全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 2期，2008年 4月 341
I型花粉致敏原的分子特性及其生物学功能
陈绍宁，王伟 *，叶永忠
河南农业大学生命科学学院，郑州 450002
Molecular Characteristics and Biological Function of Group-1 Pollen Aller-
gens
CHEN Shao-Ning, WANG Wei*, YE Yong-Zhong
College of Life Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
提要：I型花粉致敏原是主要存在于禾本科植物花粉中含量丰富的小分子糖蛋白，文章就其分子特性及其生物学功能的
研究进展作介绍。
关键词：致敏蛋白；花粉；分子特性；生物学功能
收稿 2007-10-25 修定 2008-03-04
资助 河南省高校科技创新人才支持计划资助项目 ( 2 0 0 8
H AST IT 0 05 )。
* 通讯作者(E-mail：wangwei@henau.edu.cn；Fax：0371-
6 3 5 5 5 7 9 0；T el：0 3 7 1 -6 3 5 5 5 4 3 9 )。
自从上世纪 60年代发现花粉致敏原以来，人
们对其免疫学性质，尤其是与人类免疫系统相互
作用的模式进行了深入地研究(Knox 等 1993；
Petersen等 1995；Laffer等 1996)。然而，长期
以来，这一类含量丰富的花粉蛋白质的生物学功
能并不清楚。它们在花粉发育及花粉管生长过程
中有何作用呢？显然，对该问题的回答需要了解
花粉致敏原的分子特性、基因表达规律及其在花
粉中的定位，尤其是采用反义遗传学的手段阻断
其基因表达后观察对花粉发育及花粉管生长的影
响。
1 I型花粉致敏原
花粉是自然界中最常见的植物致敏原，使过
敏者患上支气管哮喘、季节性鼻炎、枯草热和皮
炎等症。其中，禾本科花粉引起的 I型致敏反应
最为盛行，影响全球约 1/4人口的健康。禾本科
植物花粉中的致敏蛋白称为I型花粉致敏原(group-
1 pollen allergens)，它们是一类含量丰富的小分子
糖蛋白(20~35 kDa)，约占花粉可溶性蛋白总量的
4% (Valdivia等 2007a)。I型致敏原的命名依照世
界卫生组织制定的规则，根据其来源确定：如玉
米(Zea mays)花粉中主要的I型致敏原命名为Zea m
1， 黑麦草(Lolium perenne)花粉中主要的 I型致敏
原为 Lol p 1，猫尾草(Phleum pratense)花粉中主
要的 I型致敏原为 Phl p 1。
I型致敏原主要存在于禾本科牧(杂)草及农作
物的花粉中，但也见于木本植物(如雪松)的花粉
中(Midoro-Horiuti等 2006)。例如，黑麦草花粉
中存在种类繁多的致敏原，主要包括Lol p 1和Lol
p 5 (Johnson和Marsh 1965；Suphioglu等 1999)。
其中 Lol p 1有分子量不同的 2种同种型(Singh等
1991)。为降低黑麦草花粉的致敏性，Bhalla等
(1999)采用反义RNA技术抑制Lol p 1和Lol p 5在
花粉中的表达，结果发现：转基因花粉尽管可以
正常发育，但它们与患者 IgE的结合能力下降，
说明采用基因工程手段降低花粉的致敏原性是可能
的。
迄今，对来自禾本科农作物(如玉米)的 I型致
敏原的危害尚未引起人们的足够重视(Schubert等
2005)。Petersen等(2006)最近的研究表明，在猫
尾草花粉过敏的人群中，有 65%患者的血清可与
玉米花粉蛋白提取物结合，并确定玉米花粉中相
关的致敏原为 Zea m 1和 Zea m 13。我国是世界
上第二大玉米生产国，北起黑龙江，南至海南，
都有大面积的玉米种植。玉米是风媒传粉的植
物，单株花粉量大，因此在散粉季节，玉米花
粉可能是玉米种植区的一种潜在的致敏原。
2 I型致敏原属于膨胀素家族
早期的生理实验表明，细胞吸水后细胞壁疏
松并导致细胞扩大；生长细胞的细胞壁中的pH约
为 5 (或更低)， 细胞壁的酸化诱导了细胞扩大。
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在这种酸性生长过程中，具有细胞壁松弛活性的
膨胀素(expansin)起着关键作用(McQueen-Mason等
1992；Li等 1993)。目前发现膨胀素普遍存在于
植物细胞壁中。
Cosgrove等(1997)首先从玉米花粉中分离出 I
型致敏原 Zea m 1，并证实尽管其编码基因与膨
胀素基因只有 25%的同源性， 但它们的全长蛋白
质主链具有较高的同源性。此后，I 型花粉致敏
原被归入膨胀素家族。早期发现的膨胀素称为 α-
膨胀素，禾本科花粉的 I型致敏原及相关蛋白被
称为α-膨胀素，如Zea m 1也称为β-膨胀素1 (Wu
等 2001)。
α-和 β-膨胀素的基因表达具有高度的细胞、
组织特异性(Cosgrove等 2002)。α-膨胀素主要存
在于双子叶植物中，在这些植物迅速生长和分化
的细胞中，尤其是在细胞壁加厚的细胞中，基因
表达水平最高，参与细胞扩大、根毛生长、种
子萌发、果实成熟、胁迫响应等过程(Cosgrove
等 2002；Choi等 2006)。β-膨胀素主要存在于禾
本科花粉中，如玉米 Zea m 1基因仅在花粉发育
后期表达(Wu等2001)。β-膨胀素在其他组织中也
存在。例如，Lee等(2001)发现 β-膨胀素在深水
水稻的节间伸长中起作用，并且其基因表达受赤
霉素和创伤的诱导。分析拟南芥和水稻的膨胀素
基因结构和氨基酸序列的结果表明，α-和β-膨胀
素基因可能由一个共同的祖先基因进化而来，它
们的内含子、外显子区域相当保守，但内含子的
数目和每个内含子的长度在不同的个体基因中变化
很大(Lee等 2001)。
Zea m 1基因的序列(GenBank accession No.
AY197353)带有一段疏水信号肽，以及一个通过
天冬酰胺残基相连的糖基化位点，具有典型的分
泌蛋白的特征。采用液相色谱层析技术，从玉米
花粉粗提液中可区分出等电点(约 8.9)不同的 4种
Zea m 1同种型(Li等 2003)。采用双向电泳 /免疫
印迹技术也得到了类似的结果(Wang等 2004)。晶
体结构解析显示，Zea m 1蛋白包括两个结构域，
结构域 1与糖苷水解酶(GH45)的空间结构类似，
但缺少GH45水解活性必须的一个天冬氨酸残基；
结构域 2是一种夹心式的β折叠结构(Yennawar等
2006)。最近，Valdivia等(2007a)发现，Zea m 1
的编码基因远比以前知道的复杂：Zea m 1的编
码基因至少有 15个，其中 11个属于 A类，4个
属于 B 类。
Zea m l蛋白还具有其他特性，如：在花粉
中大量存在，约占花粉可溶性蛋白总量的 4 %
(Valdivia等 2007a)，与细胞壁的结合不够紧密，
松弛细胞壁的活性仅对某些禾本科植物有效， 对
双子叶植物的细胞壁几乎没有作用。相反，α-膨
胀素在花粉中含量低，与细胞壁结合紧密，它主
要对双子叶植物的细胞壁起作用( C os gr ove 等
2002)。
3 I型致敏原的细胞定位
I型致敏原在花粉中的细胞定位因植物的种类
而异。例如，猫尾草花粉中两种主要的致敏原Phl
p 1和 Phl p 5有不同的亚细胞定位：Phl p 1主要
存在于花粉粒内壁(Grote等 1994；Behrendt等
1999)，也存在于花粉粒的表面和花粉营养细胞的
胞质中(Staff等 1990) ；Phl p 5主要存在于花粉营
养细胞的细胞质中和花粉粒外壁上。黑麦草的Lol
p 1a主要存在于花粉营养细胞的胞质中， 而Lol p
1b主要存在于花粉营养细胞的造粉体中(Singh等
1991)。
在脱水的花粉粒中，I型致敏蛋白的电镜定
位比较困难，一般要求严格的无水固定和制备条
件。花粉致敏原极易溶于水，在常规的水基固定
液中，干燥花粉的再水合伴随着致敏原扩散出花
粉粒(Grote等 1994)。鉴于此，Taylor等(1994)认
为前人(Staff等1990)在花粉粒表面上检测到的I型
致敏原可能是从花粉粒内部扩散出来的。
Wang等(2006)的研究发现，I型致敏原(Zea
m 1)确实存在于花粉粒的表面。为避免常规的化
学固定法引起的花粉水合，他们采用低温固定 /冷
冻代替法(cryo-fixation/freeze-substitution)快速固定
新鲜玉米花粉粒。免疫金电镜观察表明，Zea m
1主要存在于花粉粒外壁以及最外层的表皮(coat)
中， 且分布是不均匀的(图 1-b、c) ；大量的 Zea
m 1存在于花粉粒内部。另外，用二乙醚(diethyl
ether)冲洗制备的花粉粒表面成分中含有 Zea m 1，
这证实了 Zea m 1在花粉粒表面中的存在(图 1-d、
e)。在有性生殖过程中，花粉粒最外层的表皮最
先与雌蕊的柱头接触，花粉粒表面的蛋白质在花
粉与柱头的相互识别、花粉萌发和花粉管生长过
程中起作用(Suen等 2003)。因此，Zea m 1在花
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粉粒表面的存在暗示它可能在花粉萌发及花粉管生
长过程中起作用。
4 I型花粉致敏原的功能
I型花粉致敏原的功能研究主要集中于Zea m
1上。曾有许多关于 Zea m 1功能的假说，诸如
它参与花粉发育、花粉管生长、花粉 -柱头相互
作用等，但这些假说均缺少关键的实验证据。
Grobe等(1999，2002)认为 I型致敏原是一类半胱
氨酸蛋白酶，但这一有争议的结果随即被尔后的
实验否定(Li和 Cosgrove 2001；Yennawar 等
2006)。
关于 Zea m 1生物学功能最流行的假说是
Cosgrove等(1997，2002)提出的。该假说认为，
Zea m 1通过其膨胀素的活性松弛雌蕊的柱头组
织，从而促进花粉管穿透柱头，并在花丝中生
长。支持这一假说的证据是，提纯的 Zea m 1可
以诱导多种禾本科植物细胞壁在离体条件下的扩展
(Cosgrove等 1997；Li等 2003)。但尚无证据表
明 Zea m 1存在于花粉管的表面(细胞壁)，尤其是
存在于花粉管生长的尖端并持续起松弛作用。另
外，在 Zea m 1基因表达受选择性抑制的背景下，
花粉萌发和花粉管生长行为的变化尚未见研究。
由于 Zea m 1的等电点较高，它与花粉粒壁中的
果胶质可以共价结合，可能与花粉壁的构建有
关。根据 Zea m 1的糖基化和高度亲水性这些特
性，以及它在花粉粒表面上的大量存在，Wang
等(2004)认为，在花粉萌发时，Zea m 1的作用
可能是像“灯芯”一样，起毛细管的作用，从
柱头或环境中吸收水分，从而有助于花粉的萌发
和花粉管的生长。
gams-2是一种采用T-DNA插入诱变获得的雄
性不育突变体，败育花粉的有丝分裂 I异常，发
育受阻于二核期，成熟花粉粒群体中 50%可育、
50%不育(Sari-Gorla等 1997)。Wang等(2004)分
析Zea m 1在gams-2突变体花粉中合成和积累的结
果显示，在 gams-2的可育花粉中，Zea m 1的合
成正常，而在败育花粉中几乎不合成，Zea m 1
合成的减少可能与不育表型有关。由于 gams-2的
败育花粉丧失了萌发能力，上述研究未能确定
Zea m 1合成的减少是否会影响花粉粒萌发和花粉
管的生长。由于 Zea m 1由多基因编码，采用分
子技术完全抑制其基因表达有相当的难度。最
近，Valdivia等(2007b)将转座子插入到Zea m 1的
最主要编码基因(EXPB1)中干扰 EXPB1在花粉中
表达的结果表明，突变体花粉中的 Zea m 1含量
显著降低，但花粉的发育和离体萌发并不受影
响。有意义的是，当有大量花粉粒(包括野生型
与突变体)在柱头上萌发时，最终进入胚珠的突变
体花粉管的比例比野生型的少，说明 Zea m 1的
含量在一定程度上会影响柱头上花粉粒的生长竞争。
总之，I型花粉致敏原，尤其是 Zea m 1的
分子特性的研究已取得了一定的进展，但有关这
类蛋白研究的中心问题，即它们的生物学功能仍
需要用反义遗传学的手段作进一步研究。另外，
Zea m 1在花粉管中——尤其是在花粉管表面(细
胞壁)、尖端的表达和分布规律也应探讨。
图 1 I型花粉致敏原 Zea m 1在玉米花粉粒表面中的存在(Wang等 2006)
a：新鲜玉米花粉粒的扫描电镜照片(比例尺 = 2 0 µm)。b：玉米花粉粒的透射电镜照片(局部)，显示花粉壁的分层结构及最
外面的表皮。c：免疫金标记显示 Z e a m 1 在花粉壁中的不均匀分布。d：考染的胶照片。e：免疫印迹照片，花粉粒用二
乙醚冲洗后，各组分的蛋白质用抗 Z e a m 1 的抗体免疫检测。1：总花粉蛋白；2：冲洗掉花粉表面成分后的花粉蛋白；3：
花粉表面蛋白，箭头示 Zea m 1 (31 kDa)。
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