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《生命的化学》2009年29卷1期
CHEMISTRY OF LIFE 2009，29(1)
● Mini Review
文章编号: 1000-1336(2009)01-0076-04
收稿日期：2008-10-26
作者简介：李凤霞(1976-)，女，博士，联系作者，E-mail：
lfx-2@163.com; 杨爱国(1977-)，男，博士，E-mail：yag-
100@163.com；王卫峰(1978-)，男，助理研究员，E-mail：
sdwangweifeng@163.com;龚达平(1979-)，男，E-mail：
gongdaping@163.com；刘贯山(1964-)，男，博士，副研究员，
E-mail：liuguanshan2002@163.com；孙玉合(1966-)，男，博
士，研究员，E-mail：yhsun@163.com
花烟草自交不亲和及其机理
李凤霞 杨爱国 王卫锋 龚达平 刘贯山 孙玉合
(中国农业科学院烟草遗传改良与生物技术重点开放实验室，青岛266101)
摘要：花烟草是研究基于 S -核酸酶自交不亲和系统的一种重要材料。目前，已经从花烟草中克隆了多个基于S -核
酸酶自交不亲和性的基因，如花柱特异性识别关键因子S-核酸酶、调节因子H T - B、1 2 0 K等，并对其功能进行了深
入分析。本文对花烟草中参与自交不亲和过程的基因以及基于 S -核酸酶自交不亲和的作用机理研究进行综述，并
就未来花烟草自交不亲和性研究的焦点问题进一步分析探讨。
关键词：花烟草；自交不亲和；S-位点基因；F-box蛋白
中图分类号：Q943
自交不亲和性(self-incompatibility, SI)是显花植物
特异性识别并拒绝自身花粉的一种遗传机制，表现
为可育的雌雄同花植物在自花授粉后不能产生合子
的现象。它是被子植物防止近亲繁殖和保持遗传变
异的一种重要策略，在植物遗传改良和作物杂种优
势利用上具有重要价值。在配子体自交不亲和植物
中，茄科、蔷薇科、车前科植物的SI花粉-花柱间
的特异性识别是以S-核酸酶作为花柱决定因子[1]和
S-位点的F-box蛋白(S-locus-F-box/S-haplotype-specific
F-box, SLF/SFB)作为花粉决定因子[2-5]。由于S-核酸
酶基因是这些植物S-位点克隆的第一个基因，因此
这类SI也常常被称为基于S-RNase的SI。
花烟草(Nicotiana alata)属茄科烟草属，是一种
重要的观赏植物，也是研究基于S-核酸酶自交不亲
和反应的重要材料。本文就控制花烟草自交不亲和
特异性识别的关键因子和调节因子以及作用机理进
行综述。
1. 自交不亲和花柱特异性决定因子
1.1 花烟草花柱SI特异性决定因子S-核酸酶 基于
S-核酸酶的SI首先在茄科烟草属植物上被发现。20
世纪80年代，Clarke实验室根据自交不亲和性的遗
传和生理特性，在花烟草花柱中分离到一种与特异
S-单倍型共分离的糖蛋白，其mRNA表达与不亲和
性表型具有很好的对应关系。N-端测序和随后的
cDNA克隆第一次得到了参与自交不亲和反应的花
柱S-基因。在接下来的几年里，多个花烟草花柱S-
糖蛋白的cDNA被分离和鉴定，这些花柱S-蛋白在
结构上与真菌T2核酸酶相似，在离体条件下S-糖蛋
白对花粉RNA有降解作用，其核酸酶活性是普通烟
草核酸酶酶活性的100~1000倍[6]，被称为S-核酸酶[7,8]。
通过在单倍型为S1S2的膨大矮牵牛(Petunia inflata)植
株中表达S3-核酸酶基因可以使转基因植物获得排
斥S3-花粉的能力，而反义S3-核酸酶转基因植株则
丧失了排斥S3-花粉的能力。另外，将花烟草的SA2-
核酸酶基因转到自交亲和的N. plumbaginifolia´N.
alata杂交种中，转基因植物产生了排斥SA2-花粉的
能力。这些结果提供了S-核酸酶是自交不亲和反应
中控制花柱特异性的关键因子的直接证据[1,2]。
1.2 S-核酸酶的结构 比较茄科S-核酸酶氨基酸序
列，发现不同S-单倍型S-核酸酶有着高度的序列多
态性，其氨基酸一致程度在38%~98%之间。茄科植
物的S-核酸酶有5个 高度保守区域(C1~C5)[22]和2个
高变区域(HVa和HVb)，其中C1、C4和C5是疏水区，
与S-核酸酶的结构有关；C2和C3为亲水区，与真
菌核酸酶的T2/Rh相应2个保守区结构相似，具有较
DOI:10.13488/j.smhx.2009.01.013
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高的同源性。在这2个保守区内，均有1个保守的
具有核酸酶催化活性的组氨酸残基，具有T2/S型活
性，如果其中任何一个组氨酸残基发生突变，表达
这些突变核酸酶活性的植株将丧失排斥相应S-单倍
型花粉的能力[10]。为进一步弄清楚S-核酸酶等位基
因特异性信息在序列上是如何编码的，Zurek等[11]将
花烟草SA2-和SC10-核酸酶的C1~C5的保守区域进行
交换，构建九个重组载体分别转化N. langsdorffii×N.
alata杂交种，重组的S-核酸酶保留核酸酶酶活性而
且表达水平与表达SA2和SC10的转基因对照相当，但
九个重组S-核酸酶的转基因烟草都丧失拒绝SA2-或
SC10-花粉的能力，因此可以断定，S-核酸酶的识别
功能并不是局限于某一个特定的结构域中，改变
S-核酸酶序列的多个方面可以破坏S-核酸酶的识
别功能。
2. 参与自交不亲和反应的其它花柱因子
S-位点编码着决定自交不亲和特异性识别的决
定因子，但S-位点以外的一些基因也与SI反应密切
相关。Beecher等[12]用花烟草SA2-核酸酶基因转化自
交亲和的普通烟草或蓝茉莉烟草(N. plumbaginifolia)，
转基因植株不能拒绝SA2-花粉，说明在S-位点外还
存在一个或多个拒绝S-特异性花粉所必需的因子，
这些因子控制着自交不亲和性的正常表现。
2.1 HT-B蛋白 McClure等对花烟草的花柱中差异性
表达基因进行筛选，鉴定了一类在成熟花柱中特异
表达、富含天冬酰胺的HT蛋白。HT蛋白分为两类，
即HT-A和HT-B，其中只有HT-B在自交不亲和发生
过程中起作用，HT-B蛋白含量低的植物不能拒绝S-
特异性花粉[13]，HT-B基因的突变可以导致自交不亲
和性丧失[14]。而HT-B基因的反义表达实验表明抑制
该基因的表达并不影响S-核酸酶的转录或蛋白表
达，但却使花柱丧失了排斥自己单倍型花粉的能力。
Goldraij等[15]在花烟草中发现HT-B基因可以使不亲
和花粉管中的液泡破裂，释放包裹在其中的S-核酸
酶，从而抑制花粉管生长，但具体机制还有待研究。
2.2 120K蛋白 120K蛋白是在花烟草中获得的分子
量为120 kDa的糖蛋白，它在花柱的细胞外基质中含
量丰富，并可以进入正在生长的花粉管中[16]。研究
发现，120K蛋白可以在体外与S-RNase结合，也和
花粉相互作用。用RNA干扰方法抑止120K蛋白表
达，转基因植株丧失了花柱自交不亲和性[17]。
此外，研究者通过鉴定花烟草雌蕊特异高表达
基因，发现在花柱引导组织中特异性存在一种TTS
蛋白，该蛋白在成熟的引导组织中高量表达，可以
和花粉管结合，促进花粉管体外生长。反义抑止TTS
表达，其花粉管的生长量减少，表明它在亲和授粉
中起一定作用。
3. 自交不亲和花粉特异性决定因子
3.1 花烟草S-位点上的F-box基因 Wheeler等[18]根据
已报道的自交不亲和植物花粉S-基因(SLF/SFB)的序
列特点，利用同源克隆方法分离了多个在花烟草花
粉中表达的F-box蛋白基因(DD基因)，遗传作图分析
显示这些基因均和S-位点连锁，而且至少有三个DD
基因和花粉S-基因在同一染色体区段上，另外有7
个DD基因具有花粉表达特异性。该研究没有进一
步分析DD基因在花烟草自交不亲和反应中的作用，
因此也没有获得花烟草花粉S-基因。
3.2 基于S-核酸酶自交不亲和植物的花粉S-基因 通
过构建围绕S-核酸酶基因的重叠克隆群(contig)，利
用染色体步移或反向PCR方法，Lai等[3]在车前科金
鱼草中获得了涵盖S2-RNase基因约63 kb的序列，并
在S2-核酸酶基因下游9 kb处发现了编码F-box蛋白
AhSLF-S2基因，该基因仅在花粉和绒毡层表达。Qiao
等[5]利用带有S2-RNase和AhSLF-S2的可转化人工染
色体(TAC)质粒转入S3S3单倍型型的矮牵牛，转基因
矮牵牛自花授粉可以结籽，并第一次获得了基于S-
核酸酶自交不亲和的花粉S-基因。
花粉S-基因的克隆在蔷薇科植物上的研究取得
了很大进展。Entani等[4]构建了梅(Prunus mume)的围
绕S-核酸酶基因重叠克隆群，鉴定了多个具有F-box
结构域的基因，其中PmSLF基因在花粉中特异性表
达，与S-核酸酶基因紧密连锁，而且与S-核酸酶基
因一样，表现S-单倍型的多态性，因此最有可能是
花粉S-基因。
Wang等[19]在包含S2-核酸酶的328 kb的重叠克
隆群中通过染色体步移分离得到了茄科植物膨大矮
牵牛的花粉F-box基因(PiSLF)，PiSLF位于S2-核酸
酶基因下游约161 kb处，Northern印迹结果显示PiSLF
具有S-等位基因特异性序列多态性。Sijacic等[20]将
S2-单倍型等位基因PiSLF2分别转入多个S-单倍型(如
S1S1、S1S2和S2S3)的膨大矮牵牛植株中，这些转基因
植株变为自交亲和，这种花粉S功能的丧失与在茄
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科植物中发现的异源二倍体花粉导致所谓的“竞争
性抑制”现象相一致。对这些转基因植物的自交后
代基因型的分析结果显示，来源于S1-或S3-单倍型
的转PiSLF2花粉会丧失其自交不亲和的特性从而产
生自交后代，而那些来源于S2-单倍型的转PiSLF2花
粉仍然可以被S2-单倍型的花柱抑制。这些结果最终
证实PiSLF编码着膨大矮牵牛花粉自交不亲和特异
性决定因子，即花粉S-基因[20]。
3.3 花粉S-基因的序列及结构特点 在已报道含有
SLF/SFB基因的植物中，SLF/SFB基因均位于S-核酸
酶基因下游并以与S-核酸酶相反的方向进行转录。
S-核酸酶基因和SLF/SFB基因之间存在长度不同、高
度变异的序列，并富含类似转座子的重排序列，形
成了结构上的异态性，有助于保持两个基因的紧密
相连[6,7]。花粉S-蛋白的F-box区大约由40~50个氨基
酸组成，有些位置的氨基酸比较保守，但缺少非常
保守的序列区域。所有推测的SLF/SFB氨基酸序列
中F-box结构均处在N-末端，在C-末端存在2个高
度变异的区域：HVa和HVb[4]。影响两个高变区编码
的因素可能会影响花粉S决定因子的专一性，导致
自交亲和，如甜樱桃花粉S-基因高变区发生移码突
变后甜樱桃自交不亲和性丧失。PmSFBf基因中一个
6.8 kb片断缺失致使C-末端的翻译提前终止，氨基
酸序列缺乏两个高变区，成为自交亲和的品系。
4. 基于S-核酸酶自交不亲和的作用机理
S-核酸酶在花柱中含量丰富，而且可以被吸收
到在花柱内生长的自己和异己的花粉管内。Goldraij
等[15]利用免疫定位技术发现S-核酸酶从花柱胞外基
质进入到花粉管后，被运输到花粉管的液泡中。在
不亲和的花粉管中，HT-B、120K蛋白保持稳定，包
裹S-核酸酶的液泡膜被破坏，S-核酸酶因此被释放
到花粉管细胞质中，降解花粉rRNA，花粉管的生长
受到抑止；而在亲和授粉植株的花粉管中，S-核酸
酶水平几乎不发生变化，但亲和授粉植株的HT-B蛋
白被降解了，使这种类似液泡的内膜结构始终保持
完整，被 “禁锢 ”在里面的S-核酸酶始终不能发挥
其细胞毒性，因此花粉管可以正常生长。由此可见，
S-核酸酶进入花粉管后被区隔化，在缺少HT-B、120K
等蛋白的情况下，这种区隔化结构就保持稳定，尽
管S-核酸酶水平不发生变化，但不能发挥细胞毒素
的作用，不能引起花粉拒绝。总的说来，在亲和授
粉中，来自异花的花粉会将HT-B等花柱蛋白降解，
尽管此时S-核酸酶蛋白水平几乎不发生变化，但由
于包含S-核酸酶的区隔化结构保持稳定，使得S-核
酸酶功能被抑制；而在不亲和授粉中，来自自身的
花粉不能使HT-B等蛋白降解，包含S-核酸酶的区
隔化结构被破坏，S-核酸酶被释放出来，其毒素功
能得以发挥。该模式表明，S-核酸酶在花粉管细胞
质中的运转以及HT-B等蛋白保持稳定对S-特异性
的花粉拒绝是重要的。
5. 展望
目前，多种植物的基于S-核酸酶自交不亲和的
花粉S-基因(SLF/SFB)已经得到克隆，而且也有研究
表明花粉S-基因产物能通过泛素/26S蛋白酶途径降
解“异己”S-RNase[5]。但许多研究表明尽管基于S-
核酸酶自交不亲和在不同植物(茄科、车前科、蔷薇
科)中具有相似的S-核酸酶分子机制，但不同种属的
花粉S-基因(SLF/SFB)功能可能有较大不同[20]，如蔷
薇科扁桃花粉S(PdSFB)等位基因氨基酸序列多态性
在66%~82.5%，而在茄科膨大矮牵牛中是88.4%~89.4%；
第二，扁桃异源四倍体化后，花粉能够行使正常的自交
不亲和功能，而茄科植物异源四倍体化后自交不
亲和性丧失；另外，在研究的茄科植物中，所有的花粉
S突变体都是由于花粉S的重复，即使在X-射线诱
导后进行大规模筛选也不能获得花粉S缺失型突变
体，与此相反，在蔷薇科植物中存在SFB缺失突变体，
这些突变体自交不亲和性丧失。而且，SI植物中同一
单倍型S-位点上有多个类似F-box基因与花粉S-基
因伴随存在，也具有花粉表达特异性[18,21]，这些F-
box基因与SI花粉S-基因的具有哪些序列特点，以
及这些F-box基因在花粉拒绝中的作用也不清楚。
另外，尽管已经克隆了许多控制花烟草SI的基
因，它们在SI反应中的功能也不断被阐明。但是，
在SI特异性识别过程中一些关键步骤，如S-核酸酶
进入亲和花粉管的细胞质后不能发挥细胞毒素作用
是否有花粉S产物的参与？花粉S如何与S-核酸酶
相互作用控制HT-B的降解和包裹S-核酸酶液泡膜
的破裂？S-位点上与花粉S紧密连锁的其它F-box蛋
白基因是否参与SI特异性识别过程？这些疑问的回
答需要对花烟草花粉S-基因的克隆以及花粉S-蛋白
未知功能深入分析。
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Progress of study on self-incompatibility of Nicotiana alata and its mechanism
Feng-Xia LI Ai-Guo YANG Wei-Feng WANG Da-Ping GONG Guan-Shan LIU Yu-He SUN
(Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266101, China)
Abstract Nicotiana alata has served as an important model species for studies on self-incompatibility. Genes controlling
the pistil specificity determinant and several additional pistil factors, such as HT-B, 120K were first cloned and identified in N.
alata. In this review, we summarized recent progress on the genes and the molecular mechanism controlling self-incompatibility
in species like N. alata, and future work points in self-incompatibility of N. alata are also analyzed.
Keywords Nicotiana alata; self-incompatibility; S-locus genes; F-box