植物生殖行为及性别不育研究进展

植物生殖行为及性别不育研究进展

植物的雌花通常是由异常的雌性器官发育引起的。正常植物的雌性器官发育主要是指子房的发育（包括胚胎发育和囊性发育）。如果雌花器官中的卵细胞发育受阻或失败，则会出现植物雌性（包括隐形性和显性雌性）。较典型的植物雌性不育具有一些明显的外观特征,如子房干瘪,无花柱和柱头,种子发芽率低等.有些雌性不育同时还伴随雄性不育现象.雌性不育的表型多种多样,不育机理较为复杂.了解其细胞分子生物学特征,对揭示植物花器官性别分化及发育的分子机理以及在生产实践中克服不育性或利用雌性不育作为杂交制种的手段等都具有重要的理论和实践意义.下面就雌性不育的表征、细胞学机制,克服雌性不育的方法及与不育有关的表达产物研究等方面进行综述.1克氏原螯虾8e-trevatt3.就目前对花的形态解剖、组织切片及生理生化等方面的研究现状来看,雌性不育的表征涉及以下几个方面.最常见的是大孢子母细胞减数分裂不正常,不能形成功能性大孢子.Rim等研究了豆科百脉根属两个种的体细胞杂交后代发育情况,发现由于大孢子母细胞减数分裂后期发生异常,不能形成四个大孢子.Kazimierska等用豆科羽扇豆属的两种植物进行杂交,发现非育性和育性后代比例约为3∶1,表明这种杂交后代的不育性是由一对等位基因控制的.在不育后代中,从珠心切片中未分离到大孢子母细胞,或即使分离到大孢子母细胞,也会液泡化或在减数分裂前死亡.有些雌蕊胚珠内的大孢子母细胞虽然可以完成减数分裂,但形成的功能性大孢子却不能正常进行有丝分裂,因此,无法产生成熟的8核胚囊.Lillecrapp等在杏的一个品种‘Trevatt’中发现有50%的胚珠只能发育到功能性大孢子时期、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等发现杂交水稻中有高度不育的F1代,虽然可以形成功能性大孢子但在小花开花时此大孢子退化导致不能形成成熟胚囊.还有一些情况是,胚囊虽然可以发育成熟,但受粉后胚珠发育异常,导致最终不能形成种子.胚珠作为胚囊的携带者,是种子的前身,在植物的生殖过程中起重要作用.许多胚珠发育异常的突变体都表现为育性降低.Martinis等发现转基因烟草中胚珠的发育停滞,且含有大量胼胝质,虽然可以受粉,但却不能正常引导花粉管伸向珠孔.Kazimierska等发现两种羽扇豆属植物杂交的不育后代中,在8核胚囊期其珠心组织出现异常的极性,虽然有些胚囊完成了受精过程,但形成的胚细胞会液泡化而死亡.雌性不育在花的外观特征上也有所表现.Carapetian在红花的雌性不育研究中观察到,两个红花品种杂交产生的不育植株开花时会发生小花的干枯和花柄的延长,而不像育性植株那样小花靠在覆瓦状的苞片上.此外,雌性不育的植株在生理生化特征上也会出现异常变化.Ouyang等对杂交水稻中酸性磷酸酶(AcPase)的定位研究显示,在败育大孢子的珠孔、珠被附近有强烈的酶活性.细胞学观察还发现,退化的功能性大孢子的细胞膜上有高密度的物质沉积,并出现了大量含有许多内含物的多形液泡.2ss-4与ss-4、ss-3、ss-4突变体的杂交分析植物的雄性不育现象及不育机制受到人们的广泛关注,但在雌性不育方面,由于雌蕊结构及雌配子体发育的复杂性,使得雌性不育机制的研究报道较少.目前主要观点如下.关于花发育的研究理论.Coen等通过拟南芥和金鱼草花发育的研究,提出了同源异型基因控制的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.根据这一模型,A、B、C三类功能基因对性器官的产生都有作用.植物的性别决定取决于控制各部分花器官形成的基因在花器官原基分化组织中的表达.控制心皮和雄蕊形成的是同源异型基因.所谓同源异型突变泛指分生组织的不正常发育,产生异位的器官或组织.而引起这种突变的基因称为同源异型基因.Colombo等在对矮牵牛进行研究后,又将此模型扩展为ABCD,其中D被认为是花器官中胚珠的调控基因.本实验室就曾经发现过一个文冠果的突变株,突变株的花只具有花萼和多片重复的花瓣,没有雌蕊和雄蕊的发生,推测是C功能基因失活导致的.引起雌性不育的基因特征.基因的连锁性和等位性,基因的多效性,基因的单独作用,基因之间的互作等与雌性不育有关.关于基因的连锁性和等位性:PS--1是一种大豆的突变品种,和此类突变相关的还有PS--2、PS--3、PS--4等.Pereira等研究了大豆PS--1突变体,在遗传与连锁分析中,PS--1与花色突变体Harosoy--W4和染色体缺失突变体CD--1分别杂交,结果显示PS--1的不育与W4和CD--1是相连锁的.因而,不育植株可以通过花色的突变来鉴别,也可以通过染色体观察来发现,不育性与这两种表现形式是同时出现的.在等位测试中显示,PS--1与同类突变PS--2、PS--3、PS--4是不等位的,因此推测PS--1为单隐性突变基因.Rheenen和Palmer分别研究了豆科热带品种不同品系间的杂交结果,发现了双因子雌性不育和部分雌性不育.在600Gyγ射线处理后的杂交子代中发现全部不可育.以两品系杂交的可育后代的自交子代为母本,分别与其他两个品系杂交,发现其部分雌性不育与前人研究过的PS--1、PS--2、PS--3、PS--4都不是等位的,推测这种不育突变可能是另一种单隐性突变基因控制的.实验还发现了一种杂合体雌性半不育因子(HFSF),证实该因子与两种形态学标记——性成熟颜色T1、下胚轴颜色W1是不连锁的,这样便不能利用这两种形态学标记来判断不育是否会出现.而Palmer等后来又在含转座子的大豆种群中发现了新的单隐性核基因控制的突变植株,该基因与已知的各种不育突变基因型(如st2st2,w4w4,y10y10,fr1fr1等)都不连锁和等位.Carapetian还曾利用碘价(IV)测定法及脂肪酸的组成检测发现控制红花油酸、亚油酸比例的等位基因O1与其不育基因S2是连锁的.因此,不育的红花会同时表现油品质的变化,有利于用表型初选不育植株.Vassiliadis等以雄花、两性花异株的植物为模型,提出了配子体自交不亲和性基因与核性别决定基因是连锁的,推测可以在两性花群体中诱导雌性不育等位基因的扩散,使群体中都具有雌性不育的表征.Marais等提出小麦中的杀配子基因与叶锈病、茎锈病的抗性有关,认为控制抗性表达的基因与杀配子基因是相连锁的.没有杀配子基因的配子体不能存活,而与杀配子相关的一些缺陷都会与抗性一起遗传,如高水平的雌性和雄性不育、不正常的胚乳发育以及明显的染色体畸变等,所以杂合体虽然有抗性基因表达,能够有效抵抗两种锈病,但却有不育特性,不能将此抗性遗传给后代.关于基因的多效性:基因的多效性是指某个基因能影响几个性状的现象,是一种基因间的特殊相互作用.Rheenen和Palmer等在大豆杂交实验中发现,所研究品系的有限生长(DeterminateGrowth,DT)表现为顶端生长终止于开花,而这种品系是雌性不育的.很可能该雌性不育基因具有多效性特点,既能够控制植株的生长,又可以表现为雌性不育,可以通过实验进一步证实它们之间的关系.mod1与sin1都是拟南芥中与育性相关的基因,mod1是sin1的隐性修饰基因,它们是同源的.Lang等通过实验发现,mod1既可以控制珠被的大小,又可以控制节间的长度.这样,就有可能以节间长度变化来推测育性的变化.关于基因互作:Carapetian研究了红花的雌性不育,发现两种红花品种在杂交后产生57∶7的育性与不育性的分离,认为是由三个相互作用、不相连锁的核基因控制的,这三个基因相互促进或制约,最终导致雌性不育的发生.Wan等研究了水稻杂种中的雌配子败育问题,发现是位于6号染色体上的S--5基因与其等位基因互作而引起的败育.Fukushima等研究了父母本双方都可育的大麦杂交产生的部分不育的后代,发现了sfg1、sfg2两个基因只能影响到雌配子体,只要携带有这两个基因就表现为雌性不育,进而影响到杂交后代种子的育性.推测可能是这两个基因相互作用而使得雌配子体发育受阻.进一步实验证明不育与细胞质、杂交后代的遗传背景和生长年份没有太大的关系.Lang等研究的拟南芥中的sin1和mod1基因也是通过相互作用而调控胚珠的发育的.关于基因的单独作用:Lang等通过实验证实,sin1基因的单独突变也会导致胚珠畸形发育与雌性不育的发生.组蛋白是一类与基因表达密切相关的重要蛋白质,组蛋白的脱乙酰化与基因沉默相关,而组蛋白的乙酰化与基因激活有关.Tian等研究了拟南芥中组蛋白脱乙酰化基因(AtHD1)的作用,发现AtHD1的表达降低会导致许多异常现象产生,如基因的异位表达、花缺陷、早衰现象以及雌性和雄性不育,推测该基因是通过DNA序列的独立作用机制来调控花的发育,进而影响到植株的育性.同时,我们认为基因互作可能就是引起木本植物文冠果不育的原因之一.本实验室正在开展文冠果雌性不育的研究,根据查阅的相关文献及已有的部分工作结果,我们推测,在文冠果不同的发育时期,几个与雌蕊败育相关的基因共同起作用,通过各时期的不同表达产物来调控文冠果的育性.植物染色体的异常也会引起雌性不育.有些植物的大孢子母细胞在减数分裂时其同源染色体不能正常配对,导致不能正常形成功能性大孢子,进而影响其育性.Palmer等在大豆突变系w4--m中发现雌性不育植株中同源染色体不能发生配对.Murthy等也在3个烟草品种的杂交后代中发现有完全雌性不育的后代,并观察到其同源染色体不是完全配对的.杂交可能会引起雌性不育.包括体细胞杂交、种间杂交、亚种间杂交及无融合生殖等.Rim等通过豆科百脉根属的两个品种的杂交,比较了亲本和体细胞杂交的早期胚珠发育,发现了雌性不育现象.我们推测,可能是体细胞杂交使得杂交后代中父母本的细胞质物质相互影响、不协调作用而干扰减数分裂的正常进行,最终导致胚珠败育.Harrington等研究了以松柏类植物为宿主的子囊菌MAT--1和MAT--2之间的杂交结果,发现杂交只能产生很少的子囊孢子,这些孢子常常是畸形的或与细胞碎片混在一起,具有较低的子囊孢子萌发率.而其两个种内的配对却能够产生具有较高萌发率的子囊孢子.推测这种杂交造成的育性降低可能会作为鉴定生物种类的指示物,可以作为形态学、生理学特征鉴定的辅助标准.Ouyang等研究了亚种间杂交的水稻,F1代中出现了高度的雌性不育.Sanieet等研究了水稻28个亚种间杂交和4个互交,在被检测育性的后代中发现了雄性可育而雌性不育的现象,推测此类亚种间杂交引起了雌性不育基因的表达,进一步实验证实该基因表达与细胞质基因组是无关的.研究还发现,雌性不育的后代往往具有无融合生殖的特征.无融合生殖是指不经雌雄配子融合而产生胚、种子的生殖方式.育种上常为了打破物种间的生殖隔离、实现基因的交流去诱发无融合生殖.当筛选到强优组合的杂种时,再利用无融合生殖来固定优良性状.Arthur等在研究禾本科狼尾草属植物——御谷的雌性不育突变时观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,多胚囊的植株表现出潜在的无融合生殖特性.多胚囊常为胚珠组织形成的不定胚囊,在繁殖过程中易于保持母本的优良性状,这样突变后的植株就可以这种方式将优良性状保持下去.这种特征有待于进一步研究和开发、利用.生长调节物质也可以调控雌性不育,如乙烯等.Sandhu等利用油菜的4个品种杂交,受粉2d后施加生长调节剂,F1代表现出较高的株高、更多的主枝数及后熟现象,油的品质较高,但却发生了雌雄育性的降低.说明生长调节剂确实会导致雌性育性的降低.我们知道,乙烯在高等植物中控制着许多生长和发育过程.已经报道的有:乙烯在黄瓜的性别决定中起作用;在兰花中,传粉和生长素会控制乙烯产量和子房发育,乙烯抑制子起作用时传粉和生长素介导的子房发育也受到抑制;在矮牵牛中,乙烯是通过控制雌蕊分泌组织的成熟来控制生殖生理的.Martinis等在研究转基因烟草时发现,有一雌蕊特异性基因被抑制.将乙烯合成酶氧化酶(ACO)基因转入烟草后,发现该酶只在雌蕊中表达,在胚珠发育后期表达时,也只限于珠被和胚囊而在子房的其他组织中无表达.通过外源乙烯处理,使转入的基因活化,发现可以恢复胚珠的发育并能使花粉管通过珠孔而最终产生种子.而当ACO基因沉默时,有乙烯抑制因子起作用,其胚珠发育便不能恢复.推测这种影响育性的作用是在大孢子遗传早期发生的.另外,研究发现败育的种子含有植物凝集素,它们在败育过程中形成贮藏蛋白时起作用.还有的败育种子中积累了大量的脱落酸,推测这些脱落酸可能是引起种子不育的原因之一.环境的变化也会影响植物的育性.Lillecrapp等在TrevattBlue的研究中发现,温度可以影响到胚珠的数量,进而形成多胚珠现象而导致雌性不育.而且,在研究中还发现,外源基因的引入与植物育性也是相关的.Greef等研究了外源DNA与植株雌性不育的关系,发现外源DNA可以首先构成与雌性不育相关的DNA片段,编码蛋白质或多肽,严重干扰细胞的功能和代谢;也可以构成某种启动子,在雌蕊细胞中选择性地指导雌性不育DNA的表达.外源DNA是通过与核基因组的共同作用来调控植物的雌性不育的.3克服两性发育雌性不育虽然有可能在遗传育种和制种等方面有一定作用,例如可以有效防止自花传粉等,但同时也有其不利的一面,会妨碍植物品种间杂种优势的利用.因此,需要寻找克服雌性不育的有效途径.Marais等曾尝试用激光、突变剂等来破坏小麦中的跟育性相关的杀配子系统,虽然可以产生有较好育性的植株,但数量很少且不能将育性遗传给后代.在生产实践中经常会使用生长调节物质来克服雌性不育.王保明等在不同的发育时期对仁用杏喷施ABA、GA3、PP333和氨基酸营养液,发现在仁用杏花芽分化期和雌蕊形态分化初期喷施50mg/kgGA3,100mg/gPP333,50～100mg/kg6--BA可以减少雌蕊的败育率.这样,就可以提高杏仁产量.此外,卢雪红也在试验的基础上提出了克服高粱小花败育的几条措施.由于有了充足的光照可减少小花不育,则可以合理安排播种期,使得其发育过程中的光敏感阶段躲过阴雨高峰.由于行距小、密度大的种植方式会加重败育现象,所以种植时可加大父母本间的行距,从而减少遮荫和不通风的影响,以减少败育.在深入分析雌性不育的机理后,我们有可能利用分子生物学的手段来调控植物育性.如果能够找到在调控中起主要作用的调节因子,则可以调控与育性相关基因的表达,进而可以降低不育的几率.4文冠果生育期花成熟酶基