李慶順，喬紅梅，周曉旋

(廈門(mén)大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361102)

紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)具有凈化水源、蓄洪抗旱、調(diào)節(jié)小氣候的作用[1-2]，被稱為防風(fēng)固堤的衛(wèi)士[3-5]，為鳥(niǎo)類、海洋動(dòng)物、微生物等提供了良好的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境與繁殖場(chǎng)所[6].紅樹(shù)林還具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在許多發(fā)展中國(guó)家，依賴于紅樹(shù)林的小型水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及旅游業(yè)都為生活在海邊的居民帶來(lái)不菲的經(jīng)濟(jì)收入[7-9]；此外，紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)中還有巨大的碳儲(chǔ)匯[10].

然而，全球氣候變化以及人類活動(dòng)的干擾給濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響，特別是海平面上升和人為砍伐使得在熱帶、亞熱帶濱海濕地生存的紅樹(shù)種群數(shù)量逐年減少，部分物種甚至處于滅絕的險(xiǎn)境[11-16].最新研究顯示，紅樹(shù)林移動(dòng)的速度不足以逃脫海平面上升的影響，到2050年可能會(huì)消失[17].人類對(duì)土地的過(guò)渡使用與富營(yíng)養(yǎng)化使得紅樹(shù)林遭受嚴(yán)重的鹽脅迫和多余的營(yíng)養(yǎng)輸入[14]；海洋污染嚴(yán)重威脅著紅樹(shù)林的生存，沉積物中原油的濃度是造成紅樹(shù)白化的重要原因，紅樹(shù)科中4個(gè)胎生屬以及白骨壤(Avicenniamarina)的繁殖體都有白化現(xiàn)象發(fā)生[18-19]；以犧牲濕地為代價(jià)的大量魚(yú)塘和蝦塘的修建更是嚴(yán)重縮減了紅樹(shù)林濕地面積，在我國(guó)的許多地方，前有海平面上升，后有堤壩的阻隔，紅樹(shù)林處于“進(jìn)退兩難”的境地.如何拯救這個(gè)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題.

紅樹(shù)植物生長(zhǎng)在河口潮間帶，長(zhǎng)期遭受高鹽、低氧、周期性潮汐的沖刷以及海邊強(qiáng)紫外線的輻射，為此進(jìn)化出一系列與眾不同的適應(yīng)性性狀[20-23].胎生作為一種特殊的繁殖方式，是紅樹(shù)植物最有趣且最顯著的特征，被認(rèn)為是紅樹(shù)植物為適應(yīng)濱海濕地環(huán)境而進(jìn)化出的最重要的機(jī)制之一，具有重要的生態(tài)適應(yīng)性意義.胎生繁殖體所形成的幼苗(胚軸)是紅樹(shù)林恢復(fù)造林的優(yōu)良種子來(lái)源，具有易獲取、易操作、易存活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于解決紅樹(shù)林逐年退化的問(wèn)題具有重要意義.然而，目前對(duì)紅樹(shù)胎生現(xiàn)象的遺傳與分子機(jī)制了解很少，這主要是由于缺乏遺傳與分子資源.近年發(fā)展起來(lái)的組學(xué)技術(shù)給這一科學(xué)問(wèn)題提供了新的研究空間.本綜述將從紅樹(shù)植物的適應(yīng)性性狀展開(kāi)，從組學(xué)角度探討紅樹(shù)植物胎生現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向.

1 胎生紅樹(shù)研究進(jìn)展

1.1 胎生現(xiàn)象及其生態(tài)意義

植物胎生是一種特殊的種子發(fā)育與繁殖方式，是指種子不經(jīng)過(guò)休眠、在母體上直接萌發(fā)的現(xiàn)象.目前已報(bào)道的胎生植物共25科78種[23].胎生植物大多生長(zhǎng)在淺海海灘或潮間帶，而非胎生植物大多生長(zhǎng)在陸地或干旱地區(qū)，因此普遍認(rèn)為這是胎生植物在長(zhǎng)期適應(yīng)特殊地理環(huán)境條件下所產(chǎn)生的一種獨(dú)特的繁殖方式[24].按照萌發(fā)過(guò)程中胚軸是否突破果皮，可將胎生分為顯胎生(vivipary)和隱胎生(cryptovivipary).顯胎生是指胚胎在母體生長(zhǎng)過(guò)程中先后突破種皮和果皮的現(xiàn)象，大多發(fā)生于紅樹(shù)植物以及兩個(gè)屬(Amphibolis和Thalassodendron)的海草中[25]，少數(shù)發(fā)生在陸生種，最顯著的是在紅樹(shù)科的紅樹(shù)屬(Rhizophora)、秋茄樹(shù)屬(Kandelia)、角果木屬(Ceriops)和木欖屬(Bruguiera)；隱胎生是指繁殖體在萌發(fā)過(guò)程中只突破種皮而不突破果皮的現(xiàn)象，如分布在不同科的海欖雌屬(Avicennia)、蠟燭果屬(Aegiceras)、水椰屬(Nypa)和假紅樹(shù)屬(Pelliciera)[23].研究表明，顯胎生與隱胎生在進(jìn)化上有不同的起源[26].紅樹(shù)植物的胎生現(xiàn)象早在100多年前就已被觀察記錄[27]，它的本質(zhì)是連續(xù)的胚胎生長(zhǎng)與種子萌發(fā)的過(guò)程(圖1)，被認(rèn)為是對(duì)濱海濕地環(huán)境的適應(yīng).

(a)正紅樹(shù)(R.apiculata)的未成熟“雙胞胎”，中國(guó)海南省三亞市；(b)在水中自定植的美洲大紅樹(shù)(R.mangle), 美國(guó)大沼澤地國(guó)家公園(Everglades National Park),箭頭指示水平面；(c)尖葉秋茄(K.candel), 孟加拉Sundarban；(d)木欖(B.gymnorhiza)，印度尼西亞巴厘島；(e)紅茄苳(R.mucronata)， 印度尼西亞巴厘島；(f)紅茄苳的成熟種子(可達(dá)80 cm或更長(zhǎng))，印度尼西亞巴厘島.圖1 幾種顯胎生紅樹(shù)植物的繁殖體Fig.1 Propagules of several viviparous mangroves

胎生作為一種植物的繁育機(jī)制，關(guān)系子代個(gè)體存活，與物種的適應(yīng)能力息息相關(guān)，受到強(qiáng)烈的自然選擇；并且這種機(jī)制也可決定幼體的定居能力，從而影響紅樹(shù)的種群增長(zhǎng)和群落構(gòu)建.紅樹(shù)的繁殖體能否順利到達(dá)適于其生長(zhǎng)的環(huán)境并成功定植是紅樹(shù)種群世代延續(xù)的關(guān)鍵.這一過(guò)程受到諸多因素的影響：在未離開(kāi)母體之前繁殖體會(huì)遭到如螃蟹、昆蟲(chóng)等捕食者的捕食；當(dāng)繁殖體離開(kāi)母體后會(huì)受到自身和環(huán)境兩方面的影響，自身的因素包括繁殖體的形狀、大小、密度、休眠周期、死亡率以及根的定植速度等，環(huán)境因素包括潮汐的強(qiáng)度、風(fēng)的大小和方向、水溫、鹽度以及受捕食情況等，這些因素都決定繁殖體能否成功定植[28].

關(guān)于紅樹(shù)胎生的生態(tài)意義有兩種假說(shuō)：1) 胎生是對(duì)高鹽環(huán)境的適應(yīng).該觀點(diǎn)的提出是基于以下假設(shè)，即潮間帶的高鹽環(huán)境會(huì)嚴(yán)重抑制種子的萌發(fā)，而胎生種子的下胚軸含有包括水在內(nèi)的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可供剛定植幼苗的生長(zhǎng)所需，故避開(kāi)了這一脆弱的發(fā)育階段[29-31].對(duì)絕大多數(shù)植物來(lái)說(shuō)，種子休眠是適應(yīng)陸地環(huán)境的重要特征，它們能在種子庫(kù)中存活，度過(guò)不良環(huán)境，等待條件適宜時(shí)萌發(fā)；然而，對(duì)于生活在濱海環(huán)境的紅樹(shù)植物而言，若種子進(jìn)行休眠會(huì)沒(méi)入水底或隨水漂浮，很可能因?yàn)榄h(huán)境不適宜而始終無(wú)法正常萌發(fā)，所以胚胎的提前發(fā)育被認(rèn)為是對(duì)高鹽環(huán)境的適應(yīng)，除攜帶營(yíng)養(yǎng)外，后代可以在母體上對(duì)濱海環(huán)境因子提前適應(yīng).2) 胎生與繁殖體擴(kuò)散有關(guān).由于環(huán)境惡劣，潮間帶地區(qū)植物多樣性較低，面臨新的競(jìng)爭(zhēng)者的機(jī)會(huì)也較小，繁殖體大多通過(guò)水流等非生物因素進(jìn)行傳播[32-33]，這大大降低了胎生植物向外擴(kuò)張的機(jī)會(huì)，因此胎生植物必須就近繁殖來(lái)擴(kuò)大群落以抵御非胎生植物的入侵；而胎生種子在母體上可以完善結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)存能量與水分，胚軸迅速生長(zhǎng)與成熟，進(jìn)而有效地應(yīng)對(duì)落地后的復(fù)雜環(huán)境[34]，可以迅速生根定植，占據(jù)潮間帶生態(tài)位.

1.2 胎生種子的特點(diǎn)及發(fā)育過(guò)程

胎生現(xiàn)象是紅樹(shù)區(qū)別于其他物種最顯著的一個(gè)特征.胎生種子具有以下特點(diǎn)，即從種子的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)組成上來(lái)說(shuō)，70%以上的胎生種子在果實(shí)中產(chǎn)生，并且種子較大(直徑大于4 cm)，其中在超過(guò)74%的種子中胚的占比很大，約為種子體積的1/2，而胚乳特別小或者沒(méi)有[35-37].巨大的胚中儲(chǔ)存著豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)往往來(lái)自于母體的供給.在紅樹(shù)屬中，與種皮相鄰的最外層胚乳細(xì)胞特化出向內(nèi)皺褶的壁,被稱為轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞；通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞,水分和養(yǎng)料得以從種皮向胚轉(zhuǎn)運(yùn), 但隨著胚的不斷生長(zhǎng), 這層轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞被擠壓，最后失去功能.Juncosa等[38]認(rèn)為這層特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞與胎生發(fā)育有一定的關(guān)系，但轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制目前尚不清楚.母體與胚胎之間這種獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸方式可能是胎生繁殖方式能夠起源與進(jìn)化的關(guān)鍵原因.

從普通種子發(fā)育過(guò)程來(lái)說(shuō)，大部分植物的種子從受精到萌發(fā)會(huì)經(jīng)過(guò)一系列內(nèi)部的變化：1) 受精后胚不斷長(zhǎng)大，胚根和胚芽等組織開(kāi)始分化；2) 隨著種子的長(zhǎng)大，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被儲(chǔ)存下來(lái)，細(xì)胞發(fā)生液泡化；3) 種子進(jìn)行脫水干燥，細(xì)胞代謝幾乎停滯；4) 在適宜的環(huán)境下，種子開(kāi)始吸水，代謝活化，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被消耗；5) 胚芽和胚根突破種皮而完成萌發(fā)的過(guò)程.相比于這些普通種子，胎生種子會(huì)跳過(guò)第3和第4階段而直接進(jìn)入最后的萌發(fā)過(guò)程[35].在紅樹(shù)植物胎生發(fā)育過(guò)程中，部分物種有形態(tài)學(xué)解剖結(jié)構(gòu)方面較詳細(xì)的觀察和描述[38-40].Cook根據(jù)美洲大紅樹(shù)的發(fā)育過(guò)程提出顯胎生發(fā)育模式分為3個(gè)階段[27]：子葉的第一次生長(zhǎng)和下胚軸的生長(zhǎng)和子葉的第二次生長(zhǎng).紅樹(shù)屬、秋茄屬、角果木屬和木欖屬的發(fā)育基本都符合這一模式，但在形態(tài)上各有特點(diǎn).早期文獻(xiàn)報(bào)道紅樹(shù)屬、木欖屬和秋茄屬中均由大量生長(zhǎng)的胚乳突破種皮，由于胚乳的劇烈增加，胚孔被迫打開(kāi)，隨后胚胎開(kāi)始迅速生長(zhǎng)，胚乳被吸收退化；而角果木屬則是依靠胚軸的伸長(zhǎng)突破種皮發(fā)育的[38].然而周曉旋等[23]發(fā)現(xiàn)秋茄(K.obovata)并非依靠胚乳，而是由胚軸的伸長(zhǎng)突破種皮完成萌發(fā)的，且在受精2周后的種子中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)胚乳，推測(cè)在更早期胚乳就已失去作用.可見(jiàn)，胚乳在不同方式的胎生植物中有著不同的作用.

另外，秋茄的種皮和果皮突破處都有明顯的細(xì)胞疏松化，這極大地減小了胚軸生長(zhǎng)突破的阻力.與休眠種子中種皮和胚乳起抑制萌發(fā)的作用不同[41]，紅樹(shù)植物的胎生中種皮和胚乳可能有協(xié)助和促進(jìn)萌發(fā)的作用.當(dāng)胚胎突破種皮后，生長(zhǎng)動(dòng)力則來(lái)自下胚軸中居間分生組織的細(xì)胞分裂[23]，這也與擬南芥(Arabidopsisthaliana)不同，后者靠下胚軸與胚根交界處的細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)[42].在胚軸突出果皮前后，秋茄的胚根都沒(méi)有分化，直到胚軸成熟時(shí)才能明顯地觀察到有內(nèi)生性胚根，幼嫩的根尖外有由薄壁細(xì)胞組成的保護(hù)結(jié)構(gòu)，初生長(zhǎng)時(shí)根冠與其外的薄壁細(xì)胞連成一體，發(fā)育到后期時(shí)根冠與薄壁細(xì)胞之間出現(xiàn)裂縫.根據(jù)陳月琴等[43]的描述，這層薄壁細(xì)胞中有單寧，能更好地保護(hù)幼嫩的胚根；且此時(shí)側(cè)根從中柱鞘中發(fā)育，在胚軸下部的凸出即為側(cè)根的突起，這些側(cè)根在胚軸落地后才會(huì)伸出，協(xié)助胚軸完成直立生長(zhǎng)，可以推測(cè)無(wú)論主根或側(cè)根都在掉落前才發(fā)育成熟.與非胎生種子發(fā)育過(guò)程相比，紅樹(shù)植物的顯胎生發(fā)育存在許多不同，這些結(jié)構(gòu)上的不同很可能與紅樹(shù)植物胎生現(xiàn)象適應(yīng)濱海濕地環(huán)境有關(guān)，還包含著豐富的植物種子發(fā)育多樣性相關(guān)知識(shí)，有待對(duì)其進(jìn)行深入的機(jī)制研究.

2 生態(tài)基因組學(xué)及其在紅樹(shù)胎生研究中的應(yīng)用

2.1 生態(tài)基因組學(xué)

物種的DNA序列蘊(yùn)含了生物體的遺傳信息，基因組測(cè)序是解決許多生物學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵.基因組學(xué)的興起迅速推動(dòng)了生命科學(xué)各研究領(lǐng)域的發(fā)展，是揭示物種生物學(xué)、遺傳學(xué)特性以及物種進(jìn)化關(guān)系最有效、最直接的手段之一.而生態(tài)基因組學(xué)是一個(gè)整合生態(tài)學(xué)、分子遺傳學(xué)和進(jìn)化基因組學(xué)的新興交叉學(xué)科，其將基因組學(xué)的研究手段和方法引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)群體基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等方法將個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)這些不同層次的生態(tài)學(xué)相互作用整合起來(lái)，確定在生態(tài)學(xué)響應(yīng)及相互作用中具有重要意義的關(guān)鍵基因和遺傳途徑，闡明這些基因和遺傳途徑變異的程度及其進(jìn)化后的特征，從基因水平探索有機(jī)體響應(yīng)天然環(huán)境(包括生物與非生物的環(huán)境因子)的遺傳學(xué)機(jī)制.生態(tài)基因組學(xué)的研究對(duì)象可以分為模式生物與非模式生物兩大類：擬南芥、釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)等模式生物在生態(tài)基因組學(xué)領(lǐng)域早期發(fā)展發(fā)揮了重要作用；隨著基因組學(xué)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與完善，越來(lái)越多非模式生物生態(tài)基因組學(xué)的研究將為生態(tài)學(xué)的發(fā)展提供重要的理論與實(shí)踐依據(jù).生態(tài)基因組學(xué)最核心的方法包括尋找序列變異、研究基因差異表達(dá)和分析基因功能等，已廣泛滲透到生態(tài)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中，將會(huì)在生物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)、物種間相互作用、進(jìn)化生態(tài)學(xué)、入侵生態(tài)學(xué)、群落生態(tài)學(xué)、全球變化生態(tài)學(xué)等研究領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用.基因組學(xué)方法除能揭示適應(yīng)性外，對(duì)于起源和進(jìn)化關(guān)系方面的研究也展示出其優(yōu)勢(shì).隨著我國(guó)“建設(shè)生態(tài)文明”戰(zhàn)略的提出，越來(lái)越多學(xué)者也把目光轉(zhuǎn)移到一些環(huán)保樹(shù)木上，對(duì)濱海濕地起重要保護(hù)作用的紅樹(shù)得到重視.通過(guò)對(duì)紅樹(shù)的基因組測(cè)序，其起源與進(jìn)化以及胎生現(xiàn)象等重要適應(yīng)性特征的相關(guān)機(jī)制研究取得了重大進(jìn)展，一些與此相關(guān)的基因和通路也相繼被發(fā)掘.

2.2 生態(tài)基因組學(xué)在紅樹(shù)胎生研究中的應(yīng)用

2.2.1 胎生紅樹(shù)的起源與進(jìn)化

胎生現(xiàn)象由Goebel在1905年首次報(bào)道[44].然而胎生的起源與進(jìn)化一直都處于爭(zhēng)議中：Guppy[45]認(rèn)為胎生是一種原始的性狀，是在一個(gè)早期相對(duì)穩(wěn)定的氣候條件下進(jìn)化而來(lái)的；van der Pijl[46]則認(rèn)為胎生是在某一特定環(huán)境下演化而來(lái)的.對(duì)于包含4個(gè)顯胎生屬的紅樹(shù)科而言，起源假說(shuō)也是討論的熱點(diǎn).分子系統(tǒng)學(xué)的研究結(jié)果表明紅樹(shù)科為單起源[24,26]，即紅樹(shù)科植物起源于共同的祖先，但其究竟是起源于陸生祖先還是海生祖先卻不得而知.林鵬等[47]通過(guò)比較紅樹(shù)科、馬鞭草科和海?？浦胁糠种参锏拇紊举|(zhì)部結(jié)構(gòu)，認(rèn)為紅樹(shù)植物演化的過(guò)程可能有兩條途徑：1) 紅樹(shù)科植物可能起源于陸生祖先，隨后向海陸兩個(gè)方向分歧發(fā)展.由于海蝕或陸岸下沉，一部分陸生祖先向潮間帶生境拓展，最終演化成為現(xiàn)存的海生紅樹(shù)族植物；另一部分祖先則繼續(xù)生存在陸地，最終演化為現(xiàn)存胎生紅樹(shù)的陸地近緣種一族.2) 紅樹(shù)科植物起源于海生祖先，后來(lái)由于造陸作用和海蝕作用沿海陸兩條途徑演化.其中一部分登陸，最終演化為陸生紅樹(shù)科植物如竹節(jié)樹(shù)(Caralliabrachiata)等；另一部分由于陸岸下沉向低潮區(qū)侵入，演化為潮間帶紅樹(shù)一族.顯然，林鵬等[47]認(rèn)為紅樹(shù)科的胎生現(xiàn)象也是起源于特定的氣候條件.

近年來(lái)隨著DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多紅樹(shù)植物的核全基因組、葉綠體基因組以及線粒體基因組相繼被測(cè)序[48-50]，人們開(kāi)始從組學(xué)水平探討胎生紅樹(shù)的起源與進(jìn)化.核基因組已測(cè)序的物種中，顯胎生紅樹(shù)有紅樹(shù)科紅樹(shù)屬的正紅樹(shù)、紅茄苳、紅海欖(R.stylosa)和美洲大紅樹(shù)，木欖屬的木欖(B.gymnorhiza)，秋茄屬的秋茄，角果木屬的角果木(C.tagal)等；隱胎生紅樹(shù)有馬鞭草科海欖雌屬的白骨壤(A.marina)；非胎生紅樹(shù)有海?？坪Ｉ俚暮Ｉ?Sonneratiacaseolaris)和杯萼海桑(S.alba)，紅樹(shù)科竹節(jié)樹(shù)屬竹節(jié)樹(shù)(表1).

通過(guò)基因組研究發(fā)現(xiàn)[51,57]：紅樹(shù)科植物在約5 500 萬(wàn)年前起源于陸生祖先，由于古新世-始新世極熱事件(Paleocene-Eocene thermal maximum,PETM)，全球氣溫升高，極地冰雪融化，海平面上升，淹沒(méi)了生長(zhǎng)在熱帶雨林邊緣的被子植物，迫使它們適應(yīng)新的海洋環(huán)境；隨后在前4 800萬(wàn)～5 500萬(wàn)年間，紅樹(shù)科出現(xiàn)分化，此后紅樹(shù)科的紅樹(shù)屬、秋茄屬、角果木屬及木欖屬與山紅樹(shù)屬及竹節(jié)樹(shù)屬發(fā)生進(jìn)化分歧，前4個(gè)屬以顯胎生作為繁殖方式，而后2個(gè)屬為非胎生.

紅樹(shù)科植物的基因組在發(fā)生分歧前都經(jīng)歷了基因組加倍事件.在進(jìn)化的過(guò)程中基因組發(fā)生縮減，導(dǎo)致紅樹(shù)的基因組顯著小于陸生木本植物的基因組[64].轉(zhuǎn)座子含量的減少是引起其基因組減小的關(guān)鍵原因[65-66].Lyu等[65]報(bào)道，相比于其他29個(gè)非紅樹(shù)物種，4個(gè)真紅樹(shù)(即正紅樹(shù)、海桑、杯萼海桑和白骨壤)的基因組轉(zhuǎn)座子含量顯著降低.另有研究表明基因組大小與轉(zhuǎn)座子活性呈正相關(guān)[67-68]，轉(zhuǎn)座子增殖的速度如果大于其滅亡的速度，那么基因組會(huì)隨之越來(lái)越大[69-70].紅樹(shù)在縮減基因組的過(guò)程中，將一些冗余轉(zhuǎn)座子以及基因家族丟棄，以此來(lái)減少整個(gè)基因組的負(fù)荷，留下那些對(duì)植物體生存必要的核心高效基因，這樣植物便可集中全部能量用于對(duì)抗高鹽和低氧等逆境脅迫.

2.2.2 胎生分子機(jī)制的研究

截至目前，越來(lái)越多的研究開(kāi)始從分子水平對(duì)胎生問(wèn)題進(jìn)行探索，大多集中在谷類作物和擬南芥突變體中.許多收獲季節(jié)的谷類作物在遇到潮濕溫?zé)岬沫h(huán)境時(shí)，其種子往往會(huì)在植株上萌發(fā)，這種現(xiàn)象被稱為“熟前萌發(fā)”[71].擬南芥的一些基因突變體也會(huì)表現(xiàn)出胎生現(xiàn)象，這些突變體大多是因?yàn)榛虻娜笔В参锛に孛撀渌?ABA)合成受阻，或者對(duì)ABA不敏感而導(dǎo)致的胎生現(xiàn)象[72].例如玉米(Zeamays)中編碼ABA生物合成第一步反應(yīng)所需黃質(zhì)環(huán)氧化酶的突變體aba1和ABA不敏感型突變體abi3都表現(xiàn)出胎生現(xiàn)象，水稻(Oryzasativa)中的一些突變體如riv(ricevivipary)1-1、riv1-2和riv2等由于對(duì)ABA不敏感也表現(xiàn)出胎生現(xiàn)象[73-74].

表1 紅樹(shù)植物的核基因組、葉綠體基因組及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序情況Tab.1 List of sequenced mangrove nuclear and chloroplast genomes and transcriptomes

在基因組層面對(duì)紅樹(shù)胎生機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，胎生紅樹(shù)在基因組上有使用某些氨基酸的偏好，即氨基酸的替換可能對(duì)胎生和其他各種適應(yīng)性性狀的演化以及對(duì)濱海濕地環(huán)境的適應(yīng)具有重要意義[49].同時(shí)，Xu等[51]對(duì)正紅樹(shù)基因組進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)有19個(gè)受到正選擇的基因參與胚胎發(fā)育過(guò)程，包括在ABA合成與響應(yīng)、乙烯代謝及響應(yīng)中有重要作用的基因；另外也發(fā)現(xiàn)赤霉素(GA)合成通路中的貝殼杉烯合成酶和GA3β-水解酶編碼基因在基因組上發(fā)生隨機(jī)加倍事件，且貝殼杉烯合成酶編碼基因有9個(gè)拷貝，因此認(rèn)為該基因的擴(kuò)張可能與胎生現(xiàn)象有密切關(guān)系.Qiao等[57]通過(guò)對(duì)秋茄、木欖、角果木和竹節(jié)樹(shù)的基因組測(cè)序以及比較分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致休眠的關(guān)鍵基因DOG1在胎生物種中共同缺失，這可能是引起胎生種子不休眠的關(guān)鍵原因之一；然而，DOG1調(diào)控胎生過(guò)程的分子機(jī)制還有待研究，很可能是通過(guò)調(diào)節(jié)植物激素ABA與GA的代謝而實(shí)現(xiàn)的.

在秋茄的轉(zhuǎn)錄組研究中發(fā)現(xiàn)，胎生過(guò)程中內(nèi)源ABA合成基因表達(dá)下調(diào)，對(duì)ABA響應(yīng)的基因表達(dá)上調(diào)，說(shuō)明胎生繁殖體存在降低ABA水平、減輕抑制發(fā)育的機(jī)制，以保證胎生的順利發(fā)生[56].周曉旋[75]進(jìn)一步對(duì)秋茄繁殖器官胎生的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行解剖學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)共有7個(gè)關(guān)鍵階段，包括：1) 未受精的胚珠；2) 受精2周后的胚珠，萌發(fā)出綠色線性胚；3) 胚軸開(kāi)始分化，但未突破種皮；4) 胚軸突破種皮；5) 胚軸即將突破果皮；6) 胚軸突破果皮；7) 主根和側(cè)根開(kāi)始分化.進(jìn)而對(duì)這7個(gè)關(guān)鍵階段進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)在不同的發(fā)育階段呈現(xiàn)時(shí)空差異，這些差異基因與GA、ABA、生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素等植物激素的合成與響應(yīng)有關(guān)[75].Qiao等[57]發(fā)現(xiàn)在胚軸突破種皮的關(guān)鍵階段，與GA合成相關(guān)的關(guān)鍵基因KAO的表達(dá)顯著上調(diào)，負(fù)調(diào)控響應(yīng)因子DELLA的表達(dá)則下調(diào)，導(dǎo)致胎生種子較普通種子而言有更高的GA含量；與此同時(shí)，ABA合成的關(guān)鍵基因NCED以及響應(yīng)因子ABF的表達(dá)顯著下調(diào)，而編碼降解ABA酶的基因CYP707A則在該階段表達(dá)顯著上調(diào)，其結(jié)果是胎生種子與非胎生種子相比具有極低的ABA水平.他們還發(fā)現(xiàn)ABA與GA等激素的代謝平衡不同于非胎生種子，特別是低水平的ABA可減輕對(duì)萌發(fā)的抑制，而高水平的GA使得胚胎持續(xù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致胎生[57].外源噴施實(shí)驗(yàn)證明ABA具有延緩秋茄胎生發(fā)育的作用；從紅樹(shù)植物中克隆的幾個(gè)與ABA響應(yīng)有關(guān)的基因(如ABI1與ABI2)在外源ABA的刺激下，表達(dá)水平發(fā)生顯著變化[56].

胎生過(guò)程的基因組和轉(zhuǎn)錄組分析還發(fā)現(xiàn)，一些種子蛋白的缺失可能與胎生過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)供給有關(guān)，使得種子必須依附于母體的營(yíng)養(yǎng)輸送或者胚胎自身的光合作用，才能滿足種子萌發(fā)過(guò)程對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求，這些關(guān)鍵基因的缺失共同影響了胎生的發(fā)生[57].對(duì)秋茄胚胎發(fā)育過(guò)程的轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，一些差異表達(dá)基因顯著富集在器官形態(tài)建成、光合作用等代謝通路，暗示胎生繁殖器官在發(fā)育過(guò)程中進(jìn)行著營(yíng)養(yǎng)合成，這可能與種子萌發(fā)過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)供給有關(guān)[56].

不僅如此，控制種子休眠的原花青素合成相關(guān)基因的表達(dá)在種皮中也明顯下調(diào)，而該合成通路在非胎生近緣種竹節(jié)樹(shù)的種子中表達(dá)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)[57].另有研究發(fā)現(xiàn)種皮中原花青素的含量增加能夠有效抑制種子萌發(fā)[76].在胎生種子的關(guān)鍵部位，原花青素合成驟減為胚胎突破種皮提供了先決條件，但這是原因還是發(fā)育的必然結(jié)果有待進(jìn)一步研究.

由上可見(jiàn)，紅樹(shù)植物的胎生發(fā)育過(guò)程存在激素代謝和響應(yīng)基因的變化，影響了激素合成及下游被調(diào)控的基因，從而抑制種子休眠同時(shí)促進(jìn)萌發(fā)；而胚胎和種子發(fā)育過(guò)程中母體的營(yíng)養(yǎng)供給及萌發(fā)的機(jī)械屏障減少，都為胎生過(guò)程提供了有利的條件，最終使胎生發(fā)生.由于紅樹(shù)物種遺傳材料的局限性，目前沒(méi)有驗(yàn)證基因功能的轉(zhuǎn)基因體系，對(duì)分子機(jī)制研究的手段有所不足，對(duì)紅樹(shù)的胎生等適應(yīng)性研究仍停留在初步探索階段.

3 問(wèn)題與展望

盡管已有很多研究從不同的角度和水平對(duì)紅樹(shù)胎生進(jìn)行解釋，但是真正的機(jī)制研究還非常有限，仍有許多問(wèn)題尚不清楚.1) 紅樹(shù)胎生過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)供給機(jī)制.對(duì)于非胎生種子而言，種子在發(fā)育的過(guò)程中，隨著其逐漸長(zhǎng)大，會(huì)以種子蛋白的形式儲(chǔ)存大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供種子后續(xù)萌發(fā)[77].但與此不同的是，顯胎生紅樹(shù)種子在母體上萌發(fā)，那么種子是否有儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還是依靠母體不斷傳送？如果是依靠母體傳送，那么負(fù)責(zé)傳送的器官或組織是什么？2) 與非胎生紅樹(shù)相比，胎生紅樹(shù)基因組的特點(diǎn)是什么？3) 直接影響紅樹(shù)胎生現(xiàn)象的重要基因有哪些？對(duì)于上述這些問(wèn)題，目前的研究依舊沒(méi)有取得突破性進(jìn)展.一方面是機(jī)制研究在木本植物上具有一定局限性，除木本植物培育周期長(zhǎng)外，主要是由于沒(méi)有遺傳突變體可供研究，也缺乏一個(gè)有效的轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)用于驗(yàn)證基因的功能；另一方面是已全面、深度測(cè)序的紅樹(shù)物種依然很少，基因組注釋不完整，導(dǎo)致不能進(jìn)行深層次的機(jī)制研究.因此，希望今后的研究中可以有更多的紅樹(shù)基因組得到補(bǔ)充，為開(kāi)展機(jī)制研究提供更多的基礎(chǔ)信息.只有更多的胎生紅樹(shù)基因組被測(cè)序，才能全面地進(jìn)行基因組比較分析，進(jìn)而得知胎生紅樹(shù)與非胎生紅樹(shù)或者其近緣種在基因組上的差異.這些差異基因很可能就是導(dǎo)致胎生現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵，對(duì)于研究胎生現(xiàn)象具有極其重要的意義.