10-01 自交不亲和性的原因及其对策详解

10-01 自交不亲和性的原因及其对策详解

所谓自交不亲和性（Self - incompatibility, SI）是指植物雌蕊的柱头或花柱通过识别自体或异体花粉，并抑制自体花粉的萌发或生长，导致自体受精不能正常进行的现象。根据植物花型不同，可分为异型和同型自交不亲和。同一物种内不同个体中花器的雌蕊或雄蕊无任何形态差异的不亲和性称为同型不亲和性（homomorphic incompatibility），在具有异型的雌、雄蕊（如相对长度不同）之间的不亲和则称为异型自交不亲和（heteromorphic incompatibility）。同型不亲和性根据其遗传机制不同又分为配子体不亲和性（gametophytic self-incompatibility, GSI）与孢子体不亲和性（sporophytic self-inconmpatibility, SSI）。

多数的情况下，SI是由单一的S位点复等位基因控制的，这个位点至少包括编码1个花柱组分和1个花药组分的基因，S基因的产物决定花粉在柱头和花柱组织中是否能正常生长。若自交不亲和的花粉S基因是由产生花粉的植株(孢子体)的S-基因型所决定的即为孢子体不亲和性，目前发现存在于十字花科、菊科植物中；而自交不亲和的花粉S基因是由花粉本身单一的S基因所控制的即为配子体不亲和性，这种现象在茄科、蔷薇科、罂粟科、玄参科、桔梗科等植物中较为常见。SI的遗传控制机制较为复杂，如禾本科中是由2个基因位点（S-和Z-）控制的，甜菜中则由4个基因控制。

1 自交不亲和的机制

配子型自交不亲和目前只分离鉴定了配子体自交不亲和植物控制雌蕊的不亲和基因及其表达产物，但尚未得到花粉不亲和基因的表达产物，因此，有关雌蕊不亲和因子和花粉不亲和因子的作用机制尚不完全清楚。

根据目前的研究结果，配子型自交不亲和反应有两种类型：（1）在茄科、蔷薇科植物中，成熟雌蕊中产生的S-RNase（S-核酸酶）通过分泌到达花柱表面，与花粉管壁上的S受体（S蛋白）结合，并发生识别反应，当雌蕊和花粉的不亲和基因型相同时，S-RNase可进入花粉管，引起花粉rRNA的降解，抑制花粉管的生长，导致自交不亲和性的产生。当雌蕊和花粉不亲和基因型不同时，S-RNase不能进入花粉管，花粉管就能正常生长，并完成受精，不发生自交不亲和现象。（2）存在于罂粟科植物的自交不亲和性反应主要是通过钙离子的信号传导来实现的。即柱头产生的S蛋白作为信号分子，与花粉管表面的S受体特异性结合后发生识别反应，当两者不亲和时，引起胞内游离钙离子浓度迅速增加，随后花粉管顶端的Ca2+梯度消失，同时激活多种花粉蛋白的磷酸化过程，使花粉管不能合成正常生长所需要的组分，最终花粉管生长停顿、引起细胞程序性死亡。

孢子体型自交不亲和孢子体自交不亲和性目前发现只存在于十字花科和菊科中，其中对芸苔属植物（十字花科的一种模式作物）研究较多。一般认为芸苔属植物的自交不亲和反应发生在柱头的乳突细胞中，当花粉粒落到柱头的乳突细胞表面时，含有花粉外被蛋白（POLLEN COAT PROTEINS, PCPs）和花粉S配基—SCR/ SP11（SCR，S LOCUS CYSTEINE RICH PROTEIN，S位点富含半胱氨酸蛋白；SP11，S位点蛋白11）的花粉和柱头之间形成

接触层，花粉外被蛋白SCR在细胞壁SLG（S-LOCUS GLYCOPROTEIN，S位点糖蛋白）的协助下与受体柱头的SRK（S-receptor kinase, S受体激酶）在胞外区域发生相互作用，当两者的S基因型相同时，激活与SRK相关的胞内丝-苏氨酸蛋白激酶，从而导致ARC1（ARM REPEAT CONTAINING 1，臂重复蛋白）磷酸化，经过一系列反应，最后可能通过调节柱头乳突细胞上的水孔蛋白而限制不亲和的花粉获取水分、抑制花粉管的生长。

2 植物自交不亲和的鉴定方法

早期对于植物自交不亲和性的鉴定常采用田间授粉杂交法，即根据人工授粉后的亲和指数判定其亲和性，既费时费力，又易受环境条件的影响。因此，很多学者经过研究，建立了简便、准确的鉴定方法。

（1）荧光检测法该方法是将遗传稳定的自交不亲和系和自交亲和系分别进行蕾期和花期自交后，剪下柱头用FAA固定液处理后，在荧光显微镜观察，在不亲和品种的粉管萌发过程中柱头乳突细胞会形成胼胝质。

（2）等电聚焦检测法等电聚焦电泳检测法是根据成熟柱头中具有RNA酶（RNase）活性的S糖蛋白含量高低与自交不亲和的强弱呈正相关进行检测的方法。

（3）PCR检测法即通过设计与S-RNase基因相关的特异性引物，并通过PCR扩增强度和频率来判定自交不亲和型强弱的方法。

3 克服不亲和性的途径

植物受精过程中表现出来的不亲和性，是植物在长期进化过程中所形成的一种维持物种相对稳定与繁衍的适应现象，但给生产中的远缘杂交育种工作带来很大的困难，然而，在一定条件下通过人为的干预，可以打破花粉与雌蕊组织之间的不亲和性，从而达到远缘杂交的目的。在育种实践中，常采用的克服不亲和性的措施如下：

（1）花粉蒙导法即在授不亲和花粉的同时，混入一些杀死的但保持识别蛋白的亲和花粉，从而蒙骗柱头，达到受精的目的。如三角杨与银白杨进行种间杂交时，本是不亲和的，但在银白杨花粉中混入用γ射线杀死的三角杨花粉，能克服种间杂种不亲和性，获得15%的结实率。用这种方法也在波斯菊中得到种间杂交种。

（2）蕾期授粉法即在雌蕊组织尚未成熟、不亲和因子尚未定型的情况下授粉，以克服不亲和性。利用这种剥蕾授粉法，已在芸薹属、矮牵牛属和烟草属的不亲和种产生自交系获得杂交种子。

（3）物理化学处理法采用变温、辐射、植物激素或抑制剂处理雌蕊组织，以打破不亲和性。对于配子体型不亲和的植物如梨、桃、月见草、百合、番茄、黑麦等，可用32～60℃的热水浸烫柱头，即可打破不亲和性。用抑制落花的调节剂如生长素处理花器，使花朵避免早落，可使生长慢的不亲和花粉管能在落花前到达子房而受精；或用放线菌素D处理花柱抑制DNA的转录，可部分抑制花柱中不亲和因子的产生而克服不亲和性。此外，还可利用电助授粉法(90～100V的电压刺激柱头)、CO2处理法(3.6%～5.9%的CO2处理雌蕊5h)和盐