花粉管向胚珠方向生长的控制机理

谭奥伦

(沈阳市第一中学 辽宁沈阳 110000)

植物从生长发育过程中的某个阶段开始,经过一系列的生长发育,直至产生后代且重新处于这个阶段,称为植物的生活史(life history)或生活周期(life cycle)。植物的生活史会出现两种个体:(1)配子体(gametophyte),由孢子发育形成的单倍体,能产生配子,行有性生殖;(2)孢子体(sporophyte),由合子发育形成的二倍体,能产生孢子,行无性生殖。配子体的发育阶段被称为配子体世代(或有性世代),孢子体的发育阶段称为孢子体世代(或无性世代)。在植物的生长发育过程中,这两种世代交替出现的现象称为世代交替(alternation of generation)。世代交替现象在植物界中普遍存在,但是在藻类等低等植物中,配子体世代占主导地位,配子高度发达,占据绝大部分的生活周期。而在被子植物等高等植物中,配子体退化,孢子体世代具有显明的优势。

受精是被子植物的世代交替的重要的转折点。而雌配子体(胚囊)的发生和雄配子体(花粉)的发生是受精过程的基础。其中,雌配子体的发生包含大孢子的发生、胚囊的发育。前者包括孢原细胞的有丝分裂、大孢子母细胞的减数分裂等。由于不同植物的大孢子母细胞的减数分裂的方式不同,会形成三种胚囊,70%的被子植物的胚囊发育形式是单孢型。成熟的单孢胚囊形成时处于8个游离核阶段,胚囊两端各有4个游离核。之后,两端各有1个核向中部移动,形成中央细胞(2个极核)。珠孔端剩余的3个游离核各自生成细胞壁,形成3个独立的细胞,中间的细胞为卵细胞(egg),两边的为助细胞(synergid)。合点端的3个核形成3个独立的细胞,称为反足细胞(antipodal cell)。这样8个核7个细胞的胚囊即雌配子体。

被子植物的受精是由一系列复杂而连续的过程组成的。花粉(管)先后与柱头、花柱、引导组织、珠柄、珠被、胚囊等不同的雌性组织相互作用,不断向前生长,最终完成“长征”路程,进入珠心组织,释放精子,完成双受精过程。具体来讲,包括以下几个阶段:(1)花粉附着于柱头,花粉管萌发;(2)花粉管从柱头的细胞壁之间穿过柱头,进入花柱;(3)花粉管在引导组织中向下生长;(4)花粉管到达子房,从珠孔、合点或胚珠中部进入胚珠,沿着珠柄生长;(5)花粉管穿过珠心组织,从珠孔进入胚囊。

花粉管是如何经过长途跋涉,准确定位到子房中的胚珠,这个问题几十年以来一直受到众多科学家的关注。迄今为止,虽然没有完全弄清楚花粉管生长方向的分子机制,但经过多年的研究,科学家发现,花粉管的生长同时受到雌蕊组织和雌配子体的导向。本文主要介绍,关于雌配子体导向中,一些已发现的帮助花粉管定位到胚珠的基因或信号分子,包括珠柄导向和胚囊导向两方面。

1 珠柄导向

目前关于珠柄吸引花粉管生长的研究比较少。花粉管从胎座到达胚珠的有效生长距离约为200微米,但是研究者发现,在magamata(maa)雌配子体突变体中,花粉管在珠柄中能正常生长,长至距珠孔近100微米时,便迷失了方向,不能顺利进入珠孔。这说明,发育完整而成熟的雌配子体是花粉管准确定位到珠孔,进入胚珠的先决条件。

Lu Y等在2011年通过对K+通道突变株chx21 chx23的研究发现,突变株的花粉管不能穿过隔膜,进入珠柄或胚囊,而只能在引导组织中生长。体外受精时,该双突变株的花粉管也不能正确生长至珠柄。由此说明,珠柄成功地吸引花粉管需要K+。

不少科学家认为,雌蕊胞外基质(extracellular matrix,ECM)的一些物质对花粉管导向珠柄也至关重要。Palanivelu R等人在拟南芥pollen-pistil 2(pop2)突变体中发现,花粉管的导向受γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyricacid,GABA)的影响。GABA广泛存在于真核生物和原核生物体内,参与信号转导过程。pop2突变体内合成GABA转氨酶(可降解GABA)的基因发生了突变,GABA转氨酶含量下降,GABA大量积累。另外发现,野生型拟南芥的雌蕊中,GABA从柱头至胚珠的含量逐渐升高,呈现梯度分布。对野生型体外施加GABA,花粉管的生长也受到抑制。这说明,低浓度的GABA可促进花粉管生长,而高浓度GABA 则起抑制作用。GABA很有可能是通过趋化性的方式来引导花粉管向胚珠生长。

阿拉伯半乳聚糖糖蛋白(arabinogalactan protein, AGPs)可在被子植物的雌蕊中表达,调节生长中花粉管的生长方向。TTS是在烟草的ECM中分离到一种阿拉伯半乳聚糖糖蛋白,引导组织中该糖蛋白的糖基化程度向着花粉管的生长方向不断增加,而且TTS在体外也可以促进花粉管生长,可推测到化学吸引是TTS蛋白引导花粉管朝向胚珠生长的原理。D-Ser作为谷氨酸盐受体(glutamate receptors, GLRs)关键的激活剂,可激活花粉管尖端区的GLRs的活性,促进Ca2+流入细胞质,通过调节花粉管中的Ca2+浓度以及波动幅度,来促进花粉管的生长。

总的来说,雌配子体可通过直接或间接的方式引导花粉管沿着珠柄生长:直接分泌吸引物质,通过吸引物质沿着花粉管生长呈现梯度分布,来吸引花粉管顺着珠柄生长;分泌信号,刺激珠柄细胞等孢子体细胞产生吸引物质而间接影响花粉管的生长方向。

2 胚囊导向

胚囊导向是指胚珠的珠孔端对花粉管生长方向的吸引机制。近年来,这方面的研究取得了广泛而深入的成果。下面选取一些典型的调控因子进行介绍。

最先分离到的引导花粉管向珠孔生长的物质是玉米中的ZmEA1。ZmEA1在卵器中表达,是仅有94个氨基酸组成的小分子蛋白。Punwani JA等人于2007年通过RNAi干扰技术,获得ZmEA1低表达植株。将ZmEA1与GFP融合后,融合蛋白最先定位在丝状器,接着环绕珠心细胞的细胞壁,导致花粉管定位不到珠孔,最终表现为雌性不育。另有研究者发现,将ZmEA1的氨基端切除后,能在体外吸引花粉管向珠孔生长。遗传学和生化方面均证实了ZmEA1对花粉管的胚珠导向的作用。

除了玉米,Okuda等人在模式植物蓝猪耳草( Toreniafournieri)的助细胞的cDNA 文库中也分离到了相关的信号分子——LUREs。LUREs属于类防卫素亚家族的一员,是富含半胱氨酸的分泌小肽(cysteine-rich polypeptides,CRPs)。免疫荧光显微镜观察到助细胞合成的LUREs蛋白会分泌至丝状器。采用反义核酸技术来降低LUREs的表达量,发现胚珠对花粉管的吸引能力也明显减弱。该实验室的研究人员之后又在拟南芥中找到了5个LUREs蛋白(AtLUREs)。采用免疫荧光显微镜观察,以及RHAi干扰技术降低这些AtLUREs的表达量,均得到了与蓝猪耳草相同的结果。将合成AtLUREs的基因导入到原核细胞进行表达,发现AtLUREs在体外也可以吸引花粉管向着珠孔生长。但是,其中一个AtLURE蛋白对花粉管的吸引能力较弱,检测其结构,发现该蛋白的半胱氨酸发生了突变。重新将其突变为半胱氨酸后,它的吸引活性也恢复了。这说明,AtLURE蛋白内的半胱氨酸是保守的,且对维持AtLURE的功能起到重要作用。

对拟南芥的比较基因组学进行研究,也发现了类似的花粉管导向分子。DUF784 ( domain of unknown function) 蛋白是在研究拟南芥myb98 胚珠时发现的,受到MYB98的调控,同样是富含半胱氨酸的小肽,包含由多个基因家族的成员编码的40个蛋白。DUF784的成员之间同源性很高,通常只有多基因突变体才有明显的表型。研究人员采用RNAi技术降低了多个DUF784基因的表达量,用Aniline blue 对授粉24 h 的花粉管进行染色,并用显微镜统计进入珠孔的花粉管,发现进入率仅为78%,而野生型的拟南芥中的进入率为100%。同样用GUS基因分别标记野生型和RNAi干扰后的植株,再进行GUS染色,DUF 基因RNAi转基因植株中的花粉进入率也比野生型低30%左右。由此可知,DUF784确实也可以影响花粉管进入胚珠。

以上所述的几种小肽,均是由助细胞分泌的。科学家发现,除了助细胞,胚囊内的中央细胞和卵细胞同样可以帮助吸引花粉管进入胚囊。例如,Shimizu K K等于2000年发现,在拟南芥的maa突变体的胚珠内,2 个中央极核不能正常融合, 所以无法形成中央细胞,同时,该突变植株的花粉管无法正常进入胚珠。

3 结语

近年来,人们对于被子植物受精过程中花粉管导向的研究取得了众多进展,无论雌性组织对花粉管的导向性,还是雌配子体对花粉管的导向性方面,均发现了不少调控物质,例如本文在胚囊导向性提到的玉米中的ZmEA1、蓝猪耳草中的LUREs、拟南芥中的DUF784等花粉管导向信号分子,均是富含半胱氨酸的分泌性小肽,由胚囊内的助细胞合成,分泌至丝状器。但是,关于花粉管生长至胚柄导向性的研究还很不足,还需要科学家们更多关注。而且,我们现在离完全理解被子植物的花粉管的导向性的分子机制,也还有很长的路要走。

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