花粉管向胚珠方向生長(zhǎng)的控制機(jī)理——生物論文

1 引言

植物從生長(zhǎng)發(fā)育過程中的某個(gè)階段開始，經(jīng)過一系列的生長(zhǎng)發(fā)育，直至產(chǎn)生后代且重新處于這個(gè)階段，稱為植物的生活史（life history）或生活周期(life cycle)。植物的生活史會(huì)出現(xiàn)兩種個(gè)體：（1）配子體（gametophyte），由孢子發(fā)育形成的單倍體，能產(chǎn)生配子，行有性生殖；（2）孢子體(sporophyte)，由合子發(fā)育形成的二倍體，能產(chǎn)生孢子，行無性生殖。配子體的發(fā)育階段被稱為配子體世代（或有性世代），孢子體的發(fā)育階段稱為孢子體世代（或無性世代）。在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程中，這兩種世代交替出現(xiàn)的現(xiàn)象稱為世代交替（alternation of generation）。世代交替現(xiàn)象在植物界中普遍存在，但是在藻類等低等植物中，配子體世代占主導(dǎo)地位，配子高度發(fā)達(dá)，占據(jù)絕大部分的生活周期。而在被子植物等高等植物中，配子體退化，孢子體世代具有顯明的優(yōu)勢(shì)。

受精是被子植物的世代交替的重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。而雌配子體（胚囊）的發(fā)生和雄配子體（花粉）的發(fā)生是受精過程的基礎(chǔ)。其中，雌配子體的發(fā)生包含大孢子的發(fā)生、胚囊的發(fā)育。前者包括孢原細(xì)胞的有絲分裂、大孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂等。由于不同植物的大孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂的方式不同，會(huì)形成三種胚囊，70%的被子植物的胚囊發(fā)育形式是單孢型。成熟的單孢胚囊形成時(shí)處于8個(gè)游離核階段，胚囊兩端各有4個(gè)游離核。之后，兩端各有1個(gè)核向中部移動(dòng)，形成中央細(xì)胞（2個(gè)極核）。珠孔端剩余的3個(gè)游離核各自生成細(xì)胞壁，形成3個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞，中間的細(xì)胞為卵細(xì)胞（egg），兩邊的為助細(xì)胞（synergid）。合點(diǎn)端的3個(gè)核形成3個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞，稱為反足細(xì)胞(antipodal cell)。這樣8個(gè)核7個(gè)細(xì)胞的胚囊即雌配子體。

被子植物的受精是由一系列復(fù)雜而連續(xù)的過程組成的?；ǚ郏ü埽┫群笈c

柱頭、花柱、引導(dǎo)組織、珠柄、珠被、胚囊等不同的雌性組織相互作用，不斷向前生長(zhǎng)，最終完成“長(zhǎng)征”路程，進(jìn)入珠心組織，釋放精子，完成雙受精過程。具體來講，包括以下幾個(gè)階段：（1）花粉附著于柱頭，花粉管萌發(fā)；（2）花粉管從柱頭的細(xì)胞壁之間穿過柱頭，進(jìn)入花柱；（3）花粉管在引導(dǎo)組織中向下生長(zhǎng)；（4）花粉管到達(dá)子房，從珠孔、合點(diǎn)或胚珠中部進(jìn)入胚珠，沿著珠柄生長(zhǎng)；（5）花粉管穿過珠心組織，從珠孔進(jìn)入胚囊。

花粉管是如何經(jīng)過長(zhǎng)途跋涉，準(zhǔn)確定位到子房中的胚珠，這個(gè)問題幾十年

以來一直受到眾多科學(xué)家的關(guān)注。迄今為止，雖然沒有完全弄清楚花粉管生長(zhǎng)方向的分子機(jī)制，但經(jīng)過多年的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，花粉管的生長(zhǎng)同時(shí)受到雌蕊組織和雌配子體的導(dǎo)向。本文主要介紹，關(guān)于雌配子體導(dǎo)向中，一些已發(fā)現(xiàn)的幫助花粉管定位到胚珠的基因或信號(hào)分子，包括珠柄導(dǎo)向和胚囊導(dǎo)向兩方面。

2 珠柄導(dǎo)向

目前關(guān)于珠柄吸引花粉管生長(zhǎng)的研究比較少?；ǚ酃軓奶プ竭_(dá)胚珠的有

效生長(zhǎng)距離約為200微米，但是研究者發(fā)現(xiàn)，在magamata(maa)雌配子體突變體中，花粉管在珠柄中能正常生長(zhǎng)，長(zhǎng)至距珠孔近100微米時(shí)，便迷失了方向，不能順利進(jìn)入珠孔。這說明，發(fā)育完整而成熟的雌配子體是花粉管準(zhǔn)確定位到珠孔，進(jìn)入胚珠的先決條件。

Lu Y等在2011年通過對(duì)K+通道突變株chx21 chx23的研究發(fā)現(xiàn)，突變株

的花粉管不能穿過隔膜，進(jìn)入珠柄或胚囊，而只能在引導(dǎo)組織中生長(zhǎng)。體外受精時(shí)，該雙突變株的花粉管也不能正確生長(zhǎng)至珠柄。由此說明，珠柄成功地吸引花粉管需要K+。

不少科學(xué)家認(rèn)為，雌蕊胞外基質(zhì)（extracellular matrix,ECM）的一些物質(zhì)對(duì)

花粉管導(dǎo)向珠柄也至關(guān)重要。Palanivelu R等人在擬南芥pollen-pistil 2（pop2）突變體中發(fā)現(xiàn)，花粉管的導(dǎo)向受γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyricacid,GABA)的影響。GABA廣泛存在于真核生物和原核生物體內(nèi)，參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。pop2突變體內(nèi)合成GABA轉(zhuǎn)氨酶（可降解GABA）的基因發(fā)生了突變，GABA轉(zhuǎn)氨酶含量下降，GABA大量積累。另外發(fā)現(xiàn)，野生型擬南芥的雌蕊中，GABA從柱頭至胚珠的含量逐漸升高，呈現(xiàn)梯度分布。對(duì)野生型體外施加GABA，花粉管的生長(zhǎng)也受到抑制。這說明，低濃度的GABA可促進(jìn)花粉管生長(zhǎng)，而高濃度GABA 則起抑制作用。GABA很有可能是通過趨化性的方式來引導(dǎo)花粉管向胚珠生長(zhǎng)。

阿拉伯半乳聚糖糖蛋白(arabinogalactan protein, AGPs)可在被子植物的雌蕊中表達(dá)，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)中花粉管的生長(zhǎng)方向。TTS是在煙草的ECM中分離到一種阿拉伯半乳聚糖糖蛋白，引導(dǎo)組織中該糖蛋白的糖基化程度向著花粉管的生長(zhǎng)方向不斷增加，而且TTS在體外也可以促進(jìn)花粉管生長(zhǎng)，可推測(cè)到化學(xué)吸引是TTS蛋白引導(dǎo)花粉管朝向胚珠生長(zhǎng)的原理。D-Ser作為谷氨酸鹽受體(glutamate receptors, GLRs)關(guān)鍵的激活劑，可激活花粉管尖端區(qū)的GLRs的活性，促進(jìn)Ca2+流入細(xì)胞質(zhì)，通過調(diào)節(jié)花粉管中的Ca2+濃度以及波動(dòng)幅度，來促進(jìn)花粉管的生長(zhǎng)。

總的來說，雌配子體可通過直接或間接的方式引導(dǎo)花粉管沿著珠柄生長(zhǎng)：直接分泌吸引物質(zhì)，通過吸引物質(zhì)沿著花粉管生長(zhǎng)呈現(xiàn)梯度分布，來吸引花粉管順著珠柄生長(zhǎng)；分泌信號(hào)，刺激珠柄細(xì)胞等孢子體細(xì)胞產(chǎn)生吸引物質(zhì)而間接影響花粉管的生長(zhǎng)方向。

3 胚囊導(dǎo)向

胚囊導(dǎo)向是指胚珠的珠孔端對(duì)花粉管生長(zhǎng)方向的吸引機(jī)制。近年來，這方面的研究取得了廣泛而深入的成果。下面選取一些典型的調(diào)控因子進(jìn)行介紹。

最先分離到的引導(dǎo)花粉管向珠孔生長(zhǎng)的物質(zhì)是玉米中的ZmEA1。ZmEA1在卵器中表達(dá)，是僅有94個(gè)氨基酸組成的小分子蛋白。Punwani JA等人于2007年通過RNAi干擾技術(shù)，獲得ZmEA1低表達(dá)植株。將ZmEA1與GFP融合后，融合蛋白最先定位在絲狀器，接著環(huán)繞珠心細(xì)胞的細(xì)胞壁，導(dǎo)致花粉管定位不到珠孔，最終表現(xiàn)為雌性不育。另有研究者發(fā)現(xiàn)，將ZmEA1的氨基端切除后，能在體外吸引花粉管向珠孔生長(zhǎng)。遺傳學(xué)和生化方面均證實(shí)了ZmEA1對(duì)花粉管的胚珠導(dǎo)向的作用。

除了玉米，Okuda 等人在模式植物藍(lán)豬耳草( Toreniafournieri)的助細(xì)胞的cDNA 文庫(kù)中也分離到了相關(guān)的信號(hào)分子——LUREs。LUREs屬于類防衛(wèi)素亞家族的一員，是富含半胱氨酸的分泌小肽(cysteine-rich polypeptides, CRPs)。免疫熒光顯微鏡觀察到助細(xì)胞合成的LUREs蛋白會(huì)分泌至絲狀器。采用反義核酸技術(shù)來降低LUREs的表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)胚珠對(duì)花粉管的吸引能力也明顯減弱。該實(shí)驗(yàn)室的研究人員之后又在擬南芥中找到了5個(gè)LUREs蛋白（AtLUREs）。采用免疫熒光顯微鏡觀察，以及RHAi干擾技術(shù)降低這些AtLUREs的表達(dá)量，均得到了與藍(lán)豬耳草相同的結(jié)果。將合成AtLUREs的基因?qū)氲皆思?xì)胞進(jìn)行表達(dá)，發(fā)現(xiàn)AtLUREs在體外也可以吸引花粉管向著珠孔生長(zhǎng)。但是，其中一個(gè)AtLURE蛋白對(duì)花粉管的吸引能力較弱，檢測(cè)其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該蛋白的半胱氨酸發(fā)生了突變。重新將其突變?yōu)榘腚装彼岷?，它的吸引活性也恢?fù)了。這說明，AtLURE蛋白內(nèi)的半胱氨酸是保守的，且對(duì)維持AtLURE的功能起到重要作用。

對(duì)擬南芥的比較基因組學(xué)進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)了類似的花粉管導(dǎo)向分子。DUF784 ( domain of unknown function) 蛋白是在研究擬南芥myb98 胚珠時(shí)發(fā)現(xiàn)的，受到MYB98的調(diào)控，同樣是富含半胱氨酸的小肽，包含由多個(gè)基因家族的成員編碼的40個(gè)蛋白。DUF784的成員之間同源性很高，通常只有多基因突變體才有明顯的表型。研究人員采用RNAi技術(shù)降低了多個(gè)DUF784基因的表達(dá)量，用Aniline blue 對(duì)授粉24 h 的花粉管進(jìn)行染色，并用顯微鏡統(tǒng)計(jì)進(jìn)入珠孔的花粉管，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入率僅為78%，而野生型的擬南芥中的進(jìn)入率為100%。同樣用GUS基因分別標(biāo)記野生型和RNAi干擾后的植株，再進(jìn)行GUS染色，DUF 基因RNAi轉(zhuǎn)基因植株中的花粉進(jìn)入率也比野生型低30%左右。由此可知，DUF784確實(shí)也可以影響花粉管進(jìn)入胚珠。

  以上所述的幾種小肽，均是由助細(xì)胞分泌的?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，除了助細(xì)胞，胚囊內(nèi)的中央細(xì)胞和卵細(xì)胞同樣可以幫助吸引花粉管進(jìn)入胚囊。例如，Shimizu K K等于2000年發(fā)現(xiàn)，在擬南芥的maa突變體的胚珠內(nèi)，2 個(gè)中央極核不能正常融合, 所以無法形成中央細(xì)胞,同時(shí)，該突變植株的花粉管無法正常進(jìn)入胚珠。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來，人們對(duì)于被子植物受精過程中花粉管導(dǎo)向的研究取得了眾多進(jìn)展，無論雌性組織對(duì)花粉管的導(dǎo)向性，還是雌配子體對(duì)花粉管的導(dǎo)向性方面，均發(fā)現(xiàn)了不少調(diào)控物質(zhì)，例如本文在胚囊導(dǎo)向性提到的玉米中的ZmEA1、藍(lán)豬耳草中的LUREs、擬南芥中的DUF784等花粉管導(dǎo)向信號(hào)分子，均是富含半胱氨酸的分泌性小肽，由胚囊內(nèi)的助細(xì)胞合成，分泌至絲狀器。但是，關(guān)于花粉管生長(zhǎng)至胚柄導(dǎo)向性的研究還很不足，還需要科學(xué)家們更多關(guān)注。而且，我們現(xiàn)在離完全理解被子植物的花粉管的導(dǎo)向性的分子機(jī)制，也還有很長(zhǎng)的路要走。

參考文獻(xiàn)

 [1]彭雄波,孫蒙祥. 雌、雄配子體間及雌配子體成員細(xì)胞間的通訊[J]. 中國(guó)科學(xué):生命科學(xué),2015,02:124-132.

[2]路靖,關(guān)維元,徐永星,劉保東. 中華水韭雌配子體及胚胎發(fā)育的初步研究[J]. 植物科學(xué)學(xué)報(bào),2013,04:353-359.

[3]劉敬婧,侯英楠,瞿禮嘉. 高等植物受精過程中雌-雄相互作用的分子調(diào)控機(jī)制[J]. 中國(guó)科學(xué):生命科學(xué),2013,10:842-853.

[4]陳艷紅. 花粉管導(dǎo)向,完成植物雙受精的艱難旅程（英文）[J]. 中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)報(bào),2013,09:1376-1385.

本文來源：http://m.00559.cn/w/qt/4051.html  《生物技術(shù)世界》