全 文 ：南京农业大学学报 2012，35(5) :53－63
Journal of Nanjing Agricultural University http:/ /nauxb． njau． edu． cn
收稿日期:2012－07－20
基金项目:国家自然科学基金项目(31071759，31171936)
作者简介:张绍铃，教授，研究方向为果树生殖发育与分子生物学，Tel:025－84396580，E-mail:slzhang@ njau． edu． cn。* 通讯作者。
张绍铃，吴巨友，吴俊，等．蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展［J］．南京农业大学学报，2012，35(5) :53－63
蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展
张绍铃* ，吴巨友，吴俊，齐永杰，高永彬
(南京农业大学梨工程技术研究中心，江苏 南京 210095)
摘要:植物自交不亲和性是植物花粉—雌蕊相互识别，防止其近亲繁殖的重要机制，是植物发育生物学的研究热点之一。
蔷薇科果树如梨、苹果、李子等表现出自交不亲和性，该反应由 S位点(S-locus)的一对 S等位基因，即雌蕊和花粉的 S基因
控制，分别为 S-RNase和 S-locus F-box /S-haplotype-specific F-box基因。本文综述了蔷薇科果树雌蕊和花粉 S 基因的鉴定及
其结构和进化的特性、自交亲和性突变机制及自交不亲和性反应发生过程中花粉生理生化变化及其信号转导机制等，以期
为深入系统研究蔷薇科果树自交不亲和及亲和性机制提供参考。
关键词:蔷薇科果树;自交不亲和性;花粉;雌蕊;S基因
中图分类号:S66 文献标志码:A 文章编号:1000－2030(2012)05－0053－11
Advance in molecular mechanisms of self-incompatibility
in Rosaceae fruit trees
ZHANG Shao-ling* ，WU Ju-you，WU Jun，QI Yong-jie，GAO Yong-bin
(Pear Engineering Research Centre，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China)
Abstract:The plant self-incompatibility is an important mechanism to prevent inbreeding by pollen-pistil of mutual recognition，and it
is one of the frontier topics of plant developmental biology． Rosaceae fruit trees such as apples，pears and plums exhibit self-incom-
patibility． This reaction in this species is controlled by the pistil and pollen S gene，named the S-RNase and the S-locus F-box /S-hap-
lotype-specific F-box genes，respectively． In this review，we summary of Rosaceae fruit trees pistil and pollen S gene identification，
structural and evolutionary characteristics，self-compatible mutation mechanism，and pollen physiological and biochemical characteris-
tics and signal transduction mechanisms during the self-incompatibility reaction． It will be used to provide reference for further re-
search in this field．
Key words:Rosaceae;fruit tree;self-incompatibility;pollen;pistil;S gene
植物自交不亲和性(self-incompatibility，SI)是被子植物中普遍存在的限制自花受精的机制，它阻止基
因型相同的花粉管在雌蕊中正常生长，完成受精。该反应涉及到 70 多个科，250 多个属。自交不亲和的
发生防止了近亲繁殖、促进异花授粉受精，有利于物种多样性，是目前植物发育生物学的研究热点之
一［1］。根据其控制因子的不同，自交不亲和的类型可分为孢子体型(sporophytic self-incompatibility)和配
子体型(gametophytic self-incompatibility) ，前者如十字花科、旋花科、菊科等植物。在配子体型自交不亲和
反应中又分为基于 S-RNase 的配子体型不亲和及罂粟科自交不亲和 2 种类型。蔷薇科多种果树如梨
(Pyurs)［2］、苹果(Malus)［3］、甜樱桃(Prunus avium)［4］、杏(Prunus armeniaca)［5］、果梅(Prunus mume)［6］、
李(Prunus salicina)［7］和扁桃(Prunus dulcis)［8］等表现出配子体型自交不亲和性。由于这些果树自花授粉
不能结实，在生产上必须配置授粉品种，或进行人工辅助授粉才能保证座果，增加了生产成本。因此，蔷薇
科果树自交不亲和性机制的研究不仅具有理论价值，而且有潜在的实践意义。近 20 年来，在科学家的不
懈努力下，蔷薇科果树自交不亲和性研究取得了突破性的进展，本文从分子、生理等方面综述蔷薇科果树
自交不亲和性的研究进展。
1 雌蕊特异性决定因子
1． 1 果树雌蕊 S糖蛋白的鉴定
自交不亲和反应中雌蕊特异性决定因子在雌蕊中特异表达且表现为高度的序列多态性。雌蕊特异性
南 京 农 业 大 学 学 报 第 35 卷
蛋白具有很高的 pI值和与半刀豆球蛋白发生反应的糖链，因此称之为 S 蛋白(S-protein)或 S 糖蛋白(S-
glycoprotein)［9］，由于其具有 RNA酶的活性，因此又称之为 S-RNase。果树雌蕊 S 糖蛋白的获得是根据已
经鉴定出的大量树种的 S 基因型去寻找调控雌蕊 S 决定因子的蛋白。Sassa 等［2］通过比较日本梨‘Nijis-
seiki’和变异的自交亲和变异品种‘Osa-Nijisseiki’雌蕊中的表达蛋白，发现一种与 S-RNase 表达水平相关
的 S糖蛋白，从而说明雌蕊 S-RNase与日本梨的自交不亲和性相关;双向电泳分离出的该 S 糖蛋白为 S-
RNase，它在雌蕊中特异表达。在蔷薇科其他果树中也分离到了 S-RNase，如甜樱桃［10］。田间授粉试验也
验证了雌蕊 S-RNase在自交不亲和反应中的决定作用［4，8，11－13］。因此认为 S-RNase 是蔷薇科果树自交不
亲和性雌蕊的决定因子。
1． 2 S-RNase基因的鉴定方法
田间杂交授粉测试是最早鉴定果树 S基因型的方法之一，继而蛋白电泳和核糖核酸酶活性染色的技
术被用来识别 S基因型［14－15］。非平衡 pH梯度电泳技术也同样被用来鉴定蔷薇科果树中的日本梨［2］等的
S基因型。随着越来越多的蔷薇科果树 S-RNase基因序列的克隆，以基因组 DNA为模板，用基因的特异保
守引物进行 PCR扩增技术已广泛用来检测不亲和物种的 S 基因型［16］。Janssens 等［3］采用 PCR 和 PCR /
RFLP 方法鉴定出了苹果的 5 个 S基因(S1、S2、S4、S5 和 S6)和 17 个苹果品种的 S基因型;Ishimizu等
［17］从
日本梨中也鉴定出了 7 个 S基因。Tao等［18］依据 S基因的保守序列及 2 个内含子的序列长度的多态性设
计了 3 个正向引物和 3 个反向引物用以 PCR扩增出甜樱桃的 6 个 S等位基因(S1 ～ S6)。自此，蔷薇科果
树 S 基因型的鉴定变得极为简易，越来越多的 S 基因从苹果［19］、梨［12，20－21］、扁桃［8，22］、甜樱桃［18，23－25］、
杏［26－27］、果梅［6，11］、李［7，13，28］等蔷薇科物种中被鉴定出来。
1． 3 雌蕊 S-RNase基因的结构特征
S-RNase含有 2 个保守的序列结构，类似于 RNase T2。因此认为 S-RNase 是 RNase 家族中 T2 /S-type
RNases亚类的一种。蔷薇科果树 S-RNase基因含有 C1 ～ C5 5 个保守区，除 RC4 是蔷薇科果树特有之外，
其他 4 个保守区域与茄科(Solanaceae)和车前草科(Plantaginaceae)物种的 S-RNase 基因结构极为类
似［29－30］。蔷薇科果树 S-RNase基因仅含有 1 个位于 C2 和 C3 保守区域之间的高变区(RHV) ，而不同于茄
科和车前草科物种 S-RNase基因中的 2 个高变区(HVa和 HVb) ，但它们的功能类似，都为正向选择区域，
是碱基序列的插入、删除以及核苷酸序列的替换等经常发生的区域［29］。此外，蔷薇科果树 S-RNase 基因
中还存在其他的变区，例如在 C1 和 C2 保守区之间的区域以及 C5 保守区上游的一段区域［11］，它们也有
可能与 S-RNase等位基因特异性相关。与 RNase T2 和 RNase Rh相类似，C2 和 C3 保守区之间的区域具有
很小的序列相似性，其含有的组氨酸结构具有催化作用。而 C1、RC4 和 C5 保守区含有众多的疏水氨基
酸，用以稳定 S-RNase的结构［31］。
蔷薇科不同属种果树的 S-RNase基因序列也存在一定的结构差异。苹果属物种中仅在高变区中含有
1 个内含子序列，而在李属物种中，除高变区中的内含子(称之为第二内含子)外，在信号缩氨酸和 C1 保守
区之间还存在 1 个内含子序列(称之为第一内含子)。梨属和苹果属物种 S-RNase基因的内含子具有很强
的序列多态性，在梨中大小为 99 ～ 1 709 bp，苹果中的大小为 140 ～ 2 613 bp。李属 S-RNase基因的第二内
含子序列具有极强的长度多态性，其大小在扁桃中为 80 ～ 2 871 bp，甜樱桃为 82 ～ 1 983 bp，杏为 104
～ 2 675 bp，果梅为 113 ～ 1 983 bp，李为 80 ～ 1 758 bp;而第一内含子序列的长度多态性相对较弱，其大小
在扁桃中为 122 ～ 1 065 bp，甜樱桃为 125 ～ 372 bp，杏为 151 ～ 329 bp，果梅为 226 ～ 331 bp，李为 110 ～ 309
bp。因此，可依据内含子的长度多态性利用从琼脂糖胶或聚丙烯酰胺胶上识别不同的 S 基因。这些内含
子的存在有利于储存变异碱基的积累，同时不影响 S-RNase基因的特异性。
2 花粉特异性决定因子
2． 1 S位点的连锁基因
随着雌蕊 S-RNase基因研究的深入，花粉 S 决定基因的研究也逐渐展开。围绕 S 位点已知基因的序
列开展了基因组序列的测序工作。Sassa 等［32］对日本梨‘Nijisseiki’(S2S4)和它的自交亲和性芽变品种
‘Osa-Nijisseiki’(S2S
sm
4 ，)进行基因组序列和蛋白分析，发现 S4-RNase 基因序列在‘Osa-Nijisseiki’中缺失，
但是该芽变品种的花粉依旧与‘Nijisseiki’不亲和，因此认为 S-RNase 基因并不是梨自交不亲和花粉决定
因子。Ushijima 等［33］对扁桃的多个品种进行鸟枪测序(shotgun sequencing) ，发现有 12 个开放阅读框
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第 5 期 张绍铃，等:蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展
(ORF)与雌蕊 S-RNase基因相连接，但仅有 2 个 ORF 基因在花粉中特异表达。Entani 等［34］对果梅品种
‘Nanko’和其后代‘Shikanohata-1’进行基因组序列分析，发现有 14 个 ORF与 S-RNase基因相连接，其中有
6 个 F-box基因与雌蕊 S-RNase基因的物理距离较为紧密。Cheng等［35］对苹果基因组序列进行分析，发现
18 个与雌蕊 S-RNase基因相连接的 ORF。Sassa等［36］在苹果的基因组序列中发现雌蕊 S9-RNase基因周围
存在 71 个 ORF，而 Minamikawa等［37］在苹果 S3-RNase和 S9-RNase基因周围也发现了 20 个具有很高序列
相似性的 ORFs。Okada 等［38］围绕着雌蕊 S4-RNase 和 S
sm
4 -RNase 基因展开基因组序列的测序，发现雌蕊
S4-RNase基因周围存在 89 个 ORF，其中有 34 个 ORF是位于 S
sm
4 -RNase基因周围，从而排除了作为花粉 S
决定基因的可能，即还有 55 个 ORF为花粉 S决定基因的候选基因;此外还发现日本梨雌蕊 S2-RNase基因
周围存在 56 个 ORF。因此，ORF的探索仅仅是寻找到了花粉 S决定基因的候选基因。
2． 2 李属物种的花粉特异性决定因子
2． 2． 1 花粉特异性决定因子的发现 在李属植物中，Ushijima 等［33］从扁桃诸多的 ORF 中筛选出 2 种都
在花粉中特异表达的 F-box 基因:一种具有很高的序列多态性，将之命名为 SFB(S-haplotype-specific F-
box) ;另一种 F-box基因的序列多态性较小，将之命名为 SLF(S-locus F-box)。与此同时，Entani等［34］从果
梅诸多的 ORF中也筛选出了 2 种 F-box基因:一种在花粉中特异表达且具有很高的序列多态性，将其称之
为 SLF;另一种在多个植物组织中都表达且具有很高的序列同源性，将其称之为 SLFL(S-locus F-box like
gene)。将扁桃的 SFB基因与果梅的 SLF 基因进行比较，证实它们为同一种基因。由于李属果树的生长
周期长，转基因验证很慢，至今尚未能对花粉 SFB /SLF基因进行最直接的功能验证，但是一些研究结果提
供了其功能的间接证据。Sonneveld等［39］利用 X射线在甜樱桃中诱变出了 2 种能够引起自交亲和反应的
花粉粒，进一步对该花粉粒进行研究，发现这 2 种花粉粒中的花粉 SFB 基因序列异常形成了 2 种功能不
完整的 SFB蛋白。Ushijima等［40］在研究扁桃花粉 SFB基因时，发现不完整的 SFB蛋白序列能够致使品种
表现出自交亲和的特性。因此，研究者们都认为 SFB /SLF 基因是李属物种花粉 S 决定基因，或者说是最
佳候选基因。
2． 2． 2 李属花粉 SFB /SLF 基因的结构特征 花粉 SFB /SLF 基因已经从扁桃［33］、甜樱桃［39］、杏［41］、果
梅［11］、李［42］等李属物种中分离出。花粉 SFB /SLF 基因序列含有 1 个 F-box 框和 2 个高变区(HVa 和
HVb)［33］。这 2 个高变区中含有许多可变的氨基酸残基，它们是 SFB /SLF 基因的正向选择区域，且具有
很强的亲水性［43］。SFB基因的 C端部分能够接收目的蛋白，以合成 SCFSFB 复合体，通过 E3 连接酶形成
多聚泛素链底物，然后被 26S蛋白激酶所降解(图 1)［40］。因此，SFB 蛋白的多聚泛素化作用使得非自身
S-RNase降解，但其能够特异作用于自身 S-RNase 使其不被降解，使其发挥细胞毒素的作用，导致自身花
粉管生长的停止［33，44］。位于 SFB基因 N端且含有许多保守氨基酸残基的 F-box 框与形成 SCF 复合体必
需的 Skp1 进行相互作用以合成完整的 SCF复合体，最后经泛素化的 26S蛋白激酶途径降解。
2． 2． 3 李属花粉 SFB /SLF基因的内含子 与含有 2 个内含子序列的 S-RNase 基因不同，李属 SFB /SLF
基因中只含有 1 个内含子序列，它位于起始密码子之前，大小在甜樱桃中为 81 ～ 122 bp，杏中为 90 ～ 137
bp。花粉 SFB基因内含子序列的两端都有相对保守的碱基序列，但在不同的品种中碱基序列不完全一
致。相对于雌蕊 S-RNase基因中的 2 个内含子序列，SFB基因中的内含子表现出了很小的长度多态性，这
可能是由于受到一些遗传因子的限制，也有可能是因为序列的重排等在 5端非转录区的插入影响了 SFB
基因的转录效率［45］。
2． 2． 4 李属花粉 SFB /SLF 基因与雌蕊 S-RNase 基因的连锁性 与同源性极高的 SLFL 基因相比较，李
属 SFB /SLF基因不但具有极强的序列多态性，而且在花粉中特异表达。此外，该基因与雌蕊 S-RNase 基
因紧密连锁［33－34，41］。但是花粉 SFB /SLF基因与雌蕊 S-RNase基因间的物理距离大小不等，在甜樱桃中为
40 ～ 380 bp，杏中为 49 ～ 299 bp，李中为 410 ～ 2 800 bp。雌蕊 S-RNase与花粉 SFB基因的连锁是配子体型
自交不亲和的必要条件之一，它可以有效抑制两基因间的重组。在基因组序列中，目前已有的报道除欧洲
杏 S2 单元型外
［41］，雌蕊 S-RNase基因和花粉 SFB /SLF基因的转录方向大多相反［34，42，46］。基于对 S-RNase
和 SFB /SLF基因在亲本和后代中连锁分布的研究，多数研究者认为这 2 个基因是一个遗传单位传递到后
代［34，46－47］。但也有报道发现在一些自交亲和变异品种中，两基因在后代中发生重组现象［48］。
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图 1 SCFSFB 复合体与雌蕊 S-RNase的作用模式
Fig． 1 The model of interaction between SCFSFB complex and pistil S-RNase
a．在亲和反应过程中，非自身雌蕊 S-RNase 与 SCFSFB 复合体的一个位点相互识别，致使底物多
聚化，S-RNase被 26S蛋白激酶途径降解。
b．在不亲和反应过程中，自身雌蕊 S-RNase与 SCFSFB 复合体的另一个位点进行反应，阻止了底
物多聚化，从而使得自身 S-RNase保留有活性并降解花粉 RNA，使花粉管停止生长。
a． In the compatible reaction，compatibility S-RNase recongnize one site of the SCFSFB complex，and the
S-RNase ubiqitination and degradation．
b． In the incompatible reaction，incompatibility S-RNase recongnize another site of the SCFSFB complex，
inducing the incompatibility S-RNase stablization and then degradation of pollen RNA．
2． 3 苹果属和梨属的花粉特异性决定因子
虽已对苹果属和梨属植物的 S位点周围的基因组序列进行测序分析，但它们的花粉特异决定因子还
未被确定。在苹果上，Cheng 等［35］从多个含有 S1 和 S2 单元型的品种中分离出了 2 个花粉 F-box 基因，
SLF1 和 SLF2，它们之间的同源性为 70%。Sassa等
［36］从 S9-RNase基因周围的 ORFs中也分离出了同源性
为 87． 5%的 2 个 F-box基因，SFBB9-α 和 SFBB9-β。但是，在对苹果 S3 和 S9 单元型进行基因组测序时，又发
现了 19 个具有 S等位基因多态性的 MdFB基因，且都在花粉中特异表达［37］。梨花粉 SFB基因的鉴定上，
Sassa等［36］在 S3-RNase基因周围分离出了可能为花粉 S 基因的 2 个 F-box 基因(SFBB3-α 和 SFBB3-β) ，在
S4-RNase和 S5-RNase基因周围分别分离出了 3 个不同的 F-box 基因(SFBB4-α、SFBB4-β、SFBB4-γ、SFBB5-α、
SFBB5-β 和 SFBB5-γ)。对多个梨品种 S单元型中的 SFBB-γ 基因进行序列比较时，发现它们具有极高的序
列相似性［49］，基本排除了其作为花粉 S决定基因的可能性［50－51］。Okada 等［52］通过对 Ssm4 -RNase基因周围
序列的测序，将 S4-RNase周围的 33 个 ORF排除了花粉 S基因的可能，但是又发现了 6 个在花粉中特异表
达的 SFBB基因(SFBB4-u1 ～ u4、SFBB4-d1 和 SFBB4-d2) ，此外，他们在 S2-RNase基因周围也发现了 10 个同样在
花粉中特异表达的 SFBB 基因(SFBB2-u1 ～ u5 和 SFBB2-d1 ～ d5)。对 SFBB 基因的系统树分析显示出，这些
SFBB基因分成两大组，组Ⅰ中 SFBB基因序列的同源性为 76． 3% ～ 94． 9%，而组Ⅱ中 SFBB 基因的同源
性超过了 92%，依据分类结果，认为梨花粉 S决定基因应当位于组Ⅰ内［51］。也有一些学者认为苹果属和
梨属控制的花粉 S决定基因不是单一的某个基因，其可能是由多个 SFBB 基因一起控制这花粉 S 决定因
子的特异性［36，52］。
3 蔷薇科果树自交(不)亲和性分子机制
自交不亲和反应过程是雌蕊 S 决定因子产物和花粉 S 决定因子产物相互作用的一个过程，雌
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第 5 期 张绍铃，等:蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展
图 2 配子体型自交不亲和反应的模式
Fig． 2 The model of gametophytic self-incompatibility
蕊 S-RNase 能够识别自我的花粉，降解花粉 RNA，从
而阻止自我花粉管的生长，但对非我的花粉管没有
抑制作用(图 2)。雌蕊和花粉 S 基因功能正常时表
现出自交不亲和性，而当雌蕊或花粉 S 基因异常时，
有可能会导致自交亲和性突变。
3． 1 雌蕊 S基因的突变
近年来，随着对蔷薇科果树自交不亲和性研究
的深入，人们对其自交亲和性突变机制的了解也在
加深。雌蕊 S-RNase蛋白的异常表达或活性的丧失
都会破坏物种的自交不亲和性，突变品种的雌蕊 S-
RNase不能识别自我花粉。在蔷薇科果树中存在着
很多物种因 S-RNase 活性丧失导致自交亲和突变。
Tao等［53］发现在自交亲和的桃(Prunus persica)品
种，雌蕊可溶性蛋白中检测不出 S2-RNase。与不亲
和的桃 S2-RNase相比，自交亲和的桃 S
m
2 -RNase 基因
的 C5 区域有一个氨基酸残基的突变，即半胱氨酸被酪氨酸取代，使得该基因在雌蕊中不能正常表达，导
致这些桃品种自交不亲和功能丧失。
日本梨‘奥嗄二十世纪’是自交亲和性梨品种，其自交授粉结实率高达 98%。早在 20 世纪七八十年
代，日本的研究人员就开始探讨其自交亲和的机制。迄今，‘奥嗄二十世纪’已被广泛作为梨自交亲和性
机制的重要研究材料。但是，关于‘奥嗄二十世纪’雌蕊 S4-RNase 基因是否存在以及能否表达对应的 S4-
RNase蛋白等方面，还存在争议。Norioka等［54］从‘奥嗄二十世纪’雌蕊 cDNA文库中未能筛选出 S4-RNase
的 cDNA，认为雌蕊内 S4-RNase 基因不转录是‘奥嗄二十世纪’自交亲和的原因。然而，Sassa 等
［30］及
Hiratsuka等［55］先后通过 IEF /SDS-PAGE 电泳从‘奥嗄二十世纪’雌蕊中检测到少量的 S4-RNase，并进一
步对其部分氨基酸进行了测序，结果表明‘奥嗄二十世纪’的 S4-RNase 蛋白与二十世纪的 S4-RNase 蛋白
具有相同的 N-端氨基酸序列。Sassa等［32］以‘奥嗄二十世纪’的基因组 DNA 为模板进行 PCR 扩增，检测
到了 S4-RNase基因片段，只不过信号比其原始品种‘二十世纪’的弱，但用 Southern 和 Northern 杂交均未
能检测到 S4-RNase基因，进而推断‘奥嗄二十世纪’是‘二十世纪’S4-RNase 芽变的嵌合体，S4-RNase 基因
在顶端分生组织 L1、L2 层缺失。Hiratsuka等［55］用‘奥嗄二十世纪’雌蕊 mRNA进行体外翻译的结果证实
了 S4-RNase基因转录事实。张绍铃等
［56］研究也发现‘奥嗄二十世纪’及其后代雌蕊内均含有 S4-RNase，
而且具有与其原始品种‘二十世纪’S4-RNase 相同的核酸酶活性，在离体条件下均能特异性地抑制 S4 及
Ssm4 ，花粉管生长，即 S
sm
4 -RNase与 S4-RNase基因表达的 S-RNase具有相同的生理功能，进而认为‘奥嗄二十
世纪’的 Ssm4 -RNase基因不仅存在而且还可遗传给后代且在后代中能够表达，只是 S
sm
4 -RNase 基因仅在柱
头表达，而且表达量逐代减少，推测可能与其他修饰基因有关。吴华清等［57］通过基因组、mRNA转录和蛋
白质水平比较分析‘奥嗄二十世纪’、‘二十世纪’及其后代 S-RNase 基因的存在与否、表达特性及其在后
代中的传递。结果表明，‘奥嗄二十世纪’的雌蕊 S2-RNase基因核苷酸和氨基酸序列与其原始品种‘二十
世纪’的完全一样;而 S4-RNase基因信号比其原始品种‘二十世纪’的弱，而且也在雌蕊中正常表达(包括
转录和翻译水平) ，但表达量低;然而在其自交亲和后代基因组中检测不到 S4-RNase 基因。表明‘奥嗄二
十世纪’基因组中存在雌蕊 S4-RNase基因，但不能遗传给后代。
‘闫庄梨’是‘鸭梨’的芽变，其自花结实率为 56． 86%［58］。通过‘鸭梨’(S21S34)及其自交亲和性芽变
‘闫庄梨’自花授粉及相互授粉，发现‘鸭梨’自花授粉结实率为 9． 09%，表现自交不亲和性;以‘闫庄梨’
为母本，‘鸭梨’为父本，授粉结实率为 39． 29%，表现出亲和性，而以‘鸭梨’为母本，‘闫庄梨’为父本，授
粉结实率仅 2%，表现不亲和性，从而推断‘闫庄梨’自交亲和性可能是由于雌蕊突变所致。利用 S21 和 S34
特异性引物对‘闫庄梨’自交后代 DNA进行了鉴定，结果发现 S21 在所有后代中均有扩增条带，因此，判断
‘闫庄梨’雌蕊 S21 发生了突变。印迹杂交分析表明，‘闫庄梨’雌蕊 S-RNase缺失了 1 个条带，而没有缺失
的条带蛋白含量也比‘鸭梨’低。证明‘闫庄梨’的自交亲和性可能是由于雌蕊 S-RNase 的部分缺失和表
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南 京 农 业 大 学 学 报 第 35 卷
达量低所致［58］。
‘Abugo’和‘Ceremeno’为 2 个西洋梨品种，自花授粉的坐果率分别为 74． 1%和 65． 4%。Sanzol［59］在
‘Abugo’和‘Ceremeno’中均发现了自交亲和基因 So21-RNase，该基因较正常的 S21-RNase 在内含子、第二外
显子和 3端有 7 个碱基的突变，同时在内含子区域还有 1 个 561 bp 片段的插入。这种 S-RNase 基因核苷
酸序列的变化导致两品种雌蕊的自交不亲和功能丧失，然而花粉的特异性识别功能依然正常。
Qi等［60］对自花结实性梨品种‘早冠’的后代 S 基因型的鉴定后发现，S34-RNase 基因均能在后代中检
测得到，而 S4-RNase基因只存在于部分的后代株系中。进一步对雌蕊的 S 糖蛋白进行双向电泳，结果显
示，‘早冠’S4-RNase 在雌蕊中正常表达，但 S34-RNase 却没有在‘早冠’的雌蕊中检测得到。由此得出结
论，‘早冠’雌蕊的 S34-RNase缺失导致其雌蕊丧失了识别自身 S34 单元型花粉的功能，从而表现为自交亲
和的性状。
3． 2 花粉 S基因的变异
控制自交不亲和性的花粉 F-box 基因变异同样也会破坏物种的自交不亲和性。Sonneveld 等［39］用 X
射线的诱变作用使缺失花粉 SFB3 的甜樱桃品种及其部分后代个体都表现出了自交亲和性;同时诱变的
花粉 SFB4 基因缺少了 4 个碱基序列
［39－40］;甜樱桃品种‘Kronio’的花粉 SFB5基因序列与正常的 SFB5 相比
只存在一个碱基的非义替换［61］，这都使得蛋白翻译提前终止。此外，不含李属花粉 SFB 基因 C 端 2 个高
变区的早熟蛋白也不具有正常花粉 S基因功能。有上述这些特性的甜樱桃品种都表现出自交亲和性。扁
桃花粉 SFBf 基因中 1 个 6． 8 kb片段的插入
［40］和欧洲杏花粉 SFBc 基因中的一段 358 bp 的插入，也都导
致该基因所表达的氨基酸序列的 C端不含有 HVa和 HVb2 个高变区，因此它们所形成的截短蛋白都不能
够被自我的雌蕊 S-RNase所识别。这些花粉变异基因的存在从侧面说明了 SFB基因为花粉 S基因的最佳
候选基因的同时，还发现 C端的 2 个高变区是自交不亲和反应过程中等位基因特异性识别所必需的区
域［40］。此外，研究者们在对扁桃‘Nonpareil’的自交亲和变异种‘Jeffries’的研究中发现，该品种 Sc 单元型
中的雌蕊 S-RNase基因和花粉 SFB基因都已完全缺失［62］。
3． 3 “竞争作用”模式导致的自交亲和性
物种的多倍性和花粉 S 基因的重复也同样能够破坏物种的配子体型自交不亲和性，其原因总结为
图 3 自交亲和反应过程中花粉的竞争抑制作用模式图
Fig． 3 The model of competitive interaction of pollen
in gametophytic self-incompatibility
“竞争作用”模式，即含有 2 个不相同的 S 等位基因
的花粉粒能够亲和于自身的 S-RNase。如图 3 所
示，含有 1 个自身雌蕊 S基因和 2 个相同雌蕊 S 基
因的花粉都不亲和于自身的雌蕊，仅含有 2 个不同
雌蕊 S 基因的花粉可以亲和于自身雌蕊。Huang
等［63］对中国樱桃‘南京垂丝’进行研究，认为该四
倍体材料的自交亲和特性是由“竞争作用”所导致
的。Qi等［64］对自交不亲和的二倍体‘库尔勒香梨’
和自交亲和的四倍体变体‘沙 01’梨进行研究，发
现只有异源二倍体的‘沙 01’梨花粉 S22S28 才能够
亲和于自身雌蕊，确认蔷薇科果树物种中存在导致
亲和的“竞争作用”。
4 蔷薇科果树 S等位基因的进化
4． 1 S-RNase基因的进化学说
随着从蔷薇科果树中不断分离并克隆出新的
S-RNase基因，S-RNase基因的演化也逐渐成为自交
不亲和研究的焦点之一。在对种内 S-RNase 氨基
酸序列进行同源性比较的同时，对种间 S-RNase 基因序列也进行了相似性分析，发现蔷薇科果树 S-RNase
基因种间氨基酸序列同源性往往都会大于同一物种内 S-RNase 基因序列的同源性，而且还有一些种间 S-
RNase基因对的同源性极高。例如，桃雌蕊 S1-RNase和 S2-RNase基因与扁桃 Sk-RNase基因和李 Sa-RNase
85
第 5 期 张绍铃，等:蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展
基因的同源性分别达到 100%和 97． 8%［53］，矮扁桃 S8-RNase与 S11-RNase和甜樱桃 S1-RNase 基因同源性
分别为 99． 45%和 100%［65］，欧洲李的 S6-RNase基因与李 Sa-RNase基因的同源性为 100%
［66］，紫叶李 S10-
RNase与李 Sg-RNase基因同源性为 100%
［66］，果梅 S11-RNase 与黑刺李 S3-1-RNase 基因同源性为 99． 0%，
梨 S40-RNase与苹果 S11-RNase基因间的同源性为 100%
［12］。此外，对李属或苹果属 S-RNase 基因进行系
统树分析时，发现同一物种的 S-RNase 基因并不是聚集成同一亚科，而是随机分布于李属或苹果属 S-
RNase基因类群中［6，25］。因此认为蔷薇科 S-RNase基因分化在物种分化之前完成［33］。
4． 2 李属 SFB /SLF基因的进化
相比于花粉 S-RNase基因，李属花粉 SFB /SLF基因的发现较晚。21 世纪初，继 Ushijima 等［33］、Entani
等［34］和 Yamane等［67］分别在扁桃和果梅的基因组序列中分离出花粉 SFB /SLF 基因序列之后，其他李属
物种的 SFB基因也相继被克隆出来。随着花粉 SFB /SLF基因克隆数量的增多，研究者们发现具有极高同
源性 S-RNase基因氨基酸序列的 S单元型，其花粉 SFB 基因氨基酸序列同源性同样也很高。Tao 等［53］在
桃中克隆的花粉 SFB1 和 SFB2 与扁桃 SFBk 和李 SFBa 基因间氨基酸序列同源性分别为 99． 2%和 97． 9%;
urbanovski等［65］在矮扁桃中克隆的花粉 SFB8 与甜樱桃 SFB1 和扁桃 SFB11 基因序列同源性分别达到
94. 5%和 99． 2%;Sutherland等［66］发现紫叶李 SFB3 与扁桃 SFB12 基因间同源性达到 97． 9%，SFB9 与李
SFBd 和扁桃 SFB13 基因间序列同源性分别为 99． 1%和 97． 9%，SFB10 与李 SFBg 和果梅 SFB7 基因间同源
性分别为 98． 8%和 90． 3%，樱桃李 SFB5、SFB6 和 SFB9 与扁桃 SFB10、李 SFBa 和甜樱桃 SFB4 基因间同源
性分别为 97． 0%、97． 6%和 93． 3%;Huang 等［63］发现果梅 SFB7 与中国樱桃 SFB7 基因间序列同源性为
97%。此外，对李属 SFB /SLF基因进行系统树分析时，发现同一物种的 SFB基因也没有聚集成一亚科，而
是随机分布于李属 SFB基因类群中［42－43］。因此，与 S-RNase 基因的进化一致，认为蔷薇科 SFB 基因分化
也应该在物种分化之前完成［43］。但是，对李属 SFB /SLF 和 S-RNase 基因序列进行系统分析比较时，发现
李属 SFB /SLF与 S-RNase基因进化路线并不一致［40，43］，因此，也一些研究者认为 SFB 基因的出现晚于多
态性略高的 S-RNase基因［68］。
4． 3 李属新特异性 S基因的进化模式
蔷薇科果树雌蕊 S-RNase基因与花粉 SFB基因的形成都在物种分化完成之前，在绝大多数情况下作
为一个单元在亲本和子代中共同表达［46，69］。然而，S等位基因的演化方式还有争论。一些研究者认为，新
特异性 S等位基因的形成是从花粉 S基因的变异开始的，然后再通过雌蕊 S 基因的部分变异来维持物种
的自交不亲和特性［70］。但也有一些研究者认为，新特异性 S等位基因的形成是在不丧失物种本身自交不
亲和性的条件下，通过一系列的中间步骤逐渐转变而成的［71－72］。继 Matton 等［71］提出双重特异性 S 基因
的进化模式后，urbanovski等［65］在李属物种的矮扁桃中克隆出 1 个与甜樱桃完全相同的雌蕊 S-RNase 基
因序列，但花粉 SFB基因序列有 2 个氨基酸残基的差异。Sutherland 等［66］从紫叶李和欧洲李中克隆出的
6 对雌蕊和花粉 S基因都与其他物种的具有极高的序列相似性，且 S-RNase基因间氨基酸差异残基的数量
都少于 SFB基因对中的差异残基。因此，蔷薇科李属物种 S 等位基因的进化方式更加趋向于 Matton
等［71］提出双重特异性 S基因的进化模式。类似情况在蔷薇科苹果属果树中也同样存在，Heng 等［73］在研
究日本梨自交不亲和特性时发现，其雌蕊 S8-RNase基因与新疆梨 S28-RNase基因序列完全一样，同时与海
棠 S3-RNase基因具有极高的序列相似性;通过进一步的田间授粉试验和实验室进行的相关研究发现这 3
个 S-RNase基因功能相同，即 3 个基因中的任何一个雌蕊 S-RNase基因都可以识别 3 个品种中对应基因型
的花粉粒。类似的现象在欧洲梨的一些品种中也有报道［59］。
Uyenoyama等［70］对新特异性 S 等位基因的演化路径做出了两种推测，一种是 A1B1-A1B2-A2B2 模式，
另一种是 A1B1-A2B1-A2B2 模式(A1 为雌蕊 S 基因，B1 为花粉 S 基因，A2 为转特异性的雌蕊 S 基因，B2 为
转特异性的花粉 S基因)。但依据对花粉 SFB基因序列多态性以及对同源性极高 S单元型中花粉 SFB基
因氨基酸残基的分析，基本认为新特异性 S等位基因是从原始 S 等位基因首先通过花粉 S 基因的变异的
积累而逐步形成的［65－66，70－71］。在十字花科物种的孢子体自交不亲和性研究中，通过转基因和其他方法诱
导改变了花粉 S基因的少量氨基酸序列，发现更改后的物种仍然能够表现出自交不亲和的特性，从而说明
花粉 S基因的特异性是允许基因内部的部分氨基酸残基的非义替换［74］。因此基本接受第一种新特异性
S等位基因的进化路径，结合 Matton等［71］提出的双特异性进化模式，新特异性 S 等位基因的进化路径的
95
南 京 农 业 大 学 学 报 第 35 卷
详细过程应当为 A 1B1-A1 /2B1-A1 /2B2-A2B2(A1/2 为具有 A1 和 A2 双重特异性的雌蕊 S基因)模式。
5 蔷薇科自交不亲和性反应的钙信号转导机制
雌蕊 S基因表达的蛋白产物 S-RNase 是一种碱性糖蛋白，相对分子质量大约为 30×103，主要分布于
柱头和花柱的引导组织中［75］，不亲和性雌蕊 S-RNase在花粉管中发挥着细胞毒素的作用［76］。但是，也有
研究表明，将亲和及不亲和雌蕊进行嫁接，结果发现不亲和性花粉管生长受阻现象具有可逆转性［77］。至
于 S-RNase降解自花花粉管 RNA是花粉管生长停止的原因还是结果尚不可知，但同时也说明基于雌蕊 S-
RNase的自交不亲和性反应中涉及到许多生理生化代谢及信号级联反应。
梨雌蕊 S-RNase特异性地抑制自我的不亲和花粉萌发和花粉管生长［78］，这与花烟草(Nicotiana alata)
自交不亲和性相关研究结果一致［79］。此外，S-RNase对不亲和性花粉的抑制程度取决于花粉及花粉管周
围的 S-RNase 浓度［78］。活体和离体试验均表明，一定浓度范围的 S-RNase 与花粉管长度成负相
关［78，80－81］。活体试验表明，砂梨不亲和性花粉管生长受抑制前，有弯曲、先端膨大变形等现象，而异花授
粉的花粉管没有此现象［82］。同样在矮牵牛自交不亲和性反应中，当花粉管进入花柱通道组织时，不亲和
性花粉管出现细胞壁变薄且细胞器堆积等变化，生长逐渐减慢，最终停止生长［83］。这些研究均表明不亲
和性 S-RNase导致花粉管内部结构发生了一系列的变化。通过透射电镜技术观测，发现在梨花粉生长初
期，亲和及不亲和花粉管超微结构类似;但培养 24 h 后，亲和花粉管中充满细胞质和细胞器，而不亲和花
粉管中只有前端有少量细胞质，花粉管内细胞器受到破坏，细胞壁增厚，细胞壁与细胞质之间有一层胼胝
质和电子透明区间隔［84－85］。
钙离子是细胞内的第二信使，通过对外源和内源 RNase对梨花粉内胞质游离 Ca2+( ［Ca2+］i)的比较研
究发现，梨雌蕊 S-RNase对亲和及不亲和花粉管内［Ca2+］i 作用有明显差异
［86］。在亲和花粉萌发前，萌发
孔附近有明显的［Ca2+］i 梯度，而在不亲和性花粉中则不存在
［87］，这些研究均证实［Ca2+］i 参与了梨自交
不亲和性反应。同时，对钙离子受体———钙调素(CaM)的研究进一步证实这一结论［88］。虽然对于异花和
自花授粉后，花粉管内［Ca2+］i 变化的原因尚不明确。但是，研究发现质膜 Ca
2+通道在梨花粉管内［Ca2+］i
梯度形成过程中可能起重要的作用［89］。在罂粟自交不亲和反应中，不亲和花粉管中 Ca2+介导了下游的事
件，例如微丝解聚、程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)等现象［90］，并且发现花粉管质膜 Ca2+通
道在罂粟自交不亲和反应中发挥着极其重要的作用［91］。研究表明，梨雌蕊 S-RNase 也导致不亲和性花粉
管微丝骨架解聚［92］。同时，也已明确蔷薇科梨雌蕊 S-RNase 导致不亲和花粉管发生 PCD 现象［93］。这说
明在植物自交不亲和反应中都发生一系列类似的生理生化变化，但是梨自交不亲和性反应中的信号转导
途径不同于罂粟及其他植物。最近研究表明，梨雌蕊 S-RNase 破坏了不亲和性花粉管尖端活性氧(ROS)
梯度，从而导致质膜 Ca2+通道关闭及微丝解聚，并最终诱导细胞核降解［94］。花粉管胞内 ROS 类似于
Ca2+，在正常花粉管内也存在尖端梯度。同时，这一研究明确了 ROS 位于 Ca2+的上游，并协同介导蔷薇科
自交不亲和反应下游反应。但是哪些物质导致胞内 ROS梯度消失，这些上游信号物质的变化又是如何引
起下游反应的尚不可知。此外，在蔷薇科果树自交不亲和反应中，虽然已证实不亲和性花粉管发生 PCD
现象，但是其中是否涉及类 Caspase酶等还需进一步研究。
总之，在蔷薇科果树自交不亲和性反应中，涉及许多复杂的分子遗传、生理生化代谢及信号转导等相
关的前沿科学问题，揭示这些科学难题有利于深入完善蔷薇科果树自交不亲和性的反应机制。
参考文献:
［1］ Kubo K-i，Entani T，Takara A，et al． Collaborative non-self recognition system in S-RNase-based self-incompatibility［J］． Science，2010，
330:796－799
［2］ Sassa H，Hirano H，Ikehashi H． Identification and characterization of stylar glycoproteins associated with self-incompatibility genes of Japanese
pear，Pyrus serotina Rehd［J］． Mol Gen Genet，1993，241(1) :17－25
［3］ Janssens G，Goderis I，Broekaert W，et al． A molecular method for S-allele identification in apple based on allele-specific PCR［J］． Theor Appl
Genet，1995，91(4) :691－698
［4］ Sonneveld T，Robbins T，Bokovic＇ R，et al． Cloning of six cherry self-incompatibility alleles and development of allele-specific PCR detection［J］．
Theor Appl Genet，2001，102(6) :1046－1055
［5］ Burgos L，Pérez-Tornero O，Ballester J，et al． Detection and inheritance of stylar ribonucleases associated with incompatibility alleles in apricot［J］．
Sex Plant Reprod，1998，11(3) :153－158
06
第 5 期 张绍铃，等:蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展
［6］ Yaegaki H，Shimada T，Moriguchi T，et al． Molecular characterization of S-RNase genes and S-genotypes in the Japanese apricot(Prunus mume
Sieb． et Zucc．) ［J］． Sex Plant Reprod，2001，13(5) :251－257
［7］ Sapir G，Stern R A，Eisikowitch D，et al． Cloning of four new Japanese plum S-alleles and determination of the compatibility between cultivars by
PCR analysis［J］． J Hortic Sci Biotech，2004，79(2) :223－227
［8］ Ortega E，Sutherland B G，Dicenta F，et al． Determination of incompatibility genotypes in almond using first and second intron consensus prim-
ers:detection of new S alleles and correction of reported S genotypes［J］． Plant Breed，2005，124(2) :188－196
［9］ Franklin-Tong V E，Franklin F C H． Gametophytic self-incompatibility in Papaver rhoeas L［J］． Sex Plant Reprod，1992，5(1) :1－7
［10］ Broothaerts W，Janssens G A，Proost P，et al． cDNA cloning and molecular analysis of two self-incompatibility alleles from apple［J］． Plant Mol
Biol，1995，27(3) :499－511
［11］ Heng W，Wu H，Chen Q，et al． Identification of S-genotypes and novel S-RNase alleles in Prunus mume［J］． J Hortic Sci Biotech，2008，83(6) :
689－694
［12］ Heng W，Wu H Q，Huang S X，et al． Identification of S-genotypes and novel S-RNases in native Chinese pear［J］． J Hortic Sci Biotech，
2008，83(5) :629－634
［13］ Zhang S，Huang S，Heng W，et al． Identification of S-genotypes in 17 Chinese cultivars of Japanese plum(Prunus salicina Lindl．)and molecular
characterisation of 13 novel S-alleles［J］． J Hortic Sci Biotech，2008，83(5) :635－640
［14］ Bokovic＇ R，Tobutt K，Batlle I，et al． Correlation of ribonuclease zymograms and incompatibility genotypes in almond［J］． Euphytica，1997，97(2) :
167－176
［15］ Bokovic＇ R，Tobutt K R，Batlle I，et al． Stylar ribonucleases in almond:correlation with and prediction of incompatibility genotypes［J］． Plant
Breed，2003，122(1) :70－76
［16］ López M，Vargas F J，Batlle I． Self-(in)compatibility almond genotypes:a review［J］． Euphytica，2006，150(1) :1－16
［17］ Ishimizu T，Inoue K，Shimonaka M，et al． PCR-based method for identifying the S-genotypes of Japanese pear cultivars［J］． Theor Appl Genet，
1999，98(6) :961－967
［18］ Tao R，Yamane H，Sugiura A，et al． Molecular typing of S-alleles through identification，characterization and cDNA cloning for S-RNases in sweet
cherry［J］． J Am Soc Hortic Sci，1999，124(3) :224－233
［19］ Goldway M，Shal O，Yehuda H，et al．‘Jonathan’apple is a lower-potency pollenizer of‘Top Red’than‘Golden Delicious’due to partial S-allele
incompatiblity［J］． J Hortic Sci Biotech，1999，73:931－941
［20］ Zhang Y Y，Wu J，Heng W，et al． Identification of S-genotypes of pear cultivars and analyses of nucleotide sequences of S28 -RNase and S30 -
RNase［J］． Acta Hortic Sinica，2006，33:496－500
［21］ 张妤艳，张绍铃，吴俊，等．八月酥等 14 个梨品种自交不亲和基因(S基因)型的鉴定［J］．果树学报，2007，24(2) :135－139
［22］ Ortega E，Bokovic＇ R I，Sargent D J，et al． Analysis of S-RNase alleles of almond(Prunus dulcis) :characterization of new sequences，resolution of
synonyms and evidence of intragenic recombination［J］． Mol Genet Genomics，2006，276(5) :413－426
［23］ De Cuyper B，Sonneveld T，Tobutt K． Determining self-incompatibility genotypes in Belgian wild cherries［J］． Mol Ecol，2005，14(4) :945－955
［24］ Vaughan S，Bokovic＇ R，Gisbert-Climent A，et al． Characterisation of novel S-alleles from cherry(Prunus avium L．) ［J］． Tree Genet Genomes，
2008，4(3) :531－541
［25］ Wünsch A，Hormaza J． Genetic and molecular analysis in Cristobalina sweet cherry，a spontaneous self-compatible mutant［J］． Sex Plant Reprod，
2004，17(4) :203－210
［26］ Chen X，Wu Y，Chen M，et al． Inheritance and correlation of self-compatibility and other yield components in the apricot hybrid F1 populations［J］．
Euphytica，2006，150(1) :69－74
［27］ Wu J，Gu C，Zhang S，et al． Identification of S-haplotype-specific S-RNase and SFB alleles in native Chinese apricot(Prunus armeniaca L．)
［J］． J Hortic Sci Biotech，2009，84(6) :645－652
［28］ 张树军，黄绍西，张绍铃，等．槜李等 15 个李品种 S基因型鉴定及其多态性分析［J］．果树学报，2008，25(3) :338－342
［29］ Ishimizu T，Endo T，Yamaguchi-Kabata Y，et al． Identification of regions in which positive selection may operate in S-RNase of Rosaceae:impli-
cation for S-allele-specific recognition sites in S-RNase［J］． FEBS Lett，1998，440(3) :337－342
［30］ Sassa H，Nishio T，Kowyama Y，et al． Self-incompatibility(S)alleles of the Rosaceae encode members of a distinct class of the T-2 /S ribonucle-
ase superfamily［J］． Mol Gen Genet，1996，250(5) :547－557
［31］ Matsuura T，Sakai H，Unno M，et al． Crystal structure at 1． 5- resolution of Pyrus pyrifolia pistil ribonuclease responsible for gametophytic self-
incompatibility［J］． J Biol Chem，2001，276(48) :45261－45269
［32］ Sassa H，Hirano H，Nishio T，et al． Pistil-specific self-compatible mutation caused by deletion of the S-RNase gene in Japanese pear(Prunus sero-
tina) ［J］． Plant J，1997，12:223－227
［33］ Ushijima K，Sassa H，Dandekar A M，et al． Structural and transcriptional analysis of the self-incompatibility locus of almond:identification of a
pollen-expressed F-box gene with haplotype-specific polymorphism［J］． Plant Cell，2003，15(3) :771－781
［34］ Entani T，Iwano M，Shiba H，et al． Comparative analysis of the self-incompatibility(S-)locus region of Prunus mume:identification of a pollen-
expressed F-box gene with allelic diversity［J］． Genes Cells，2003，8(3) :203－213
［35］ Cheng J，Han Z，Xu X，et al． Isolation and identification of the pollen-expressed polymorphic F-box genes linked to the S-locus in apple(Malus ×
domestica) ［J］． Sex Plant Reprod，2006，19(4) :175－183
［36］ Sassa H，Kakui H，Miyamoto M，et al． S locus F-box brothers:multiple and pollen-specific F-box genes with S haplotype-specific polymorphisms
in apple and Japanese pear［J］． Genetics，2007，175(4) :1869－1881
［37］ Minamikawa M，Kakui H，Wang S，et al． Apple S locus region represents a large cluster of related，polymorphic and pollen-specific F-box genes［J］．
Plant Mol Biol，2010，74(1) :143－154
16
南 京 农 业 大 学 学 报 第 35 卷
［38］ Okada K，Tonaka N，Moriya Y，et al． Deletion of a 236 kb region around S4-RNase in a stylar-part mutant Ssm4 -haplotype of Japanese pear［J］．
Plant Mol Biol，2008，66:389－400
［39］ Sonneveld T，Tobutt K R，Vaughan S P，et al． Loss of pollen-S function in two self-compatible selections of Prunus avium is associated with dele-
tion /mutation of an S haplotype-specific F-Box gene［J］． Plant Cell，2005，17(1) :37－51
［40］ Ushijima K，Yamane H，Watari A，et al． The S haplotype-specific F-box protein gene，SFB，is defective in self-compatible haplotypes of Prunus
avium and P． mume［J］． Plant J，2004，39(4) :573－586
［41］ Romero C，Vilanova S，Burgos L，et al． Analysis of the S-locus structure in Prunus armeniaca L． Identification of S-haplotype specific S-RNase
and F-box genes［J］． Plant Mol Biol，2004，56(1) :145－157
［42］ Zhang S L，Huang S X，Kitashiba H，et al． Identification of S-haplotype-specific F-box gene in Japanese plum(Prunus salicina Lindl．) ［J］． Sex
Plant Reprod，2007，20(1) :1－8
［43］ Ikeda K，Igic B，Ushijima K，et al． Primary structural features of the S haplotype-specific F-box protein，SFB，in Prunus［J］． Sex Plant Reprod，
2004，16(5) :235－243
［44］ Yamane H，Ushijima K，Sassa H，et al． The use of the S haplotype-specific F-box protein gene，SFB，as a molecular marker for S-haplotypes and
self-compatibility in Japanese apricot(Prunus mume) ［J］． Theor Appl Genet，2003，107(8) :1357－1361
［45］ Vaughan S，Russell K，Sargent D，et al． Isolation of S-locus F-box alleles in Prunus avium and their application in a novel method to determine
self-incompatibility genotype［J］． Theor Appl Genet，2006，112(5) :856－866
［46］ Ikeda K，Ushijima K，Yamane H，et al． Linkage and physical distances between the S-haplotype S-RNase and SFB genes in sweet cherry［J］． Sex
Plant Reprod，2005，17(6) :289－296
［47］ Yamane H，Ikeda K，Hauck N R，et al． Self-incompatibility(S)locus region of the mutated S6-haplotype of sour cherry(Prunus cerasus)contains
a functional pollen S allele and a non-functional pistil S allele［J］． J Exp Bot，2003，54(392) :2431－2437
［48］ Halász J，Pedryc A，Hegedüs A． Origin and dissemination of the pollen-part mutated SC haplotype which confers self-compatibility in apricot
(Prunus armeniaca) ［J］． New Phytol，2007，176(4) :792－803
［49］ Kakui H，Tsuzuki T，Koba T，et al． Polymorphism of SFBB-gamma and its use for S genotyping in Japanese pear(Pyrus pyrifolia) ［J］． Plant Cell
Rep，2007，26(9) :1619－1625
［50］ Vieira J，Fonseca N A，Vieira C P． RNase-based gametophytic self-incompatibility evolution:questioning the hypothesis of multiple independent
recruitments of the S-pollen gene［J］． J Mol Evol，2009，69(1) :32－41
［51］ Sassa H，Kakui H，Minamikawa M． Pollen-expressed F-box gene family and mechanism of S-RNase-based gametophytic self-incompatibility
(GSI)in Rosaceae［J］． Sex Plant Reprod，2010，23(1) :39－43
［52］ Okada K，Tonaka N，Taguchi T，et al． Related polymorphic F-box protein genes between haplotypes clustering in the BAC contig sequences a-
round the S-RNase of Japanese pear［J］． J Exp Bot，2011，62(6) :1887－1902
［53］ Tao R，Watari A，Hanada T，et al． Self-compatible peach(Prunus persica)has mutant versions of the S haplotypes found in self-incompatible
Prunus species［J］． Plant Mol Biol，2007，63(1) :109－123
［54］ Norioka N，Norioka S，Ohnishi Y，et al． Molecular cloning and nucleotide sequences of cDNAs encoding S-allele specific stylar RNases in a self-
incompatible cultivar and its self-compatible mutant of Japanese pear，Pyrus pyrifolia Nakail［J］． J Biochem，1996，120(2) :335－345
［55］ Hiratsuka S，Nakashima M，Kamasaki K，et al． Comarison of an S-protein expression between self-compatible and -incompatible Japanese pear
cultivars［J］． Sex Plant Reprod，1999，12:89－93
［56］ 张绍铃，平塚伸，徐国华，等．梨自交不亲和及其亲和突变品种花柱内 S4(SSM4 )基因的表达与作用的比较［J］．植物学报，2001，43(11) :
1172－1178
［57］ 吴华清，齐永杰，张绍铃．‘奥嗄二十世纪’梨自交亲和性分子机制及遗传特性研究［J］．园艺学报，2008，35(8) :1109－1116
［58］ 李晓芳，李茂福，韩振海，等．‘鸭梨’芽变‘闫庄梨’自交亲和性分子机制初步研究［J］．园艺学报，2008，35(1) :13－18
［59］ Sanzol J． Pistil-function breakdown in a new S-allele of European pear，S21 * ，confers self-compatibility［J］． Plant Cell Rep，2009，28(3) :457－467
［60］ Qi Y J，Wang Y T，Han Y X，et al． Self-compatibility of‘Zaoguan’(Pyrus bretschneideri Rehd．)is associated with style-part mutations［J］． Ge-
netica，2011，139(9) :1149－1158
［61］ Marchese A，Bokovic＇ R I，Caruso T，et al． A new self-compatibility haplotype in the sweet cherry‘Kronio’，S5，attributable to a pollen-part mu-
tation in the SFB gene［J］． J Exp Bot，2007，58(15 /16) :4347－4356
［62］ Ushijima K，Sassa H，Tamura M，et al． Characterization of the S-locus region of almond(Prunus dulcis) :analysis of a somaclonal mutant and a
cosmid contig for an S haplotype［J］． Genetics，2001，158(1) :379－386
［63］ Huang S X，Wu H Q，Li Y R，et al． Competitive interaction between two functional S-haplotypes confer self-compatibility on tetraploid Chinese
cherry(Prunus pseudocerasus Lindl． cv． Nanjing Chuisi) ［J］． Plant Cell Rep，2008，27(6) :1075－1085
［64］ Qi Y J，Wu H Q，Cao Y F，et al． Heteroallelic diploid pollen led to self-compatibility in tetraploid cultivar‘Sha 01’(Pyrus sinkiangensis Yü) ［J］．
Tree Genet Genomes，2011，7(4) :685－695
［65］ urbanovski N，Tobutt K R，Konstantinovic＇ M，et al． Self-incompatibility of Prunus tenella and evidence that reproductively isolated species of
Prunus have different SFB alleles coupled with an identical S-RNase allele［J］． Plant J，2007，50(4) :723－734
［66］ Sutherland B G，Tobutt K R，Robbins T P． Trans-specific S-RNase and SFB alleles in Prunus self-incompatibility haplotypes［J］． Mol Genet Ge-
nomics，2008，279(1) :95－106
［67］ Yamane H，Ikeda K，Ushijima K，et al． A pollen-expressed gene for a novel protein with an F-box motif that is very tightly linked to a gene for S-
RNase in two species of cherry，Prunus cerasus and P． avium［J］． Plant Cell Physiol，2003，44(7) :764－769
［68］ Newbigin E，Paape T，Kohn J R． RNase-based self-incompatibility:puzzled by pollen S［J］． Plant Cell，2008，20(9) :2286－2292
［69］ Wu J，Gu C，Du Y H，et al． Self-compatibility of‘Katy’apricot(Prunus armeniaca L．)is associated with pollen-part mutations［J］． Sex Plant Re-
26
第 5 期 张绍铃，等:蔷薇科果树自交不亲和性分子机制研究进展
prod，2011，24(1) :23－35
［70］ Uyenoyama M K，Newbigin E． Evolutionary dynamics of dual-specificity self-incompatibility alleles［J］． Plant Cell，2000，12(3) :310－312
［71］ Matton D P，Luu D T，Morse D，et al． Reply:establishing a paradigm for the generation of new S alleles［J］． Plant Cell，2000，12(3) :313－315
［72］ Newbigin E，Uyenoyama M K． The evolutionary dynamics of self-incompatibility systems［J］． Trends Genet，2005，21(9) :500－505
［73］ Heng W，Wu J，Wu H，et al． Recognition specificity of self-incompatibility in Pyrus and Malus［J］． Mol Breed，2011，28(4) :549－557
［74］ Chookajorn T，Kachroo A，Ripoll D R，et al． Specificity determinants and diversification of the Brassica self-incompatibility pollen ligand［J］．
Proc Natl Acad Sci USA，2004，101(4) :911－917
［75］ McClure B A，Franklin-Tong V E． Gametophytic self-incompatibility:understanding the cellular mechanisms involved in“self”pollen tube inhibi-
tion［J］． Planta，2006，224(2) :233－245
［76］ McClure B，Mou B，Canevascini S，et al． A small asparagine-rich protein required for S-allele-specific pollen rejection in Nicotiana［J］． Proc Natl
Acad Sci USA，1999，96(23) :13548－13553
［77］ Lush W，Clarke A E． Observations of pollen tube growth in Nicotiana alata and their implications for the mechanism of self-incompatibility［J］．
Sex Plant Reprod，1997，10(1) :27－35
［78］ 张绍铃，平塚伸．梨花柱 S糖蛋白对离体花粉萌发及花粉管生长的影响［J］．园艺学报，2000，27(4) :251－256
［79］ Harris P J，Weinhandl J A，Clarke A E． Effect on in vitro pollen growth of an isolated style glycoprotein associated with self-incompatibility in
Nicotiana alata［J］． Plant Physiol，1989，89(1) :360－367
［80］ Zhang S，Hiratsuka S． Variations in S-protein levels in styles of Japanese pears and the expression of self-incompatibility［J］． J Japan Soc Hort
Sci，1999，68:911－918
［81］ 张绍铃，杨记磙，李秀根，等．梨自交不亲和强度不同品种花柱 S糖蛋白含量的差异［J］．园艺学报，2002，29(2) :165－167
［82］ 陈迪新，张绍铃，陶书田．沙梨花粉原位萌发与花粉管生长特性［J］．南京农业大学学报，2004，27(3) :34－37
［83］ Herrero M，Dickinson H． Pollen tube development in Petunia hybrida following compatible and incompatible intraspecific matings［J］． J Cell
Sci，1981，47(1) :365－383
［84］ 刘珠琴，张绍铃，徐国华．离体梨花柱 S-RNase对自体花粉管超微结构变化的影响［J］．园艺学报，2007，34(4) :841－846
［85］ 刘珠琴，张绍铃，徐国华，等．梨花柱 S-RNase对花粉管超微结构的影响［J］．西北植物学报，2005，25(7) :1357－1361
［86］ Xu G，Zhang S，Yang Y，et al． Influence of endogenous and exogenous RNases on the variation of pollen cytosolic-free Ca2+ in Pyrus serotina Re-
hd［J］． Acta Physiol Plant，2008，30(2) :233－241
［87］ 徐国华，张绍铃，张超英，等．梨自花与异花授粉后花粉胞内游离 Ca2+分布的变化［J］．植物生理与分子生物学学报，2003，29(2) :97－103
［88］ 周建涛，姜雪婷，刘珠琴，等．钙调素对梨自花及异花授粉后花柱自发荧光变化的影响［J］．园艺学报，2008，35(6) :781－786
［89］ Qu H Y，Shang Z L，Zhang S L，et al． Identification of hyperpolarization-activated calcium channels in apical pollen tubes of Pyrus pyrifolia［J］．
New Phytol，2007，174(3) :524－536
［90］ Franklin-Tong V E，Franklin F C H． Gametophytic self-incompatibility inhibits pollen tube growth using different mechanisms［J］． Trends Plant
Sci，2003，8(12) :598－605
［91］ Wu J，Wang S，Gu Y，et al． Self-incompatibility in Papaver rhoeas activates non-specific cation conductance permeable to Ca2+ and K+［J］． Plant
Physiol，2010，155(2) :963－973
［92］ Liu Z，Xu G，Zhang S． Pyrus pyrifolia stylar S-RNase induces alterations in the actin cytoskeleton in self-pollen and tubes in vitro［J］． Protoplas-
ma，2007，232(1) :61－67
［93］ Wang C L，Xu G H，Jiang X T，et al． S-RNase triggers mitochondrial alteration and DNA degradation in the incompatible pollen tube of Pyrus
pyrifolia in vitro［J］． Plant J，2009，57(2) :220－229
［94］ Wang C L，Wu J，Xu G H，et al． S-RNase disrupts tip-localized reactive oxygen species and induces nuclear DNA degradation in incompatible
pollen tubes of Pyrus pyrifolia［J］． J Cell Sci，2010，123(24) :4301－4309
责任编辑:范雪梅
张绍铃:博士，南京农业大学教授(二级)、博士生导师，南京农业大学江苏省重点学科果树学科点点
长，梨工程技术研究中心主任。江苏省“新世纪学科带头人(333 工程)”第二层次培育对象入选者。
现担任现代农业(梨)产业技术体系首席科学家。主持完成及在研的国家及省部级科技项目 40 多项;
获得省部级以上科技成果奖 12 项，其中 2011 年获得国家科技进步二等奖 1 项，排名第一;获得国家授
权的发明专利 22 项;出版著作 14 部;发表论文 260 多篇，其中 SCI 收录 60 篇，主要研究论文发表在
The Plant Journal、New Phylogist等国内外学术刊物上。20 多年来一直从事果树生殖生理与分子生物
学、果实品质形成与优质栽培技术等领域的研究工作;尤其在梨树自交不亲和性机制研究方面取得了
一系列突破性进展，率先提出梨自交不亲和性取决于花柱内 S 基因所表达的 S-RNase 量，确定
了S1 ～ S7 基因对应的 S-RNase，并分离纯化出了 S-RNase，揭示了其特性与功能;最先报道了 Ca
2+参与梨花粉与雌蕊识别的
过程及其信号转导机制;鉴定了 150 多个我国梨、果梅、李、樱桃等果树品种的自交不亲和性基因型(S 基因型) ，发现了 50
多个新 S基因;发明了培育梨自交亲和性种质的方法，创制了一系列自花结实性新种质。
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