全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 1期
高等植物小孢子胚发生的启动
王炜 杨随庄
(甘肃省农业科学院生物技术研究所,兰州 730070)
摘 要: 高等植物小孢子在受到胁迫时能改变正常的花粉发育途径而启动胚发生途径。小孢子胚发生的启动主要包
括胚发生的诱导、对胁迫的细胞应答和抑制花粉发育程序。目前, 国内外对于小孢子胚发生研究大多限于形态学观察, 对小
孢子由正常花粉发育途径转向胚发生途径过程中所涉及的相关分子机制缺乏系统报道, 而上述研究是精确、高效诱导小孢子
胚发生的关键。结合目前最新研究, 对小孢子胚发生的早期事件, 尤其是小孢子启动胚发生的生理生化和分子机制作一简要
论述, 以期为相关研究提供参考。
关键词: 小孢子 胚发生 胁迫 加倍单倍体 细胞周期
The Initiation ofM icrospore Embryogenesis in H igher P lants
W angW ei Yang Suizhuang
(Biotechno logy Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070)
Abstrac:t M icrospores can sw itch the ir no rm a l po llen deve lopm ent pathw ay to m icro spo re s embryogenes is upon ab iotic stress.
The in itia tion of m icro spo res embryogenes is inc ludes stress induction, ce llular response to stress and repression o f no rm a l po llen de
ve lopm en t prog ramm e. For a long pe riod, m a in ly stud ies on m icrospores em bryogenesis are lim ited in m orpho log ic obse rva tion. A s lack
o f inform a tion in physio log icalbiochem ica l and geneticm echanism under ly ing the process o fm icrospo res emb ryogenesis especia lly the
initiation o fm icro spo res emb ryogenesis, th is techn ique has no t been applied in som e ag ronom ica lly im po rtan t crops. Recen tly, w ith
rap id deve lopm ent o f g enom ic, transcr iptom ics and m etabo lom ics, som e m icrospore em bryogenesis re lated genes, pro te ins and m e tabo
lism products was iden tified o r iso lated, w hich cou ld g ive us an ove rv iew about th is. This rev iew m a inly e luc idated the ea rly events of
m icrospo res em bryogenesis, and puts em phasis on the physio log ica lbiochem ica l and m o lecu lar basis unde rly ing the in itiation o f m i
crospo res em bryogenesis.
Key words: M icro spore Embryogenesis Stress Doub le haplo id Ce ll cycle
收稿日期: 20100811
基金项目:甘肃省农业生物技术研究与应用开发项目 ( GNSW 200718)
作者简介:王炜,男,研究实习员,硕士,研究方向:单倍体育种; Em ai:l w angw eish id a@ 126. com
通讯作者:杨随庄,男,研究员,博士,研究方向:小麦遗传育种; Em ai:l yangszh@ 126. com
正常情况下,大多数植物表现出单倍体配子和
二倍体孢子体交替的生活史。在被子植物的配子体
阶段, 小孢子母细胞会经历减数分裂和有丝分裂最
终形成雄配子体, 即花粉粒。在特定离体培养的条
件下, 小孢子会向孢子体发育途径转变,从而形成胚
状体, 这些胚状体可以进一步发育成单倍体或者加
倍单倍体 ( double hap lo id, DH )植株, 这种现象被称
为小孢子的胚发生,是植物细胞全能性的极好证据。
由此产生的 DH 纯系在育种中具有极为重要的价
值,而且也是进行遗传操作的良好试验材料 [ 1]。
自从印度学者 Guha等将曼陀罗 (Datura innox
ia )通过花药培养成功的诱导出胚状体,进而获得了
单倍体植株以来, 人们在许多物种中进行了有效的
探索,通过摸索小孢子胚发生适宜的条件,如胁迫的
种类、胁迫的处理时间、培养基的组成、再生体系等,
先后在多种植物中成功地建立了小孢子培养 (花药
培养 )技术,至今已在 200多种植物中得到应用 [ 2] ,
其中大麦 (H ordeum vulgare L. )、小麦 (Triticum aesti
vum L. )、油菜 (B rassica napus L. )和烟草 (N icotiana
tabacum L. )已成为研究小孢子胚发生的模式植物,
2011年第 1期 王炜等:高等植物小孢子胚发生的启动
而小孢子的胚发生也已经发展成为一种研究植物细
胞的全能性和胚发生问题的有价值的体系 [ 3]。
但是小孢子培养 (花药培养 )在一些重要的农
作物中尚未获得完全成功, 除小孢子培养 (花药培
养 )具有很强的基因依赖性外, 人们对小孢子的胚
发生的生理生化和分子机制,尤其对植物小孢子细
胞在受到胁迫后改变其正常的花粉发育途径、并启
动小孢子的胚发生途径过程中的分子机理还了解甚
少,制约了该项技术在基础研究和育种方面的应
用 [ 4]。近几年来, 随着现代分子生物学技术的迅猛
发展, 若干课题组相继从基因组学、转录组学、蛋白
质组学和代谢组学上对小孢子胚发生进行了初步研
究,取得了重要进展, 使得人们对于小孢子胚发生过
程中的相关分子基础有了初步了解。
总体来说,小孢子的胚发生可大致分为 3个阶
段:小孢子胚性潜能的获得; 细胞分裂的启动; 图式
建成 [ 4]。根据目前的研究结果,现主要就小孢子胚
性潜能获得过程中处于正常花粉发育途径中的小孢
子向胚发生途径的转变, 即小孢子胚发生的启动过
程中的生理生化和分子机制作一简要论述。
1 影响小孢子胚发生的因素
许多外源和内源因素能够影响小孢子胚性反
应。在内源因素中, 最关键的是供体植株的基因型
和小孢子的发育阶段, 且发育阶段和小孢子基因型
有显著的相关性。不同种以及同一种类的不同品
种,甚至同一品种的不同个体, 胚性反应也会有所不
同。小孢子胚发生的能力有其遗传基础, 因为这种
性状可以遗传到后代中去 [ 5]。人们通常根据对花
药或小孢子胚发生诱导的难易,将不同基因型的物
种分为应答型 ( responsive)和抗性型 ( recalc itrant)两
类。而近年来的一些研究表明,某些归为抗性型的
物种在适宜的胁迫和培养条件下其小孢子的胚发生
也可以诱导成功。这些研究大大扩展了人们对于小
孢子胚发生的认识。发育阶段也是一个很关键的内
源因子,包括作为研究小孢子胚发生的模式植物,如
大麦、小麦、油菜等在内的大多数植物, 对诱导处理
的敏感时期一般围绕在花粉第一次有丝分裂期间,
即从液泡化小孢子到早期的双细胞花粉粒期间,也
就是单核小孢子的不对称分裂前后 [ 6] , 如诱导小麦
小孢子的胚发生最好的阶段是在单核细胞的中期到
晚期这段时间,而对于硬粒小麦小孢子的胚发生最
好的诱导阶段是在单核细胞晚期到双核细胞
早期 [ 7]。
在外源因子中,外植体的类型、不同的胁迫处理
以及处理时间、培养基的成分和温度等都可影响小
孢子的胚发生,其中外植体类型和不同的胁迫处理
起着关键作用。在最初的花药培养中,由于采用完
整的花药作为外植体,小孢子周围是一个较少有人
为因素的环境, 因此相对于小孢子培养相对容易。
但是小孢子培养有其明显的优势, 如小孢子胚和再
生植株较高的产率。同时,基于目前的经验,人们认
为要有效诱导小孢子的胚发生, 必须要进行胁迫
处理, 但是不同植物所需的胁迫类型不同。最常
用的是温度 (热或冷 )、糖饥饿、氮饥饿或这几种胁
迫的联合使用, 另外, 还有秋水仙素、生长素、乙醇
和伽马射线等。鉴于如此众多的胁迫都可诱导小
孢子胚发生, 推测小孢子的胚发生很有可能是由
多种信号通路所介导的, 并且这些信号通路之间
存在着 crossta lk; 或者是不同的胁迫信号导致了
相同的下游反应。
离体培养的小孢子在受到胁迫诱导后,可由原
来正常的花粉发育途径转向小孢子胚发生途径。研
究表明,在此过程中大多数植物具有许多早期形态
上的显著特征,如小孢子细胞肿胀、增大;细胞质变
得比较清晰透明;细胞核移向细胞中央;形成星状结
构, 即中央大液泡被分裂成小片段呈放射状围绕在
胞质丝周围; 染色质浓缩; 对称分裂等 [ 8 ]。其中星
状结构和对称分裂被认为与小孢子胚发生诱导相
关。尽管也有报道对称分裂的小孢子细胞也会以配
子体途径发育 [ 9 ] , 然而无论如何, 这些小孢子细胞
在形态上的巨大变化有其深刻的生理生化和分子
基础。
2 小孢子对胁迫的细胞应答
相对于形态上的变化, 目前人们对于受到胁迫
诱导时小孢子胚发生过程中的细胞应答还知之甚
少。就近年来的研究结果而言, 小孢子对胁迫的细
胞应答主要包括两方面的内容: 一是小孢子细胞对
胁迫的防御应答; 二是受到胁迫时细胞内生化环境
和代谢产物的变化。
15
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
21 小孢子细胞对胁迫的防御应答
一般情况下,在受到环境或非生物胁迫时,植物
细胞会产生细胞适应性应答反应。在此过程中,细
胞中的某些信号分子参与感知胁迫,如 Ca2+、ABA、
乙烯、茉莉酸、水杨酸和活性氧 ( react ive oxygen spe
cies, ROS)等 [ 10, 11]。其中活性氧爆发是植物细胞对
不同胁迫的最早应答反应之一,由此造成 ROS在植
物细胞内的积累, 进而使细胞受到伤害, 而与此同
时,植物细胞也进化出某些机制来缓解这种伤害,使
其对细胞的伤害降低到最小,如细胞内抗氧化酶水
平的增高等。尽管目前还没有发现, 在小孢子受胁
迫诱导时是否在细胞内存在高水平 ROS的直接证
据,然而研究发现,在受胁迫的花药壁活性氧的水平
比较高,并且发现在大麦小孢子胚发生的起始阶段
谷胱甘肽 S转移酶基因 ( GLUTATH IONE STRANS
FERASE, GST)上调表达 [ 12] , 而许多植物的 GST基
因的启动子区含有 ROS反应元件,使得 GST基因可
以保护细胞免受氧化损伤。但 GST基因的表达与
小孢子胚性的获得无关, 因为 GST的表达与优化胁
迫处理和亚优化胁迫诱导无关,那些胁迫处理下不
形成胚的小孢子中也会诱导 GST的表达 [ 13]。这些
结果表明,在小孢子胚发生期间 GST基因的作用主
要在于保护细胞免受活性氧的伤害。
热激蛋白 ( HSPs)是受到高温胁迫时植物细胞
合成的最重要的保护性蛋白,也是在小孢子胚发生
过程中研究得最清楚的生物大分子。研究发现,除
热处理之外的其他胁迫也能导致 HSPs的积累, 如
在小孢子胚发生期间, 在受到热激、饥饿和秋水仙素
胁迫时不同 HSPs的转录子和蛋白质水平增加 [ 14- 16]。
这表明, HSPs在小孢子的诱导中具有重要作用,但
是在秋水仙素所诱导的油菜小孢子胚发生过程中,
HSPs的水平并不发生变化 [ 17] ; 另外的研究还发现,
受到热激但并没有被诱导成胚的油菜小孢子中,以
及在番茄成熟花粉粒中也有 HSPs的积累 [ 16, 18 ]。综
合这些研究结果以及 HSPs具有的分子伴侣功能,
可以认为 HSPs更直接的作用可能与小孢子细胞的
耐热性相关, 而对小孢子命运的转变起间接作用。
HSPs其他可能的间接作用是抑制受到胁迫诱导时
所导致的小孢子细胞的凋亡 [ 19]。
脱落酸 (ABA )是小孢子胚发生过程中研究得
最清楚的激素。许多包括用于诱导小孢子胚发生的
胁迫诱导都能够导致植物细胞中 ABA的产生。用
甘露醇对大麦小孢子进行胁迫诱导时发现, 与对照
相比,有活力的小孢子数目显著增加, 且 ABA水平
增加了将近两倍,在培养基中添加 ABA则能够提高
有活力的小孢子的数量 [ 20 ] ;并且大麦小孢子胚所产
生的植株的再生频率与渗透胁迫强度及 ABA生成
量呈正相关 [ 21] ;用低温对小黑麦小孢子进行处理也
得出相似的结果 [ 22] , 说明 ABA在受到胁迫诱导的
小孢子胚发生过程中起着重要作用。EcM t基因是
在小麦小孢子胚发生初期所分离到的一个受 ABA
诱导的编码金属硫蛋白的基因, 在其启动子区含有
一个 ABA响应元件,在小孢子胚发生过程中该基因
的上调表达与细胞内源 ABA的峰值紧密相关 [ 23]。
另外,大麦中编码乙醇脱氢酶的基因 (ADH )家族中
的某些成员表达也受 ABA的调控 [ 13, 24 ]。在胁迫处
理诱导大麦的小孢子胚发生期间, ADH3基因的诱
导表达和植株高的再生频率有关, 而反过来又和细
胞内的 ABA水平的增加有关 [ 25 ]。基于这两个基因
与 ABA之间的关系以及在小孢子胚发生过程中, 它
们都是在 ABA诱导之后上调表达。可以推测,在小
孢子胚发生过程中存在 ABA信号转导级联途径
( ABA signa ling cascade) , 通过 ABA信号途径对外
界胁迫信号的防御应答可能激活了某些导致小孢子
胚发生的基因表达。
22 细胞内生化环境及代谢产物的变化
利用流式细胞术通过对芸苔属植物小孢子细胞
pH的研究发现, 那些受到 30 热激处理的胚性细
胞在培养 96 h后呈现碱性, 与此同时, 正常花粉发
育途径的小孢子细胞内环境则向酸性变化; 比较受
胁迫和未受胁迫的烟草小孢子细胞内代谢物发现,
一些氨基酸如精氨酸、鸟氨酸和 triam ine sperm idine
在受到胁迫的小孢子细胞中显著增加 [ 26] , 而多胺
( polyam ines)如亚精胺 ( sperm idine)由氨基酸的脱
羧反应形成,在此期间会消耗 H + ,这无疑也会造成
细胞内环境的碱性化;研究发现紫花苜蓿具有胚性
的原生质体呈碱性 [ 27]。另外的研究表明, 墨角藻属
植物合子发育期间可以观察到质子梯度能够影响
Ca
2 +进入细胞并建立胚的极性; 而在油菜小孢子培
养体系中,当用 dioctanoy lg lyco l( DG )处理未受诱导
16
2011年第 1期 王炜等:高等植物小孢子胚发生的启动
的小孢子, Ca2+水平达到增加 20倍 [ 28] ;并且 Ca2+参
与 ABA的信号转导过程并由此导致 EcM t基因的表
达,这个过程可能还牵涉到钙调蛋白 [ 29 ]。综合以上
研究结果,推测在小孢子胚发生过程中,受到胁迫诱
导的小孢子内环境碱性化并因此而激活了 Ca2+所
介导的信号级联途径。
用甘露醇进行渗透胁迫诱导大麦的小孢子胚发
生期间,发现与淀粉合成相关的一些关键基因均下
调表达;同时,一些与淀粉及蔗糖降解相关的酶则因
受到诱导而进行表达 [ 4]。对大麦小孢子用甘露醇
进行渗透 +饥饿胁迫处理, 并用 M IPS database对差
异表达的基因归类,其中 40%不能划分到任何类别
中,在能够归类的基因当中, 50% 的可归入 代谢
和 能量 类中, 代谢 一类中主要的基因与碳和碳
水化合物代谢相关,而 能量 一类中则与糖酵解和
糖异生相关。对属于这两类中的基因进行全面的考
察发现,贮存化合物如淀粉、蔗糖和脂类等的分解代
谢显著高于其生物合成代谢,表明在饥饿胁迫期间
中心碳代谢的重组朝着对不同来源的碳骨架的灵活
使用 [ 30]。由此可见,受到胁迫后的小孢子细胞中的
代谢行为和产物发生的变化可能与小孢子的胚发生
相关。
3 细胞结构的重排和分裂模式的变化
如上文所述,受到胁迫诱导的小孢子会出现星
状结构, 而这种结构与小孢子胚性潜能的获得相
关 [ 4, 31]。对大麦星状结构的超微结构的研究表明,
营养核移向中央,而生殖细胞则仍然连接于花药内
壁,随着营养核在中央的定位, 生殖细胞和营养细胞
都开始进行分裂;细胞示踪研究结果表明,这种最初
形态上的变化预示着从脱分化状态转向细胞分裂的
启动 [ 25] ;用激素或热诱导菊苣属植物 C ichorium的
体细胞胚发生,也会经历一个典型的星状结构的阶
段 [ 32]。这些研究结果均表明,星状结构与胚性潜能
的获得密切相关,然而,星状结构并不能保证细胞将
会进入胚发生途径。据 Indrianto等 [ 31]的研究结果,
星状结构的形态其实是动态过程的一部分, 其发生
的时间依赖于所使用的胁迫种类和小孢子所处的发
育阶段;在大麦的小孢子胚发生过程中,膨大的小孢
子在培养几天后呈现出胚状形态;然而,只有那些比
大多数小孢子相对晚些的增大的小孢子才有显示出
星状结构的倾向才能成功的形成胚 [ 4]。
目前已知真核生物的细胞质重排有两种途径,
一是泛素 26S蛋白酶体体系, 这是细胞主要的降解
途径;二是自噬作用, 即细胞通过溶酶体降解细胞
器,并将降解产物进行循环再利用。在细胞正常发
育过程中,这两种途径是受严格调控的,而在受到诸
如热激、饥饿或低温等胁迫诱导后, 它们也会被激
活 [ 33]。在烟草的小孢子受到诱导之后,细胞器经历
一个程序性的破坏过程,这个过程被溶酶体所介导。
然而,在小孢子脱分化期间, 不仅发生自噬作用, 而
且在那些受到胁迫的大麦小孢子中, 编码参与泛素
26S蛋白酶体途径酶的基因也被诱导表达 [ 13]。
胚性小孢子细胞会产生一个由微管束组成的早
前期板 ( PPB)使得细胞能够对称分裂,而在正常花粉
发育途径中,第一次有丝分裂期间不会出现 PPB[ 34 ]。
小孢子中的 PPBs的出现标志着小孢子胚发生的开
始,其完整性对于细胞壁的发育很关键 [ 35]。这些细
胞骨架的运动与许多细胞骨架和膜泡运输相关基因
的上调相一致 [ 3, 2 8]。另外, 来自于油菜的 RhoGT
Pases (ROPs)可能与细胞骨架结构的改变有关。通
过对正常花粉发育途径中的小孢子 ROPs和胚发生
途径中的小孢子 ROPs进行分析, 表明 BnROP5调
控细胞骨架的排列,从而使得花粉进行不对称分裂,
而 BnROP9在热激介导的 BnROP5变化之后会在
PPB介导的体细胞型的分裂模式中起作用 [ 36]。
同时, 由于抗微管药物秋水仙素和细胞松弛素
D的处理可诱导小孢子细胞核移向细胞中央, 之后
进行对称分裂,进而引发小孢子的胚发生,因此一些
研究者认为细胞骨架的重排与对称分裂有关 [ 34, 37]。
然而,用秋水仙素对玉米的小孢子进行诱导的研究
中, 并没有发现小孢子细胞核的对称分裂 [ 38] ; 而在
油菜小孢子双核的早期用 32 的热激处理不对称
分裂后的花粉或用 41 的高温处理双核晚期阶段
的花粉均可诱导小孢子的胚发生 [ 39, 40 ]。有意思的
是, 热激和低温处理都可以使细胞骨架重排和营养
核向中央定位 [ 39, 41 ] ,尽管目前还不清楚饥饿处理是
否会导致细胞骨架的重排, 但其确实可诱导细胞核
移向细胞的中心位置 [ 42]。
4 抑制正常的花粉发育程序
前期从形态上的研究表明,胁迫显著抑制了花粉
17
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
的正常分化过程 [ 43]。之后的一些研究表明,小孢子
细胞受到胁迫后其总体蛋白的水平显著下降 [ 44, 45] ;
淀粉在花粉的发育过程中起着重要作用, 对淀粉的
生物合成的抑制能够使花粉的正常发育受阻 [ 46] ,而
且在受到诱导的、花粉状的和未受诱导的小孢子之
间最显著的不同之一是淀粉的积累, 但是在被诱导
油菜中,胚发生的诱导也可能发生在两细胞花粉晚
期 [ 39] ,那么对淀粉生物合成的抑制或者降解是否为
小孢子胚发生的诱导所必需,但其实这与其他的试
验结果并不矛盾,而且还提供了进一步的支持,因为
油菜花粉本身是以低水平的淀粉积累为特征 [ 39 ]。
这些结果都提示,小孢子胚发生的诱导与花粉特异
蛋白和其他与花粉正常发育相关成分的降解有关。
在转录水平上的研究进一步证明了这一点, 如与蛋
白质生物合成相关的转录因子在水平和复杂性剧烈
下降 [ 47] ;甘露醇处理后大麦小孢子细胞中 26S蛋白
酶体调控亚基 8以及蔗糖和淀粉降解相关基因上调
表达与小孢子胚性潜能的获得紧密相关 [ 13, 48] ; 最近
通过消减抑制杂交在受胁迫的烟草小孢子中鉴定
了一个与拟南芥翻译启动子 eIF2a序列相似的
cDNA克隆 ntsm3, 参与饥饿胁迫下蛋白质合成的
下调 [ 26]。因此,在小孢子胚发生过程中,对正常花
粉发育途径程序的抑制可能对小孢子胚性潜能的
获得是必需的。
5 小孢子胚发生过程中的细胞周期事件
在正常的花粉发育途径中, 花粉第一次有丝分
裂是不对称分裂,产生一个小生殖细胞和一个大营
养细胞 (即早期的双细胞花粉 )。之后,生殖细胞立
即经历一个快速的细胞周期并被阻滞于 G2期, 而营
养细胞则不经历进一步的细胞周期, 而是阻滞于 G1
( G0 )期。胁迫诱导能够解除这种发育上严格调控
的细胞周期阻滞,使得营养细胞在胁迫期间重新进
入 S期,而生殖细胞则由 G2期进入 M期, 之后,两者
都被阻滞于 G2期 [ 9]。例如, 通过氮 -糖饥饿对烟草
未成熟花粉进行胚性诱导使得营养细胞 G1期的阻
滞解除;当把处于 G1期的烟草小孢子分离后,用饥
饿和热处理,这些小孢子也会经历 DNA的复制并再
次阻滞于 G2期。另外,在 G1期的小孢子和早期的双
细胞花粉粒中, G2期的阻滞可通过将受胁迫的小孢
子转移到富裕培养基并置于正常温度下而得以解
除, 而 G2期的游离小孢子在胁迫期间经历有丝分裂
和细胞周期阻滞 [ 49]。
植物细胞的细胞周期由周期依赖性蛋白激酶
( CDK s)的特性及其亚细胞定位所调控,反过来又被
周期蛋白、CDK激活或抑制蛋白激酶以及若干 CDK
抑制剂所调控 [ 50]。而泛素 26S蛋白酶体能够影响
这些调控子的的半衰期, 与植物中细胞周期调控中
的蛋白降解相关。在体细胞胚发生过程中, 细胞分
裂之前蛋白水解基因就已经得以激活 [ 51]。这些研
究结果表明,在胁迫诱导的小孢子胚发生过程中,泛
素和蛋白酶体基因表达可能也与细胞周期有关。
6 结语
从以上提到的研究可以得出,在小孢子细胞发育
命运由花粉发育途径向胚发生途径的转变过程中,正
常的花粉发育途径受阻,胚发生程序得以激活。对于
小孢子细胞在时间上如何协调受阻与激活,最具逻辑
性的推理应该是,首先花粉正常的发育途径受到抑
制,并使分化到一定阶段的小孢子细胞能够回复到最
初的未分化状态,然后才是小孢子的胚发生程序的表
达。然而,最近的研究结果表明并非如此,在胁迫所
诱导的油菜小孢子中, 至少在培养的前 5 d中,花粉
和胚发育途径共存 [ 47]。这种基因程序的重叠交错也
在大麦中得到证明,但这并不能排除所表达的基因对
于两种途径都是必须的可能性 [ 13]。
高等植物的小孢子培养由于能够产生大量的
DH系, 从而大大缩短了育种周期并提高了选择效
率, 目前已经在许多植物中获得成功,其中一些已经
应用于育种实践,但在一些具有花培 抗性 的重要
农作物中仍然未获得完全成功。对高等植物小孢子
的胚发生尤其是小孢子胚发生的启动过程的生理生
化和分子机制的研究是解决这一难题的关键因素之
一。近年来,随着基因组学、转录组学和蛋白组学等
学科的发展,人们通过差异显示技术已鉴定并分离
了一些启动小孢子胚发生途径中的若干标记基因和
蛋白质。这些基因的转录和蛋白质以及细胞骨架的
重排与胁迫应答和细胞代谢相关, 可能受胁迫诱导
的蛋白水解、活性氧爆发和细胞代谢的改变有关的
信号通路调控。除了以上所提到的,许多其他基因、
蛋白和代谢产物在小孢子胚发生期间上调表达, 可
能在此期间起作用,如 AGL53基因, BnUP1基因, 脂
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2011年第 1期 王炜等:高等植物小孢子胚发生的启动
质转移蛋白,与糖酵解和抗坏血酸相关蛋白和异麦
芽糖 [ 3, 26, 47, 52 ] , 但其确切的功能还不是完全清楚。
在受到胁迫的烟草小孢子中,大约有半数上调的序
列不能够被指定其确切的功能 [ 26] ;在油菜小孢子中
大约 25%具有未知序列 [ 52] ; 大麦小孢子在诱导期
间, 30个上调的 ESTs中有 7个编码蛋白质的同源
性未知 [ 13]。因此,进一步的研究还需要弄清这些基
因的功能,以及在启动小孢子胚发生过程中的信号
通路, 为理解小孢子胚发生的机制并运用于实践提
供更多的线索。
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(责任编辑 李楠 )
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