拟南芥花粉与花药发育相关基因调控的研究进展

贾崇宁， 梁塔娜， 赵 永，2，张艳欣， 李丽丽，温 琦， 赵慧博， 黄凤兰，3，4，5，6*

(1.内蒙古民族大学 生命科学学院， 内蒙古 通辽 028000； 2.东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨 150040； 3.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心， 内蒙古 通辽 028000；4.内蒙古自治区蓖麻育种重点实验室， 内蒙古 通辽 028000； 5.内蒙古自治区蓖麻产业协同创新培育中心， 内蒙古 通辽 028000； 6.蓖麻产业技术协同创新内蒙古自治区工程研究中心， 内蒙古 通辽 028000)

拟南芥属典型的双子叶十字花科植物，是全球应用最广泛的模式植物，被科学家誉为“植物中的果蝇”。拟南芥是自花授粉植物，基因高度纯合，用理化因素处理易发生突变，容易获得不同表现型突变体。模式植物的选择和利用对于开展基因克隆、遗传分析和功能研究意义重大，模式植物花粉和花药生长发育基因调控的研究是重要的科研内容。对拟南芥花粉及花药的基因调控探索有助于对植株不育的研究，对基因型作物的杂交育种与提高农作物的产质量具有重要意义[1]。

拟南芥花粉和花药的生长发育对其生殖发育起着至关重要的作用。花粉发育是花粉管在柱头表面生长的关键，是植物生殖发育的决定性因素。花药生长发育直接关系到花粉与柱头的识别。花粉和花药的发育异常可影响雄性的可育性[2]。拟南芥作为重要的模式植物，研究其花粉和花药发育对研究植物的生长发育具有重要意义。植物的授粉受精是一个复杂且重要的过程，该过程不仅帮助自身繁殖后代，产生的种子也是粮食生产的重要来源。开花植物的花粉和花药发育包含了一系列生物学事件，众多基因参与其中，已有的研究发现，许多控制脂类、脂蛋白、酶的基因在一定程度上影响花粉和花药的生长发育。为其他植物花粉花药生长发育的研究提供参考，从花粉萌发及其突变体小孢子表达、花粉识别及水合、花粉壁的发育模式、花粉管的生长发育、药开裂及花粉粒释放和花药的育性等方面对拟南芥花粉和花药发育相关基因的调控机制进行概述。

1拟南芥花粉发育的基因调控

被子植物授粉包括花粉在柱头相互识别并与其黏附、花粉粒在柱头表面水合、水合后萌发出花粉管、花粉管在花柱极性生长，最后进入胚珠。花粉和柱头细胞的识别是花粉生长和萌发的关键，决定花粉在柱头表面的水合和萌发以及花粉管在柱头表面的生长[3]。

1.1花粉萌发及其突变体小孢子表达

WRKY转录因子是植物中的一类转录调控因子，对植物生长矮化、激素的合成和花粉活性有一定的影响[4-7]。WRKY18是WRKY蛋白家族第二组成员，WRKY18突变体花粉外形异常，其萌发率低[8-9]。WRKY18突变体在小孢子形成时期差异表达量开始明显增加，突变体植株与野生型植株形态上无显著差异，但突变体植株结实率较野生型植株结实率低，并且经PCR技术进行检测突变体植株转录因子的表达量也明显低于野生型。利用扫描电镜观察发现，突变体植株花粉形状异常，花粉壁凹陷，且突变体植株花粉萌发率较野生型萌发率低[9]。

脱落酸(ABA)作为一种植物内源激素，对植物许多的生理过程起着重要作用[10-11]。ABA的浓度对拟南芥的花粉萌发以及花粉管的生长有一定的影响。通过对ABA合成缺失突变体以及ABA和干旱敏感突变体的研究发现，拟南芥花粉管中活性氧极性分布受ABA影响，所以拟南芥的花粉萌发受外源和内源ABA浓度的影响，拟南芥花粉的活力随着ABA的浓度升高而降低[12-13]。周云等[13]研究发现，外源ABA对花粉管内H2O2的分布有一定影响，使得花粉管的生长受到抑制。微管(microtubule)作为重要的细胞骨架组分之一，对植物的气孔关闭、根的生长发育以及种子萌发都有影响[14-15]。林坤等[12]研究发现，微管与ABA一起参与拟南芥的花粉萌发和花粉管生长。通过对微管结合蛋白Map18研究发现，Map18过表达植株花粉经ABA培养后，其萌发率明显低于相同条件下野生型植株花粉，表明，微管结合蛋白Map18也参与ABA对拟南芥花粉萌发和花粉管生长调节[12]。

1.2花粉识别及水合

拟南芥是典型的十字花科干燥柱头的植物，具有特异性，其表面可主动调控水合，柱头和花粉相互识别，只有合适的花粉才可以完成水合。对于柱头表面在水合过程中的作用，推测柱头表面在水合时发生状态变化从而对液体通透，证明柱头上花粉水合的特异性[16]。

拟南芥花粉的水合与花粉粒表面和柱头表面的脂类物质有关，且雄性植株的育性与脂类合成转运有密切关系[17]。干燥柱头的植物花粉外被可能同湿柱头表面一样富含脂类，帮助花粉水合[18]。拟南芥cer突变体中的花粉柱头不能水合，与正常花粉混合授粉时花粉可以正常水合[17，19]。在cer突变体中，cer1、cer3和cer6突变体的花粉在试验内无法水合，表现出高度不育的特点，但突变体花粉在体外试验或高湿度环境育性恢复可以发生水合。cer3突变体植株花粉不能在柱头萌发，柱头形成胼胝质。另有研究表明，含油层脂质的合成(或)转运可能与cer3有关，并且可为花粉与柱头之间的识别提供帮助[20]。cer6突变体株系在后期微量添加缺失的C29和C30脂类可使cer6突变体株系育性部分恢复[21]。脂类的合成与转运对拟南芥的植株育性起重要作用。CHOI等[22]研究发现，拟南芥ATP结合盒转运蛋白ABCG9和ABCG31在绒毡层表达，影响花粉壁组分甾醇糖苷的转运。

花粉内部信号也可影响花粉在柱头表面的水合过程。赵婷婷[23]研究表明，影响水合的重要因子是活性氧。kinβγ蛋白由4个胱硫醚4个胱硫醚β合酶(CBS)结构域和1个糖原结合结构域构成(硫氧氧化还原蛋白)。kinβγ是糖信号转导关键调控因子SnRK1 comple的调节亚基。拟南芥kinβγ突变体的花粉不能在柱头正常水合和萌发。通过超微结构分析发现，突变体花粉过氧化物和线粒体的数量减少，结构异常，并且活性氧水平降低，外源添加活性氧可恢复花粉水合，并且在花粉中过表达过氧化氢酶cat3导致花粉的活性氧降低，进而导致花粉在柱头表面水合的异常[24]。

1.3花粉壁的发育模式

在拟南芥中，花粉最外层的花粉壁是一层特殊的细胞壁，包括花粉内壁和花粉外壁。花粉壁的特定模式决定花粉表面的结构特征。花粉外壁保护小孢子细胞质并决定花粉与柱头的特异相互识别。花粉壁的发育模式对植株的可育性有重要影响。RPG1/SWEET8是拟南芥中调控花粉壁模式建成的重要基因，RPG1/SWEET8的缺失会导致初生外壁积累异常，孢粉素沉积混乱，小孢子降解，从而影响花粉壁模式的形成，进而导致突变体植株不育[25]。

1.4花粉管的生长发育

拟南芥花粉管在花柱中生长是其进入胚珠的前提，雄配子的基因可以调控花粉管与柱头的相互识别作用[26]。干燥柱头表面具有被角质层覆盖的乳突细胞，允许水和大分子物质通过。乳突细胞由内壁和外壁组成，花粉释放某些物质分解乳突细胞壁中的纤维素和半纤维素，随即产生信息交流的物质交换，完成花粉管的萌发[27]。

拟南芥中囊泡分选蛋白VPS41 的缺失会导致花粉管无法穿透引导组织而导致败育，植株花粉管中第二阶段的内吞作用严重受阻，表明分选蛋白VPS41第二阶段的内吞途径对调控花粉管在柱头生长有重要作用[28]。内吞作用通过质膜的变形流动将胞外物质、膜蛋白以及脂类运送到细胞内，参与调控植物信号引导从而影响植物的生长发育。同样，作为雄配子体中的基因OBL1也可以调控花粉管与柱头之间的作用。拟南芥花粉管中含有脂滴，其可以储存三酰甘油(TAG)；NtOBL1和AtOBL1是作为TAG潜在的脂酶，通过对AtOBL1突变体的研究发现，拟南芥中OBL1作为脂酶通过分解三酰甘油调控花粉管在引导组织中的极性生长[29]。

拟南芥DG1定位于花粉管的亚顶端细胞质及质膜，其基因编码蛋白属衔接蛋白类似物。曹梦醒[30]研究发现，网格蛋白的内吞作用与DG1有关；降低DG1的表达不影响花粉的体外萌发，通过雌性激素的处理，花粉仍可以在柱头表面萌发，花粉管也可在乳突细胞表面正常生长，但是花粉管却不能正常进入引导组织。

2拟南芥花药发育的基因调控

拟南芥的花药发育可划分为4个阶段，包括花药原基细胞分化为花药组织、小孢子母细胞减数分裂形成小孢子四分体、小孢子发育为花粉粒和花药室开裂。花药生长发育直接关系到花粉与柱头的识别，花药和花粉发育异常可影响雄性的可育性，体细胞、花药形态与生殖细胞的发育、花粉发育、花粉粒的功能、小孢子发生及花药的开裂等因素均可导致雄性不育[2]。

2.1花药开裂及花粉粒释放

花药开裂涉及细胞的分化和退化以及花药水分状态和结构的变化，花药正常开裂是花粉与柱头相互识别的前提，药室内壁加厚是花药开裂的关键，药室内壁的次生加厚为花药开裂提供动力。研究发现，拟南芥MYB26基因对花药内室厚度发育和开裂起关键作用。MYB26突变体的药室内壁不能扩张、皮层不能木质化增厚，导致药室内壁无法正常开裂。MYB26基因通过调控一系列与次生增厚的相关基因间接调控花药的发育。此外，MYB26基因也可以调节NST1和NST2的表达，进而控制二次增厚的过程[31]。有研究表明，NST1和NST2突变体无法使药室内壁次生加厚导致花药不开裂，与MYB26突变体表现型类似。MYB26在花药内细胞发育中起重要作用，并在木质素生物合成途径的上游发挥作用[32]。MS1142植株突变体因其荚果短小萎缩，无法形成种子，外壁形成异常导致雄性植株不育[33]。MS1521基因通过调控拟南芥花药壁内层细胞纤维化，无法为药室开裂提供动力，导致其无法开裂，植株不结种子[31，34]。MS1521的突变也可能导致蛋白水解，通过另一种途径影响花药开裂[35]。

RUS4属于拟南芥DUF647蛋白家族，沉默RUS4基因会导致拟南芥的育性下降。花药无法正常开裂是RUS4基因沉默突变体(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花蕾中的表达明显降低。RUS4基因的表达可能会影响药室内壁次生加厚，通过间接激活转录因子基因MYB103和MYB85的表达从而影响次生壁合成过程。纤维素合成酶irx1、irx3、irx5以及转移酶irx8在RUS4-amiRNA花蕾中的表达出现相似程度降低[36]。纤维素合成酶基因(IRXs)在NST1和NST2突变体中表达降低，导致药室内壁不能加厚，花药无法开裂[37]。

2.2花药的育性

茉莉酮酸(JA)广泛存在于多种植物中，调控多种生理过程。有研究表明，JA不能正常合成或JA信号转导受阻的拟南芥突变体会导致花粉不能正常发育和花药开裂延迟，影响拟南芥的可育性[38]。拟南芥CBSX2突变体表现为药室内壁加厚，花药开裂提前，过表达CBSX2导致花药开裂失败。对突变体施用外源JA可以使部分过表达CBSX2植株恢复育性。CBSX2通过对叶绿体中的硫氧化蛋白的调节，影响H2O2水平，从而参与次生加厚的表达[39]。DDE1和OPR3型突变体缺失编码JA合成过程中一种酶opr 的基因，表现为雄性不育特征，施用外源JA可使花粉恢复育性[40-41]。JA合成受阻影响内层细胞和结缔组织细胞的脱水过程，导致花药不能开裂。DAD1和DDE2-2突变体均表现为花粉不育和花药开裂延迟，外源喷施MeJA可恢复育性[35，42]。花粉发育和花药开裂对拟南芥的可育性有重要影响，已有研究表明，JA可能同时调控花粉粒的成熟和花药开裂2个独立的过程。缺失合成过程中JA的某一种关键酶的拟南芥突变体均表现为雄性不育[38]。

NAC转录因子是植物特有的一类转录调控因子，对植物的生长发育、激素的调控以及信号转导有重要影响[43-46]。最早在拟南芥中发现ANAC092参与乙烯和激素信号途径[47]。现有研究发现，ANAC092可能参与花药的发育，ANAC092在花药发育关键基因的突变体spl/nzz和ems/exs中表达量下降，但未发现花粉异常表型[48]。为排除NAC家族基因冗余影响，对过表达ANAC092转基因植株发现其花粉活性没有改变，但花粉数量减少，花粉粒长度增加[49]。

3小结与展望

拟南芥花粉形成和花药发育是一个复杂的、连续的生物学过程，花粉发育经历细胞减数分裂、绒毡层退化、花粉有丝分裂、药室内壁及裂口组织分化，花粉成熟后最后花药开裂释放出成熟花粉粒。各个关键步骤彼此独立又紧密联系，每个过程受一系列基因的精细调控，有关此过程的基因发生突变均可能影响花粉和花药的育性。模式植物拟南芥基因组的深入研究有利于人们开展遗产和基因等方面试验。由于拟南芥基因组和其他植物基因组的同源性，研究其基因组可对改善作物品质、农作物抗逆性和环境保护等领域做出重要贡献。拟南芥花粉及花药的发育对雄性植物的育性影响巨大，花粉及花药的发育异常会导致雄性不育[49-50]，继续对拟南芥花粉及花药的调控基因组进行研究可为对处理雄性不育体植株提供途径。

尽管拟南芥的基因已经实现全序列分析，但是对于许多细节还有待进一步研究。对于拟南芥可育性、花粉形成和花药发育的调控基因还需进一步鉴定。调控拟南芥花粉、花药发育的基因众多，但已被确认的基因却相对较少。对于拟南芥花粉和花药发育的网络机制，仍有较多未知领域需要进一步探索。随着基因编辑等技术的应用，越来越多的基因生物学功能将被揭示。