馬蘇卓, 蘇 涵, 劉開創(chuàng), 黃幼梅, 柴夢楠, 秦 源, 蔡漢陽

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院;2.福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院,福建 福州 350002)

被子植物雌雄配子體發(fā)育、雙受精和胚胎發(fā)生是實現(xiàn)世代交替的關(guān)鍵。其中,雌配子體發(fā)育是一個復(fù)雜而有序的生物學(xué)過程,包括大孢子發(fā)生和雌配子體發(fā)生兩個連續(xù)的調(diào)控階段[1]。大孢子發(fā)生階段:從胚珠原基頂端的一個孢原細胞分化形成大孢子母細胞,大孢子母細胞經(jīng)過一次減數(shù)分裂形成4個單倍體大孢子;之后,處在珠孔端的3個大孢子退化,僅合點端的大孢子存活,形成功能大孢子。雌配子體發(fā)生階段:功能大孢子經(jīng)歷3輪無缺陷的有絲分裂后形成合胞體,再經(jīng)過細胞化產(chǎn)生一個“七胞八核”胚囊,包括珠孔端的2個助細胞、1個卵細胞、2個極核(中央細胞)和合點端的3個反足細胞[1]。相比于雄配子體,雌配子體通常由母體組織層層包圍,包裹于胚珠中,且數(shù)量少、取材難,因此,雌配子體發(fā)育的研究進展落后于雄配子體。植物激素在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用,細胞分裂素是植物激素的重要組成部分,參與植物營養(yǎng)生長、雄配子體發(fā)育和雌配子體發(fā)育等諸多過程[2]。本文擬在綜述細胞分裂素代謝、信號感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)的基礎(chǔ)上,重點介紹細胞分裂素在模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)雌配子體發(fā)育過程中的主要功能,為揭示植物雌性生殖發(fā)育機理提供參考。

1 細胞分裂素代謝及其信號感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)

細胞分裂素是一種N6替代的腺嘌呤衍生物,隨著研究技術(shù)的進步,其代謝、信號感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)過程相繼被揭示[3]。高等植物中常見的細胞分裂素主要包括異戊烯腺嘌呤、反式玉米素、順式玉米素和二氫玉米素。植物細胞分裂素水平由生物合成和失活途徑?jīng)Q定,異戊烯轉(zhuǎn)移酶催化異戊烯腺嘌呤和順式玉米素核糖的形成,前者可被細胞色素P450單氧酶CYP735A1和CYP735A2羥基化,形成反式玉米素核糖[4-5],這些前體被LONELYGUY(LOG)基因編碼的磷酸核糖水解酶水解,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生物活性游離堿[6]。細胞分裂素是由根和芽中多種類型細胞合成的,并且發(fā)生了局部和長距離的運輸[7]。活性細胞分裂素水平降低是通過細胞分裂素氧化酶(脫氫酶)的不可逆降解或與糖(葡萄糖)部分結(jié)合實現(xiàn)的[8]。

大部分生物體都能產(chǎn)生細胞分裂素,細胞分裂素在植物細胞中的信號傳導(dǎo)作用已被揭示[9]。擬南芥中的細胞分裂素信號通路類似于細菌中的雙組分信號通路,由多步磷光體介導(dǎo)[10],該途徑的關(guān)鍵成分包括組氨酸激酶型受體(arabidopsis histidine kinase, AHKs)、組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白(arabidopsis histidine phosphotransfer protein, AHPs)和反應(yīng)調(diào)節(jié)器(arabidopsis response regulators, ARRs)[11]。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要是通過AHKs中的His殘基和AHKs接收域中的Asp殘基的磷酸化修飾進行的[3]。細胞分裂素被膜定位的組氨酸激酶受體AHKs感知,與受體蛋白結(jié)合,導(dǎo)致其激酶結(jié)構(gòu)域出現(xiàn)自磷酸化和磷酸基向受體結(jié)構(gòu)分子內(nèi)域轉(zhuǎn)移[12]。AHPs將磷酸基從細胞質(zhì)帶到細胞核,激活B型ARRs,即細胞分裂素在His-Asp磷酸轉(zhuǎn)導(dǎo)下,激活細胞核中的ARRs轉(zhuǎn)錄因子[13](圖1)。激活的B型ARR促進轉(zhuǎn)錄,A型ARR反過來負向調(diào)節(jié)該通路(圖1)。

圖1 細胞分裂素信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)模型Fig.1 Cytokinin signaling through His-Asp phosphorelay

在擬南芥、水稻(Oryzasativa)等植物中,細胞分裂素信號元件是由功能重疊的基因家族編碼的[9,14],用外源細胞分裂素處理植物會導(dǎo)致這些基因的表達發(fā)生改變[15]。在對細胞分裂素不敏感的突變體中,大部分細胞分裂素誘導(dǎo)基因表達的水平下降,表明它們在植物中受內(nèi)源性細胞分裂素調(diào)控[16]。B型ARRs通過直接結(jié)合并激活細胞分裂素相關(guān)基因的表達來調(diào)控植物的生長發(fā)育[17]。例如,WUSCHEL(WUS)轉(zhuǎn)錄因子是B型ARRs的下游靶基因,是調(diào)控分生組織發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[17-18]。此外,B型ARRs轉(zhuǎn)錄因子也直接與生長發(fā)育調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子或其他激素途徑中的轉(zhuǎn)錄因子相互作用,共同調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄表達,從而調(diào)控植物的生長發(fā)育[19]。

2 細胞分裂素信號在大孢子發(fā)生過程中的調(diào)控作用

植物雌配子體發(fā)育過程包括大孢子發(fā)生和雌配子體發(fā)生兩個連續(xù)階段。大孢子發(fā)生過程的順利進行是雌配子體正常發(fā)育的基礎(chǔ)。在擬南芥ahk2/3/4三突變體中胚珠原基數(shù)目顯著減少,表明細胞分裂素信號參與植物胚珠原基的調(diào)控[20]。人工合成的細胞分裂素響應(yīng)啟動子TCS(包含B型ARR結(jié)合基序和最小的35S啟動子[21])的表達模式顯示,細胞分裂素在大孢子母細胞時期和功能大孢子時期在胚珠的合點端表達[22]。此外,細胞分裂素的合成基因ISOPENTENYLTRANSFERASE1(IPT1)[23]和受體基因AHK2/3/4在擬南芥大孢子母細胞時期的胚珠中也有大量表達[24],暗示著細胞分裂素信號可能參與調(diào)控大孢子發(fā)生過程。

前期研究顯示,AHKs、AHPs以及B型ARRs轉(zhuǎn)錄因子參與孢子體和配子體組織之間的信號交流,并在孢子體中表達,對功能大孢子的正常發(fā)育尤為重要。通過對表達模式進行分析,發(fā)現(xiàn)細胞分裂素信號在胚珠中是不對稱分布的,在大孢子發(fā)生過程中主要分布在合點端。當(dāng)外珠被開始形成而減數(shù)分裂尚未發(fā)生時,AHK2/3/4在胚珠的合點端表達;AHK2和AHK4(CRE1)在內(nèi)珠被原基中表達;ahk2/3/4三突變體的大部分胚珠沒有胚囊,這是減數(shù)分裂過程出現(xiàn)異常所致[23]。由此可知,功能大孢子的正常發(fā)育依賴于周圍孢子體組織中的細胞分裂素,細胞分裂素在胚珠合點端富集,為功能大孢子發(fā)育提供位置信息。此外,AHP和B型ARRs轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控功能大孢子發(fā)育是通過AHK和CKI1(cytokinin-independent 1)通路作用于孢子體和配子體實現(xiàn)的[23]。

3 細胞分裂素信號在雌配子體發(fā)生過程中的調(diào)控作用

在擬南芥中,根據(jù)胚囊內(nèi)核數(shù)量、液泡的形成和細胞化,雌配子體的發(fā)生可分為7個時期(FG1～FG7)。FG1時期:功能大孢子經(jīng)過細胞分化和生長,體積顯著增大,形成一個橢圓形細胞。FG2時期:第1次有絲分裂產(chǎn)生的2個核分別位于珠孔端和合點端。FG3時期:2個核之間形成中央液泡并將2個核分別推至兩極。隨著胚珠的發(fā)育,在胚囊中進行第2、3次有絲分裂,先后形成4個細胞核(FG4時期)和8個細胞核(FG5時期),同時開始細胞化。FG6時期:兩端各有一個極核向中間移動,合胞體細胞化形成典型的“七胞八核”結(jié)構(gòu)的胚囊。FG7時期:2個極核融合,形成成熟胚囊[25]。細胞分裂素是植物重要的生長調(diào)節(jié)劑,參與植物眾多生長發(fā)育過程。目前研究發(fā)現(xiàn)細胞分裂素在雌配子體發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用。

CKI1是擬南芥AHK2/3/4的同源物,但缺乏與細胞分裂素結(jié)合的CHASE結(jié)構(gòu)域。CKI1介導(dǎo)的細胞分裂素信號途徑對于中央細胞至關(guān)重要。在成熟的雌配子體中,CKI1的表達主要局限在中央細胞核中,在卵細胞核中也有較低水平的表達[26]。在cki1突變體雌配子體發(fā)育的FG4時期,合點端的2個核發(fā)生退化,導(dǎo)致擬南芥成熟雌配子體出現(xiàn)異常,未檢測到中央細胞和反足細胞,而卵細胞和助細胞特征延伸到合點端[26-27]。作為一個非受體型AHK基因,CKI1可能與其他細胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)組分相互作用共同調(diào)控雌配子體發(fā)育。擬南芥基因組含有5個AHP基因,即AHP1～AHP5[28],都在中央細胞中表達。研究發(fā)現(xiàn),ahp1/2/3/4/5五突變體胚珠中有38.2%的雌配子體在不同發(fā)育階段均存在嚴重缺陷,而ahp單突變體沒有明顯的胚珠發(fā)育表型,表明AHP基因在調(diào)控雌配子體發(fā)育中存在功能冗余[29]。ahp1/2/3/4/5五突變體胚珠胚囊發(fā)育異常的表型與cki1突變體相似,進一步分析發(fā)現(xiàn)CKI1作用于AHP基因的上游,通過調(diào)控AHP的表達來調(diào)控雌配子體發(fā)育[29]。利用CKI1啟動子驅(qū)動IPT8和ARR1基因表達可以部分恢復(fù)cki1的雌配子體發(fā)育異常表型,表明CKI1、AHPs和B型ARRs組成的遺傳途徑參與調(diào)節(jié)雌配子體發(fā)育過程[29]。研究表明,MYB64和MYB119在中央極核融合和細胞化過程中特異表達,是擬南芥雌配子發(fā)生過程中細胞化和分化所必需的[30]。在myb64/119雙突變體中,大多數(shù)雌配子體的中央極核不能融合,最終無法形成正常的雌配子體。MYB64和MYB119的轉(zhuǎn)錄表達受CKI1調(diào)控[30]。由此可知,CKI1作為細胞分裂素信號途徑中的關(guān)鍵組分,通過調(diào)控細胞分裂素信號途徑的其他組分參與調(diào)控雌配子體發(fā)育,也可以通過調(diào)控其他信號途徑的基因或者轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控雌配子體發(fā)育。

ARRs是細胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的轉(zhuǎn)錄因子之一,在細胞分裂素信號途徑中發(fā)揮重要作用。擬南芥基因組中共有23個ARRs轉(zhuǎn)錄因子,分別為A型(10個)、B型(11個)和C型(2個),其中A型ARRs起負調(diào)控作用,而B型ARRs起正調(diào)控作用[31]。B型ARRs轉(zhuǎn)錄因子成員ARR10/12/18都在胚囊中表達,它們從胚囊發(fā)育的FG4期開始定位于胚囊的合點端。由反向遺傳學(xué)研究可知,ARR10/12/18調(diào)控雌配子體發(fā)育,arr10/12/18三突變體中胚囊細胞出現(xiàn)缺陷,卵細胞和助細胞的細胞屬性向合點端擴展,而中央細胞和反足細胞的細胞屬性消失。由遺傳學(xué)和轉(zhuǎn)錄組分析可知,CKI1、AHP2/3/5和ARR10/12/18在同一個調(diào)控中央細胞的途徑中發(fā)揮作用。激活型ARR10/12/18可以克服cki1和ahp2/3/5中央細胞的缺陷,表明ARR10/12/18位于CKI1-AHP2/3/5的下游,調(diào)控中央細胞[32]。

此外,細胞分裂素也可能參與調(diào)控植物雌配子體的發(fā)育過程。擬南芥基因組中共有7個細胞分裂素氧化酶基因CYTOKININOXIDASE(CKX)[9]。CKX通過不可逆的分裂作用降低植物中活性細胞分裂素水平,從而調(diào)控植物的生長發(fā)育過程。研究顯示,在擬南芥中過表達CKX基因?qū)е罗D(zhuǎn)基因擬南芥植株中的內(nèi)源性細胞分裂素水平降低,出現(xiàn)生長發(fā)育缺陷,表現(xiàn)出與細胞分裂素合成或者信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因突變相類似的表型[9]。近期研究顯示,利用早期衰老相關(guān)基因EARLYSENESCENCE1(ES1)的啟動子在胚囊中特異表達CKX1(pES1∷CKX1),pES1∷CKX1轉(zhuǎn)基因植株胚囊中細胞分裂素水平顯著下降,并導(dǎo)致胚囊發(fā)育延遲,表現(xiàn)為部分胚囊發(fā)育停滯在單核階段,部分停滯在二核或四核階段[33]。進一步研究發(fā)現(xiàn),pES1∷CKX1轉(zhuǎn)基因植株胚囊中細胞周期相關(guān)基因的表達水平顯著下降,表明細胞分裂素可通過影響細胞周期相關(guān)基因的表達來調(diào)控雌配子體發(fā)育[33]。

4 細胞分裂素與其他激素在雌配子體發(fā)育過程中的共同調(diào)控作用

多種植物激素在植物生長發(fā)育過程中是相互作用、共同調(diào)節(jié)的。細胞分裂素還與其他植物激素協(xié)同調(diào)控雌配子體的發(fā)育過程(圖2)。研究發(fā)現(xiàn):在ahk2/3/4三突變體中雌配子體發(fā)育停留在FG1～FG2時期,胚珠數(shù)量大大減少;生長素外排使得PIN-FORMED(PIN1)因子的表達水平顯著降低[34]。此外,在spl/nzz突變體中,PIN1的表達水平也顯著降低,表現(xiàn)出與ahk2/3/4三突變體相似的表型[22]。外源施加細胞分裂素N6-芐基氨基嘌呤改變了生長素在胚珠中的分布從而導(dǎo)致胚珠發(fā)育異常[22],表明細胞分裂素是通過影響PIN1的表達來調(diào)控胚珠發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn),細胞分裂素信號和油菜素內(nèi)酯信號會調(diào)控胚珠原基的起始過程,使得種子數(shù)目增多,油菜素內(nèi)酯和CK在植物體內(nèi)可以互相增強對方的信號響應(yīng);油菜素內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)錄因子BZR1與CK信號轉(zhuǎn)錄因子ARR1相互作用,通過加強BZR1與ARR1的相互作用來增強細胞分裂素功能,增強ARR1對下游基因(如STK、HLL和SHP2)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控能力,從而促進擬南芥的胚珠發(fā)生,增加種子數(shù)量[35]。表明BR和CK在調(diào)控胚珠起始過程中發(fā)揮協(xié)同作用。

MMC:大孢子母細胞;FM:功能大孢子;mi:珠孔端;ch:合點端;ii:內(nèi)珠被;oi:外珠被;sc:助細胞: ec:卵細胞;ac:反足細胞;cn:中央細胞;ccn:中央極核。

5 結(jié)語

細胞分裂素是植物激素的重要組成,參與調(diào)控植物生長發(fā)育的多個過程。本研究綜述了細胞分裂素在植物雌配子體發(fā)育中的功能,包括細胞分裂素信號途徑中的主要成員對雌配子體發(fā)育過程不同階段的調(diào)控,作用于孢子體中的AHK-AHP-Type-B ARR信號通路,參與調(diào)控功能大孢子的特化過程;PIN1受到AHKs的影響,調(diào)控雌配子體發(fā)生的FG1-FG2階段;CKI1在FG3～FG7時期發(fā)揮著重要作用,且MYB64和MYB119的轉(zhuǎn)錄表達受CKI1調(diào)控;AHPs和B型ARRs也參與CKI1依賴的雌配子體發(fā)生的信號途徑,并發(fā)揮重要作用。同時,本文還展望了細胞分裂素在調(diào)控植物雌配子體發(fā)育中可能存在的新的作用機制。此外,在雌配子體發(fā)育這個精準的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中,細胞分裂素信號何時何地發(fā)揮作用、與其他信號途徑之間的調(diào)控和協(xié)同作用,以及在孢子體和配子體之間是否存在雙向信號傳導(dǎo)等諸多問題仍有待進一步探索。