植物胚囊母细胞减数分裂异常研究

张小方　范春霞　高述民

摘要从细胞学和分子生物学的角度，介绍了植物胚囊母细胞在减数分裂过程中的异常情况，及其对雌蕊育性的影响。

关键词胚囊母细胞；减数分裂；雌蕊败育

中图分类号Q944.45文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)01-0274-02

减数分裂是一个复杂的动态过程，涉及到很多分子和细胞学事件，如DNA和染色体复制，染色体配对、联会和重组、分离，以及胞质分裂[1]。胚囊母细胞(embryo sac mother cell，EMC)减数分裂能否顺利完成，关系到功能大孢子的正常形成、胚珠的雌配子体发育以及胚囊和胚的形成。而雌蕊败育原因最常见的就是胚囊母细胞减数分裂不正常，同源染色体不能正常配对[2]。由于胚囊母细胞包裹在层层珠心细胞中，外面又有珠被和子房璧等组织，观察研究比较困难。而花粉母细胞容易获取且数量较多，研究操作简单快速。所以与雄性花粉母细胞相比，对雌性胚囊母细胞减数分裂的研究较少。然而，随着细胞生物学和分子生物学等各种研究手段的提高，人们对胚囊母细胞减数分裂过程中染色体数目与结构变异的细胞学研究，甚至减数分裂异常的分子生物学研究也有了一定的进展。

1EMC减数分裂发生异常的时期

减数分裂一经启动，细胞中的DNA复制1次却进行连续2次分裂，分别为减数分裂期Ⅰ和减数分裂期Ⅱ，这2个时期又分别包括前期、中期、后期和末期。而在这几个时期中，不同育性相关基因的异常都有可能导致减数分裂进程受阻。Siddiqi I等[3]对拟南芥雌性不育的dyad突变体研究发现，该突变体大部分胚珠能形成胚囊母细胞，但在减数分裂Ⅰ期未被阻断。SYNAPSIS 1/DETERMINATE INFERTILE 1(SYN1[DIFI])基因突变使得减数分裂Ⅰ期和Ⅱ期的染色体分离出现异常，最终导致雌性不育[4]。而玉米减数分裂elongate1突变体发育缺陷发生在减数分裂II期[5]。最近在拟南芥AtKIN14a/atkin14a AtKIN14b/atkin14b突变体中发现，胚囊母细胞减数分裂Ⅰ中期的染色体定位发生异常，随后分裂Ⅰ后期染色体分离也发生异常[6]。

2EMC减数分裂异常相关的基因及突变体

利用现代各种生物技术手段已诱变获得一些减数分裂异常突变体，另外通过筛选cDNA等方法也已分离出一些减数分裂异常相关基因。如利用T-DNA插入诱变技术，并结合细胞遗传学研究表明AtDMC1基因对拟南芥减数分裂至关重要，该基因缺失突变体在雌雄蕊减数分裂过程中，染色体行为严重错乱导致雌雄性不育[7]。再如利用内源反转录转座子Tos17插入诱导产生的水稻pair1突变体，表现出减数分裂专一性缺陷，最终导致次雌雄性配子体不育。水稻PAIR1基因编码一种492kD蛋白，在减数分裂过程中对同源染色体配对起基本的作用[8]。最近，人们又从拟南芥AtKIN14b cDNA文库中获得基因特异性探针，进行RNA荧光原位杂交，结果发现AtKIN14b在减数分裂细胞中表达增强[6]，表明编码该蛋白的基因是减数分裂过程所必需的。

另一方面，随着显微技术的发展以及染色方法的改进，对减数分裂过程中的各种事件观察研究也更精确了。利用荧光和投射电子显微镜观察发现，atrad51c-1突变体中联会异常且同源染色体列队发生改变，说明拟南芥正常的减数分裂过程中，染色体联会和双链断裂修复需要AtRAD51C基因[9]。玉米elongate1突变体不能形成正常单倍体胚囊而产生功能二倍体，利用共聚焦显微镜结合静态细胞分析技术研究发现，该突变体产生异常二倍体胚囊是因减数分裂II期缺陷导致的。ELONGATE1基因不仅具有控制染色体浓缩的功能，还是胚囊母细胞进入减数分裂II期所必需的[5]。

水稻MEL1基因只在生殖细胞中特异表达，可以调节减数分裂和分裂前的生殖细胞、染色体的调节机制，以及减数分裂异常过程中可能发生的小RNA介导的基因沉默[10]。拟南芥AtMND1基因缺失会导致雌雄蕊减数分裂过程中染色体断裂和错误分离。RNA原位杂交显示该基因在性母细胞中特异表达，通过对双链断裂进行修复在减数分裂过程中发挥作用[11,12]。玉米MEI基因影响减数分裂很多方面，包括减数分裂的启动、减数分裂的控制和同源染色体配对等[13]。目前，对MEL1基因缺失导致的减数分裂异常主要集中在mel1突变体的异常花粉母细胞上[10]，而胚囊母细胞的基因缺陷导致的雌性不育研究很少。

3EMC减数分裂异常相关的特异蛋白质

3.1影响染色体行为的特异蛋白质

基因编码蛋白的时空表达是研究减数分裂行为的重要部分。Mob蛋白在酵母染色体分离和细胞板的形成过程中起到重要作用。Citterio S等[14]从苜蓿中克隆出2种Mob1类基因后，设计了MsMob1转录物特异反义SP6-RNA探针，并制备MsMob 1蛋白多克隆抗体。通过原位mRNA定位和蛋白免疫定位证明MsMob1类似基因在突变型胚珠中减数分裂异常的胚囊母细胞中表达。真核生物中，Spo11蛋白调控DNA双链断裂，从而启动减数分裂重组。拟南芥中含有3种Spo11同源蛋白(AtSPO11-1，AtSPO11-2 和 AtSPO11-3)，其中前两者参与减数分裂重组，而AtSPO11-3涉及DNA复制。AtsPo11-2突变体表现出明显减数分裂异常，在分裂Ⅰ期发生联会紊乱[15]。突变体XWI1的胚囊母细胞在减数分裂前进行了多余的有丝分裂，且细胞器的极性分布消失，推测该基因编码的特异蛋白SWI1可能是通过抑制有丝分裂而激活胚囊母细胞的减数分裂[16]。

3.2与纺锤体微管有关的特异蛋白质

除了染色体行为异常外，减数分裂受阻还表现在纺锤体微管上的变化。拟南芥AtKIN14a和AtKIN14b基因编码2种高度相似的驱动蛋白[17]，2种基因共同协作控制植物的生殖发育，在配子体发育和雌蕊减数分裂过程中发挥类似的功能，只是AtKIN14a基因编码蛋白在雄蕊减数分裂过程中发挥更多作用[6]。驱动蛋白-14家族蛋白行使大量细胞学功能，包括适当集合和定位到纺锤体微管上[18]。该类蛋白家族中有一类驱动蛋白-5参与确保纺锤体正确组装和其完整性[19,20]。通过免疫定位显微技术，在缺乏编码该类蛋白基因的突变体中发现中期Ⅰ的纺锤体具多极现象，组装发生缺陷。而到了后期Ⅰ时，纺锤体结构变得不对称，失去完整性[6]。

4结语

减数分裂是植物有性生殖过程中一种特殊的有丝分裂，直接影响着植物的育性。胚囊母细胞减数分裂异常导致的雌蕊败育是雌性不育的主要原因。研究影响胚囊母细胞减数分裂的因子，可为植物雌性不育在农业生产及园艺植物等方面的应用提供重要的理论依据。

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