植物種子發(fā)育調控機制研究進展

鞠斯羽 李穎 魏健

(長春師范大學，吉林 長春 130051)

種子是陸生植物在進化和多樣化過程中適應環(huán)境演變的重要技術手段，而植物的種子發(fā)育是一個由復雜的網絡控制的復雜過程。種子的發(fā)育發(fā)生在合子胚胎產生以后。而單子葉和雙子葉植物的種子發(fā)育均起始于雙受精階段，受精后的卵細胞(合子)形成胚(二倍體)，與此同時，受精后的中央細胞(central cell)形成胚乳(三倍體)[1]。胚珠一般是在雙受精以前就產生的，胚珠的數量和播種的數量密切關聯，也直接影響著糧食作物的生產。雙受精以后，胚珠發(fā)育成種子，珠被發(fā)育成種皮。植物種子一般有3種分化成分：胚、胚乳和種皮[2]。種子的發(fā)育過程可分成2個階段。胚胎的發(fā)生，包括胚胎、胚乳和外種皮發(fā)育[3]；種子成熟，包括胚根生長和種子填充。在種子成熟過程結束時，種子干燥，RNA和蛋白質的合成停止，胚胎進入休眠狀態(tài)。種子成熟通常伴隨著葉綠素降解[4]。許多研究在尋找影響植物種子發(fā)育過程的因素。

雖然環(huán)境因素對種子發(fā)育有一定影響，但種子中基因表達的變化是這一過程的主要決定因素。在這一階段中，不但大量基因直接參與胚胎和胚乳生長的調節(jié)，還有大量調節(jié)因素組成精細復雜的系統以實現種子生長的調節(jié)。本文著重綜述了近年來中國研究人員在IKU3-MINI3-SHB1通路、泛素途徑、激素相關通路等領域的研究進展情況，并充分介紹和剖析了利用不同途徑通過控制胚胎、胚乳和種皮發(fā)育而控制種子生長的分子機理。

1 IKU-MINI3-SHB1調控機制

胚乳發(fā)育也是限制植物種子生長的主要原因，HAIKU(IKU)影響了植株播種胚乳的早期發(fā)育。IIKU-MINI3-SHB1調控產物為HAIKU1(IKU1)、富含亮氨酸的復制激酶HAIKU2(IKU2)、WRKY轉錄因子MINISEED3(MINI3)和上游的調控因子SHORT HYPOCOTYL UNDER BIUE1(SHB1)[5]。MINI3和IKU2在功能喪失突變體IKU1中的表達均降低。MINI3編碼一個WRKY家族的轉錄因子，在胚乳和胚胎中均有表達。IKU2編碼一種富亮氨酸重復序列(LRR)受體激酶，在胚乳中表達，但在胚胎或植物的其他地方不表達。在MINI3背景中，IKU2表達明顯降低，但在IKU2突變體中，MINI3表達不變。MINI3∶GUS是一種啟動子GUS融合，在MINI3-1突變體中上調，表明MINI3具有自身抑制性。這些數據表明，IKU1、IKU2和MINI3在種子發(fā)育的相同途徑中起作用。而IKU、MINI3、SHB1這3個基因的下調導致胚乳細胞早熟，進而在成熟時種子大小減少。Zhou等[6]已證明SHB1基因正向調控擬南芥子葉的生長，即SHB1在擬南芥內作為MINI3和IKU2的啟動子,結合在種子生長的早期階段促進了胚乳的增長，同時SHB1也調節(jié)了MINI3和IKU2的表達，而SHB1則在種子生長的第2階段控制了胚胎細胞的增殖和伸長。MINI3和IKU2的正確表達都需要SHB1。雙突變體分析表明，SHB1突變體對種子發(fā)育的影響在很大程度上依賴于MINI3和IKU2的功能。MINI3和IKU2啟動子的特定轉錄因子的蛋白相互作用，并在種子發(fā)育的初始階段實現其對MINI3和IKU2基因轉錄的調控。綜上所述,IKU途徑是植物種子胚乳早期發(fā)育階段的主要調節(jié)路徑，主要調節(jié)種子質量、子葉品質、胚乳生長發(fā)育和胚胎的生長發(fā)育。

2 泛素-蛋白酶體途徑

泛素途徑在植物種子生長發(fā)育的路徑中發(fā)揮著主要功能，是引起植物蛋白質分解的重要途徑。而泛素化路徑則一般需要3種泛素化酶的協同參加：E1泛素活性酶、E2泛素鏈接酶和E3泛素鏈接酶。蛋白質在泛素分子物質的引導下，經泛素激發(fā)酶E1、泛素融合酶E2和泛素連接酶E3特殊作用后，經第26S蛋白酶體作用后，可裂解出多肽。除以上所說的工具蛋白質以外，還有泛素受體、泛素特異蛋白酶、植物特殊APC/C調控因子和泛素化途徑互作基因等在調控植物種子生長方面都發(fā)揮了重要作用。

泛素受體DA1編碼一種包含2個泛素相互作用基序UIM和一段LIM結構域的蛋白質，具備泛素綜合酶活力，與多泛素蛋白質結合后，通過26S蛋白酶體調節(jié)將其降解。DA1-1突變體隨著胚珠母體珠被的改變而引起籽粒重量變化和尺寸增大[7]。環(huán)蛋白E3泛素連接酶，是真雙子葉植物和單子葉植物對種子質量的重要調控因素，其通過調控植物細胞分化與擴展影響種子生長發(fā)育。編碼E3泛素連接酶BIGBROTHER的增強子ofda1-1(EOD1)突變可協同增強DA1-1的種子尺寸表型，這就意味著通過DA1和EOD1/BB協同作用來調整種子尺寸。在擬南芥中經過表達BB/EOD1、DA2，子葉變小。但在水稻中經過表達DA2同源基因GRAIN WIDTH AND WEIGHT2，種子數量也顯著減少。DA1抑制劑(SOD2)是DA1的一種抑制劑，編碼泛素特異性蛋白15(ubp15)。Ubp15作用于DA1下游，是對種子和器官發(fā)育的積極控制因子[8]。在水稻中，一個編碼E3泛素連接酶的粒寬和重量2(GW2)數量性狀位點通過限制細胞分裂來調節(jié)粒徑，該位點編碼一個Really Interesting New Gene(RING)型E3泛素連接酶，在擬南芥中過量表達GW2產生小籽粒和器官。GW5也是水稻的另一種主要數量與性狀位點，在酵母雙雜交試驗中，GW5與多聚泛素產生物理影響，表從而證明GW5也參加了泛素-蛋白酶體途徑。其還可以和GW2作用，參與水稻種子在生長發(fā)育過程中的泛素化，并調控細胞分化，從而影響種子生長發(fā)育。

26S蛋白酶體(26SP)是一種多亞單位、多催化、2.4-MD蛋白酶，負責降解各種生物過程中涉及的蛋白質。除了在識別和降解多泛素ted蛋白方面的中心功能外，26SP還可以降解未經多泛素化修飾的蛋白質[9]。亞基調節(jié)粒子AAA ATP酶(RPT2a)功能的喪失導致26S蛋白酶體活性的微弱缺陷，并導致種子變大。后期促進復合體/環(huán)小體(APC/C)是一個很重要的多蛋白E3泛素連接酶，參與關鍵細胞周期調節(jié)蛋白的泛素依賴性蛋白水解。是植物的一種APC/C特異性負調節(jié)因子,在擬南芥中，SAMBA在胚胎發(fā)生和植物早期發(fā)育過程中表達，并在器官大小的控制中起著關鍵作用。該基因突變后的A2型細胞周期蛋白cyca2；穩(wěn)定性增強，從細胞生長和細胞核的繁殖開始，種子變大[10]。

3 植物激素途徑

3.1 細胞分裂素

細胞分裂素是一種主要的植株活性激素，在控制花卉植株成長的多種過程中具有重要影響，包括植物細胞的裂開和分化、莖和根的長成與發(fā)育、頂端優(yōu)勢維持、細胞衰老、結果和種子發(fā)育。在小麥和水稻等谷類作物的種子中，細胞分裂素在發(fā)育的胚乳中比較豐富，能提高胚胎的蛋白質分化。植物的核心細胞代謝和信號轉導事件也是由細胞分裂素介導的。細胞分裂素可以以多種形式存在，在其結構、生化特性、生物活性和在植物器官間的可轉運性方面存在差異。細胞分裂素在整個生命周期的植物生長和適應中發(fā)揮著重要的作用，包括在生殖-繁殖、種子形成和發(fā)育的最初階段。Nguyen等[11]用HPLC-MS/MS法測定5個早春小麥品種種子在發(fā)育階段中細胞分裂素代謝所產生的變化,并發(fā)現前2個階段(從灌漿期到乳熟早中期)的細胞分裂素總量是后3個階段的3～5倍。細胞分裂素水平受生物合成[異戊烯基轉移酶(IPT)]、[Lonely Guy(LOG)]、失活(O-糖基轉移酶)、再激活(β-葡萄糖苷酶)和降解[細胞分裂素氧化酶/脫氫酶(CKX)]之間的平衡控制。在衰老過程中，活性細胞分裂素的能力減弱，隨著過早衰老導致產量的下降。在果實和種子發(fā)育的早期階段，細胞分裂素的數量短暫增加,并與核分裂和細胞分裂過程相一致,其也是最終影響種子質量的重要決定因子。外源應用細胞分裂素、IPT異位表達IPT或下調CKX，有時可以引起種子質量的上升，提示了細胞分裂素也可以影響生產。胚乳中的細胞分裂素穩(wěn)態(tài)受IKU通路控制，作用于IKU通路的下游，以控制種子的大小。CKX2與WRKY10同為IKU途徑的重要轉錄因子，CKX2也是WRKY10的直接靶位，WRKY10與CKX2直接結合后，激活了胚乳的繁殖，從而控制了種子生長。

3.2 生長素

植株生長素是一種主要的植物激素，作用于植株的根尖、莖尖等發(fā)育旺盛的部位，并通過極性轉運的形式運送到植物體的各個方面，調節(jié)著植株的生長發(fā)育。生長素被發(fā)現在整個生長層次中控制并改變不同的化學反應，如向化、頂端優(yōu)勢和根起始，以及在分子層次上的化學反應，如細胞生長、分裂和分化。植物激素生長素通過調控轉寫因子和受控制基因的生長素反應元件(AuxREs)的相互作用而調控的過程生理。與植物生長素的表達有關的3組關鍵蛋白包括Aux/IAAs、ARF和SCF復合體(SKP1-CUL1-F-box)。Lau等[12]指出，ARF是植物生長素信號轉導中的重要因子，與AUX/IAA阻遏因子的結合中發(fā)揮重要作用，而這些阻遏因子也與植物生長素調節(jié)和ARF激活因子的二聚化相關[13]。

植物生長素對果實在生長發(fā)育中的不同時期都起著很重要的調節(jié)功能。擬南芥ATARF2可以控制豆角的繁殖與生長發(fā)育，因為純種的arf2T-DNA有突變性的種子比野生種類大得多。因此AtARF8應用于果實的生長發(fā)育。Li H F等[14]研究表明，桃PpARF1～6、PpARF9調節(jié)了果實發(fā)育；史夢雅等[15]發(fā)現，桃PpARF1在硬核果實中起了很大的調節(jié)作用。

3.3 油菜素內酯

油菜素內酯(brassinosteroids,BRs)是一種類固醇激素,研究表明，油菜素內酯(BR)在決定擬南芥(擬南芥)種子的大小、質量和形狀方面起著至關重要的作用。缺陷突變體去胚化2(det2)的種子比野生型植物更小、更不長，原因是種子腔減少、胚乳體積和被皮細胞長度減少。det2突變體也表現出胚胎發(fā)育遲緩，胚胎細胞的大小和數量均減少。BR激活BLUE1、MINISEED3和HAIKU2下短下胚軸的表達，這是已知的種子大小的正調控因子。BRs被富含亮氨酸的受體激酶BRASSINOSTEROID INSENSITIVE1(BRI1)識別后把信號轉導給轉錄因子BRASSINAZOLE-RESISTANT 1(BZR1)和BZR2，進而調控下游的BR響應基因。BR生物合成基因的突變引起了擬南芥明顯的生長缺陷，BR缺陷種中de-etiolated2(det2)的不敏感型突變種，bri1-5的種子變小。Det2突變體的種胚縮小，珠被細胞也變小；det2上施用源區(qū)BR則可以恢復部分的種子表型，但在野生類上施用源區(qū)BR則可以提高物種重量。這些結果都表明，BR調節(jié)種子的大小。BZR1既可以直接與SHB1、IKU1和IKU2的誘導物結合,也可能直接與AP2、ARF2和KLU的誘導物結合,表明BR可以利用不同的遺傳方式進行胚胎、胚乳和珠被的形成。GW5是一個新的BR信號的正調控因子,在水稻中水稻SEED WIDTH ON CHROMOSOME 5(qSW5/GW5)基因的鈣調基因上的蛋白。GW5還可以與GSK2物理上相互作用,以拮抗其對OsBZR1和DLT的激酶活力，造成大量未磷酸化的OsBZR1和DLT蛋白質在線粒體細胞中堆積，并最終影響B(tài)R響應基因的正常表達、粒度大小和重量。

4 展望

植物種子是裸子植物和被子植物獨特的生殖器官，可用于食用、藥用和工業(yè)用途。種子中富含豐富的營養(yǎng)物質，是人類賴以生存的物質來源。全球人口繼續(xù)增加，導致可用作物產量和糧食需求上升之間的差距日益加大。這個問題正在變得更加嚴重，因為全球氣候繼續(xù)不可預測地發(fā)生變化，對農業(yè)和糧食安全的可持續(xù)性造成了更多的威脅。因而研究植物種子對應對危機具有重要意義，同時，研究種子發(fā)育的調控機制對研究植物生長發(fā)育、作物育種、提高產量等方面也具有重要意義。

種子生長的過程是相當復雜的，除胚胎、胚乳和珠被三者的協調發(fā)育以外，還包括泛素受體蛋白質、激素受體、G蛋白質和許多蛋白質的產生。而其中精細的調控機制還并不能確定。在以后的科學研究中，還需要在調節(jié)基因間的互作、各種調節(jié)途徑間的交互作用，以及相關基因的發(fā)掘中加以探討與深入研究。