1、植物雄配子體發(fā)生和發(fā)育的遺傳調(diào)控摘要: 植物雄配子體發(fā)生和發(fā)育是有性生殖的關(guān)鍵步驟之一，是高等植物通過(guò)有性生殖進(jìn)行世代交替所必需的。近幾年來(lái)，隨著分離和鑒定配子體型突變體技術(shù)的發(fā)展，雄配子體傳 機(jī)制研究取得了很大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一些調(diào)控雄配子體發(fā)生和發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞分化和互作的 重要基因。本文著重概述和討論植物雄性生殖細(xì)胞和雄配子體發(fā)生及其與周邊細(xì)胞互作遺傳 機(jī)制研究的最新進(jìn)展。關(guān)鍵字：花藥，擬南芥，配子體，花粉正文：高等植物的生活周期經(jīng)歷從二倍體抱子體世代到單倍體配子體世代的交替循環(huán)。這種世代交替過(guò)程是通過(guò)配子體發(fā)生和受精作用實(shí)現(xiàn)的。配子體發(fā)生過(guò)程產(chǎn)生單倍體雌、雄配子，而受精作用使得單倍體的雌、雄

2、配子體結(jié)合形成新二倍體世代。因 此，雄配子體發(fā)生和發(fā)育對(duì)高等植物通過(guò)有性生殖進(jìn)行世代交替至關(guān)重要。植物配子體的發(fā) 生是一個(gè)重新起始（de novo）的過(guò)程，不同于動(dòng)物的配子體發(fā)生過(guò)程。雄配子體的發(fā)生包括 雄性生殖細(xì)胞的分化發(fā)育、小抱子的形成（包括減數(shù)分裂）、雄配子體（花粉粒）的形成和花 粉管的生長(zhǎng)，一直到雄配子（精子）與雌配子體結(jié)合。在這個(gè)過(guò)程中，經(jīng)歷了一系列的 細(xì)胞分化發(fā)育作用。因此， 雄配子體不僅對(duì)植物有性生殖有重要意義，也是一個(gè)研究細(xì)胞 分化發(fā)育機(jī)制的好材料。近幾年來(lái)， 雄配子體遺傳機(jī)制已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，利用不同 的分子遺傳技術(shù)，已發(fā)現(xiàn)一些調(diào)控雄配子體形成和花粉管生長(zhǎng)的重要基因。本文

3、著重總結(jié) 和討論雄配子體發(fā)生和發(fā)育遺傳機(jī)制研究的最新進(jìn)展，主要包括雄配子體形成的細(xì)胞學(xué) 機(jī)制、雄性生殖細(xì)胞分化發(fā)育、雄配子發(fā)育和花粉管生長(zhǎng)等的遺傳機(jī)制。1、雄配子體發(fā)生的細(xì)胞學(xué)機(jī)制雄配子體發(fā)生包括2個(gè)發(fā)育步驟，即小抱子發(fā)生和雄配子體發(fā)生。小抱子發(fā)生是由抱原細(xì)胞 分化發(fā)育成小抱子母細(xì)胞，又叫花粉母細(xì)胞，經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生小抱子；而雄配子體發(fā)生是由 小抱子進(jìn)一步發(fā)育為成熟的花粉粒，包括雄配子，即精細(xì)胞。1、1雄性生殖細(xì)胞分化與小孢子發(fā)生植物雄性配子體的發(fā)生起始于花藥原基的分化發(fā)育時(shí)期。在模式植物擬南芥中，花藥原基 是一個(gè)3層細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。最外面的L1層細(xì)胞為外表皮，最內(nèi)側(cè)的L3層細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育成 維管束

4、和支撐組織，中間的L2層細(xì)胞分化發(fā)育形成花粉粒和其它花藥壁細(xì)胞。首先，在花 藥原基4個(gè)角落的L2層細(xì)胞長(zhǎng)大，發(fā)育成抱原細(xì)胞。抱原細(xì)胞進(jìn)行平周分裂，產(chǎn)生內(nèi)外2 層細(xì)胞，內(nèi)側(cè)為初生造抱細(xì)胞，外側(cè)為初生周緣細(xì)胞。初生造抱細(xì)胞發(fā)育成小抱子母細(xì)胞。 初生周緣細(xì)胞再進(jìn)行平周分裂產(chǎn)生內(nèi)外2層次生周緣細(xì)胞。外層次生周緣細(xì)胞直接發(fā)育成藥 室內(nèi)壁，而內(nèi)層的次生周緣細(xì)胞再次平周分裂產(chǎn)生2層細(xì)胞，內(nèi)層的細(xì)胞形成初生絨氈層，然后進(jìn)一步發(fā)育為成熟的絨氈層，外層細(xì)胞形成中間層。擬南芥花藥發(fā)育可分 為14個(gè)發(fā)育時(shí)期，在第4期完成前，由于細(xì)胞分裂的不同步，細(xì)胞排列沒(méi)有明顯的分層。 而當(dāng)?shù)?期完成后，進(jìn)入第5期時(shí)，擬南芥花藥具有

5、排列整齊的5層細(xì)胞，由外向內(nèi)分別 是表皮層、花藥內(nèi)壁、中間層、絨氈層和小抱子母細(xì)胞。此后，第5層的小抱子母細(xì)胞經(jīng)過(guò) 減數(shù)分裂產(chǎn)生單倍體的小抱子，小抱子進(jìn)一步發(fā)育為成熟的花粉粒，其中包含精細(xì)胞。在花 藥發(fā)育的過(guò)程中，除了出現(xiàn)活躍的細(xì)胞分化發(fā)育作用，也出現(xiàn)細(xì)胞的程序性死亡。首先是第 3層的中間層細(xì)胞退化消亡，然后第4層的絨氈層成熟后為花粉粒的形成提供物質(zhì)，最后在 花粉粒成熟前退化消亡。最終，成熟的花藥共有4個(gè)充滿花粉粒的藥室。1、2雄配子體發(fā)生和花粉管萌發(fā)生長(zhǎng)小抱子母細(xì)胞減數(shù)分裂產(chǎn)生的初始產(chǎn)物是由4個(gè)單倍體小抱子組成的四分體，其中小抱子 由胼胝質(zhì)壁包裹連在一起。接著在來(lái)自絨氈層胼胝質(zhì)酶的作用下,胼

6、胝質(zhì)壁分解，釋放出單核 小抱子。單核小抱子進(jìn)行一次不均等有絲分裂，形成由1個(gè)比較大的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和1個(gè)比較 小的生殖細(xì)胞組成的雙細(xì)胞花粉粒。生殖細(xì)胞包含在營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中。此后，在一部分物種中， 生殖細(xì)胞暫停分裂，保持為雙細(xì)胞花粉粒一直到花粉萌發(fā)；生殖核在生長(zhǎng)的花粉管中進(jìn)行一 次均等有絲分裂，形成2個(gè)精細(xì)胞。而在另一部分植物種中,如模式植物擬南芥，生殖細(xì)胞的 第2次有絲分裂發(fā)生在成熟花粉離開(kāi)花藥之前。因此，在這些植物種中，成熟的花粉粒為1 個(gè)三細(xì)胞的生命單元，包括2個(gè)精細(xì)胞和1個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞。成熟的花粉粒處于脫水狀態(tài)，不同 植物種的花粉粒具有不同的外觀性狀（有關(guān)花粉粒的超微結(jié)構(gòu),開(kāi)花時(shí)，花粉粒從花藥中釋 放

7、出來(lái)，并被傳遞到雌蕊的花柱頭上?；ǚ哿Ｎ劝l(fā)出花粉管，花粉管在花柱導(dǎo)管中極性生 長(zhǎng)，把精細(xì)胞運(yùn)送到胚囊中，完成雄配子體整個(gè)發(fā)育歷程。2、植物雄性生殖細(xì)胞發(fā)育的遺傳調(diào)控在過(guò)去的10年中，花器官分化發(fā)育遺傳研究取得了重大成果，建立了調(diào)控花器官發(fā)育遺傳 模型，即ABC模型。根據(jù)ABC模型，雄蕊原基分化發(fā)育是由B和C型基因調(diào)控。每年都有 很多綜述文章討論這方面的研究進(jìn)展。近幾年，由于如T-DNA和Ds等DNA插入突變技術(shù)的 建立和應(yīng)用，花藥原基進(jìn)一步發(fā)育產(chǎn)生雄配子體過(guò)程的研究也取得了比較大的進(jìn)展，已發(fā)現(xiàn) 多個(gè)重要基因。2、1雄性生殖細(xì)胞分化遺傳調(diào)控?cái)M南芥的SPOROCYTELESS是目前發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控

8、花藥早期發(fā)育和雄性生殖細(xì)胞分化發(fā)育的基因之一 spl突變體的花藥不能產(chǎn)生雄性抱原細(xì)胞，表明SPL基因是一個(gè)啟動(dòng) 生殖細(xì)胞分化的關(guān)鍵基因。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控花器官分化發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子基因能通過(guò)與位于 SPL 3-端的CArGbox結(jié)合激活SPL基因的表達(dá)。通過(guò)AG基因激活SPL基因異位表達(dá)也可 以在花瓣中誘導(dǎo)小抱子的形成。這說(shuō)明在擬南芥中,SPL基因足以啟動(dòng)生殖細(xì)胞的分化作用。 SPL編碼一個(gè)新的核蛋白，其氨基酸序列與MADS蛋白質(zhì)的MADS功能域有一定的同源性, 暗示SPL蛋白可能是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。也就是說(shuō),SPL基因可能編碼一個(gè)MADS-box類型的轉(zhuǎn)錄 因子，在調(diào)控雄性生殖細(xì)胞的發(fā)生與分化過(guò)程中發(fā)

9、揮非常重要的作用。2、2雄性生殖細(xì)胞與其周邊細(xì)胞互作的遺傳調(diào)控在早期花藥中,SPL只在生殖細(xì)胞里表達(dá)。但該基因突變不僅影響小抱子的形成，而且也影響 花藥壁細(xì)胞的分化發(fā)育。這表明正常的生殖細(xì)胞是花藥壁細(xì)胞分化發(fā)育不可缺少的，生殖細(xì) 胞與其周邊細(xì)胞間有相互作用可能對(duì)調(diào)控相關(guān)細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)非常重要。水稻的MSP1和擬 南芥的BAM1/BAM是編碼LRR型的受體蛋白激酶,可能參與花藥發(fā)育早期生殖細(xì)胞周邊的細(xì) 胞分化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，但目前還不清楚它們是否參與生殖細(xì)胞（即抱原細(xì)胞）與其周邊細(xì)胞 的相互作用。擬南芥EMS1編碼一個(gè)LRR型的受體蛋白激酶。在絨氈層發(fā)育時(shí)期,EMS1在絨 氈層里表達(dá)最強(qiáng)，可能參與

10、調(diào)控絨氈層前體細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。tpd1的表型與 ems1的表型是一致的,tpd1 ems1雙突變體的表型也與其各自單一突變體的表型一致。因此, TPD1與EMS1可能在同一個(gè)發(fā)育過(guò)程中起作用。過(guò)量表達(dá)TPD1,在角果中出現(xiàn)一種新的寬 角果性狀，但這種性狀在emsl突變體中受到抑制，間接說(shuō)明了 TPD1與EMS1之間有遺傳互 作。TPD1在絨氈層發(fā)育時(shí)期主要是在生殖細(xì)胞中表達(dá)，但它的突變也影響絨氈層細(xì)胞的分 化發(fā)育，TPD1可能參與生殖細(xì)胞與絨氈層細(xì)胞的相互作用。由于TPD1的遺傳功能依賴于 EMS1,所以TPD1應(yīng)該處在EMS1的上游，很可能是負(fù)責(zé)傳遞E MS 1蛋白激酶所接受到的

11、信 號(hào)。換句話說(shuō),EMS 1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的初始信號(hào)很可能是來(lái)自正在發(fā)育的生殖細(xì)胞TPD1編碼 一個(gè)只有176個(gè)氨基酸的小型蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)功能分析顯示，在它的N端預(yù)測(cè)到一個(gè)潛在分 泌信號(hào)肽,TPD1蛋白質(zhì)很可能是被分泌出細(xì)胞外才發(fā)揮功能的。分泌型的小蛋白質(zhì)有可能是 多肽信號(hào)分子的前體。不過(guò)，目前還不清楚TPD1基因是否會(huì)編碼一個(gè)多肽信號(hào)分子。進(jìn)一 步鑒定TPD1產(chǎn)物的生化功能及其是否直接與受體EMS1作用，將有助于我們深入了解花藥發(fā) 育過(guò)程中細(xì)胞分化的分子調(diào)控機(jī)制。3、雄配子體發(fā)育的遺傳調(diào)控小抱子母細(xì)胞減數(shù)分裂形成4個(gè)小抱子，這4個(gè)小抱子都能發(fā)育成花粉粒。減數(shù)分裂后，單 倍體的小抱子進(jìn)行2次有絲

12、分裂才完成雄配子體的形成過(guò)程。第1次是一個(gè)不均等的分裂， 產(chǎn)生1個(gè)比較大的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和1個(gè)比較小的生殖細(xì)胞。營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞不再分裂，而被包含在 其中的生殖細(xì)胞再進(jìn)行一次均等的有絲分裂產(chǎn)生2個(gè)精細(xì)胞。這2個(gè)精細(xì)胞在形態(tài)上看起來(lái) 一樣，但目前還不清楚它們之間有沒(méi)有生理學(xué)上的差異。在擬南芥中，已發(fā)現(xiàn)幾個(gè)基因在該 過(guò)程中起重要作用在duo1和duo2突變體中，第1次有絲分裂能順利地進(jìn)行，但所產(chǎn)生的 生殖細(xì)胞不能進(jìn)一步分裂，導(dǎo)致形成只有1個(gè)精細(xì)胞的花粉粒，而不是正常的含有2個(gè)精細(xì) 胞的三細(xì)胞花粉粒。在duo1突變體中，生殖細(xì)胞不能進(jìn)入第2次有絲分裂，分裂停止在 G2-M過(guò)渡時(shí)期；而在duo2突變體中，生殖細(xì)胞能

13、進(jìn)入第2次有絲分裂，但停止在前中期， 不能形成有功能的精細(xì)胞DUO1編碼一個(gè)新的屬于R2R3-MYB家族的轉(zhuǎn)錄因子，特異地在生 殖細(xì)胞中表達(dá)。DUO1蛋白質(zhì)在精細(xì)胞核中表達(dá)，從進(jìn)化上來(lái)說(shuō),它在不同的植物種中具有保 守性，暗示該基因在高等植物精細(xì)胞形成過(guò)程中具有非常保守的功能。參考文獻(xiàn)：1、 Albrecht C, Russinova E, Hecht V, Baai jens E, de Vries S(2005). The Arabidopsis thal iana SOMATIC EMBRYOGENESI S RECEPTOR- LI KE KI NASES1 and 2 c ont r

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