2012 蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展_张绍铃 (1)

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第 35 卷
protein ） 或 S 糖蛋白 （ S蛋白具有很高的 pI 值和与半刀豆球蛋白发生反应的糖链， 因此称之为 S 蛋白 （ S［9 ］ glycoprotein） ， RNase。果树雌蕊 S 糖蛋白的获得是根据已 由于其具有 RNA 酶的活性， 因此又称之为 S［2 ］ 经鉴定出的大量树种的 S 基因型去寻找调控雌蕊 S 决定因子的蛋白。 Sassa 等 通过比较日本梨‘Nijisseiki’ ‘OsaNijisseiki’ RNase 表达水平相关 和变异的自交亲和变异品种 雌蕊中的表达蛋白， 发现一种与 S-
Advance in molecular mechanisms of selfincompatibility in Rosaceae fruit trees
ZHANG Shaoling * ， WU Juyou， WU Jun， QI Yongjie， GAO Yongbin
（ Pear Engineering Research Centre， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095 ， China） Abstract ： The plant selfincompatibility is an important mechanism to prevent inbreeding by pollenpistil of mutual recognition， and it is one of the frontier topics of plant developmental biology． Rosaceae fruit trees such as apples， pears and plums exhibit selfincomnamed the SRNase and the Slocus Fbox / Shappatibility． This reaction in this species is controlled by the pistil and pollen S gene， lotypespecific Fbox genes， respectively． In this review， we summary of Rosaceae fruit trees pistil and pollen S gene identification， structural and evolutionary characteristics， selfcompatible mutation mechanism， and pollen physiological and biochemical characteristics and signal transduction mechanisms during the selfincompatibility reaction． It will be used to provide reference for further research in this field． Key words： Rosaceae； fruit tree； selfincompatibility； pollen； pistil； S gene
［16 ］ ［3 ］ 守引物进行 PCR 扩增技术已广泛用来检测不亲和物种的 S 基因型 。 Janssens 等 采用 PCR 和 PCR / RFLP 方法鉴定出了苹果的 5 个 S 基因（ S1 、 S2 、 S4 、 S5 和 S6 ） 和 17 个苹果品种的 S 基因型； Ishimizu 等［17］从
［18 ］
1． 3
RNase 基因的结构特征 雌蕊 SSRNase 含有 2 个保守的序列结构， RNase 是 RNase 家族中 T2 / Stype 类似于 RNase T2 。因此认为 SRNases 亚类的一种。蔷薇科果树 SRNase 基因含有 C1 ～ C5 5 个保守区， 除 RC4 是蔷薇科果树特有之外，
35 （ 5 ） ： 53－63 南京农业大学学报 2012 ， Journal of Nanjing Agricultura/ / nauxb． njau． edu． cn

RNase 与日本梨的自交不亲和性相关； 双向电泳分离出的该 S 糖蛋白为 S的 S 糖蛋白， 从而说明雌蕊 S［10 ］ RNase， RNase， 它在雌蕊中特异表达。在蔷薇科其他果树中也分离到了 S如甜樱桃 。 田间授粉试验也 RNase 在自交不亲和反应中的决定作用 验证了雌蕊 S亲和性雌蕊的决定因子。 1． 2 SRNase 基因的鉴定方法
J］ ． 南京农业大学学报， 2012 ， 35 （ 5 ） ： 53－63 张绍铃， 吴巨友， 吴俊， 等． 蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展［
蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展
* 张绍铃 ， 吴巨友， 吴俊， 齐永杰， 高永彬
（ 南京农业大学梨工程技术研究中心 ， 江苏 南京 210095 ） 摘要：植物自交不亲和性是植物花粉 —雌蕊相互识别， 防止其近亲繁殖的重要机制 ， 是植物发育生物学的研究热点之一 。 locus） 的一对 S 等位基因， 蔷薇科果树如梨、 苹果、 李子等表现出自交不亲和性 ， 该反应由 S 位点（ S即雌蕊和花粉的 S 基因 RNase 和 Slocus Fbox / Shaplotypespecific Fbox 基因。本文综述了蔷薇科果树雌蕊和花粉 S 基因的鉴定及 分别为 S控制， 自交亲和性突变机制及自交不亲和性反应发生过程中花粉生理生化变化及其信号转导机制等 ， 以期 其结构和进化的特性、 为深入系统研究蔷薇科果树自交不亲和及亲和性机制提供参考 。 关键词：蔷薇科果树； 自交不亲和性； 花粉； 雌蕊； S 基因 中图分类号：S66 文献标志码：A 文章编号：1000－2030 （ 2012 ） 05－0053－11
收稿日期：2012－07－20 31171936 ） 基金项目：国家自然科学基金项目 （ 31071759 ，
* Tel： 025－84396580 ， Email： slzhang@ njau． edu． cn。 作者简介：张绍铃， 教授， 研究方向为果树生殖发育与分子生物学 ， 通讯作者。
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日本梨中也鉴定出了 7 个 S 基因。Tao 等 依据 S 基因的保守序列及 2 个内含子的序列长度的多态性设 计了 3 个正向引物和 3 个反向引物用以 PCR 扩增出甜樱桃的 6 个 S 等位基因（ S1 ～ S6 ） 。 自此， 蔷薇科果
［19 ］ ［12 ， 20－21 ］ ［8 ， 22 ］ ［18 ， 23－25 ］ 、 、 、 越来越多的 S 基因从苹果 、 梨 扁桃 甜樱桃 树 S 基因型的鉴定变得极为简易， ［26－27 ］ ［6 ， 11 ］ ［7 ， 13 ， 28 ］ 、 、 杏 果梅 李 等蔷薇科物种中被鉴定出来。
科果树自交不亲和性机制的研究不仅具有理论价值 ， 而且有潜在的实践意义。 近 20 年来， 在科学家的不 蔷薇科果树自交不亲和性研究取得了突破性的进展 ， 本文从分子、 生理等方面综述蔷薇科果树 懈努力下， 自交不亲和性的研究进展。
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1． 1
雌蕊特异性决定因子
果树雌蕊 S 糖蛋白的鉴定 自交不亲和反应中雌蕊特异性决定因子在雌蕊中特异表达且表现为高度的序列多态性 。雌蕊特异性
RC4 和 C5 保守区含有众多的疏水氨基 很小的序列相似性， 其含有的组氨酸结构具有催化作用。 而 C1 、 ［31 ］ RNase 的结构 。 用以稳定 S酸， RNase 基因序列也存在一定的结构差异 。苹果属物种中仅在高变区中含有 蔷薇科不同属种果树的 S1 个内含子序列， 而在李属物种中， 除高变区中的内含子（ 称之为第二内含子） 外， 在信号缩氨酸和 C1 保守 RNase 基因的内含子具有很强 区之间还存在 1 个内含子序列（ 称之为第一内含子） 。梨属和苹果属物种 SRNase 基因的第二内 的序列多态性， 在梨中大小为 99 ～ 1 709 bp， 苹果中的大小为 140 ～ 2 613 bp。李属 S含子序列具有极强的长度多态性， 其大小在扁桃中为 80 ～ 2 871 bp， 甜樱桃为 82 ～ 1 983 bp， 杏为 104 ～ 2 675 bp， 果梅为 113 ～ 1 983 bp， 李为 80 ～ 1 758 bp； 而第一内含子序列的长度多态性相对较弱 ， 其大小 在扁桃中为 122 ～ 1 065 bp， 甜樱桃为 125 ～ 372 bp， 杏为 151 ～ 329 bp， 果梅为 226 ～ 331 bp， 李为 110 ～ 309 bp。因此， 可依据内含子的长度多态性利用从琼脂糖胶或聚丙烯酰胺胶上识别不同的 S 基因。 这些内含 RNase 基因的特异性。 子的存在有利于储存变异碱基的积累 ， 同时不影响 S-
［4 ， 8， 11－13 ］
。 因此认为 SRNase 是蔷薇科果树自交不
田间杂交授粉测试是最早鉴定果树 S 基因型的方法之一， 继而蛋白电泳和核糖核酸酶活性染色的技 ［14－15 ］ 。非平衡 pH 梯度电泳技术也同样被用来鉴定蔷薇科果树中的日本梨［2］等的 术被用来识别 S 基因型 S 基因型。随着越来越多的蔷薇科果树 SRNase 基因序列的克隆， 以基因组 DNA 为模板， 用基因的特异保
RNase 基 因 结 构 极 为 类 其他 4 个保守 区 域 与 茄 科 （ Solanaceae ） 和 车 前 草 科 （ Plantaginaceae ） 物 种 的 S［29－30 ］ 。蔷薇科果树 SRNase 基因仅含有 1 个位于 C2 和 C3 保守区域之间的高变区（ RHV） ， 似 而不同于茄 RNase 基因中的 2 个高变区（ HVa 和 HVb ） ， 科和车前草科物种 S但它们的功能类似， 都为正向选择区域， ［29 ］ RNase 基因 是碱基序列的插入、 删除以及核苷酸序列的替换等经常发生的区域 。 此外， 蔷薇科果树 S［11 ］ 中还存在其他的变区， 例如在 C1 和 C2 保守区之间的区域以及 C5 保守区上游的一段区域 ， 它们也有 SRNase 。 RNase T2 RNase Rh ， C2 C3 可能与 等位基因特异性相关 与 和 相类似 和 保守区之间的区域具有
incompatibility， SI） 是被子植物中普遍存在的限制自花受精的机制， 植物自交不亲和性（ self它阻止基 250 多个属。 自交不亲和的 完成受精。 该反应涉及到 70 多个科， 因型相同的花粉管在雌蕊中正常生长 ， 发生防止了近亲繁殖、 促进异花授粉受精， 有利于物种多样性， 是目前植物发育生物学的研究热点之 ［1 ］ incompatibility ） 和配 一 。根据其控制因子的不同， 自交不亲和的类型可分为孢子体型 （ sporophytic selfincompatibility） ， 子体型（ gametophytic self前者如十字花科、 旋花科、 菊科等植物。在配子体型自交不亲和 RNase 的配子体型不亲和及罂粟科自交不亲和 2 种类型。 蔷薇科多种果树如梨 反应中又分为基于 S［3 ］ ［4 ］ ［5 ］ ［6 ］ （ Pyurs） ［2］、 苹果（ Malus） 、 甜樱桃 （ Prunus avium ） 、 杏 （ Prunus armeniaca ） 、 果梅 （ Prunus mume ） 、 ［7 ］ ［8 ］ 李（ Prunus salicina） 和扁桃（ Prunus dulcis） 等表现出配子体型自交不亲和性 。由于这些果树自花授粉 不能结实， 在生产上必须配置授粉品种， 或进行人工辅助授粉才能保证座果 ， 增加了生产成本。因此， 蔷薇