全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 23(2)：155— 159 2003年 3月
水蕨性别决定研究进展
刘建武 ，刘 宁n ，孙成华
(1．北京 师范 大学生命 科学 学院 ，北京 100875；2．北京 市环境保 护监 测中心 ，北京 100044)
摘 要：介绍了成精子囊素、赤霉素、培养密度等环境因素对水蕨性别决定的影响以及和水蕨性别决定有关
的遗传学和分子生物学研究 ，概述 了 以水蕨 为材料研究植 物性别决定 的优 势及研 究意义 ，明确 了水蕨作 为研
究植物性别决定 的模式植物 的地位 。
关键词：性别决定；成精子囊素(Ace)；MADS-box基因；水蕨
中图分类号 ：Q945 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000-3142(2003)02—0155—05
Advances in the studies 0f sex—determining
● J ． ． ●
ln L。 J1．ato p terts
LIU Jian-wu1，LIU NingH ，SUN Cheng—hua
(1．College of Life Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2．Beijing
Environment Monitor Center，Beijing 100044，China)
Abstract：This paper reviewed the recent studies on the influence of environment factor(antheridiogen，GA
and spore density on germination)to sex-determining in Ceratopteris，introduced the research of genetics and
molecule biology on sex—determining in Ceratopteris，and summarized the advantage and signification to take
Ceratopteris as a model system for studying sex-determining mechanism s in plants．
Key words：sex-determining；antheridiogen(Ace)；MADS—box genes；Ceratopteris
蕨类植物位于维管植物进化树的中间位置“ ，
具有明显世代交替。无性生殖产生孢子 ，有性生殖
器官是精子器和颈卵器，精子器产生精子 ，颈卵器
产生卵。 。大多数蕨类植 物的孢子 大小形状都相
同，称为孢子同型 ，少数有大 、小孢子囊之分，产
生大、小孢子，称为孢子异型。
同型孢子蕨有许多特点适 合于配子体性别决
定、分化和发育的研究 ：(1)孢子体和配子体独立
生活 (种子植物配子体被孢子体组织包 围，分离和
研究都困难)，便于分别对两者进行研究 ； (2)配
子体 (原叶体)结构简单 ，多为背腹分化的绿色叶
状体，幼小的原叶体通常仅由一层细胞构成，能直
接在显微镜下研究其细胞 的大小、形状、分裂速
度、生长速度和分裂面的变化。 ；(3)配子体的
发育受成精子囊素调控，发育 阶段明显，易于培
养，生长周期短 ，有雌雄同体或雌雄异体的植物，
分离容易；(4)通过完全 自体受精能产生基因位点
完全纯合的孢子体，突变体筛选容易 ；(5)孢子
体发达 ，有根 、茎、叶分化和较原始的维管组织构
成的输导系统 ，能产生大量孢子，孢子采集方便 ，
易于贮藏n“ ；(6)配子体发育 、性器官分化和有
性生殖 (包括性别决定)研究 ，已积累了一定的背
景资料 ∞。上述特点为利用分子生物学手段研
究维管植物配子体发育提供了很大方便，其中的水
蕨属 (Ceratopteris)植物被认为是研究植物性别
决定的模式植物0 “ 。
收 稿 日期 ：2001—11-23； 修 订 日期 ：2002-04-12
作者简介：刘建武(1968一)，男，山西人 ，硕士 ，实验师 ，从事植物学教学和研究工作。 *为通讯作者
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156 广 西 植 物 23卷
1 水蕨概述
水蕨为半水生的亚热带蕨类植物。其生活周期
较短，约为 3～4个月。孢子体每月形成的孢子叶能
产生大约 1O 个孢子，孢子萌发两周后配子体就能
达到性成熟，此时配子体大小为 1～2 mm。孢子叶
叶轴上能产生数百个有光合能力 、可用于营养繁殖
的芽。水 蕨受精 有三种 方式 ：完全 自体受 精 (in—
tragametophytic selfing或 automixis，同一配子体
的精子和卵子 自体受精形成基因位点完全纯合的孢
子体的生殖方式，种子植物无此类有性生殖方式)；
自体受精 (intergametophytic selfing或 autogamy，
同一孢子体的不同孢子形成的配子体之间的精子和
卵子受精形成孢子体的生殖方式)；异株受精(inter—
gametophytic crossing或 xenogamy，不同孢子体的
孢子形成的配子体之间的精子和卵子受精形成孢子
体 的生殖方式 )C1,43。
经辐射 、EMS等处理孢子可得 到配子体突变
体。孢子萌发形成单倍体 (n)配子体 ，突变体易
筛选n 。为确定 突变 基 因 的显 隐性 ，可 通 过 无
孢子生殖分别产生突变体和野生型的双倍体配子体
(2n)，然后受精产生孢子体 (4n)，该孢子体的配
子体 (2n)表型会分离 ，如果野生型：突变体 一6
：1说明突变基因是显性 ；如果野生型 ：突变体一
1：6说明突变基因是隐性n 。水蕨属有一些双倍
体和四倍体纯合体被作为实验材料 ，最常用的是双
倍体株系 ON8、176D和 Hn—n。它们孢 子叶的形
态差异较大。 N8采 自尼加拉瓜，每个孢子囊有
32个孢子；Hn-n和 176D分别采 自古巴和圭亚那，
两者的每个孢子囊都为 16个孢子。和 ON8、Hn—n
相比 176D对 Ace敏感性低，培养时形成的雄配子
体 少 。
2 水蕨性别决定有关的因素
2．1水蕨性别决定的激素调控
成精子囊素对蕨类性别表达的影响于 1950年
被 DOpp发现n 。大多数同型孢子蕨能分泌成
精子囊素，并对其发生反应 。孢子萌发后，生长快
的配子体形成雌配子体或雌雄同体配子体并分泌成
精子囊素，而生长慢的则在成精子囊素的影响下成
为雄配子体“
Schedlbauer和 Klekowski于 1 972年 得 到 C．
richardii成精子囊素(Ace)并研究了它对配子体发
育的影响 。C．richardii对 Ace的反应只有一个
极短的时问，从孢子壁破裂到 四个 细胞的配子体。
在此期间 ，如果环境中一直有 Ace存在，则形成雄
配子体 ；如果除 去环境 中的 Ace，雄配 子体上还 未发
生性决定和性分化的细胞就会逆转，雄配子体就转
化为雌雄同体配子体。即对雄配子体而言，无论性
诱导阶段还是性维持阶段 ，都需要 Ace存在，相反 ，
雌雄同体配子体发育是稳定的，一旦决定 ，就不会逆
转 ，与 Ace存在与否无关 。
赤霉素(GA)能诱导密穗蕨 (Anemia phylliti-
dis)、A． rotundifolia 和 海 金 沙 (Lygodium ja—
ponicum)形成精子器，与天然成精子囊素(Aan)诱
导密穗蕨原 叶体产生精 子器的效应极 为相似，但
GA无法诱导水蕨形成精子器。GA生物合成的抑
制剂矮壮素 (CCC)、嘧 啶醇 (ancymido1)和 AMO一
1618抑制 Ace诱导水蕨形成精子器的能力。脱落
酸(ABA)阻止水蕨属植物对 Ace的反应 ”。
成精子囊素对蕨类的生存竞争具有积极意义 ：
同一生境中发育较快的配子体形成雌配子体或雌雄
同体配子体 ，其侧生分生组织分泌成精子囊素。 ，
诱导其它孢子萌发形成雄配子体 ，增加了环境中精
子的浓度 ，有利于 自身得到优秀的精子；通过抑制
其它孢子形成雌雄同体配子体 ，利于自身充分利用
有限资源产生合子和孢子体；增强较小配子体在竞
争环境 中生殖行为成功的几率 (形成雄配子体)；
促进配子体之问的杂交 ，保证遗传的多样性 。从
单个植株的角度来看 ，这似乎是蕨类植物之间的竞
争，对蕨类植物其它个体的生存不利，但是 ，从蕨
类植物整体的角度来看，这种竞争有利于蕨类植物
的生存 。
2．2水蕨性别决定的其它调控因素
Schedlbauer发现水蕨 (C．thalictroides)孢 子
的大小和孢子存储的营养物质的量、孢子萌发时间 、
配子体发育速度都相关。快速生长的配子体成为雌
雄同体配子体 ，而发育较慢 的配子体在其影响下成
为雄配子体 ∞。
培养密度 、生长速度和营养状态等因素与性别
决定也有关 。一般而言，较弱的光照、较高的培养密
度、处于饥饿状态等有利于精子器的形成 ，可能是营
养生 长 的 衰 减 导 致 了 精 子 器 发 生 基 因 的 表
达n ¨。此现象在植 物界 比较普遍 ，利于物
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2期 刘建武等：水蕨性别决定研究进展 157
种的生存 ，是物种长期适应环境的结果。
2．3水蕨 性别决定的遗传 学和分子 生物学研 究
蕨类植物性器官分化的分子生物学研究开展较
晚 ，标志性 工作是 对 Ace不敏 感 C．richardii雌 雄
同体突变体 her、tra和 fem 的分离和研究 。已
分离的影响性别决定突变体有 her(hermaphrodit-
ic)、tra(transformer)、fem (feminization)、man
(many antheridia)、dim (disorganized meristem )、
H TUBE 1 (irregular meristem)⋯ 和 abr(abscisic
acid—resistant)。her对 Ace不敏感 ，即使有 Ace也
不形成雄配子体，总是形成雌雄 同体配子体；tra对
Ace不敏感 ，即使没有 Ace也不形成分生组织和颈
卵器，总是形成雄配子体 ；fem对 Ace不敏感 ，无论
Ace存在与否都不形成精子器 ，而是形成分生组织
和大量的颈卵器；man无论 Ace存在与否都形成大
量的精子器；H TUBEl 配子体多形成较大的边缘
分生组织或多个边缘分生组织 ，有时也形成 中央分
生组织 ；abr对 ABA不敏感 ，环境 中同时有 Ac 和
ABA时发育为雄配子体 ，只有 ABA时发育为正常
(A) AcE
的雌雄同体配子体 。
图 1分析了部分性别决定基因的相互关系以及
对性别分化 的影响n 。FEM 和 TRA 是主要性
别决定基因，FEM 促进雄配子体形成，TRA促进雌
配子体形成。FEM 和 TRA 的表达相互抑制，同一
配子体中只表达其中之一，是表达 FEM 还是 TRA
和成精子囊素 的存在与否相关。成精子囊 素激活
HER基 因 ，HER基 因的活化抑制 TRA 基 因 ，FEM
基因得 以表达，产生雄配子体。成精子囊素缺乏 ，
FEM 基因表达被抑制 ，TRA基因得以表达，产生雌
配子体。以上分析基于经典遗传学，其分子基础还
有待研究n 。配子体根据环境 因素决定性别的性
别决定机制在多种动物中也存在，大多数植物的性
别是由遗传决定的。 ”。
目前，已经从 C．richardii的雄配子体中克隆
到了 Ace诱导基 因，其 cDNA(Hn153)在 Ace处理
后 5～8 d的配子体 中有相对高的表达；在小于 4 d
的配子体、孢子体组织和成熟雌雄配子体中都没有
表达 ”。
Singal transduction genes Sex·regulator genes Terminal sex differentiation genes
(信号转换基 ) (性)jIJ调节基 ) (终末性)jlJ分化基 )
揪][ TRAs，-
(B) +AcE HERs on
(C) ·AcE HERs off
FEM 卜一
TRAs off
MAN1 off
FEMl Oil
S on ·
MAN1 on
FEM1 O髓
FEMALE(雌配子体)
MALE(雄配子体)
·MALE(雄配子体)
FEMALE(雌配子体)
图 1 Ceratopteris性别决定模型(Banks，1999)
Fig．1 A model of the sex-determining pathway in Ceratopteris(Banks，1999)
(A)性别决定基因的相互作用；(B)、(c)分别表示 AcE存在或缺失时性别决定基因的活性状况；箭头表示促进作用，钉型表示抑制作用。
The potential interactions among the sex—determining genes are illustrated in(A)l The activities of the sex—determining
genes in the presence(B)or absence(C)of antheridiogen are shown；Lines ending in arrows indicate
activating interactions and lines ending in bars indicate repressing interactions．
ON8、176D和 Hn—n的多态性(PFLPs)研究发
现，176D和 Hn—n的多态性 图谱较为相似 ，ON8与
176D和 Hn-n、以及 四倍体株系的多态性 图谱差异
较大。利用 10-mer的 随机引物 对它们 的基 因组
DNA进行 PCR放大(RAPDs)得到了相 同的结果 ，
该结果 为进一步制 定水 蕨基 因组 图谱 提供 了条
件“)。
2．4水蕨 MADS-box基 因研 究
MADS-box基因是广泛存在的调节基 因家族，
分为ARG80-like(或 SRF)、MEF2-1ike和 MlKC类
基因 3类 。前两者主要 出现在动物和真菌，MIKC
类基因只见于植 物 卜 。MIKC类基 因在花分生
组织 、花器官及各种营养器官中时空表达模式不同，
和植物所处 的内外 环境密切相关 ，起着不同 的功
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能 钉，是了解最多的植物调节基 因家族，它们在花
器官发育中扮演的角色尤其 引人注 目，是 目前植物
发育生物学研究的热点。
蕨类植物是已发表 MADS-box基 因序列 的最
原始植物类群0”。包含 MADS-box基 因序列的水
蕨 cDNA属 MIKC类基因，和种子植物 MADS—box
基因序列同源性极高，说明蕨类植物和种子植物曾
有一共同祖先。水蕨 MADS-box基因形成 3个独
立的进化枝 ，交错排列于种子植物基因之间进化枝
之间0”，所以蕨类植物与种子植物的共 同祖先至少
有两种 MIKC类基因。∞，该类基因发生于比蕨类植
物更 原始的植 物类群。”。
克隆水蕨 MADS—box基 因的部分探针或引物
序列来源于拟南芥和金鱼草花同源异型基因，但没
有得到它们的直向同源基 因。”，也许和蕨类植物缺
少胚珠、心皮 、雄蕊 和花被片等结构有关。∞。但是
也有相反文献：即从 C．richardi克隆了被子植物
分生组织特有的同源异型基因和花特有的同源异型
基 因的同源基 因 。
水蕨 MADS—box基因在孢子体、配子体时期都
表达 ，在植物发育和细胞分化中有更广泛的功能，但
是被子植物花器官决定同源异型基因表达有严格的
时空限制。部分水蕨 MADS-box基 因有非典型植
物 MADS—box 基 因 特 征 ， CRM1， Cl尺M4
(C rMADS1)，CRM6(C rMlADS2)和 CRM9都是
由一较大的初始转 录物经可变剪接而来 ，这是动物
和植物转座子元 件 MEF2一like基 因的典 型特 征 ，在
已报道的 150多个 MIKC类基因中是特例 ，可变剪
接是一个基因产生不同蛋白质的古老机制 。多数水
蕨 cDNA能编码(N)MlKC类蛋 白质，但 CRM11，
CRM15和 CMADS5无 ORF，有 无 功 能 还 不 清
楚 6]。
3 小 结
和种子植物相比，蕨类植物是原始的，经济价值
也不高0 ，但是 ，正是由于蕨类植物的原始性及其简
单而独特的配子体结构引起 了植物学家们 的青睐。
经过上百年的研究 ，我们对蕨类植物的形态学、分类
学、细胞学和遗传学等都有了较为深刻的认识，为利
用分子生物学方法进一步研究植物提供了条件。而
水蕨属植物由于其生长发育的特点使其成为研究植
物性别决定和配子体形态建成的模式植物 ，倍受关
注n “ 。目前关于水蕨发育 的分子生物学研究已
经开始，我们相信利用该材料的科学研究必将取得
更多成果 。
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