全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 7期
植物花粉 S基因及其应用研究进展
郭长奎 1 　罗淑萍 1 　于静 1 　李疆 2
(1 新疆农业大学农学院 ,乌鲁木齐 830052; 2 新疆农业大学林学与园艺学院 ,乌鲁木齐 830052)
　　摘 　要 : 　自交不亲和性 ( self2incompatibility)研究是探讨植物遗传机制和植物育种的重要基础。在显花植物中 ,配子体
自交不亲和由花柱 S基因 S 2RN ase和花粉 S基因两个基因控制 ,这两个基因都具有较高的多态性和序列多样性的特征。花粉
自交不亲和性是由花粉特异表达的 F2box基因控制 ,命名为 SFB ( S hap lotype2specific F2box p rotein)基因 ,并认为它就是花粉 S
基因的首选。就 SFB 基因的克隆、结构特点和作用机理以及应用予以综述。
关键词 : 　自交不亲和 　SFB 基因 　花粉 S基因 　F2box　应用
Development of the Pollen S Gene and Its Application in Plant
Guo Changkui1 　Luo Shup ing1 　Yu J ing1 　L i J iang2
(1 College of Agronom y, X injiang Agricultural University, U rum qi 830052; 2 College of Forest Science and
Horticulture, X injiang Agricultural University, U rum qi 830052)
　　Abs trac t: 　Self2incompatibility in the flowering p lant is controlled by two genes, the S2RN ase and the pollen S gene, both of which
exhibit the high polymorphism and high sequence diversity characteristic of p lant self2incompatibility system s1 A pollen2exp ressed F2box
gene, named SFB ( S hap lotype2specific F2box p rotein) is likely to be the first candidate for pollen S genes, which were exp ressed spe2
cifically in pollen1 The clone of SFB gene and the structure of the SFB were summarized, and the role of SFB and its app lication in the
RNase2bassed GSIwere also discussed1
Key wo rds: 　Self2incompatibility　SFB gene　Pollen S gene　F2box　App lication
收稿日期 : 2009201204
基金项目 :国家自然科学基金项目 (30760146) ,国家科技支撑项目 (2007BAD36B01)
作者简介 :郭长奎 (19812) ,男 ,山东青岛人 ,硕士研究生 ,研究方向 :分子生物学 ; E2mail: ckguo1981@yahoo1com1cn
通讯作者 :李疆 , Tel: 099128762363, E2mail: lijiangxj@1631com
　　自交不亲和性 ( self2incompatibility, SI)是显花植
物进化过程中重要的遗传性状 ,它通过抑制自花授
粉 ,促进种内基因交流 ,防止了物种的退化 ,在保持物
种稳定的基础上通过单倍体间基因组合的多样性推
动了生物进化 [ 1 ]。自交不亲和性大体上可分为配子
体型自交不亲和性 ( gametophytic self2incompatiblity,
GSI)和孢子体型自交不亲和性 ( sporophytic self2in2
compatiblity, SSI)两种 [ 2 ]。自交不亲和系统受一个具
有复等位基因的单基因座多态性的 S2locus控制 ,它
包含至少一个花柱特异性表达的 S2决定子基因和一
个花粉特异性表达的 S2决定子基因 ,自交不亲和现象
可能为花柱和花粉特异性表达的 S2决定子基因编码
产物的相互识别所导致 [ 3 ]。
近年来 ,经过国内外大量的实验研究表明 ,蔷薇
科 (Rosaseae)、茄科 ( Solanaseae)、玄参科 ( Scrophu2
lariaceae)的多个物种中 ,花柱 S2决定子已确定为 S2
核酸酶 ( S2RNase) [ 4 ] ,并且大量的 S2RNase基因已
经被克隆出来。关于花粉特异性表达的 S2决定子
研究还处于摸索阶段 ,尚未分离鉴定控制花粉不亲
和性表达产物 ,但已经肯定了花粉自交不亲和性是
由 F2box基因控制 ,并确定 SFB ( S hap lotype2specific
F2box p rotein, SFB ) 或 SLF ( S2locus F2box p rotein,
SLF)基因为花粉 S基因 [ 5 ]。
1　SFB 基因的克隆研究
花粉 S基因一般应该具有在花粉中特异表达 ,
与 S 2RN ase基因在位置上紧密相连 ,在基因序列上
存在与 S2RNase基因高变区相对应的多态性和高的
序列多样性以及与 S 2RN ase具有特异识别作用的特
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 7期
点 [ 6～8 ]。根据以上特点 ,现在已经通过染色体步移
法、反向 PCR、基因文库构建和 RACE ( rap id amp lifi2
cation of cDNA ends, RACE)等方法获得了大量的花
粉 S基因 SFB /SL F, 并通过大量的实验证据证明
S FB 就是花粉 S基因。
111　染色体步移法克隆 SFB 基因
Lai等 [ 9 ]根据 GSI花粉 S基因可能的特征 ,采用
S位点区域染色体步移法在玄参科金鱼草 (A ntirrh i2
num )自交不亲和 S2locus中首次获得了一个具有花
粉组织特异性表达的 F2box基因 A hSL F2S2 (A n tirrh i2
num S2locus F2box S2)。Q iao等 [ 10 ]为了验证 A hSL F2
S2和 S 2RN ase的相互关系 ,把 A hSL F2S2转移到牵牛
花中 ,并经过一系列的授粉试验证明 A hSL F2S2蛋白
在 SI应答期间调节选择性 S2RNase的降解 ,并确定
多态性基因 SL F包括 A hSL F2S2控制花粉的自交不
亲和性。U shijima等 [ 11 ]在扁桃 ( P runus du lcis)上通
过染色体步移扩增扁桃 Sc单元型 ,构建了围绕 Sc2
RN ase基因的约 200 kb的重叠克隆群 ,序列分析表
明 ,扁桃的自交不亲和决定基因可能在约 70 kb的
范围内 ,其它的序列相对于所有 S单元型而言相对
保守。其后 , U shijima等 [ 6 ]应用 R iceGAAS系统对该
70 kb的 S2locus序列分析表明 ,其中含有已知的 S 2
RN ase基因完整序列和 2个花粉表达的 F2box基因 ,
一个命名为 SFB ,在花粉中专一表达 ,并与 S 2RN ase
一样具有较高的序列多态性 ;另一个不可能是花粉
S基因 ,它只有较低的等位基因多态性和在花柱中
表达。这些特征符合 SFB 作为花粉 S基因的推论。
112　反向 PCR法克隆 SFB 基因
Yamane等 [ 12 ]采用反向 PCR的方法获得了 2个
甜樱桃的 S FB 基因 : PaSFB 3和 PaSFB 6,序列分析
表明与扁桃 PdSFB 同源性较高为同源基因 ,同时表
现出了专一序列多态性 ,并且在花粉中特异表达 ,因
此认定 PaS FB 3和 PaSFB 6就是花粉 S基因。
113　基因文库构建法克隆 SFB基因
Romero等 [ 13 ]以梅 ( P runus a rm en iaca L1 )为材
料构建了 BAC文库 ,序列分析获得了只在花粉中表
达 ,而不能在叶片和雌蕊中表达的 2个 SFB 基因
S FB 1和 S FB 2,更加证明了 SFB 基因作为花粉 S基
因的可信度。Paja等 [ 14 ]以含 S2等位基因的植物为
材料 ,构建了 BAC文库 ,进行测序分析获得了一个
位于 S22RN ase下游并在读码框的末端存在一个 F2
box结构的基因 SL F2S2。根据 SL F2S2设计了一个
长度为 888 bp的探针 ,对花器官和叶片进行杂交检
测 ,只有花药、成熟的花粉和花粉管中检测到花粉 S
基因的表达产物 ,而其它组织中没有检测到表达产
物 ,从而认定 SL F为花粉 S基因。
114　RACE技术扩增 SFB 基因
RACE技术是基于 PCR技术由已知的部分 cD2
NA序列来获得完整 cDNA序列的一种方法 ,比较适
合已经广泛研究并且具有保守性的基因的克隆 [ 15 ]。
SFB 基因就具有保守较高的保守性 ,利用 RACE技
术已获得了大量的 SFB 基因片段。
成建红等 [ 16 ]根据 GenBank登录的 16个 S2locus
F2box同源基因保守区设计兼并引物 ,利用 RT2PCR
和 RACE等手段 ,从甜樱桃品种‘红灯’花粉 cDNA中
克隆到编码 376个氨基酸多肽的全长基因 PaSFB 9。
研究显示该基因在花粉组织中特异性表达 ,并表现出
S92单元型特异的连锁信号。郭振宇等 [ 17 ]以扁桃‘Pi2
oneer’品种为材料 ,利用 RT2PCR及 RACE技术 ,克隆
了 1个新的 SLF,并验证 PdSLF1在花粉中专一表达。
Vaughan等 [ 18 ]从甜樱桃中分离到了 12个 SFB 基因 ,
并且其 5′非翻译区含有内含子 ,根据内含子的不同设
计了快速鉴定基因型的新方法。Zhang等 [ 19 ]从日本
梅中分离到了 8个 SFB基因并命名为 PsSFB ,研究表
明 ,在 PsSFB 和 S 2RN ase等位基因之间有 410～2 800
bp的序列 , 8个 PsSFB基因表达蛋白序列之间的同源
性在 74%～83%之间 ,并证明在花粉中专一表达 ,最
终认为 PsSFB 基因就是日本梅的花粉 S基因。Cheng
等 [ 20 ]根据已公布 SFB 基因的保守区设计简并引物 ,
利用 RACE技术从苹果花粉中得到 SL F1和 SLF2,
PCR对基因组进行扩增 ,结果表明 SLF是与 S 2RN ase
紧密连锁的 ,从而证明了 SFB 是与 S 2RN ase的进化相
关性。
2　结构特点以及作用机理
211　SFB的结构特点
研究发现 ,花粉 SFB基因在基因组中位于雌蕊 S2
RN ase的下游区域 [21 ] , SFB到 S2RN ase的距离在 380 bp
～30 000 bp范围内 [ 22 ] ,以相反的方向进行转录 [23 ] ,并
在 N2末端存在一个保守的 F2box区域 [10, 16 ]。SFB 基因
序列 cDNA全长分析表明 ,分析软件推测其氨基酸全
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2009年第 7期 郭长奎等 :植物花粉 S基因及其应用研究进展
长大约在 376个氨基酸左右 [16, 17 ]。F2box区大约由 40
～50个氨基酸组成 ,有些位置的氨基酸比较保守 ,如
Phe23、Leu28或 Met28、Pro29、Ile216或 Val216、Leu220或
Met220、Ser232或 Cys232[24 ]。推测的氨基酸序列比对分
析表明 , SFB s蛋白序列的相似程度与已发现的 S2
RNase接近 ,并且与 S2RNase一样 ,部分 SFB蛋白表现
出了属内比种内相似程度更高的特点 [25, 26 ]。SFB在 C2
末端存在 2个具有高度多态性的高变区 (hyper variable
region, HV区 ) ,分别记为 HVa和 HVb,这可能是与 S2
RNase HV区进行特异识别的部位 [2 ]。研究表明 ,影响
两个高变区编码的因素可能会影响花粉 S决定基因的
专一性 ,从而导致自交亲和 [28 ]。
212　SFB的作用机理
Q iao等 [ 29 ]获得了金鱼草中 AhSLF2S2蛋白是如
何在 SI中起作用的直接证据。研究表明 ,泛素 /26S
蛋白体活性在亲和性授粉中表达 ,自交亲和授粉后
花柱中的泛素水平明显增加 ;免疫共沉淀显示自交
亲和诱导产生花粉蛋白后 , S2RNase被泛素蛋白化 ,
自交授粉 36 h后 S2RNase水平下降。总之 , AhSLF2
S2与 S2RNase的相互作用可以通过 SCF ( Skp12Cull2
in F2box)复合体起作用。由此预示泛素介导的 SCF
蛋白降解途径可能参与配子体自交不亲和反应 ,可
能是自交不亲和的分子机理 [ 30 ]。
虽然各种模型还不能完全解释配子体自交不亲
和植物的不亲和分子机理 [ 31 ] ,但在有关雌蕊不亲和
因子和花粉不亲和因子相互作用方面依然提出了 3
种模型 :膜受体模型、胞内抑制子模型和修正的抑制
子模型 [ 3, 32 ]。相信 SCF蛋白降解途径和各种模型
的结合将对解释 SFB 的作用机理起到推动作用。
3　SFB应用研究进展
Tsukamoto等 [ 33 ]利用酸樱桃 S2单元型的突变位
点设计了特异性的引物 ,通过 PCR扩增就很快的区
分自交亲和 ( SC)和自交不亲和 ( SI)品种 ,并且在发
芽期利用此方法就可以区分 SC和 SI,在田间种植
前剔除 SI的种苗 ,提高了选种效率。朱墨等 [ 34 ]根
据甜樱桃 SFB 4基因设计引物 ,从自交不亲和‘雷
尼 ’和‘佳红 ’以及自交亲和的‘斯坦拉 ’总 DNA中
分别扩增出 SFB 4和 SFB 4′基因的部分序列。测序结
果发现 : SFB 4′基因比 SFB 4基因缺失了 4个碱基 TA2
AA。根据这个缺失差异 ,设计了一对引物 BFP200和
BFP201,这对引物只能扩增 SFB 4′基因 ,而不能扩增
SFB 4基因 ,从而利用 SFB 基因区分开了甜樱桃自交
不亲和的 S4和自交亲和的 S4′单元型。张晓明 [ 35 ]基
于甜樱桃 SFB 4′基因中的缺失突变 ,获得了 SFB 4′基
因特异分子标记 ,从而区别开了利用 S 2RN ase基因不
能区分的 S4和 S4′单元型。Yamane等 [ 27 ]同样利用
日本梅的 SFB 的特点 ,发展了单元型和自交不亲和
的分子标记。
Sutherland等 [ 8 ]根据等位基因间的高多态性的
第二个内含子同样显示出了很高的保守性 ,设计了
通用兼并引物来扩增和测定多态性的 SFB 的序列。
Vaughan等 [ 18 ]根据甜樱桃 SFB 基因 5′非翻译区内
含子的差异 ,建立了快速鉴定基因型的新方法。
Marchese等 [ 36 ]研究突变型的甜樱桃‘Kronio’时发
现 SFB 2S5′在 HVa区发生突变 ,提前遇到终止子 ,导
致蛋白缩短 ,在第二内含子中与 S 2RN ase相关的 S5′
比 S5包含的微卫星序列更小 ,据此设计引物扩增这
段微卫星序列皆可以区分 S5′和 S5。
Tsukamoto等 [ 37 ]以四倍体酸樱桃为材料 ,验证
了 S 2RN ase和 SFB 的突变导致了 SI的失效。试验
验证了 3个突变位点的分子基础 , S6m2 2RNase有 1
bp的缺失 , S13m 2RNase缺失了 23 bp而 S FB 13′则是
有 1 bp的增加 ,以上的突变都导致了翻译过程中提
前遇到终止子。同样 Nathanael等 [ 39 ]也研究了酸樱
桃的 S1位点的突变 ,在 SFB 2S1′中包含一个 615 bp
的插入片段 ,使翻译提前遇到终止子 ,从而认为 S1′
与 Sf 和 S6m一样是由于插入片段导致的 GSI的故
障。Tsukamoto等 [ 38 ]还研究了花粉的突变种与 SFB
的重叠紧密联系 ,从而导致 SI的变异 ,有自交不亲
和变成自交亲和。Sonneveld等 [ 40 ]在研究花粉突变
的甜樱桃时 ,发现花粉功能的缺失与 SFB的缺失突
变和移码突变有关。
4　讨论
对花粉 S基因的研究仅集中在基因的克隆和相
关的突变 ,花粉 S基因相关蛋白质研究还没以一个
定论 ,只是处于初级阶段。其次 ,目前关于 SFB 基
因的单元型确定还相对的混乱 ,需要有统一的标准。
再者 , F2box蛋白与雌蕊中 S2RNase的相互识别和作
用尚无确凿的实验证据 ,该过程中的分子机理不明。
SFB 基因作为花粉 S基因的首选 ,已经通过转基因
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 7期
或者花粉基因突变的方式获得了部分证据 ,并且大
量的研究已经开展。
大多数研究认为 SFB 和 SL F基因均是花粉 S
基因 ,但 Matsumoto等 [ 41 ]的研究表明 , SL F基因具有
F2box区域但并没有直接影响 GSI和花粉管的生长 ,
并且 SL F基因可能是 S FB 基因的前体 ,并在 GSI中
起增强的作用。大量的研究证明 , SFB 基因具有较
高的保守性 ,有时种之间的同源性会低于属之间的
同源性 ,充分说明 SFB 基因在遗传上的稳定性 ,这
也可能是自交不亲和促进物种稳定的基础。
花粉 S基因的大量克隆为 SI的分子机理研究
奠定了重要的基础。从根本上研究自交不亲和机
制 ,分离 S FB 基因的表达产物将是理论研究中的重
点。实际生产中 ,加强自交不亲和品种的基因型鉴
定 ,合理配置授粉树以提高产量 ,选育优良自交亲和
品种和提高品质成为现在 SI研究的主要目的。
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