植物生殖行為及性別不育研究進(jìn)展

植物生殖行為及性別不育研究進(jìn)展

植物的雌花通常是由異常的雌性器官發(fā)育引起的。正常植物的雌性器官發(fā)育主要是指子房的發(fā)育（包括胚胎發(fā)育和囊性發(fā)育）。如果雌花器官中的卵細(xì)胞發(fā)育受阻或失敗，則會出現(xiàn)植物雌性（包括隱形性和顯性雌性）。較典型的植物雌性不育具有一些明顯的外觀特征,如子房干癟,無花柱和柱頭,種子發(fā)芽率低等.有些雌性不育同時還伴隨雄性不育現(xiàn)象.雌性不育的表型多種多樣,不育機(jī)理較為復(fù)雜.了解其細(xì)胞分子生物學(xué)特征,對揭示植物花器官性別分化及發(fā)育的分子機(jī)理以及在生產(chǎn)實踐中克服不育性或利用雌性不育作為雜交制種的手段等都具有重要的理論和實踐意義.下面就雌性不育的表征、細(xì)胞學(xué)機(jī)制,克服雌性不育的方法及與不育有關(guān)的表達(dá)產(chǎn)物研究等方面進(jìn)行綜述.1克氏原螯蝦8e-trevatt3.就目前對花的形態(tài)解剖、組織切片及生理生化等方面的研究現(xiàn)狀來看,雌性不育的表征涉及以下幾個方面.最常見的是大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂不正常,不能形成功能性大孢子.Rim等研究了豆科百脈根屬兩個種的體細(xì)胞雜交后代發(fā)育情況,發(fā)現(xiàn)由于大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂后期發(fā)生異常,不能形成四個大孢子.Kazimierska等用豆科羽扇豆屬的兩種植物進(jìn)行雜交,發(fā)現(xiàn)非育性和育性后代比例約為3∶1,表明這種雜交后代的不育性是由一對等位基因控制的.在不育后代中,從珠心切片中未分離到大孢子母細(xì)胞,或即使分離到大孢子母細(xì)胞,也會液泡化或在減數(shù)分裂前死亡.有些雌蕊胚珠內(nèi)的大孢子母細(xì)胞雖然可以完成減數(shù)分裂,但形成的功能性大孢子卻不能正常進(jìn)行有絲分裂,因此,無法產(chǎn)生成熟的8核胚囊.Lillecrapp等在杏的一個品種‘Trevatt’中發(fā)現(xiàn)有50%的胚珠只能發(fā)育到功能性大孢子時期、2核胚囊期或4核胚囊期,另有50%的胚珠中胚囊退化或消失.Ouyang等發(fā)現(xiàn)雜交水稻中有高度不育的F1代,雖然可以形成功能性大孢子但在小花開花時此大孢子退化導(dǎo)致不能形成成熟胚囊.還有一些情況是,胚囊雖然可以發(fā)育成熟,但受粉后胚珠發(fā)育異常,導(dǎo)致最終不能形成種子.胚珠作為胚囊的攜帶者,是種子的前身,在植物的生殖過程中起重要作用.許多胚珠發(fā)育異常的突變體都表現(xiàn)為育性降低.Martinis等發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草中胚珠的發(fā)育停滯,且含有大量胼胝質(zhì),雖然可以受粉,但卻不能正常引導(dǎo)花粉管伸向珠孔.Kazimierska等發(fā)現(xiàn)兩種羽扇豆屬植物雜交的不育后代中,在8核胚囊期其珠心組織出現(xiàn)異常的極性,雖然有些胚囊完成了受精過程,但形成的胚細(xì)胞會液泡化而死亡.雌性不育在花的外觀特征上也有所表現(xiàn).Carapetian在紅花的雌性不育研究中觀察到,兩個紅花品種雜交產(chǎn)生的不育植株開花時會發(fā)生小花的干枯和花柄的延長,而不像育性植株那樣小花靠在覆瓦狀的苞片上.此外,雌性不育的植株在生理生化特征上也會出現(xiàn)異常變化.Ouyang等對雜交水稻中酸性磷酸酶(AcPase)的定位研究顯示,在敗育大孢子的珠孔、珠被附近有強(qiáng)烈的酶活性.細(xì)胞學(xué)觀察還發(fā)現(xiàn),退化的功能性大孢子的細(xì)胞膜上有高密度的物質(zhì)沉積,并出現(xiàn)了大量含有許多內(nèi)含物的多形液泡.2ss-4與ss-4、ss-3、ss-4突變體的雜交分析植物的雄性不育現(xiàn)象及不育機(jī)制受到人們的廣泛關(guān)注,但在雌性不育方面,由于雌蕊結(jié)構(gòu)及雌配子體發(fā)育的復(fù)雜性,使得雌性不育機(jī)制的研究報道較少.目前主要觀點如下.關(guān)于花發(fā)育的研究理論.Coen等通過擬南芥和金魚草花發(fā)育的研究,提出了同源異型基因控制的ABC模型.A功能基因是在花萼和花瓣中起作用,B功能基因在花瓣和雄蕊中起作用,C功能基因在雄蕊和心皮中起作用.其中,A功能和C功能基因是相互抑制的.根據(jù)這一模型,A、B、C三類功能基因?qū)π云鞴俚漠a(chǎn)生都有作用.植物的性別決定取決于控制各部分花器官形成的基因在花器官原基分化組織中的表達(dá).控制心皮和雄蕊形成的是同源異型基因.所謂同源異型突變泛指分生組織的不正常發(fā)育,產(chǎn)生異位的器官或組織.而引起這種突變的基因稱為同源異型基因.Colombo等在對矮牽牛進(jìn)行研究后,又將此模型擴(kuò)展為ABCD,其中D被認(rèn)為是花器官中胚珠的調(diào)控基因.本實驗室就曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過一個文冠果的突變株,突變株的花只具有花萼和多片重復(fù)的花瓣,沒有雌蕊和雄蕊的發(fā)生,推測是C功能基因失活導(dǎo)致的.引起雌性不育的基因特征.基因的連鎖性和等位性,基因的多效性,基因的單獨作用,基因之間的互作等與雌性不育有關(guān).關(guān)于基因的連鎖性和等位性:PS--1是一種大豆的突變品種,和此類突變相關(guān)的還有PS--2、PS--3、PS--4等.Pereira等研究了大豆PS--1突變體,在遺傳與連鎖分析中,PS--1與花色突變體Harosoy--W4和染色體缺失突變體CD--1分別雜交,結(jié)果顯示PS--1的不育與W4和CD--1是相連鎖的.因而,不育植株可以通過花色的突變來鑒別,也可以通過染色體觀察來發(fā)現(xiàn),不育性與這兩種表現(xiàn)形式是同時出現(xiàn)的.在等位測試中顯示,PS--1與同類突變PS--2、PS--3、PS--4是不等位的,因此推測PS--1為單隱性突變基因.Rheenen和Palmer分別研究了豆科熱帶品種不同品系間的雜交結(jié)果,發(fā)現(xiàn)了雙因子雌性不育和部分雌性不育.在600Gyγ射線處理后的雜交子代中發(fā)現(xiàn)全部不可育.以兩品系雜交的可育后代的自交子代為母本,分別與其他兩個品系雜交,發(fā)現(xiàn)其部分雌性不育與前人研究過的PS--1、PS--2、PS--3、PS--4都不是等位的,推測這種不育突變可能是另一種單隱性突變基因控制的.實驗還發(fā)現(xiàn)了一種雜合體雌性半不育因子(HFSF),證實該因子與兩種形態(tài)學(xué)標(biāo)記——性成熟顏色T1、下胚軸顏色W1是不連鎖的,這樣便不能利用這兩種形態(tài)學(xué)標(biāo)記來判斷不育是否會出現(xiàn).而Palmer等后來又在含轉(zhuǎn)座子的大豆種群中發(fā)現(xiàn)了新的單隱性核基因控制的突變植株,該基因與已知的各種不育突變基因型(如st2st2,w4w4,y10y10,fr1fr1等)都不連鎖和等位.Carapetian還曾利用碘價(IV)測定法及脂肪酸的組成檢測發(fā)現(xiàn)控制紅花油酸、亞油酸比例的等位基因O1與其不育基因S2是連鎖的.因此,不育的紅花會同時表現(xiàn)油品質(zhì)的變化,有利于用表型初選不育植株.Vassiliadis等以雄花、兩性花異株的植物為模型,提出了配子體自交不親和性基因與核性別決定基因是連鎖的,推測可以在兩性花群體中誘導(dǎo)雌性不育等位基因的擴(kuò)散,使群體中都具有雌性不育的表征.Marais等提出小麥中的殺配子基因與葉銹病、莖銹病的抗性有關(guān),認(rèn)為控制抗性表達(dá)的基因與殺配子基因是相連鎖的.沒有殺配子基因的配子體不能存活,而與殺配子相關(guān)的一些缺陷都會與抗性一起遺傳,如高水平的雌性和雄性不育、不正常的胚乳發(fā)育以及明顯的染色體畸變等,所以雜合體雖然有抗性基因表達(dá),能夠有效抵抗兩種銹病,但卻有不育特性,不能將此抗性遺傳給后代.關(guān)于基因的多效性:基因的多效性是指某個基因能影響幾個性狀的現(xiàn)象,是一種基因間的特殊相互作用.Rheenen和Palmer等在大豆雜交實驗中發(fā)現(xiàn),所研究品系的有限生長(DeterminateGrowth,DT)表現(xiàn)為頂端生長終止于開花,而這種品系是雌性不育的.很可能該雌性不育基因具有多效性特點,既能夠控制植株的生長,又可以表現(xiàn)為雌性不育,可以通過實驗進(jìn)一步證實它們之間的關(guān)系.mod1與sin1都是擬南芥中與育性相關(guān)的基因,mod1是sin1的隱性修飾基因,它們是同源的.Lang等通過實驗發(fā)現(xiàn),mod1既可以控制珠被的大小,又可以控制節(jié)間的長度.這樣,就有可能以節(jié)間長度變化來推測育性的變化.關(guān)于基因互作:Carapetian研究了紅花的雌性不育,發(fā)現(xiàn)兩種紅花品種在雜交后產(chǎn)生57∶7的育性與不育性的分離,認(rèn)為是由三個相互作用、不相連鎖的核基因控制的,這三個基因相互促進(jìn)或制約,最終導(dǎo)致雌性不育的發(fā)生.Wan等研究了水稻雜種中的雌配子敗育問題,發(fā)現(xiàn)是位于6號染色體上的S--5基因與其等位基因互作而引起的敗育.Fukushima等研究了父母本雙方都可育的大麥雜交產(chǎn)生的部分不育的后代,發(fā)現(xiàn)了sfg1、sfg2兩個基因只能影響到雌配子體,只要攜帶有這兩個基因就表現(xiàn)為雌性不育,進(jìn)而影響到雜交后代種子的育性.推測可能是這兩個基因相互作用而使得雌配子體發(fā)育受阻.進(jìn)一步實驗證明不育與細(xì)胞質(zhì)、雜交后代的遺傳背景和生長年份沒有太大的關(guān)系.Lang等研究的擬南芥中的sin1和mod1基因也是通過相互作用而調(diào)控胚珠的發(fā)育的.關(guān)于基因的單獨作用:Lang等通過實驗證實,sin1基因的單獨突變也會導(dǎo)致胚珠畸形發(fā)育與雌性不育的發(fā)生.組蛋白是一類與基因表達(dá)密切相關(guān)的重要蛋白質(zhì),組蛋白的脫乙?；c基因沉默相關(guān),而組蛋白的乙?；c基因激活有關(guān).Tian等研究了擬南芥中組蛋白脫乙?；?AtHD1)的作用,發(fā)現(xiàn)AtHD1的表達(dá)降低會導(dǎo)致許多異?，F(xiàn)象產(chǎn)生,如基因的異位表達(dá)、花缺陷、早衰現(xiàn)象以及雌性和雄性不育,推測該基因是通過DNA序列的獨立作用機(jī)制來調(diào)控花的發(fā)育,進(jìn)而影響到植株的育性.同時,我們認(rèn)為基因互作可能就是引起木本植物文冠果不育的原因之一.本實驗室正在開展文冠果雌性不育的研究,根據(jù)查閱的相關(guān)文獻(xiàn)及已有的部分工作結(jié)果,我們推測,在文冠果不同的發(fā)育時期,幾個與雌蕊敗育相關(guān)的基因共同起作用,通過各時期的不同表達(dá)產(chǎn)物來調(diào)控文冠果的育性.植物染色體的異常也會引起雌性不育.有些植物的大孢子母細(xì)胞在減數(shù)分裂時其同源染色體不能正常配對,導(dǎo)致不能正常形成功能性大孢子,進(jìn)而影響其育性.Palmer等在大豆突變系w4--m中發(fā)現(xiàn)雌性不育植株中同源染色體不能發(fā)生配對.Murthy等也在3個煙草品種的雜交后代中發(fā)現(xiàn)有完全雌性不育的后代,并觀察到其同源染色體不是完全配對的.雜交可能會引起雌性不育.包括體細(xì)胞雜交、種間雜交、亞種間雜交及無融合生殖等.Rim等通過豆科百脈根屬的兩個品種的雜交,比較了親本和體細(xì)胞雜交的早期胚珠發(fā)育,發(fā)現(xiàn)了雌性不育現(xiàn)象.我們推測,可能是體細(xì)胞雜交使得雜交后代中父母本的細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)相互影響、不協(xié)調(diào)作用而干擾減數(shù)分裂的正常進(jìn)行,最終導(dǎo)致胚珠敗育.Harrington等研究了以松柏類植物為宿主的子囊菌MAT--1和MAT--2之間的雜交結(jié)果,發(fā)現(xiàn)雜交只能產(chǎn)生很少的子囊孢子,這些孢子常常是畸形的或與細(xì)胞碎片混在一起,具有較低的子囊孢子萌發(fā)率.而其兩個種內(nèi)的配對卻能夠產(chǎn)生具有較高萌發(fā)率的子囊孢子.推測這種雜交造成的育性降低可能會作為鑒定生物種類的指示物,可以作為形態(tài)學(xué)、生理學(xué)特征鑒定的輔助標(biāo)準(zhǔn).Ouyang等研究了亞種間雜交的水稻,F1代中出現(xiàn)了高度的雌性不育.Sanieet等研究了水稻28個亞種間雜交和4個互交,在被檢測育性的后代中發(fā)現(xiàn)了雄性可育而雌性不育的現(xiàn)象,推測此類亞種間雜交引起了雌性不育基因的表達(dá),進(jìn)一步實驗證實該基因表達(dá)與細(xì)胞質(zhì)基因組是無關(guān)的.研究還發(fā)現(xiàn),雌性不育的后代往往具有無融合生殖的特征.無融合生殖是指不經(jīng)雌雄配子融合而產(chǎn)生胚、種子的生殖方式.育種上常為了打破物種間的生殖隔離、實現(xiàn)基因的交流去誘發(fā)無融合生殖.當(dāng)篩選到強(qiáng)優(yōu)組合的雜種時,再利用無融合生殖來固定優(yōu)良性狀.Arthur等在研究禾本科狼尾草屬植物——御谷的雌性不育突變時觀察到胚珠很小而且畸形,其中50%不能形成胚囊,35%形成多胚囊,多胚囊的植株表現(xiàn)出潛在的無融合生殖特性.多胚囊常為胚珠組織形成的不定胚囊,在繁殖過程中易于保持母本的優(yōu)良性狀,這樣突變后的植株就可以這種方式將優(yōu)良性狀保持下去.這種特征有待于進(jìn)一步研究和開發(fā)、利用.生長調(diào)節(jié)物質(zhì)也可以調(diào)控雌性不育,如乙烯等.Sandhu等利用油菜的4個品種雜交,受粉2d后施加生長調(diào)節(jié)劑,F1代表現(xiàn)出較高的株高、更多的主枝數(shù)及后熟現(xiàn)象,油的品質(zhì)較高,但卻發(fā)生了雌雄育性的降低.說明生長調(diào)節(jié)劑確實會導(dǎo)致雌性育性的降低.我們知道,乙烯在高等植物中控制著許多生長和發(fā)育過程.已經(jīng)報道的有:乙烯在黃瓜的性別決定中起作用;在蘭花中,傳粉和生長素會控制乙烯產(chǎn)量和子房發(fā)育,乙烯抑制子起作用時傳粉和生長素介導(dǎo)的子房發(fā)育也受到抑制;在矮牽牛中,乙烯是通過控制雌蕊分泌組織的成熟來控制生殖生理的.Martinis等在研究轉(zhuǎn)基因煙草時發(fā)現(xiàn),有一雌蕊特異性基因被抑制.將乙烯合成酶氧化酶(ACO)基因轉(zhuǎn)入煙草后,發(fā)現(xiàn)該酶只在雌蕊中表達(dá),在胚珠發(fā)育后期表達(dá)時,也只限于珠被和胚囊而在子房的其他組織中無表達(dá).通過外源乙烯處理,使轉(zhuǎn)入的基因活化,發(fā)現(xiàn)可以恢復(fù)胚珠的發(fā)育并能使花粉管通過珠孔而最終產(chǎn)生種子.而當(dāng)ACO基因沉默時,有乙烯抑制因子起作用,其胚珠發(fā)育便不能恢復(fù).推測這種影響育性的作用是在大孢子遺傳早期發(fā)生的.另外,研究發(fā)現(xiàn)敗育的種子含有植物凝集素,它們在敗育過程中形成貯藏蛋白時起作用.還有的敗育種子中積累了大量的脫落酸,推測這些脫落酸可能是引起種子不育的原因之一.環(huán)境的變化也會影響植物的育性.Lillecrapp等在TrevattBlue的研究中發(fā)現(xiàn),溫度可以影響到胚珠的數(shù)量,進(jìn)而形成多胚珠現(xiàn)象而導(dǎo)致雌性不育.而且,在研究中還發(fā)現(xiàn),外源基因的引入與植物育性也是相關(guān)的.Greef等研究了外源DNA與植株雌性不育的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)外源DNA可以首先構(gòu)成與雌性不育相關(guān)的DNA片段,編碼蛋白質(zhì)或多肽,嚴(yán)重干擾細(xì)胞的功能和代謝;也可以構(gòu)成某種啟動子,在雌蕊細(xì)胞中選擇性地指導(dǎo)雌性不育DNA的表達(dá).外源DNA是通過與核基因組的共同作用來調(diào)控植物的雌性不育的.3克服兩性發(fā)育雌性不育雖然有可能在遺傳育種和制種等方面有一定作用,例如可以有效防止自花傳粉等,但同時也有其不利的一面,會妨礙植物品種間雜種優(yōu)勢的利用.因此,需要尋找克服雌性不育的有效途徑.Marais等曾嘗試用激光、突變劑等來破壞小麥中的跟育性相關(guān)的殺配子系統(tǒng),雖然可以產(chǎn)生有較好育性的植株,但數(shù)量很少且不能將育性遺傳給后代.在生產(chǎn)實踐中經(jīng)常會使用生長調(diào)節(jié)物質(zhì)來克服雌性不育.王保明等在不同的發(fā)育時期對仁用杏噴施ABA、GA3、PP333和氨基酸營養(yǎng)液,發(fā)現(xiàn)在仁用杏花芽分化期和雌蕊形態(tài)分化初期噴施50mg/kgGA3,100mg/gPP333,50～100mg/kg6--BA可以減少雌蕊的敗育率.這樣,就可以提高杏仁產(chǎn)量.此外,盧雪紅也在試驗的基礎(chǔ)上提出了克服高粱小花敗育的幾條措施.由于有了充足的光照可減少小花不育,則可以合理安排播種期,使得其發(fā)育過程中的光敏感階段躲過陰雨高峰.由于行距小、密度大的種植方式會加重敗育現(xiàn)象,所以種植時可加大父母本間的行距,從而減少遮蔭和不通風(fēng)的影響,以減少敗育.在深入分析雌性不育的機(jī)理后,我們有可能利用分子生物學(xué)的手段來調(diào)控植物育性.如果能夠找到在調(diào)控中起主要作用的調(diào)節(jié)因子,則可以調(diào)控與育性相關(guān)基因的表達(dá),進(jìn)而可以降低不育的幾率.4文冠果生育期花成熟酶基