高温胁迫对花药发育的影响及信号传导网络

张在宝，胡梦辉，闻 洁，冯晓冰，张 驰，饶本强

(1.信阳师范学院 生命科学学院，信阳 464000；2.信阳师范学院 河南省茶学重点实验室，信阳 464000)

气温升高是目前全球面临的一个非常严峻的环境问题。预计2016—2035年，地球表面温度相对1986—2005年将会升高0.3℃～0.7℃，到21世纪末(2081—2100年)，全球表面温度相对于1986—2005年将会有0.3℃～4.8℃的增长[1]。温度上升将会影响植物正常的生长发育，对于小麦、水稻、玉米等农作物而言，温度升高会降低粮食产量，影响食品安全。高温对植物的影响涉及植物生长发育的各个时期。前期的许多研究表明，植物的生殖生长，特别是雄蕊的发育对高温胁迫更敏感。因此研究高温胁迫对雄蕊发育的影响，对于提高植物的耐高温能力、培育新品种及提高粮食产量具有重要的理论意义与经济价值。

花药是雄蕊最重要的结构，为花粉产生、发育及成熟提供适宜的环境。关于花药发育各个时期的生物学事件已经被详细地研究和描述[2-3]，此过程中也有许多的调节基因(如转录因子、蛋白激酶)及功能基因参与了不同时期的花药发育[4]。高温条件下花药形态及分子水平的改变决定了花药发育的成功与否。

1 高温胁迫对花药发育的影响

高温对植物生长发育的影响非常复杂。高温对生殖发育的影响具有阶段特异性，涉及小孢子母细胞的减数分裂、花粉发育、花药开裂和花粉释放等过程。

1.1 高温对减数分裂的影响

高温介导的发育缺陷最早可能发生在减数分裂期间[5]。高温导致花药早期发育过程过早进行，例如在高温条件(30℃白天/25℃夜晚)下的大麦中观察到绒毡层细胞过早降解和小孢子母细胞提前进入减数分裂时期[6]。高温胁迫下，同源重组和交叉互换的频率增加、细胞核变小、染色体迁移异常、细胞固缩、胞质融合、产生异常的四分体[7]。高温诱导的ABA信号转导和减数分裂相关基因表达的改变可引起减数分裂同源重组的频率增加[8]。例如，在大麦中，高温诱导减数分裂特异性基因ASY1(ASYNPSIS1)的提前上调，增强了减数分裂同源重组的频率[8]。减数分裂同源重组频率随温度升高而增加的机制在一定的范围内有效，当变化超过阈值时，可能会产生相反的结果[8]。Pécrix等以36℃、48 h的高温条件对蔷薇进行处理发现了二倍体花粉粒的出现，这主要是由于减数分裂II末期高温诱导的纺锤体定向错误[9]。高温诱导的减数分裂II末期纺锤体定向错误可归因于次级精母细胞的机械性畸变；同时高温胁迫也可能影响了花药温度感应和次级精母细胞极性联系间的正常调节[8]。

1.2 高温对小孢子发育的影响

从减数分裂到单倍体小孢子转换阶段可能是对高温最敏感的时期，其中绒毡层细胞的提前降解可能是造成小孢子发育异常及随后花粉育性降低的原因之一。由于小孢子发育的营养物质主要来源于绒毡层细胞，所以高温下绒毡层的缺陷会对小孢子的正常发育产生严重影响。细胞学研究发现，高温胁迫下绒毡层在减数分裂的四分体阶段开始表现出凋亡的特性，如发生细胞空泡化，并且在小孢子第一次有丝分裂前完全降解，高温可能在有丝分裂阶段通过影响绒毡层功能而导致花粉流产[8,10]。高温胁迫下，绒毡层细胞内的粗面内质网的结构形态出现缺陷。前期研究表明内质网能通过未折叠蛋白反应(UPR)或降解错误蛋白来减轻环境胁迫下的内质网压力；一定程度的环境胁迫下，UPR也可导致细胞凋亡或细胞程序性死亡[11]。

此外，胼胝质的合成及正常降解对花粉的发育至关重要；在花药发育第8期，绒毡层分泌降解胼胝质壁的酶，从而使包裹四分体的胼胝质壁降解并释放小孢子至药室中[2,12]。高温胁迫导致胼胝质不能发生正常降解而使小孢子无法从四分体中释放。由此推测，高温造成绒毡层细胞内质网形态发生缺陷，进而影响内质网相关功能，导致胼胝质酶合成和供给花粉壁发育的蛋白含量减少，最终导致雄性不育。因此，绒毡层细胞粗面内质网可能是高温敏感的关键中心。

1.3 高温对营养物质及植物激素代谢的影响

花药中营养物质的积累与代谢对花粉发育具有重要的作用，营养物质为花药中小孢子发生、花粉成熟及花粉管形成等生命活动提供能量。持续高温条件下的花药发育过程中，糖浓度降低导致花粉活力降低。另外，生物体中的代谢大都是在相关酶的催化下进行的，酶的活性对温度高度敏感。因此，高温下与营养物质代谢相关的酶活性可能受到影响；也就是说，营养物质的大量积累不一定说明花粉发育等过程的能量供应充足，量的积累与代谢水平的协调效应也许对花粉发育等过程的正常进行起着主导作用。

生长素在花药中发挥效应的时间始于小孢子母细胞减数分裂末期，在小孢子有丝分裂、花粉成熟、花药开裂和花丝伸长等方面有重要的调控作用[13]。高温条件下，大麦和拟南芥中生长素生物合成基因的表达被抑制，花药中绒毡层细胞的内源生长素水平特异性降低，进而致使小孢子发育失败，造成雄性不育[14]。因此，高温下有关生长素合成和代谢活动的改变会对花粉发育造成严重的影响。

Wu等在水稻中发现高温胁迫降低幼穗中CTKs(细胞分裂素)、GA1(赤霉素A1)和IAA(生长素)的活性，而ABA(脱落酸)和与ABA结合的CTKs的活性则增加；进一步研究表明，高温诱导的CTKs的变化对花粉活力、花药开裂等有调控作用[15]。ABA可能通过与糖信号转导途径的相互作用以激活植物的应激反应[8]。外源ABA的处理能够诱导HSPs的合成；此外，高温诱导产生的内源ABA对植物抗氧化系统的提高有促进作用[16]。高温改变了花药中ABA合成与降解的代谢水平，这表明ABA信号在花药细胞响应高温胁迫的信号传导中发挥着重要作用。

1.4 高温导致ROS过量产生和花器官决定基因异位表达

植物在由营养阶段向生殖阶段过渡期间，ROS信号在整合来自各种内源性和环境信号的信息中发挥关键作用。Kelliher和Walbot在玉米中证实过量ROS的形成是造成雄性不育的主要原因[17]。高温胁迫诱导ROS的过量产生，超过阈值的ROS导致细胞内大分子的氧化损伤。此外，由于抗氧化系统效率低下或糖代谢变化引起的胁迫诱导的氧化还原失衡可导致更高的ROS积累，进而造成正在发育的小孢子或大孢子发生程序性死亡，最终导致雄性不育或胚珠败育[18]。

高温胁迫下，决定花器官发育基因的异位表达对花药发育影响巨大。如在长期中等程度的高温条件下，两个雌蕊特异性基因TRANSMITTINGTISSUESPECIFIC和TOMATOAGAMOUSLIKE11被证实在花药中表达，并使花药具有部分雌蕊特征；与此同时，花药中的番茄B类基因TOMATOAPETALA3、TOMATOMADSBOXGENE6 (TM6) 和LePISTILLATA被下调表达，从而致使花药变形并降低雄性生殖力[19]。

总的来说，高温胁迫对雄性发育影响的关键时期主要集中在小孢子母细胞开始进行减数分裂及以后的小孢子发育时期，影响花药的形态结构发育、生理生化功能和分子表达等许多层面。以上因素对小孢子发生及发育的过程具有重要的影响，任一因素的改变都可能造成雄性不育。

2 花药发育响应高温胁迫的信号传导机制

植物的生理状态和发育阶段决定了对特定胁迫的敏感性差异，植物体内的不同细胞类型对胁迫的敏感也有很大的差异[20]。花粉发育和受精过程通常是生殖发育过程中对温度最敏感的部分。与营养组织类似，为了抵抗高温，生殖器官调节许多基因的表达如编码热激转录因子和热休克蛋白的基因被高度上调[21]，涉及转录、翻译和代谢等水平的变化。

2.1 热激转录因子(Hsfs)在花药中的功能

Hsfs调控各种热激反应基因的表达，并通过这种调控影响相应信号转导和代谢途径等多种基因的转录活性，调节植物应激反应。许多基因的转录激活受Hsfs的活性控制[22]。例如，在短期和长期高温胁迫下，花药中的HsfA2和Hsp17-CII被诱导表达；进一步的功能研究表明HsfA2参与花粉早期发育 (花粉母细胞/四分体)和花粉释放的耐热性调节，两者在花药发育过程中被精细调控[22-23]。

高于正常生长温度5℃～15℃时，植物发生热应激[24]，热休克蛋白(HSPs)产生。热休克蛋白中有一类特殊的蛋白分子即分子伴侣，高温胁迫下，其对于解除绒毡层细胞中内质网上由错误折叠或未折叠蛋白造成的内质网压力具有重要作用。如百合花LimHSP16.45基因在花药中被高温诱导，在减数分裂第一阶段，其作为分子伴侣保护花粉母细胞和绒毡层细胞并抵抗高温[25]。

Fragkostefanakis等人的研究表明，雄配子的耐热性取决于由Hsfs介导的发育和/或热应激的转录级联信号；在高温胁迫下，成熟花粉中的热激反应主要由HsfA1a和HsfA2介导，高温下HsfA1a促进HsfA1b、HsfA2、HsfA3、HsfA6b和HsfA7的表达，同时，HsfA6b和HsfA7的表达受HsfA2表达的抑制；这些由HsfA1a促进表达的基因进一步调控相关热休克蛋白和其它热激基因的表达[22]。

除了Hsfs之外，在热应激期间，ERF、NAC、MYB、bZIP和bHLH家族的转录因子也在花中上调表达，如当植物在生殖阶段经历高温胁迫时，bZIP家族中膜相关转录因子bZIP28和bZIP60激活并介导内质网中的UPR[26]。

2.2 高温下糖类、植物激素及ROS在花药中的信号转导

高温下ROS含量的提高增加了细胞发生氧化损伤的风险，并因此诱导抗氧化剂的产生和抗氧化酶基因的增强表达[27]。这些抗氧化剂和抗氧化酶含量的增加提高了细胞清除ROS的能力，减少了ROS诱导的细胞损伤，提高了抗高温能力。例如在高温胁迫(43℃～45℃)下番茄的小孢子中，编码ROS清除酶(例如SIAPX3)的基因的表达水平显著提高[28]。在减数分裂阶段暴露于高温时，高温抑制花药中与Cu/Zn-SODa蛋白合成有关的抗氧化酶基因cCu/Zn-SOD1和cCu/Zn-SOD2的表达，Cu/Zn-SODa可能对于提高SOD活性和清除花药中过量的ROS起着关键作用[29]。

高温下花药中的糖类和生长素水平受基因的精细调控。高温诱导花药中CASEINKINASEI(GhCKI) 的表达，其抑制淀粉合成酶活性，提高葡萄糖和ABA水平，破坏ROS活性氧动态平衡；另外，与糖浓度感知和信号转导有关的SNF1-RELATEDPROTEINKINASE1 (SnRK1) 在早期花药发育阶段也被上调，SnRK1蛋白可调节CASEINKINASEI(CKI) 的表达[30]。高温下葡萄糖浓度和不正常的淀粉积累对花药发育具有重要影响。在花药开裂阶段，催化蔗糖水解生成葡萄糖(Glc)和果糖的基因INVERTASE(INV) 中的一个细胞壁转化酶基因CWINV和3个碱性/中性胞浆转化酶基因CINV被显著上调；高温下淀粉合成基因GRANULEBOUNDSTARCHSYNTHASE(GBSSI) 被显著诱导表达，而淀粉分解代谢基因a-AMYLASE和b-AMYLASE被明显下调[30]。总之，高温导致花药中葡萄糖和淀粉的积累减少，进而影响花药发育并导致雄性不育。

在大麦和拟南芥中，高温抑制了花药中IAA生物合成基因YUCCA并且降低了内源生长素水平，花药细胞增殖受到影响[31]。高温条件下，花药中的可溶性糖参与调节IAA的合成。高温下受可溶性糖类调节的PHYTOCHROME-INTERACTINGFACTOR(PIFs) 基因可能促进花药中IAA的生物合成，其中大部分GhPIFs基因在绒毡层降解和花药开裂阶段被上调[30]。

总体而言，植物在花药发育阶段响应高温胁迫是一个极其复杂的过程，涉及转录、翻译、代谢等水平的适应性变化。其中由Hsfs介导的各种热激蛋白的发生被认为是植物抵抗高温的主要过程，另外如参与内质网折叠反应、ROS清除、糖类代谢以及与植物激素生物合成与分解代谢相关的基因的差异性表达在响应高温的过程中也发挥着十分关键的作用(图1)。

高温胁迫下，花器官决定基因异常表达，ABA的活性增强，ROS过量产生，淀粉、葡萄糖和IAA浓度或活性降低；减数分裂特异性基因ASY1提前上调，减数分裂同源重组的频率增加；Hsp17-CII、LimHSP16.45、A类热激转录因子HsfA1/2上调表达，诱导热休克蛋白的合成；与绒毡层细胞内质网应激相关的基因bZIP28/bZIP60上调；ROS清除酶基因SIAPX3上调，与Cu/Zn-SODa蛋白合成相关的基因cCu/Zn-SOD1/2被高温抑制，两者均能抑制ROS的产生；SnRK1、GhPIFs等基因调节淀粉、葡糖糖和IAA生物组分浓度。ABA：脱落酸；ROS：活性氧；UPR：未折叠蛋白反应；HSPs：热休克蛋白；IAA：生长素；Glc：葡萄糖

图1花药细胞响应高温的信号网络
Figure 1 Signal network of anther cells responding to heat stress

3 展望

高温下小孢子发生及发育的顺利进行是植物繁殖成功的关键。在此过程中，已经清楚绒毡层细胞所担当的重要作用，但是与此相关的深入具体的基因调控网络还未完全解析；另外，小孢子发生前的事件如花发生、雄蕊原基的分化等过程涉及小孢子发生及发育的前提和相关营养物质的积累；高温下与分化和代谢相关基因的表达变化，可能使植物不能或有明显缺陷地进入小孢子发生及以后的生殖时期。因此，我们认为未来关于高温胁迫下花药发育的研究还应注意到从花药原基出现到小孢子母细胞减数分裂前相关的分子或代谢变化对后期生殖发育的影响，这可能为我们更加深入地了解高温对雄性生殖发育的影响提供更加开阔的视野，从而为培育抗高温作物提供深层次的理论指导。