植物激素調(diào)控水稻花藥發(fā)育的研究進(jìn)展

沈亞琦，項(xiàng)圓圓，劉家林，王聯(lián)紅，張秋云，賀浩華，胡麗芳

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省超級(jí)稻工程技術(shù)研究中心/雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同中心，江西 南昌 330045)

花藥是雄蕊最重要的組成部分，藥隔將花藥分開的2個(gè)藥室，花粉囊在藥室中,花粉囊是花粉產(chǎn)生的地方。水稻是重要的糧食作物，花藥的正常發(fā)育不僅對水稻開花過程和種子的形成十分重要[1-3]，而且在雜種優(yōu)勢利用和雜交育種中也有著重要地位，因而對水稻花藥育性研究有著重要的理論和實(shí)踐意義。近年來，隨著許多與水稻花藥發(fā)育相關(guān)基因的分離與功能鑒定，許多植物激素相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)在水稻花藥發(fā)育中發(fā)揮著重要作用[4-6]。發(fā)現(xiàn)生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、茉莉酸和油菜素內(nèi)酯等激素參與了水稻花藥發(fā)育過程。

1 水稻花藥的發(fā)育過程

水稻花藥的發(fā)育是一個(gè)連續(xù)復(fù)雜的過程，將其劃分成不同的階段以便于相關(guān)的研究。首先雄蕊原基頂端的L1-L3層細(xì)胞經(jīng)過數(shù)輪平周分裂和有絲分裂，形成的花粉母細(xì)胞從外到內(nèi)包圍著表皮層、內(nèi)皮層、中間層和絨氈層。隨后花粉母細(xì)胞之間逐漸分散開，進(jìn)入減數(shù)分裂階段。二分體和四分體形成，絨氈層細(xì)胞胞質(zhì)開始濃縮。在小孢子早期，絨氈層細(xì)胞胞質(zhì)呈濃縮狀，無液泡的小孢子形狀近似球形，萌發(fā)孔尚未出現(xiàn)和不明顯的孢子壁。在小孢子中期，小孢子的體積增大，孢壁變厚，液泡增多，合并形成較大的液泡。在小孢子晚期，小孢子體積明顯增大，孢子壁加厚，中央大液泡出現(xiàn)。小孢子核逐漸移至萌發(fā)孔對側(cè)，帶狀絨氈層細(xì)胞變?yōu)樯角馉?。進(jìn)入到二孢花粉期后，小孢子經(jīng)過有絲分裂形成營養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞，營養(yǎng)細(xì)胞較大具有中央大液泡并向萌發(fā)孔方向移動(dòng)，而生殖細(xì)胞逐漸與花粉壁脫離，移至營養(yǎng)核的附近。開始積累淀粉粒等物質(zhì)。絨氈層僅剩殘留物，孢粉素體附著在其內(nèi)表面。在成熟花粉期，由生殖細(xì)胞分裂產(chǎn)生2個(gè)精細(xì)胞與營養(yǎng)核同時(shí)存在，花粉內(nèi)充滿了淀粉等儲(chǔ)藏物，絨氈層消失，僅剩次生絨氈層壁[7-8]。

2 調(diào)控水稻花藥發(fā)育的植物激素

2.1 生長素

參與水稻花藥發(fā)育的生長素生物合成途徑的基因包括OsTDD1、OsDAO和OsFTIP7等(表1)。OsTDD1(TRYPTOPHANDEFICIENTDWARF1)基因編碼一種與鄰氨基苯甲酸合成酶β亞基同源的蛋白質(zhì)，催化色氨酸生物合成反應(yīng)的第一步。tdd1突變體出現(xiàn)雄蕊數(shù)目改變、雄蕊畸形的現(xiàn)象，偶有器官融合的發(fā)生[9]。OsDAO(DIOXYGENASEFORAUXINOXIDATION)基因編碼2-酮戊二酸和亞鐵依賴性雙加氧酶，在水稻的花粉發(fā)育和花藥開裂中不可或缺。突變體dao植株中游離生長素含量在花藥內(nèi)升高，造成花藥不開裂，無花粉散出，表現(xiàn)為雄性不育植株[10]。OsFTIP7(FT-INTERACTINGPROTEIN7)基因編碼FT互作蛋白。osftip7突變體花藥不開裂，導(dǎo)致完全不育。此外，相比野生型，突變體中花粉發(fā)育也部分受損，花藥中生長素含量顯著升高。OsFTIP7與同源盒轉(zhuǎn)錄因子OSH1互作，調(diào)控OSH1發(fā)生質(zhì)核穿梭結(jié)合到生長素合成關(guān)鍵基因OsYUCCA4的啟動(dòng)子區(qū)域上，從而抑制OsYUCCA4的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，下調(diào)生長素的水平，促進(jìn)花藥開裂，最終控制水稻的育性[11]。

表1 參與水稻花藥發(fā)育的生長素途徑基因

參與水稻花藥發(fā)育生長素信號(hào)傳導(dǎo)途徑的基因包括OsMGH3、LHS1和MFO1等。OsMGH3/OsGH3-8基因編碼IAA酰胺合成酶，通過將氨基酸連到IAA上來維持花藥游離IAA含量的動(dòng)態(tài)平衡。OsMGH3基因敲除植株雄蕊發(fā)育和花粉活力受到影響，導(dǎo)致育性下降。OsMGH3在水稻小花中高水平表達(dá)有助于心皮和花藥的發(fā)育，并通過調(diào)節(jié)生長素活動(dòng)來影響小花的育性，同時(shí)受OsMADS1和OsMADS6的調(diào)控[12]。LHS1(LEAFYHULLSTERILE1)基因編碼一個(gè)含有MADS box的蛋白OsMADS1。lhs1突變體雄蕊數(shù)量減少，心皮數(shù)量增加，雄蕊結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。OsMADS1能與OsMADS3發(fā)生互作，參與漿片和雄蕊特征的形成，促進(jìn)花發(fā)育[13]。MFO1(MOSAICFLORALORGANS1)基因編碼OsMADS6蛋白。mfo1-1突變體雄蕊數(shù)目減少，育性明顯降低，會(huì)形成穎片-漿片-雄蕊嵌合的結(jié)構(gòu)。OsMADS6是水稻花早期發(fā)育的一個(gè)重要調(diào)節(jié)因子，主要調(diào)控雄蕊、漿片和心皮起始原基的形成[14]。

2.2 赤霉素

參與水稻花藥發(fā)育赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)途徑的基因包括SLR1、GID2、EL1、OsGAMYB和SAW1等(表2)。SLR1(SLENDERRICE1)基因編碼一種DELLA蛋白SLR1，是一種GA信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的抑制蛋白。slr1-d3突變體表現(xiàn)為半不育，具有發(fā)育正常的花和形態(tài)正常的雄蕊，但是花粉的活力低于野生型花粉。SLR1蛋白N末端的磷酸化能抑制GID1介導(dǎo)的降解，并且C末端磷酸化維持SLR1的活性[15]。GID2(GIBBERELLININSENSITIVEDWARF2)基因編碼SCF E3復(fù)合體的一個(gè)F-box亞基，SCFGID 2-蛋白酶體途徑完成谷氨酸依賴性磷酸化啟動(dòng)的SLR1的調(diào)節(jié)性降解。在gid2突變體植株中，參與遺傳信號(hào)傳導(dǎo)的水稻SLR1蛋白的降解中有缺陷，導(dǎo)致不育表型[16]。EL1(EARLYFLOWERING1)編碼酪蛋白激酶CKI，水稻el1突變體對赤霉素信號(hào)的反應(yīng)增強(qiáng)，在小穗發(fā)育過程中誘導(dǎo)GAMYB和花粉形成相關(guān)基因CYP703A3和KAR過度表達(dá)，導(dǎo)致花藥發(fā)育和花粉活力缺陷。酪蛋白激酶通過磷酸化和激活SLR1在GA信號(hào)的負(fù)調(diào)節(jié)中起作用，EL1磷酸化SLR1是一種主要的GA信號(hào)阻遏物[17]。OsGAMYB(GIBBERELLINMYB)編碼一個(gè)赤霉素誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子，OsGAMYB突變損害糊粉和花發(fā)育中的α-淀粉酶表達(dá)，導(dǎo)致花粉發(fā)育缺陷。gamyb-4突變體花粉發(fā)育不能進(jìn)行正常的減數(shù)分裂，使得絨氈層增大。該轉(zhuǎn)錄因子是一種正的赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)成分，控制谷類糊粉和花藥細(xì)胞中大多數(shù)赤霉素誘導(dǎo)基因的表達(dá)，其下游基因CYP703A3和KAR主要參與花粉形成[18]。SAW1(SwollenAntherWall1)基因編碼一種新的細(xì)胞核定位CCCH-串聯(lián)鋅指蛋白，該蛋白可直接與GA合成基因OsGA20ox3啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合，誘導(dǎo)其花藥特異性表達(dá)。saw1突變體產(chǎn)生異?；ㄋ?，花藥壁腫脹，花粉脫落。在saw1花藥中，OsGA20ox3的表達(dá)量顯著降低，導(dǎo)致具有生物活性的GA含量降低，進(jìn)而導(dǎo)致GA誘導(dǎo)花藥調(diào)節(jié)基因OsGAMYB的表達(dá)降低。水稻SAW1基因敲除產(chǎn)生了類似的雄性不育植物[19]。

2.3 細(xì)胞分裂素

參與水稻花藥發(fā)育的細(xì)胞分裂素代謝途徑的基因包括參與合成的LOG和信號(hào)傳導(dǎo)的LEPTO1等(表3)。LOG(LONELYGUY)基因編碼細(xì)胞分裂素活化酶，對維持分生組織活性十分重要。log突變體花分生組織器官的分化提前終止，無法形成具有正常數(shù)量的花器官，通常只含有一個(gè)雄蕊[20]。LEPTO1(LEPTOTENE1)基因編碼OsRR24，具有保守的DDK和MYB結(jié)構(gòu)域的N端和轉(zhuǎn)錄激活活性的C端，屬于B類響應(yīng)調(diào)節(jié)因子。突變體lepto1的花粉母細(xì)胞染色體停滯在前細(xì)線期狀態(tài)，不能進(jìn)一步組裝進(jìn)入典型的細(xì)線期染色體狀態(tài)。沒有組裝減數(shù)分裂特異蛋白，看不到胼胝質(zhì)的積累，最終產(chǎn)生無花粉型花藥。lepto1突變體在營養(yǎng)生長期無差異現(xiàn)象，但花藥小而白，不產(chǎn)生花粉。用野生型花粉授粉后，lepto1也不能形成種子，雌雄均不育。OsRR24能通過DDK結(jié)構(gòu)域與OsAHP1和OsAHP2兩種組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白相互作用，可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期蛋白相關(guān)基因的表達(dá)，影響細(xì)線期染色體的組裝[21-22]。

2.4 茉莉酸

參與水稻花藥發(fā)育的茉莉酸代謝途徑的基因包括參與合成的OsJAR1和信號(hào)傳導(dǎo)的EG2、OsCOI1b等(表3)。OsJAR1(JASMONATERESTIVE1)基因編碼茉莉酸氨基酸合成酶，參與JA調(diào)控的水稻小花開放和花藥開裂。osjar1等位基因植株的小花在開花期間正常開放，但花藥開裂受到損害，導(dǎo)致突變體植株生育力降低，外源施用茉莉酸甲酯誘導(dǎo)的花開放途徑受損[23]。EG2(EXTRAGLUME2)編碼茉莉酸信號(hào)阻遏物，與推測的茉莉酸受體OsCOI1b相互作用，在小穗發(fā)育過程中觸發(fā)OsJAZ1的降解。eg2突變體表現(xiàn)出改變的小穗形態(tài)，以及有缺陷的花分生組織，雄蕊量減少[24]。OsCOI1b(CORONATINEINSENSITIVE1b)基因編碼JA受體COI，介導(dǎo)JA信號(hào)傳導(dǎo)影響小穗育性和籽粒灌漿。相比野生型，oscoi1b-1突變體小穗育性和粒重顯著降低，造成籽粒減產(chǎn)嚴(yán)重[25]。

2.5 油菜素內(nèi)酯

參與水稻花藥發(fā)育的油菜素內(nèi)酯代謝途徑的基因包括參與合成的D11、OsCYP51G3和信號(hào)傳導(dǎo)的OsBZR1等(表3)。D11(DWARF11)基因編碼細(xì)胞色素P450蛋白CYP724B1，參與油菜素內(nèi)酯生物合成途徑。D11基因敲除植株花粉的成熟有陷并且淀粉的累積量變少，導(dǎo)致雄性育性降低。過表達(dá)D11基因會(huì)引起發(fā)育的花藥中糖積累量增加[26-27]。OsCYP51G3基因編碼鈍葉醇14α-脫甲基酶，屬于細(xì)胞色素CYP51亞家族，影響甾醇合成和油菜素內(nèi)酯合成。OsCYP51G3-RNAi植株體內(nèi)甾醇和油菜素內(nèi)酯含量降低、花粉半不育和細(xì)胞較短[28]。OsBZR1基因編碼油菜素內(nèi)酯信號(hào)傳導(dǎo)的下游信號(hào)分子OsBZR1，在水稻花粉發(fā)育過程中，OsBZR1通過直接促進(jìn)CSA基因的表達(dá)，使糖分配和代謝相關(guān)基因的表達(dá)。OsBZR1基因敲除植株花粉的成熟有缺陷以及淀粉的累積量變少，而過表達(dá)OsBZR1基因花藥中糖累積量變多[26]。

表3 參與水稻花藥發(fā)育的細(xì)胞分裂素、茉莉酸和油菜素內(nèi)酯途徑基因

3 展望

植物激素對植物生長發(fā)育的各個(gè)時(shí)期都有重要作用，對水稻花藥發(fā)育過程中植物激素生物合成、信號(hào)傳導(dǎo)和極性運(yùn)輸途徑相關(guān)基因和突變體的研究發(fā)現(xiàn)：生長素在調(diào)控水稻花藥開裂、花粉萌發(fā)以及雄蕊結(jié)構(gòu)中有著重要作用；赤霉素參與調(diào)控水稻花藥發(fā)育、花粉成熟和花藥開裂；細(xì)胞分裂素影響生殖器官的起始和發(fā)育，參與花粉母細(xì)胞染色體的組裝；茉莉酸主要影響水稻花藥開裂；油菜素內(nèi)酯影響花粉成熟。低溫、高溫和干旱等[29-31]外界因素可通過調(diào)節(jié)相關(guān)激素水平來影響水稻花藥發(fā)育，但對激素應(yīng)答反應(yīng)的分子機(jī)理知之甚少。同時(shí)水稻花藥中遺傳和外界環(huán)境信號(hào)的影響與激素之間的相互作用機(jī)理，組成了一個(gè)復(fù)雜的植物激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。水稻花藥發(fā)育過程中調(diào)節(jié)植物激素相關(guān)基因的研究還不夠完善，他們的時(shí)空表達(dá)模式以及作用網(wǎng)絡(luò)可成為今后研究的重點(diǎn)方向之一。植物激素間相互調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究、調(diào)控機(jī)制的完善和水稻花藥中激素水平的時(shí)空表，達(dá)對水稻花藥發(fā)育和種子形成的深入研究提供良好的幫助。采用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測水稻花藥中激素含量差異，熒光定量PCR檢測水稻花藥中激素合成及傳導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)量變化，蛋白互作等技術(shù)研究驗(yàn)證水稻花藥中激素的合成傳導(dǎo)途徑。同時(shí)與高通量測序及代謝組分析方法相結(jié)合，對水稻花藥發(fā)育中的植物激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更加深入的研究提供支持，有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)植物激素調(diào)控水稻花藥發(fā)育的生物學(xué)問題。