高温对植物减数分裂过程的影响

周巧玲　郭恒琳　勾晓婉

摘要 由于全球气候变暖，高温天气变得更加频繁，导致温度变化敏感的作物产量大幅度下降。植物减数分裂过程对温度变化更为敏感，仅次于开花期。减数分裂期间的高温可能导致粗线期染色体配对中断、纺锤体形成有缺陷、交叉频率下降等，最终导致植物的育性下降。因此，研究极端温度对作物的影响至关重要，将有助于培育作物的抗逆性。基于此，主要综述了植物减数分裂期间高温造成的同源染色体配对缺陷、激素水平以及绒毡层发育等异常情况，以期进一步促进相关领域的研究。

关键词 热胁迫;减数分裂;小孢子母细胞

中图分类号：Q945.78 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2021）11–0071–03

气候变化日益严重已经给世界范围内的农业生产带来了重大影响，高温导致产量严重下降，给未来的全球粮食安全带来极大风险[1]。不断增长的粮食需求和全球气候变化造成的严重农作物损失，迫切需要制定战略，大幅度改善粮食供应。作为固着生物，植物经常受到干旱、寒冷、盐分和高温等环境因素的影响，这些因素都会显著影响植物的繁殖和受精过程。尽管栽培作物广泛适应世界上多个地区的生长环境，但一些发育阶段对环境胁迫非常敏感，特别是花药和花粉发育期间的温度波动[2-3]。而在花药发育中一个至关重要的过程为减数分裂。

减数分裂是一种特殊类型的细胞分裂，在植物中发生在小孢子母细胞和大孢子母细胞中，产生倍性减半的配子。在减数分裂的早期，同源染色体中非姐妹染色单体的交叉互换实现驱动遗传信息的交换。减数分裂重组在后代中产生新的遗传等位基因组合，可以在群体中自然选择，保护同源染色体的平衡分离，这对产生活配子和生育能力至关重要。

植物的雄配子减数分裂对环境温度的变化十分敏感。由于受到全球变暖的影响，温度逐年上升，当温度超过植物生长的最适宜温度时，会显著影响植物的育性，因此大量的研究集中在高温对小孢子母细胞的影响。

1 高温对减数分裂过程的影响

1.1 联会复合体、联会、交叉互换、同源染色体配对缺陷

由于同源染色体的配对和联会依赖于染色体轴和联会复合体（synapto-nemal complex，SC）的正确结构，而高温会干扰染色体结构，诱导单价体的形成，从而破坏减数分裂过程。在大多数有性繁殖的真核生物减数分裂过程中，遗传交叉（crossover，CO）的形成对染色体的准确分离至关重要。通常28℃为拟南芥可育的閾值温度，而37℃高温处理下的同源四倍体拟南芥，观察到偶线期的染色体桥状结构和粗线期受损的染色体配对和联会，表明高温诱导了染色体的异常相互作用，干扰了同源联会。另外，温度升高可通过调节拟南芥Ι型CO的形成而影响减数分裂的重组速率，有学者发现拟南芥中参与I型CO形成途径的HEI10丰度在热胁迫下降低，导致染色体在后期I和四分体阶段不均等分离。Lei等[4]也发现了高温对染色体配对过程的破坏作用。在未经过高温处理的拟南芥对照组，在终变期观察到5对同源染色体配对的二价体，而36℃～38℃热胁迫处理的拟南芥出现10个单价体，并且导致减数分裂后期Ι同源染色体不平衡分离。此外，在减Ι后期观察到着丝粒位点数目超过10个，表明姐妹染色单体之间的凝结力缺失，造成染色单体过早分离。这些结果表明：热胁迫干扰了雄性减数分裂的染色体动态，导致染色体分离不平衡。

在拟南芥的研究中发现了CDKG1/CyclINL复合体在雄性减数分裂的联会和重组过程中必不可少。在cdkg1-1纯合子突变体中观察到不完全联会和不正常的二价体和单价体数目，说明cdkg1的缺失会影响联会和染色体分离。同时，CDKG影响CO频率，CDKG活性的下降揭示了一种雄配子特有、对温度敏感的影响CO频率的途径。除此之外，在所有真核生物中，RAD51对减数分裂过程中的DNA重组是必不可少的，而拟南芥中的Atrad51C缺陷会导致四分体发育成大小不一的异常小孢子。这些小孢子继续分化将成为大小不规则的花粉粒。在拟南芥突变体spo11中也发现了类似的不规则花粉粒。

减数分裂过程中DNA双链断裂（double-strand breaks，DSBs）的形成在高温下也受到抑制。在多个物种中，ATM （全称ATAXIA TELANGIECTASIA MUTATED）的活性与DSBs丰度呈负相关。它在感知DNA损伤和随后引发DSBs修复事件方面的功能十分保守。拟南芥最近的一份报告表明，ATM通过限制SPO11-1在染色质上的积累来限制DSBs的形成，而Atm突变体增加了SPO11-1的数量。先前已经发现在热胁迫的二倍体拟南芥中ATM的表达上调，因此高温可能通过激活ATM干扰DSBs的形成，并伴随着单价体的诱导。热胁迫还破坏染色体上ASY1和ASY4（轴相关蛋白）的稳定性，从而影响染色体轴的形成。高温通过使ASY4介导的轴的稳定性受损，破坏与ASY1相关的联会复合体的稳定性，在同源四倍体拟南芥中，热胁迫破坏了联会复合体中依赖ZYP1的横向细丝的构建。Higgins等[5]对大麦的研究表明：高于35℃的高温导致CO形成迅速减少，30℃时平均每个花粉母细胞中的CO频率从14.8下降到13.5。因此，认为CO的减少与CO分布的改变在某种程度上是相关的。

1.2 激素水平异常

赤霉素（GAs）、生长素（IAA）和乙烯（Ethylene）等植物激素在花粉发育过程中起着重要作用。有研究表明，它们参与了高温中雄性生殖细胞的保护。生长素在花粉发育的早期和晚期产生，调节小孢子有丝分裂、花丝伸长、花粉成熟和花药开裂。在长期接触高温的大麦花药中，生长素浓度的下降可能是导致花粉败育和不育的主要因素。乙烯水平的下降增强了番茄小孢子对中等高温的敏感性。

激素在花粉发育方面起着重要的作用，过量的脱落酸（ABA）和低水平的IAA及细胞分裂素（CTK）可能会导致育性下降或花粉不育。对水稻的研究发现高温明显使粒重下降，高温引起了幼穗中IAA、玉米素（Z）和玉米素核苷（ZR）的减少，ABA含量的增加。耐热品种在高温下受精结实较好，检测发现其幼穗中存在较高的IAA、Z+ZR和游离多胺含量，较低的ABA含量和高表达的氧化还原调控相关的蛋白有密切关系。

1.3 绒毡层、纺锤体、胞质、花药壁等形成异常

胼胝质（1，3-b-葡聚糖）是小孢子母细胞的特殊细胞壁，在小孢子细胞壁的形成中起到重要作用。Filomena等[6]发现，番茄在36℃/26℃（日间/夜间）下生长3 d后，孢子体和配子体组织发生了显著的变化。由于绒毡层分泌酶将小孢子从四分体壁中释放出来，在小孢子发育过程中作为营养来源，因此热胁迫诱导的绒毡层缺陷可能强烈影响雄配子发生的进程，从而影响小孢子细胞的正确形成。在热胁迫大麦花药中，减数分裂特异基因Asy1和花药脂转移蛋白（LTP）编码基因过早激活，LTP通常在退化前的成熟绒毡层细胞中高表达。由此推测，高温加速了花药早期发育进程，如花粉母细胞进入减数分裂、花药壁细胞增殖受阻和细胞降解。在矮牵牛的PCF细胞质雄性不育系中，也观察到类似的早熟绒毡层退化。在CMS甜菜中，LTP的表达受到强烈抑制。这些事件可能是高温导致花粉败育和雄性不育的原因。

在双子叶植物和单子叶植物中，低温主要通过干扰胞苷膜的形成，影响胞质分裂，从而诱导减数分裂恢复和未减数配子的形成。相比之下，高温条件下染色体动力学和胞质分裂都容易受到影响，尤其是减数分裂重组对热应激的反应更复杂。在拟南芥中发现，经过热处理后，同源四倍体拟南芥中期Ⅰ微管阵列没有显示典型的纺锤体构型而是它与随机分布的单价染色体结合起来，同源染色体在减数分裂时分离不平衡，导致不规则的成膜体形成。中期Ⅱ观察到纺锤体断裂现象。这样的改变导致相邻细胞核之间产生不平衡的四分体和多聚体。Lei等[4]也观察到一个孢子内多个大小不一的核和多分体的出现，表明染色体分离不平衡。在中期Ⅰ，还观察到不规则的纺锤体，微管丰度下降，染色体由线形微管连接，这表明热胁迫严重损害了减数分裂Ι纺锤体的稳定性。同时，微管纤维明显降低说明成膜细胞的稳定性也受到了影响。这些结果表明，高温胁迫对雄性减数分裂过程中的微管细胞骨架有显著的影响。

高温还影响到花药壁的发育。在突变体wda1中，花药壁发育时没有角质层，而且在四分体时期，小孢子母细胞不会被花粉壁外壁覆盖，从而导致败育。结果表明：在花药表皮细胞层，Wda1直接参与蜡质合成，间接参与花粉被的形成。

1.4 其他异常现象

大量研究表明，热应激转录因子（Hsfs）和热休克蛋白（HSPs）是响应高温胁迫的分子机制中的关键成分。与营养组织相比，雄性生殖细胞在发育过程中的高溫敏感性通常被归因于花粉粒启动热应激反应能力较弱，从而产生少量的热休克蛋白。然而，这一假说可能只适用于成熟花粉，因为不同的研究发现HSPs在发育中的花药和高温中的花粉粒中高表达。热休克蛋白作为分子伴侣，通常与高温后形成的变性蛋白结合，避免它们出现错误折叠、聚集或过早清除的情况，并使其能够重折叠和恢复天然构象。

Min等[7]在研究棉花中发现H05的花药在高温下蔗糖向葡萄糖和果糖的转化存在缺陷，导致蔗糖积累，激活淀粉合成途径，进而影响花药下沉强度。在H05的花药中，高温诱导的GhCKI表达较早且更为显著，高浓度的GhCKI抑制了淀粉合成酶的活性，降低了花药发育过程中淀粉和GLC的含量。GLC或可溶性糖可能通过PIF蛋白调节生长素的生物合成，PIF蛋白可能正向调节高温下HT敏感品系H05的花药中生长素的生物合成。另一种可能性是GhCKI直接磷酸化GhPIF蛋白，调节植物激素生物合成基因，最终导致H05的花药败育。植物SnRKs（尤其是SnRK1）可以补充酵母蔗糖非发酵1（Snf1）突变体的功能，促进淀粉合成。SnRK1的沉默导致花粉中淀粉的异常积累和大麦的雄性不育。

2 结束语

本研究综述了植物减数分裂期间温度的胁迫作用，包括同源染色体配对缺陷、激素水平异常、绒毡层发育异常等。高温导致花药早期发育程序和生命周期的过早进展，一系列基因，包括减数分裂特异的基因ASY1和花药特异的LTPS在高温中过早上调。花药细胞的发育和分化，包括细胞谱系和细胞命运的确定，都是有良好调控的程序。造孢细胞分化为小孢子母细胞，进入减数分裂。此外，在花粉成熟和花药壁开裂的过程中，花药壁细胞的4个分位层（表皮、药室内壁、中层和绒毡层细胞）依次退化，排除成熟花粉。这一降解过程由程序性细胞死亡控制，因此高温可能通过影响调控程序性死亡过程的基因，加速花药死亡，以保存自身能量，维持正常的新陈代谢功能。由于减数分裂过程受到多条路径的交叉调控，如激素水平。因此，关于极端温度对作物的影响，只关注减数分裂过程远远不够，还需从多个方面出发，综合考量温度对作物生长和产量的影响。

有研究推测，到2060年不利天气频率可能会大幅度增加，导致作物歉收更加频繁。如果目前的气候趋势持续下去，对耐热作物的培育变得越来越重要，仍需科研工作者进一步努力。

参考文献

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責任编辑：黄艳飞

Effects of High Temperature on Meiosis of Plants

ZHOU Qiao-ling et al（Institute of Integr-ated Plant Biology，  School of Life Sciences， Jiangsu Normal University， Xuzhou， Jiangsu 221116）

Abstract As a result of global warming， hot weather has become more frequent， leading to a significant decline in the yield of temperature-sensitive crops. The meiosis process is more sensitive to temperature changes， second only to flowering. High temperature during meiosis may lead to chromosome pairing interruption， defective spindle formation， decreased crossover frequency， etc.， and ultimately lead to decreased fertility of plants. Therefore， studying the effects of extreme temperatures on crops is crucial and will help to foster stress resistance in crops. Based on this， this paper reviews the abnormal homologous chromosome pairing defects， hormone levels and tapetum development caused by high temperature during meiosis in order to further promote the research in related fields.

Key words Heat stress; Meiosis; Microspore mother cell

基金项目 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划（201910320052Z）;江苏省自然科学基金项目（BK20190996）;江苏师范大学博士学位教师科研支持项目（18XLRX033）;江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX21_2606）。

作者简介 周巧玲（2001—），女，湖南衡阳人，主要从事植物细胞遗传学研究。#通信作者：勾晓婉（1988—），女，黑龙江甘南人，讲师，主要从事植物细胞遗传学及进化研究，E-mail：gouxw@jsnu.edu.cn。

收稿日期 2021-08-21