植物雄配子体发生和发育的遗传调控

植物雄配子体发生和发育的遗传调控

摘要：植物雄配子体发生和发育是有性生殖的关键步骤之一, 是高等植物通过有性生殖进

行世代交替所必需的。近几年来,随着分离和鉴定配子体型突变体技术的发展, 雄配子体传机制研究取得了很大进展, 发现了一些调控雄配子体发生和发育过程中细胞分化和互作的重要基因。本文着重概述和讨论植物雄性生殖细胞和雄配子体发生及其与周边细胞互作遗传机制研究的最新进展。

关键字：花药, 拟南芥, 配子体, 花粉

正文：高等植物的生活周期经历从二倍体孢子体世代到单倍体配子体世代的交替循环。这

种世代交替过程是通过配子体发生和受精作用实现的。配子体发生过程产

生单倍体雌、雄配子, 而受精作用使得单倍体的雌、雄配子体结合形成新二倍体世代。因此, 雄配子体发生和发育对高等植物通过有性生殖进行世代交替至关重要。植物配子体的发生是一个重新起始(de novo)的过程, 不同于动物的配子体发生过程。雄配子体的发生包括雄性生殖细胞的分化发育、小孢子的形成( 包括减数分裂)、雄配子体(花粉粒)的形成和花粉管的生长, 一直到雄配子( 精子) 与雌配子体结合。在这个过程中, 经历了一系列的细胞分化发育作用。因此, 雄配子体不仅对植物有性生殖有重要意义, 也是一个研究细胞分化发育机制的好材料。近几年来, 雄配子体遗传机制已经成为一个研究热点, 利用不同的分子遗传技术, 已发现一些调控雄配子体形成和花粉管生长的重要基因。本文着重总结和讨论雄配子体发生和发育遗传机制研究的最新进展, 主要包括雄配子体形成的细胞学机制、雄性生殖细胞分化发育、雄配子发育和花粉管生长等的遗传机制。

1、雄配子体发生的细胞学机制

雄配子体发生包括 2 个发育步骤,即小孢子发生和雄配子体发生。小孢子发生是由孢原细胞分化发育成小孢子母细胞, 又叫花粉母细胞,经减数分裂产生小孢子; 而雄配子体发生是由小孢子进一步发育为成熟的花粉粒,包括雄配子,即精细胞。

1、1雄性生殖细胞分化与小孢子发生

植物雄性配子体的发生起始于花药原基的分化发育时期。在模式植物拟南芥中, 花药原基是一个3层细胞的结构。最外面的 L1层细胞为外表皮, 最内侧的L3层细胞进一步发育成维管束和支撑组织, 中间的L2层细胞分化发育形成花粉粒和其它花药壁细胞。首先, 在花药原基4个角落的L2层细胞长大, 发育成孢原细胞。孢原细胞进行平周分裂, 产生内外2层细胞,内侧为初生造孢细胞, 外侧为初生周缘细胞。初生造孢细胞发育成小孢子母细胞。初生周缘细胞再进行平周分裂产生内外2层次生周缘细胞。外层次生周缘细胞直接发育成药室内壁, 而内层的次生周缘细胞再次平周分裂产生2层细胞, 内层的细胞形成

初生绒毡层, 然后进一步发育为成熟的绒毡层, 外层细胞形成中间层。拟南芥花药发育可分为14个发育时期 ,在第4期完成前, 由于细胞分裂的不同步, 细胞排列没有明显的分层。而当第4期完成后, 进入第5期时, 拟南芥花药具有排列整齐的5层细胞, 由外向内分别是表皮层、花药内壁、中间层、绒毡层和小孢子母细胞。此后,第5层的小孢子母细胞经过减数分裂产生单倍体的小孢子, 小孢子进一步发育为成熟的花粉粒,其中包含精细胞。在花

药发育的过程中, 除了出现活跃的细胞分化发育作用,也出现细胞的程序性死亡。首先是第

3层的中间层细胞退化消亡, 然后第4层的绒毡层成熟后为花粉粒的形成提供物质, 最后在

花粉粒成熟前退化消亡。最终,成熟的花药共有4个充满花粉粒的药室。

1、2雄配子体发生和花粉管萌发生长

小孢子母细胞减数分裂产生的初始产物是由4个单倍体小孢子组成的四分体, 其中小孢子

由胼胝质壁包裹连在一起。接着在来自绒毡层胼胝质酶的作用下,胼胝质壁分解,释放出单核

小孢子。单核小孢子进行一次不均等有丝分裂，形成由 1 个比较大的营养细胞和1个比较

小的生殖细胞组成的双细胞花粉粒。生殖细胞包含在营养细胞中。此后, 在一部分物种中,

生殖细胞暂停分裂,保持为双细胞花粉粒一直到花粉萌发;生殖核在生长的花粉管中进行一

次均等有丝分裂,形成2个精细胞。而在另一部分植物种中,如模式植物拟南芥, 生殖细胞的

第2次有丝分裂发生在成熟花粉离开花药之前。因此,在这些植物种中,成熟的花粉粒为1

个三细胞的生命单元, 包括2个精细胞和1个营养细胞。成熟的花粉粒处于脱水状态, 不同

植物种的花粉粒具有不同的外观性状(有关花粉粒的超微结构,开花时,花粉粒从花药中释

放出来,并被传递到雌蕊的花柱头上。花粉粒吸水萌发出花粉管,花粉管在花柱导管中极性生

长,把精细胞运送到胚囊中,完成雄配子体整个发育历程。

2、植物雄性生殖细胞发育的遗传调控

在过去的10年中, 花器官分化发育遗传研究取得了重大成果, 建立了调控花器官发育遗传

模型, 即ABC模型。根据ABC模型, 雄蕊原基分化发育是由 B 和 C 型基因调控。每年都有

很多综述文章讨论这方面的研究进展。近几年, 由于如T-DNA和Ds等DNA插入突变技术的

建立和应用,花药原基进一步发育产生雄配子体过程的研究也取得了比较大的进展,已发现

多个重要基因。

2、1雄性生殖细胞分化遗传调控

拟南芥的 SPOROCYTELESS是目前发现参与调控花药早期发育和雄性生殖细胞

分化发育的基因之一spl突变体的花药不能产生雄性孢原细胞,表明 SPL 基因是一个启动

生殖细胞分化的关键基因。研究发现,调控花器官分化发育的转录因子基因能通过与位于

SPL 3'-端的CArGbox 结合激活SPL基因的表达。通过AG基因激活SPL基因异位表达也可

以在花瓣中诱导小孢子的形成。这说明在拟南芥中,SPL基因足以启动生殖细胞的分化作用。SPL 编码一个新的核蛋白, 其氨基酸序列与 MADS 蛋白质的MADS功能域有一定的同源性,

暗示SPL蛋白可能是一个转录因子。也就是说,SPL基因可能编码一个MADS-box类型的转录

因子,在调控雄性生殖细胞的发生与分化过程中发挥非常重要的作用。

2、2雄性生殖细胞与其周边细胞互作的遗传调控

在早期花药中,SPL只在生殖细胞里表达。但该基因突变不仅影响小孢子的形成,而且也影响

花药壁细胞的分化发育。这表明正常的生殖细胞是花药壁细胞分化发育不可缺少的, 生殖细

胞与其周边细胞间有相互作用可能对调控相关细胞的发育命运非常重要。水稻的MSP1 和拟

南芥的 BAM1/BAM是编码LRR 型的受体蛋白激酶,可能参与花药发育早期生殖细胞周边的细

胞分化信号转导作用, 但目前还不清楚它们是否参与生殖细胞(即孢原细胞)与其周边细胞

的相互作用。拟南芥EMS1编码一个 LRR 型的受体蛋白激酶。在绒毡层发育时期,EMS1 在绒

毡层里表达最强,可能参与调控绒毡层前体细胞发育命运的信号转导作用。tpd1的表型与

ems1的表型是一致的,tpd1 ems1双突变体的表型也与其各自单一突变体的表型一致。因此, TPD1 与EMS1可能在同一个发育过程中起作用。过量表达TPD1, 在角果中出现一种新的宽