被子植物心皮及其相關功能基因研究進展

楊 靜，王為然，朱家輝，寧新民，劉志清，孔 杰，阿里甫·艾爾西

(新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】心皮作為開花植物的重要雌性器官，目前已成為作物生殖發育研究的熱點。心皮作為被子植物雌蕊發育的關鍵，對于產量性狀的建成極為重要，研究心皮及其發育過程對于作物高產優質育種意義重大。【前人研究進展】心皮作為植物界進化的產物，是被子植物特有的組織[1-3]，它也是包含胚珠和雌性配子體在內的雌性器官[4]，心皮不僅能夠保護胚珠免受昆蟲或微生物的侵害，也有助于花粉識別和花粉管的伸長，為植物雌雄配子體的發育和受精后形成果實提供了重要場所[2,5]。雖然心皮對于被子植物的生殖發育作用重要，但由于其在發育早期較為隱蔽、結構復雜且取樣困難，對心皮的起始研究進展較慢。在1991年，Coen等[6]才提出了心皮是由花發育ABC模型中C功能基因調控，后來補充形成的ABCDE模型中進一步確定C+E功能基因控制心皮發育[7-8]?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，隨著研究的不斷深入，特別是分子生物學的快速發展。國內外相關成果的檢索總結以心皮的起源、作用、發育過程，心皮的遺傳及激素調節、控制心皮發育的相關基因的研究進展?！緮M解決的關鍵問題】通過成果梳理，明晰心皮的起源、作用和相關功能基因的種類，為培育出多心皮、高品質種質資源提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

查閱收集國內外相關官網(中國知網，web of science)及文獻資料。

1.2 方 法

對檢索數據資料進行整理匯總并分析。

2 結果與分析

2.1 心皮的起源、作用及發育過程

2.1.1 心皮的起源

1857年我國植物學者李善蘭譯英國植物學家Lindley所著《植物學原理》一書時，提出心皮一詞，并將雌蕊的組成部分稱為“心皮”，認為心皮是變態的葉，也是被子植物特有的器官，而雌蕊則是由心皮卷合而成的。心皮的產生被當作植物進化的重要標志，也被作為劃分植物類群的依據。

心皮的研究始于被子植物，關于其起源目前有兩種學說，即心皮學說和生殖葉學說[4]。Goethe在1790年提出心皮學說，認為心皮可能是變態的大孢子葉，它是子房表面或邊緣上著生著胚珠的大孢子葉，通過對折、邊緣融合而產生的結構[9]，它的演化過程與相關基因的調控、誘導等共同作用形成的[5]。Melville在1963年提出了生殖葉學說，認為雌蕊和雄蕊是源于一個著生于可育枝上名為“生殖葉”的葉狀器官聯合體，同時在該聯合體上分生出兩類小葉片，不育的稱為“苞葉”，可育的稱為小育葉，而后苞葉可以演化成花瓣和花萼，小育葉則形成被子植物的子房壁[10]。在被子植物中，若生育枝上著生兩種性別的器官，被稱為“兩性生殖葉”(圖2A)，而其雌蕊由具雌性可育枝的葉狀器官聯合體演化而來(圖2B-D)，雄蕊則是由一個著生于多個雄性可育分枝的葉狀聯合體演化而來的(圖2E-G)[11]。這不僅解釋了心皮的由來，也闡述了心皮與各部分花器官發育演化的相互關系。圖1,圖2

圖1 心皮學說示意[5]
Fig. 1 The sketch map of hypotheses for theorigin of the carpel[5]

圖2 生殖葉學說[11]
Fig. 2 Gonophyll theory[11]

2.1.2 心皮的作用

心皮作為被子植物花發育中最重要的器官，具有保護胚珠、接受花粉和引導花粉管生長致使卵細胞受精的作用[2]。在花粉粒萌發和生長的階段，心皮則為其自交不親和或內部特異不親和機制提供一個位點，用以阻止近親繁殖，促進后代廣泛雜交，這也將有助于保護植物進化演變的能力。心皮的柱頭獲得花粉粒，可引導花粉管通向心皮組織[1]。

心皮作為新一代孢子體發生和發育的場所，同時也具有保護和傳播種子的作用[2]。在心皮發育過程中，構成子房的心皮，其內壁產生一些隔膜將子房分隔為若干部分，形成不同的心室。當心皮展開，彼此以邊緣相接合，全部形成子房壁；心皮向內彎入，在子房的中心彼此互相結合，心皮則部分形成子房壁，部分形成子房內隔膜而將子房分隔為數室。心皮融合在植物發育過程中有很多好處，其中最重要的是提供一個花柱通腔，可以為整個花柱組織和子房提供內部交換的地方；另一個重要的好處是能夠增強花粉管的競爭力，可選擇更強健的父本。除此之外，合生心皮不僅可以保護較大果實，在細胞壁保護方面減少能量的消耗，也可進行更復雜和有效的種子傳播機制[12]。

2.1.3 心皮的發育過程

心皮作為雌蕊中一個特殊的結構，它通常在花的器官中通過折疊、卷曲形成內在的空間，胚珠被包裹在其中發育。被子植物里雙子葉植物心皮的數目在2～5，而且多數都排列在一個輪生體中[13]。相對于花芽來說，心皮形成是整個花器官形成過程中的一個特殊階段，雌蕊的子房、花柱、柱頭均由其卷合而形成。因此，僅僅從花芽分化來考慮心皮的形成機制，一是在形成階段上過于籠統，不能精確到具體的時期與位置；二是對于心皮分化特別是CMM (carpel marginal meristem)的形成機制無法深入解析。因此，心皮作為發生在花發育組織第四輪器官上的雌蕊群，不僅要了解其參與花發育事件的具體過程，也要了解其發育類型對雌蕊類型的影響。由于心皮數目及分合情況的不同會引起雌蕊類型的差異，僅由一心皮所構成的雌蕊為單雌蕊，如豌豆、大豆、蠶豆等；由二個以上的心皮彼此分離，形成的雌蕊是分離的為離生雌蕊，如蓮、草莓、玉蘭等；在植物界中多數被子植物為這種合生的雌蕊，如番茄、茄、南瓜等。除此之外，心皮有時由子房直連至柱頭，完全合生成一個雌蕊；有時僅子房合生而花柱及柱頭仍為離生；有時子房及花柱合生而柱頭分離仍為離生；有時花柱合生而子房卻離生。世界上80%以上的植物類型都是合生心皮，而融合過程發生在心皮發育早期，它們均在花中央結合成一個單一的雌性組織，來參與花發育的后期進程[14]。心皮發生和融合階段也是決定心皮數目的重要時期[3]。因此，根據心皮融合的類型，也可初步確定植物生殖器官的演化歷程。在不同類型的植物中，組成雌蕊群的心皮數不同，而胚珠又是通過胎座沿心皮腹縫線排列而著生于心皮上的，所以不同的心皮類型也會影響胎座類型發生變化。

2.2 心皮的遺傳及激素調節

2.2.1 心皮數目的遺傳

在植物的發育過程中，除了心皮的融合方式會影響后期花形態發育外，心皮數量差異也會導致果實發育的變化。心皮的數目可以通過花柱的數量或者腹縫線數目來識別，花柱頭或腹縫線的數量等于心皮的數量。在植物雌蕊器官發育過程中，大多數植物其心皮數目受遺傳的控制為主，因此，數量較為穩定。

關于心皮數目的遺傳，在油菜中研究較多，但結果不盡相同。一種研究認為，白菜型、芥菜型油菜多室性狀受 1 對隱性基因控制[15-16]，且多室性狀無胞質效應[15]；而另一種研究則認為，芥菜型油菜多室性狀受 2 對隱性基因控制[17]，這可能與材料的特殊性有一定關系。在番茄心皮研究方面，多心室和少心室親本雜交一代的心室數與雙親平均值比較接近[18]。

在油菜中利用普通油菜2心皮與多心皮油菜進行雜交，可獲得穩定遺傳的3心皮油菜，3心皮油菜其單株產量顯著髙于2心皮油菜[19]。在番茄[20]、葡萄[21]、黃瓜[22]中，利用人工雜交、基因工程等多種方式，獲得了經濟性狀好的多心皮品種，從而達到了增大果實、提高產量的目的。

2.2.2 激素對心皮的影響

在植物的生長過程中，激素的調控也會影響心皮的發育及其果實的形成。例如，高濃度的生長素存在于薺菜柱頭，能夠維持心皮中生長素在頂端發生極性分布，而不同極性的生長素分布則會共同促進了薺菜心皮的形態建成[23]。當薺菜中生長素的側向運輸，能夠在一定程度上促進細胞區位分裂增加，導致心皮發生彎曲[24]；若生長素在心皮中的縱向極性運輸能力降低，則直接影響心皮長度發生變化[25]。生長素不僅參與心皮發育過程，而且在其存在的不同位置會出現濃度梯度分布，其中薺菜與擬南芥心皮發育中生長素的極性分布差異就導致了二者心皮形態的不同[26]。與此同時，研究者發現，乙烯可促進黃瓜心皮的發育，而ACC氧化酶(ACO)能將ACC轉化成乙烯；因此，ACC氧化酶基因通過調控乙烯的含量參與心皮發育[27]；并且，ACS11介導產生的乙烯對于雌雄同株黃瓜心皮發育都是必需的[28]。同樣，在擬南芥的花發育到第5個時期時，心皮原基中就可以檢測到細胞分裂素的響應信號[29]；在花發育到第6～7時期，心皮原基細胞中ARR類和AHK類等細胞分裂素響應基因高水平表達[30]。其中擬南芥中的ckx3和ckx5通過調節細胞分裂素的濃度來調控花序分生組織的活性，而在雙突變體中細胞分裂素的濃度升高，心皮數量則會增加[31]。因此，植物中較高濃度細胞分裂素有利于正常發育的心皮；同時細胞分裂素對心皮的發育起正向調控作用，且高濃度的細胞分裂素可誘導心皮的生長和數量的增加。

表1 不同類型植物中影響心皮發育數量的相關基因
Table 1 Genes related to carpel development of number in different types of plants

基因來源Gene from plant基因名稱Gene name基因功能Gene function作者Author發表時間Publication time擬南芥Arabidopsis thalianaAG作用于CTK,增加心皮數量Li等[29]2010ckx3和ckx5心皮數量增加Bartrina等[31]2011AtMIF2/SlIM決定心皮數量,大小Bollier等[34]2018AP1心皮數量減少,缺失Roth等[35]2018STM心皮數量減少或缺失Roth等[35]2018玉米Zea mays LZag1在雌蕊中下調,心皮數量會減少Bartlett等[36]2015番茄Lycopersicon esculentum Millerfasciated增加果實心室數Cong等[32]2008locule-number增加心皮數量Mu?os等[33]2011ATMIF2/SlIMA增加心皮數量Bollier等[34]2018

2.3 控制心皮發育的相關基因

2.3.1 調控心皮數量的基因

控制心皮數目的基因最早在番茄中發現，2008年Cong等首次利用QTL方法從番茄中克隆得到數量性狀fasciated(FAS)基因，并且主要在番茄花形成期的雄蕊和心皮中表達，該基因在多心室花芽發育期的第1個內含子中插入了1段6～8 kb的片段致使FAS基因的表達量下降，使得果實中子房心室數量增多[32]。Munos等利用圖位克隆得到了另外一個調控番茄心室數量的locule-number(lc)基因，該基因位于WUSCHEL(WUS)基因3’末端下游1 080 bp處，長度為1 608 bp。對于lc基因的分析發現，其中的2個SNP的變化能夠影響心室數的增加，這可能是由于多態性的數量性狀核苷酸而引起的[33]。而在含有Pro35S:SlKNU-RNAi基因的植株中，ATMIF2和SlIMA能夠使番茄的心皮數增至8個[34]。

擬南芥中的ckx3和ckx5是使得心皮數增加的兩個基因[31]，而AG基因則作用于細胞分裂素的改變來增加心皮[29]，與此同時，研究發現部分基因會導致擬南芥中的花瓣和雄蕊數目顯著減少，心皮的數量隨之出現減少和缺失[35]，而AtMIF2/SlIM則能夠影響擬南芥心皮的數量和大小[34]。在玉米中，同樣發現了心皮數量減少的基因Zag1，該基因在雌蕊中主要通過下調表達起到減少心皮數量的作用[36]。表1

圖3 模式植物復合花器官結構鑒定[40]
Fig. 3 Specification of floral organs by complexesof floral organ identity factors[40]

2.3.2 影響發育的基因

1990年，Yanofsky等從擬南芥中克隆出具有C類基因功能且唯一的同源異型基因AG，該基因能調控雄蕊和心皮原基的發育[37]，這也是較早對心皮研究的結果。1991年，提出了花發育的ABC模型[6]，研究認為，心皮發育受遺傳物質的調控，主要是通過C類功能基因MADSbox中的AGAMOUS(AG)和至少三個E類功能基因參與心皮發育的調控[38-39]；之后經補充形成的ABCDE模型，才進一步認為C+E功能基因控制心皮發育[7-8]，并且對ABCDE 模型中不同功能基因對花器官的發育進行了詳細的劃分。圖3,圖4,表2

圖 4 花器官決定的ABCDE 模型[41]
Fig. 4 The ABCDE model of flower organ identity[41]

表2 擬南芥中ABCDE同源基因的分類[41]
Table 2 Classification of ABCDE homologous genes inArabidopsisthaliana

基因類型Gene classes基因成員Gene memberClass AAP1、AP2Class BAP3、PIClass CAG、SPT、CRCClass DSTK(AGL11)、SHP1、SHP2Class ESEP1(AGL2、E1)、SEP2(AGL4、E2)、SEP3(AGL9、E3)、SEP4(AGL3、E4)

3 討 論

近年來，關于植物心皮的研究發展較快。相關研究證實，大概有80 余種基因與心皮發育有關[42]。其中，最為相關的可以歸結為兩類，一類主要是植物激素及其相關調控基因直接或間接影響了心皮的發育進程，另一類是直接相關基因的調控導致了心皮的數目變異。

以擬南芥為例，ARR類和AHK類基因、AGAMOUS基因、WUS-AG基因、DRNL基因高水平表達能夠促進心皮的發育[27,30,43, 44]，而KNOX-I、SEP1/2/3/4基因(表2)、AgM、ATMIF2基因則會調節或抑制心皮的發育[27, 34,41,45]。與此同時，除發現的可直接調控心皮發育的基因外，也有通過間接作用改變激素濃度，從而起到調控心皮發育的作用的相關基因，可以使心皮形態發生變化[24-25]。

在黃瓜中，CsGID1a基因被敲除后將導致果實心皮和心室異常[28]，而ACC氧化酶(ACO)能將ACC轉化成乙烯參與心皮發育[27]，ACS11介導產生的乙烯對于雌雄同株黃瓜其心皮發育同樣非常重要[28]，CUM1則通過特異基因的驅動表達來促進心皮的發育[22]。

在棉花中，GhMADS3基因在雄蕊和心皮中的表達水平高，而Gh-MADS13參與了心皮的形成[46-47]；在薺菜中，發現SPATULA能夠調控心皮發育，CRC作為心皮發育的誘導因子，能夠改變心皮性狀和大小[48]；在矮牽牛中，同屬于C類基因的pMADS3和FBP6 對心皮發育起到調節作用[49]。此外，在玉米[36]，小麥[50]，葫蘆[28]中也分別找到了調節心皮發育的部分相關基因。表3

4 結 論

心皮作為被子植物雌蕊發育的關鍵，對于產量性狀的建成極為重要。但由于其本身在早期發育的隱蔽性和特殊的復雜結構，目前其研究所涉及的植物種類較少，且多限于幾種模式植物。花芽分化初始期是心皮數量形成的關鍵時期，但該時期的研究極少，在后期的發育階段中，完整的調控機制尚還不明晰，這對多心皮、高產材料的創制是不利的。未來心皮研究應重點圍繞心皮發育的全過程，從其表觀形態、激素調控、基因表達等方面，盡早明晰調控心皮數量和發育的相關功能基因，并進行克隆驗證和遺傳轉化，進而培育出多心皮、高質量種質資源。

表3 不同類型植物中影響心皮發育的相關基因
Table3 Genes related to carpel development in different types of plants

基因來源Gene from plant基因名稱Gene name功能Gene function作者Author發表時間Publication time擬南芥Arabidopsis thalianaARR類和AHK類促進心皮的發育Jiao等[30]2010PIN3促使生長素的側向運輸,造成心皮的彎曲朱占偉[24]2013AGAMOUS促進干細胞向心皮發育Zhang[43]2014PIN3促使生長素的極性運輸改變心皮長度胡清云[25]2014KNOX-I抑制心皮發育Chen等[27]2016WUS-AG促進心皮的發育Chen等[27]2016SUP和CLV3促進心皮原基的發育Prunet等[44]2017DRNL促進心皮原基的發育Prunet等[44]2017SEP1/2/3/4等控制心皮的發育孟雨婷等[41]2017ATMIF2調節心皮早期發育Bollier[34]2018AgM調控心皮及花分生組織的形成和終止Diarmuid等[45]2018矮牽牛Petuniahy bridaVilmpMADS3和FBP6調控雄蕊和心皮的發育Morel等[49]2017黃瓜Cucumis sativus LCsGID1a調控黃瓜心室的發育Liu等[51]2015ACS11促進乙烯產生,有助于心皮的發育Boualem等[28]2015ACC參與心皮發育chen等[27]2016CUM1驅動特異基因表達,促進心皮發育Ran等[22]2018薺菜Capsella bursa-pastorisSPATULA調控心皮發育Arora等[48]2007CRC形態,大小Arora等[48]2007棉花Gossypium hirsutumGhMADS3調控雄蕊和心皮的發育Guo等[46]2007Gh-MADS13參與心皮發育江蘇城[47]2013玉米Zea mays LSTS1使心皮缺失,次生心皮增加Bartlett等[36]2015Zag1 在雌蕊中下調,使心皮發育畸形Bartlett等[36]2015gt1基因下調,會抑制心皮的生長Bartlett等[36]2015小麥Triticum aestivum LWPll和WPIZ調控小麥心皮的發育Irish[50]2003葫蘆科CucurbitaceaeCmWIP1抑制心皮的發育Boualem等[28]2015CMACS11促進心皮的發育Boualem等[28] 2015