植物激素調控水稻花藥發育的研究進展

沈亞琦，項圓圓，劉家林，王聯紅，張秋云，賀浩華，胡麗芳

(江西農業大學 作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室/江西省超級稻工程技術研究中心/雙季稻現代化生產協同中心，江西 南昌 330045)

花藥是雄蕊最重要的組成部分，藥隔將花藥分開的2個藥室，花粉囊在藥室中,花粉囊是花粉產生的地方。水稻是重要的糧食作物，花藥的正常發育不僅對水稻開花過程和種子的形成十分重要[1-3]，而且在雜種優勢利用和雜交育種中也有著重要地位，因而對水稻花藥育性研究有著重要的理論和實踐意義。近年來，隨著許多與水稻花藥發育相關基因的分離與功能鑒定，許多植物激素相關基因被發現在水稻花藥發育中發揮著重要作用[4-6]。發現生長素、赤霉素、細胞分裂素、茉莉酸和油菜素內酯等激素參與了水稻花藥發育過程。

1 水稻花藥的發育過程

水稻花藥的發育是一個連續復雜的過程，將其劃分成不同的階段以便于相關的研究。首先雄蕊原基頂端的L1-L3層細胞經過數輪平周分裂和有絲分裂，形成的花粉母細胞從外到內包圍著表皮層、內皮層、中間層和絨氈層。隨后花粉母細胞之間逐漸分散開，進入減數分裂階段。二分體和四分體形成，絨氈層細胞胞質開始濃縮。在小孢子早期，絨氈層細胞胞質呈濃縮狀，無液泡的小孢子形狀近似球形，萌發孔尚未出現和不明顯的孢子壁。在小孢子中期，小孢子的體積增大，孢壁變厚，液泡增多，合并形成較大的液泡。在小孢子晚期，小孢子體積明顯增大，孢子壁加厚，中央大液泡出現。小孢子核逐漸移至萌發孔對側，帶狀絨氈層細胞變為山丘狀。進入到二孢花粉期后，小孢子經過有絲分裂形成營養細胞和生殖細胞，營養細胞較大具有中央大液泡并向萌發孔方向移動，而生殖細胞逐漸與花粉壁脫離，移至營養核的附近。開始積累淀粉粒等物質。絨氈層僅剩殘留物，孢粉素體附著在其內表面。在成熟花粉期，由生殖細胞分裂產生2個精細胞與營養核同時存在，花粉內充滿了淀粉等儲藏物，絨氈層消失，僅剩次生絨氈層壁[7-8]。

2 調控水稻花藥發育的植物激素

2.1 生長素

參與水稻花藥發育的生長素生物合成途徑的基因包括OsTDD1、OsDAO和OsFTIP7等(表1)。OsTDD1(TRYPTOPHANDEFICIENTDWARF1)基因編碼一種與鄰氨基苯甲酸合成酶β亞基同源的蛋白質，催化色氨酸生物合成反應的第一步。tdd1突變體出現雄蕊數目改變、雄蕊畸形的現象，偶有器官融合的發生[9]。OsDAO(DIOXYGENASEFORAUXINOXIDATION)基因編碼2-酮戊二酸和亞鐵依賴性雙加氧酶，在水稻的花粉發育和花藥開裂中不可或缺。突變體dao植株中游離生長素含量在花藥內升高，造成花藥不開裂，無花粉散出，表現為雄性不育植株[10]。OsFTIP7(FT-INTERACTINGPROTEIN7)基因編碼FT互作蛋白。osftip7突變體花藥不開裂，導致完全不育。此外，相比野生型，突變體中花粉發育也部分受損，花藥中生長素含量顯著升高。OsFTIP7與同源盒轉錄因子OSH1互作，調控OSH1發生質核穿梭結合到生長素合成關鍵基因OsYUCCA4的啟動子區域上，從而抑制OsYUCCA4的轉錄表達，下調生長素的水平，促進花藥開裂，最終控制水稻的育性[11]。

表1 參與水稻花藥發育的生長素途徑基因

參與水稻花藥發育生長素信號傳導途徑的基因包括OsMGH3、LHS1和MFO1等。OsMGH3/OsGH3-8基因編碼IAA酰胺合成酶，通過將氨基酸連到IAA上來維持花藥游離IAA含量的動態平衡。OsMGH3基因敲除植株雄蕊發育和花粉活力受到影響，導致育性下降。OsMGH3在水稻小花中高水平表達有助于心皮和花藥的發育，并通過調節生長素活動來影響小花的育性，同時受OsMADS1和OsMADS6的調控[12]。LHS1(LEAFYHULLSTERILE1)基因編碼一個含有MADS box的蛋白OsMADS1。lhs1突變體雄蕊數量減少，心皮數量增加，雄蕊結構發生改變。OsMADS1能與OsMADS3發生互作，參與漿片和雄蕊特征的形成，促進花發育[13]。MFO1(MOSAICFLORALORGANS1)基因編碼OsMADS6蛋白。mfo1-1突變體雄蕊數目減少，育性明顯降低，會形成穎片-漿片-雄蕊嵌合的結構。OsMADS6是水稻花早期發育的一個重要調節因子，主要調控雄蕊、漿片和心皮起始原基的形成[14]。

2.2 赤霉素

參與水稻花藥發育赤霉素信號傳導途徑的基因包括SLR1、GID2、EL1、OsGAMYB和SAW1等(表2)。SLR1(SLENDERRICE1)基因編碼一種DELLA蛋白SLR1，是一種GA信號傳導途徑中的抑制蛋白。slr1-d3突變體表現為半不育，具有發育正常的花和形態正常的雄蕊，但是花粉的活力低于野生型花粉。SLR1蛋白N末端的磷酸化能抑制GID1介導的降解，并且C末端磷酸化維持SLR1的活性[15]。GID2(GIBBERELLININSENSITIVEDWARF2)基因編碼SCF E3復合體的一個F-box亞基，SCFGID 2-蛋白酶體途徑完成谷氨酸依賴性磷酸化啟動的SLR1的調節性降解。在gid2突變體植株中，參與遺傳信號傳導的水稻SLR1蛋白的降解中有缺陷，導致不育表型[16]。EL1(EARLYFLOWERING1)編碼酪蛋白激酶CKI，水稻el1突變體對赤霉素信號的反應增強，在小穗發育過程中誘導GAMYB和花粉形成相關基因CYP703A3和KAR過度表達，導致花藥發育和花粉活力缺陷。酪蛋白激酶通過磷酸化和激活SLR1在GA信號的負調節中起作用，EL1磷酸化SLR1是一種主要的GA信號阻遏物[17]。OsGAMYB(GIBBERELLINMYB)編碼一個赤霉素誘導轉錄因子，OsGAMYB突變損害糊粉和花發育中的α-淀粉酶表達，導致花粉發育缺陷。gamyb-4突變體花粉發育不能進行正常的減數分裂，使得絨氈層增大。該轉錄因子是一種正的赤霉素信號傳導成分，控制谷類糊粉和花藥細胞中大多數赤霉素誘導基因的表達，其下游基因CYP703A3和KAR主要參與花粉形成[18]。SAW1(SwollenAntherWall1)基因編碼一種新的細胞核定位CCCH-串聯鋅指蛋白，該蛋白可直接與GA合成基因OsGA20ox3啟動子區域結合，誘導其花藥特異性表達。saw1突變體產生異常花藥，花藥壁腫脹，花粉脫落。在saw1花藥中，OsGA20ox3的表達量顯著降低，導致具有生物活性的GA含量降低，進而導致GA誘導花藥調節基因OsGAMYB的表達降低。水稻SAW1基因敲除產生了類似的雄性不育植物[19]。

2.3 細胞分裂素

參與水稻花藥發育的細胞分裂素代謝途徑的基因包括參與合成的LOG和信號傳導的LEPTO1等(表3)。LOG(LONELYGUY)基因編碼細胞分裂素活化酶，對維持分生組織活性十分重要。log突變體花分生組織器官的分化提前終止，無法形成具有正常數量的花器官，通常只含有一個雄蕊[20]。LEPTO1(LEPTOTENE1)基因編碼OsRR24，具有保守的DDK和MYB結構域的N端和轉錄激活活性的C端，屬于B類響應調節因子。突變體lepto1的花粉母細胞染色體停滯在前細線期狀態，不能進一步組裝進入典型的細線期染色體狀態。沒有組裝減數分裂特異蛋白，看不到胼胝質的積累，最終產生無花粉型花藥。lepto1突變體在營養生長期無差異現象，但花藥小而白，不產生花粉。用野生型花粉授粉后，lepto1也不能形成種子，雌雄均不育。OsRR24能通過DDK結構域與OsAHP1和OsAHP2兩種組氨酸磷酸轉移蛋白相互作用，可能通過調節細胞周期蛋白相關基因的表達，影響細線期染色體的組裝[21-22]。

2.4 茉莉酸

參與水稻花藥發育的茉莉酸代謝途徑的基因包括參與合成的OsJAR1和信號傳導的EG2、OsCOI1b等(表3)。OsJAR1(JASMONATERESTIVE1)基因編碼茉莉酸氨基酸合成酶，參與JA調控的水稻小花開放和花藥開裂。osjar1等位基因植株的小花在開花期間正常開放，但花藥開裂受到損害，導致突變體植株生育力降低，外源施用茉莉酸甲酯誘導的花開放途徑受損[23]。EG2(EXTRAGLUME2)編碼茉莉酸信號阻遏物，與推測的茉莉酸受體OsCOI1b相互作用，在小穗發育過程中觸發OsJAZ1的降解。eg2突變體表現出改變的小穗形態，以及有缺陷的花分生組織，雄蕊量減少[24]。OsCOI1b(CORONATINEINSENSITIVE1b)基因編碼JA受體COI，介導JA信號傳導影響小穗育性和籽粒灌漿。相比野生型，oscoi1b-1突變體小穗育性和粒重顯著降低，造成籽粒減產嚴重[25]。

2.5 油菜素內酯

參與水稻花藥發育的油菜素內酯代謝途徑的基因包括參與合成的D11、OsCYP51G3和信號傳導的OsBZR1等(表3)。D11(DWARF11)基因編碼細胞色素P450蛋白CYP724B1，參與油菜素內酯生物合成途徑。D11基因敲除植株花粉的成熟有陷并且淀粉的累積量變少，導致雄性育性降低。過表達D11基因會引起發育的花藥中糖積累量增加[26-27]。OsCYP51G3基因編碼鈍葉醇14α-脫甲基酶，屬于細胞色素CYP51亞家族，影響甾醇合成和油菜素內酯合成。OsCYP51G3-RNAi植株體內甾醇和油菜素內酯含量降低、花粉半不育和細胞較短[28]。OsBZR1基因編碼油菜素內酯信號傳導的下游信號分子OsBZR1，在水稻花粉發育過程中，OsBZR1通過直接促進CSA基因的表達，使糖分配和代謝相關基因的表達。OsBZR1基因敲除植株花粉的成熟有缺陷以及淀粉的累積量變少，而過表達OsBZR1基因花藥中糖累積量變多[26]。

表3 參與水稻花藥發育的細胞分裂素、茉莉酸和油菜素內酯途徑基因

3 展望

植物激素對植物生長發育的各個時期都有重要作用，對水稻花藥發育過程中植物激素生物合成、信號傳導和極性運輸途徑相關基因和突變體的研究發現：生長素在調控水稻花藥開裂、花粉萌發以及雄蕊結構中有著重要作用；赤霉素參與調控水稻花藥發育、花粉成熟和花藥開裂；細胞分裂素影響生殖器官的起始和發育，參與花粉母細胞染色體的組裝；茉莉酸主要影響水稻花藥開裂；油菜素內酯影響花粉成熟。低溫、高溫和干旱等[29-31]外界因素可通過調節相關激素水平來影響水稻花藥發育，但對激素應答反應的分子機理知之甚少。同時水稻花藥中遺傳和外界環境信號的影響與激素之間的相互作用機理，組成了一個復雜的植物激素調控網絡。水稻花藥發育過程中調節植物激素相關基因的研究還不夠完善，他們的時空表達模式以及作用網絡可成為今后研究的重點方向之一。植物激素間相互調控網絡的研究、調控機制的完善和水稻花藥中激素水平的時空表，達對水稻花藥發育和種子形成的深入研究提供良好的幫助。采用高效液相色譜-質譜聯用檢測水稻花藥中激素含量差異，熒光定量PCR檢測水稻花藥中激素合成及傳導相關基因的表達量變化，蛋白互作等技術研究驗證水稻花藥中激素的合成傳導途徑。同時與高通量測序及代謝組分析方法相結合，對水稻花藥發育中的植物激素調控網絡進行更加深入的研究提供支持，有助于我們進一步認識植物激素調控水稻花藥發育的生物學問題。