芥花藥發(fā)育的基因調(diào)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(xì)胞分化為花藥組織、小孢子母細(xì)胞減數(shù)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(guān)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(xì)胞、花藥形態(tài)與生殖細(xì)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(dǎo)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(xì)胞的分化和退化以及花藥水分狀態(tài)和結(jié)構(gòu)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(nèi)壁加厚是花藥開裂的關(guān)鍵，藥室內(nèi)壁的次生加厚為花藥開裂提供動力。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥MYB26基因?qū)ㄋ巸?nèi)室厚度發(fā)育和開裂起關(guān)鍵作用。MYB26突變體的藥室內(nèi)壁不能擴(kuò)張、皮層不能木質(zhì)化增厚，導(dǎo)致藥室內(nèi)壁無法正常開裂。MYB26基因通過調(diào)控一系列與次生增厚的相關(guān)基因間接調(diào)控花藥的發(fā)育。此外，MYB26基因也可以調(diào)節(jié)NST1和NST2的表達(dá)，進(jìn)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(nèi)壁次生加厚導(dǎo)致花藥不開裂，與MYB26突變體表現(xiàn)型類似。MYB26在花藥內(nèi)細(xì)胞發(fā)育中起重要作用，并在木質(zhì)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(dǎo)致雄性植株不育[33]。MS1521基因通過調(diào)控?cái)M南芥花藥壁內(nèi)層細(xì)胞纖維化，無法為藥室開裂提供動力，導(dǎo)致其無法開裂，植株不結(jié)種子[31，34]。MS1521的突變也可能導(dǎo)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(dǎo)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(dá)明顯降低。RUS4基因的表達(dá)可能會影響藥室內(nèi)壁次生加厚，通過間接激活轉(zhuǎn)錄因子基因MYB103和MYB85的表達(dá)從而影響次生壁合成過程。纖維素合成酶irx1、irx3、irx5以及轉(zhuǎn)移酶irx8在RUS4-amiRNA花蕾中的表達(dá)出現(xiàn)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(dá)降低，導(dǎo)致藥室內(nèi)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(diào)控多種生理過程。有研究表明，JA不能正常合成或JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受阻的擬南芥突變體會導(dǎo)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(xiàn)為藥室內(nèi)壁加厚，花藥開裂提前，過表達(dá)CBSX2導(dǎo)致花藥開裂失敗。對突變體施用外源JA可以使部分過表達(dá)CBSX2植株恢復(fù)育性。CBSX2通過對葉綠體中的硫氧化蛋白的調(diào)節(jié)，影響H2O2水平，從而參與次生加厚的表達(dá)[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(xiàn)為雄性不育特征，施用外源JA可使花粉恢復(fù)育性[40-41]。JA合成受阻影響內(nèi)層細(xì)胞和結(jié)締組織細(xì)胞的脫水過程，導(dǎo)致花藥不能開裂。DAD1和DDE2-2突變體均表現(xiàn)為花粉不育和花藥開裂延遲，外源噴施MeJA可恢復(fù)育性[35，42]。花粉發(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(diào)控花粉粒的成熟和花藥開裂2個獨(dú)立的過程。缺失合成過程中JA的某一種關(guān)鍵酶的擬南芥突變體均表現(xiàn)為雄性不育[38]。

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

3小結(jié)與展望

擬南芥花粉形成和花藥發(fā)育是一個復(fù)雜的、連續(xù)的生物學(xué)過程，花粉發(fā)育經(jīng)歷細(xì)胞減數(shù)分裂、絨氈層退化、花粉有絲分裂、藥室內(nèi)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(guān)鍵步驟彼此獨(dú)立又緊密聯(lián)系，每個過程受一系列基因的精細(xì)調(diào)控，有關(guān)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(chǎn)和基因等方面試驗(yàn)。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(zhì)、農(nóng)作物抗逆性和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。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(dǎo)致雄性不育[49-50]，繼續(xù)對擬南芥花粉及花藥的調(diào)控基因組進(jìn)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(jīng)實(shí)現(xiàn)全序列分析，但是對于許多細(xì)節(jié)還有待進(jìn)一步研究。對于擬南芥可育性、花粉形成和花藥發(fā)育的調(diào)控基因還需進(jìn)一步鑒定。調(diào)控?cái)M南芥花粉、花藥發(fā)育的基因眾多，但已被確認(rèn)的基因卻相對較少。對于擬南芥花粉和花藥發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，仍有較多未知領(lǐng)域需要進(jìn)一步探索。隨著基因編輯等技術(shù)的應(yīng)用，越來越多的基因生物學(xué)功能將被揭示。