水稻雄性不育的分子机理_精品文档.pdf

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水稻雄性不育的分子机理麦景强1,罗越华2,夏志辉1,陈守才13（1.中国热带农业科学院橡胶研究所,海南儋州571737;2.海南大学农学院,海南海口570228）摘要从细胞质雄性不育和细胞核雄性不育2个方面概述水稻雄性不育相关基因及导致不育的分子机理。

关键词水稻;雄性不育;蜡;绒毡层;减数分裂中图分类号S511文献标识码A文章编号0517-6611（2008）13-05338-04StudyontheMolecularMechanismofMaleSterilityinRiceMAIJing2qiangetal（RubberInstitute,ChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences,Danzhou,Hainan571737）AbstractTherelatedgeneswithmalesterilityinriceandthemolecularmechanismthatcausedthesterilityweresummarizedfrom2aspectsofcytoplas2micmalesterilityandnuclearmalesterility.KeywordsRice;Malesterility;Wax;Tapetum;Meiosis作者简介麦景强（1981-）,男,广东湛江人,硕士研究生,研究方向:

水稻雄性不育基因功能的验证。

3通讯作者。

收稿日期2008202229雄性不育（MaleSterility,MS）是指雄性器官退化、发育不良或花粉、精子败育不能行使生育能力而雌蕊发育正常的现象1。

雄性不育是植物中普遍存在的现象,在高等植物中,约有43个科162个属约620个物种具有雄性不育现象,在检测过的39种植物中就有28种具有该现象2。

水稻雄性不育分为细胞质雄性不育（CytoplasmicMaleSterility,CMS）和细胞核雄性不育（GenicMaleSterility,GMS）,细胞质雄性不育在植物杂种优势利用方面具有重要的价值。

近年来,对于水稻雄性不育进行了遗传学、细胞学和解剖学以及生理生化等方面的研究,取得了一定进展。

随着水稻基因组测序的完成、EST库和突变体库的构建及基因表达谱分析等工作的开展,已克隆了多个雄性不育相关基因,并研究了这些基因作用的分子机理。

笔者主要对这些基因及其导致雄性不育的分子机理进行概述。

1细胞质雄性不育细胞质雄性不育是广泛存在于高等植物的现象,表现为雄性器官不能形成有活力的花粉,而雌性器官的发育和植株的营养生长正常,其遗传方式是母性遗传。

CMS不仅在植物杂种优势利用方面具有重要的作用,而且也是遗传学研究的好材料,因此,对植物CMS的研究一直受到遗传学、育种学、生理生化、细胞生物学、分子生物学等各个领域的广泛关注3。

目前,大量遗传学、细胞学和生物化学的研究结果证明线粒体基因组的变异与CMS有关,线粒体基因组的变异或特异的线粒体基因表达会导致雄性不育4-6。

CMS2BoroII型水稻线粒体基因组中存在2个拷贝的apt6基因,分别命名为N2apt6、B2apt6。

早在20世纪90年代,有关报道,CMS2BoroII和异常的线粒体基因B2apt6有关7-8,B2apt6转录1个异常的mRNA转录本,这个转录本包含1个共转录的阅读框orf79,orf79可能编码1个跨膜蛋白且C端和N端与水稻线粒体细胞色素氧化酶亚基I同源9。

许多学者都认为这个异常的转录本引起细胞质雄性不育,但都没有试验证据证明CMS2BoroII是由B2apt6基因异常转录造成还是由其下游序列orf79的转录造成。

Wang验证了orf79的作用,把orf79转到大肠杆菌中,orf79蛋白的表达使大肠杆菌细胞裂解而导致其数量和密度快速下降,表明orf79是个毒素蛋白。

orf79蛋白毒性必须依赖C端5个氨基酸的存在,把这5个氨基酸切掉,则毒性消失。

Wang继续检验是否由orf79引起水稻雄性不育。

他把带有线粒体转移信号的orf79基因转入正常可育水稻中,T0代表现半不育。

可见是orf79引起水稻细胞质雄性不育。

此外,免疫杂交分析表明,虽然orf79基因是组成型表达,但是其蛋白只在CMS系的小孢子中积累,在孢子体组织中都没表达,因此推论可能是转录后调控机制抑制orf79蛋白在孢子体组织中表达,orf79才不影响孢子体组织的发育10。

Wang继续寻找育性恢复的分子机制,通过图位克隆定位了一段37kb的染色体区域,测序后发现这段染色体包含2个编码PPR（PentatricopeptideRepeat）蛋白的基因Rf1a、Rf1b。

通过互补测验发现,Rf1a、Rf1b都能恢复CMS2BoroII育性。

Rf1a、Rf1b蛋白通过不同的机制破坏orf79产物进行育性恢复。

Rf1a通过介导核酸内切酶在3个位置切割B2atp6/orf79mRNA,而Rf1b通过介导的B2atp6/orf79mRNA降解。

Rf1a对Rf1b显性,当2个基因同时存在时,B2atp6/orf79mRNA优先被Rf1a切割,切割后的产物对Rf1b不再敏感。

2细胞核雄性不育2.1花粉囊蜡发育相关基因与雄性不育植物蜡主要由醇类、醛类、酮类、烃类、酯类组成,这些成分都是由长链脂肪酸（Very2long2chainFattyAcids,VLFAs）衍生而来的,链长度在2034个碳原子11。

蜡是角质层的主要组成成分,是陆生植物地上部分的疏水屏障。

表皮蜡的主要功能是防止水分流失12,抵抗细菌和真菌的感染13。

在被子植物中,花粉囊壁由最外面的表皮层、药室内壁、中层及最里面的绒毡层组成。

表皮层上还有1层角质层,角质层由上表皮蜡质层和角质膜层组成。

角质层在抵抗各种环境压力尤其是在防止水分散失方面非常重要。

最里层是绒毡层,在绒毡层中有微粒体和细胞质脂质体,微粒体和细胞质脂质体从绒毡层向花粉运送各种生物分子,促进花粉外壁的形成14。

野生型花粉的花粉壁有2层:

花粉外壁和花粉内壁。

花粉外壁主要由孢子花粉素组成,孢子花粉素是由含有聚合的苯酚和脂肪酸衍生物的脂肪族聚合物组成,它们在授粉和花药萌发中对于细胞之间的识别起着重要的作用15。

花粉外壁对花粉的发育非常重要,这一层缺失会导安徽农业科学,JournalofAnhuiAgri.Sci.2008,36（13）:

5338-5341责任编辑庆责任校对卢瑶致花粉败育。

Jung在水稻中克隆了1个花粉囊蜡发育相关基因Wax2deficientanther1（WDA1）,该基因在花粉囊表皮层强烈表达。

在wda1突变体中,花粉囊严重失水皱缩,并容易被不良环境损伤,花粉囊表皮层的上表皮蜡质层结晶缺失,花粉外壁不能形成,小孢子发育严重延迟,最终败育16。

以极长链脂肪酸为前体,植物角质层蜡质的合成有2个主要合成途径:

一是乙酰还原途径（TheAcyl2reductionPath2way）,主要生成伯醇和酯。

二是脂肪酸脱羧途径（TheDecar2bonylationPathway）,主要生成醛、仲醇、烷烃和酮类。

对水稻花粉囊和花粉表皮蜡进行氯仿抽提分析发现,在wda1突变体中乙酰还原路径和脂肪酸脱羧途径产物都明显减少,因此WDA1可能参与VLCFA生物合成。

为了进一步理解WDA1基因作用的分子机制,Jung研究了一些参与脂肪代谢和转移的基因在wda1中的表达情况。

KCS和拟南芥的KCS1基因61%同源,KCS1基因参与蜡的生物合成17;OsMS2和拟南芥的MS2基因73%同源,MS2是乙酰还原途径的重要元件18。

OsRftin1和OsRftin2与小麦的Rftin1基因同源,Rftin1定位于微粒体和花粉外壁,被认为是对孢子花粉素多聚酯在花粉外壁上正确沉积有指引作用19,这些基因在水稻wda1中表达明显下调。

可见WDA1可能通过控制脂肪酸生物合成的相关基因表达调控花粉的发育16。

2.2绒毡层相关基因与雄性不育在被子植物中,花分生组织由3层细胞构成:

L1层（表皮）,L2层（亚表皮）,L3层（核心）20。

在花粉囊发育的早期,来自L2层的孢原细胞（Arch2esporialCells,AC）经过几次平周分裂,形成初生周缘细胞（PrimaryParietalCells,PPC）和初生造孢细胞（PrimarySporoge2nousCells,PSC）。

初生周缘细胞则进行平周分裂产生内外2层次生周缘细胞（SecondaryParietalCells,SPC）。

外层次生周缘细胞直接发育成药室内壁,内层次生周缘细胞进行1次垂周分裂产生中层和绒毡层21。

绒毡层是直接连接花粉母细胞的1层,其细胞质中富含线粒体、内质网、高尔基体等细胞器,代谢非常旺盛22。

它可向花药室中分泌大量碳水化合物、脂类等物质,为小孢子的发育提供所需的营养和构成花粉外壁的重要成分23。

此外,绒毡层还提供各种酶促进小孢子从四分体释放出来24。

绒毡层在花粉的发育过程中起着非常关键的作用,任何影响绒毡层发育的突变,都有可能导致花粉的败育。

目前,在其他作物上已克隆了一些控制绒毡层形成的基因,其中,EXCESSMICROSPOROCYTES1（EMS1）/EXTRASPOROGENOUSCELLS（EXS）编码1个富亮氨酸受体激酶25;TAPETALDETERMINANT1基因编码1个小分子量分泌蛋白26;另外,拟南芥中2个高度相似的富含亮氨酸受体蛋白激酶SERK1和SERK2也被证明是绒毡层形成所必需的27-28。

在水稻中,MSP1（Multiplesporocyte1）是第1个被克隆到控制早期造孢细胞发育的基因,它编码富含亮氨酸受体激酶。

MSP1突变产生过多的雌雄孢子母细胞,花药壁细胞混乱,绒毡层完全缺失,虽然没有影响同源染色体的配对和交换,但花粉母细胞发育在减数分裂I期停止,造成完全雄性不育。

虽然MSP1突变影响雌性孢子的发育,产生过多的雌性孢子,但并没有影响雌性孢子的育性,用野生型花粉授粉,仍可产生可育的种子。

原位杂交实验显示,MSP1在雌雄孢子周围的细胞和一些花组织中表达,而不在孢子细胞中表达。

说明MSP1蛋白在控制雌雄细胞的数目和壁细胞的形成方面起着重要的作用29。

在水稻中克隆到的另一个绒毡层发育相关基因是Unde2velopmentedtapetum1（Udt1）,它是次级壁细胞分化为成熟的绒毡层细胞和孢子母细胞减数分裂所必需的。

此基因的T2DNA或Tos17转座子插入引起雄性不育。

在减数分裂前,udt1花粉囊壁和花粉母细胞都正常,但在减数分裂期绒毡层空泡化,不能正常分化,中层降解也被抑制,花粉母细胞不能发育成小孢子。

DNA微阵列分析显示在udt1花粉囊中958个基因下调,267个基因上调。

Jung将这些基因分为5组,第1组是细胞周期控制、细胞分裂、染色体配对、染色体联会相关基因;第2组基因可能在绒毡层发育方面发挥着重要的作用,这些基因中有的是碳、脂肪代谢和转运的相关基因,有的是编码假定的乙酰2CoA还原酶,有的是参与转录调控;第3组可能与绒毡层和花粉的分化有关;第4组可能参与绒毡层的降解;第5组基因的表达在正常的花粉囊发育中是被抑制的,表明Udt1基因可能控制一系列对绒毡层发育、花粉母细胞分化和中层降解很重要的基因表达30。

在显花植物中,绒毡层的降解被认为是在花粉发育较晚阶段由细胞程序性死亡（ProgrammedCellDeath,PCD）激发。

一般认为绒毡层的PCD可为花粉壁的形成提供细胞内含物并促进细胞的释放。

然而,对调控绒毡层PCD的分子机制还不清楚。

Li克隆了一个绒毡层PCD相关基因Tapetumdegen2erationretardatio（TDR）,TDR属于bHLH类型的转录因子,且TDR主要在绒毡层表达。

在tdr突变体中,绒毡层和中层延迟降解,小孢子解体,导致完全雄性不育。

通过染色质免疫共沉淀和EMSA（Ele