全 文 ：遗　传 HEREDITAS(Beijing)25(2):241 ～ 244 , 2003 　　 研究报告
芸薹属植物自交不亲和分子机制的研究进展
刘　东 ,朱利泉 ,王小佳
(西南农业大学农学及生命科学学院生化实验室 ,重庆 400716)
摘　要:综述了近年来在芸薹属植物自交不亲和信号转导途径中相关基因的研究进展 , 同时对其自交不亲和信号
转导途径中的分子机制作一阐述。
关键词:芸薹属植物;自交不亲和;分子机制
中图分类号:Q946　　　文献标识码:A　　　 文章编号:0253-9772(2003)02-0241-04
Progress of Molecular Mechanism of Self-incompatibility in Brassica
LIU Dong ,ZHU Li-Quan ,WANG Xiao-Jia
(Laboratory of Biochemist ry , Depar tmen t of Agronom y and Bioscience , Southwest Agricultural U niversity , Chongqing 400716)
Abstract:I n recent years cer tain progess in Brassica signaling w as review ed about some self-compatibility-related genes
such as SRK , SLG , SCR , ARC1 , THL1 and THL2.Meanwhile , molecular mechanism in Brassica self-compatibility signal-
ing w as reviewed , including its action models.
Key words:Brassica;Self-compatibility;Molecular Mechanism
　　自交不亲和性(self-incompatibility)据估计存在于一半以
上的显花植物中 , 涉及 70 个科 、250 个属 , 在几千万年前就
已经发生[ 1] 。在同型的自交不亲和性植物中 ,根据花粉自交
不亲和表型的遗传控制方式 ,可划分为配子体型和孢子体型
自交不亲和性。芸薹属植物是一种具有孢子体型自交不亲
和系统的植物。这种自交不亲和系统在遗传上受一个带有复
等位基因的多态性 S 基因座所控制。在一个 S 基因座上 ,可
含有多个 S 等位基因 , 如在甘蓝中已发现有 50 多个等位基
因。当柱头和花粉的 S 单元型相同时 , 花粉被柱头所拒绝。
S 基因座是一个基因复合体 , 目前 ,已知在 S 基因座至少有三
个基因参与了花粉与柱头之间的相互识别 , 它们是 S 基因座
受体激酶基因 SRK(s-locus receptor kinase)、S 基因座糖蛋白基
因 SLG(s-locus glycoprotein gene)和花粉外壳蛋白基因 SCR(s-
locus cysteine-rich proteingene)。在花粉落到柱头上后三种蛋白
质之间的相互作用导致了柱头乳头细胞内一系列生化反应的
发生 , 使柱头具有了接受和排斥花粉的能力。
1　S 基因座受体激酶基因SRK
SRK 基因编码一种多态性的跨膜蛋白,它是由一个与 SLG
同源的 S域 、一个跨膜域和一个富含丝氨酸苏氨酸的激酶域组
成。最近的功能获得性实验已经证明了 SRK是 S 单元型柱头
特异性的决定因子,它位于柱头乳头细胞的细胞膜上。
为了进一步了解 SRK 的作用模式 , Giranton J L等人[ 2]
用昆虫细胞杆状病毒系统使不同的重组 SRK 蛋白在膜环境
中表达。结果发现重组 SRK 蛋白所表现出来的特性与柱头
内源性 SRK 蛋白所表现的特性接近 , 并且这些重组 SRK 蛋
白上的丝氨酸与苏氨酸在昆虫细胞的微粒体中能自动磷酸
化。这种自动磷酸化是组成性的 ,因为在磷酸化缓冲液中 ,
即使花粉和柱头的抽提物不存在 , 这种磷酸化作用也会发
生。发生在跨膜区的磷酸化作用表明了膜锚定重组 SRK 组
成性同聚物的存在。为了更进一步观察这些结果的生理相
关性 ,他们用荧光组分速率沉淀法检测到了 SRK 在植物中
寡聚体的状态 , 同时结果也表明 SRK 之间能形成寡聚体 , 而
且也能与未授粉的柱头上其他蛋白形成寡聚体。因此 , SLG
与 SRK 结合形成寡聚体增强 SRK 的作用也是可能存在的。
2　S 基因座糖蛋白基因SLG
SLG基因编码一种丰富的分泌型糖蛋白 , 该糖蛋白位
收稿日期:2002-04-16;修回日期:2002-06-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目(项目编号:30170646)和重庆市应用基础项目(项目编号:6870)
通讯作者:朱利泉(1962-)男 ,汉 ,教授(博士),生物化学专业。 Tel:023-68251783(H)68250794(O), E-m ail:zhu_lq2002@yahoo.com
于柱头乳头细胞的细胞膜中。它在自交不亲和反应中起增
强 SRK活性的作用 , 但这种增强作用的机理仍不清楚。
Nou 等人[ 3]估计在白菜类中存在超过 100 个单元型。这
些等位基因的分化在几千万年以前已经开始[ 1] 。 SLG之间的
序列差异从 10%到 20%不等。 SLG 与 SRK 之间的序列差异
从88%到 98%不等[ 4 , 15] 。基于 SLG之间序列相似程度和它
们相应 S 单元型之间的显性关系, Nasrallah等人[ 5]把 SLG 分
为两类 ,Ⅰ类和Ⅱ类。Ⅰ类 SLG 与花粉表现为显性的单元型对
应, Ⅱ类 SLG与花粉表现为隐性的单元型对应。同时 , 对Ⅱ类
S 2 单元型分子水平的研究表明 SLG2 基因能产生两种转录
物, 但这两种转录物的 3′端有差异[ 6] 。一种转录物编码预期
的分泌型糖蛋白, 而另一种转录物最有可能编码了一种膜锚
定蛋白 ,但这种蛋白质在Ⅰ类 S 6 单元型中没有发现。因此 , S2
单元型 SLG2 的特性被认为与花粉隐性有关。另外 , 还发现
了三个与 SLG 相关的基因 SLR1 、SLR2 和 SLR3 ,它们不与
S 基因座连锁 , 但在序列上与 SLG有相似性[ 7] 。
3　SRK底物蛋白基因 ARC1 、THL1 和 THL2
为了研究 SRK 激酶的底物蛋白 , Tiesheng G 等人[8]用酵
母双杂交文库来筛选能与 SRK 结合的蛋白质 ,结果分离出了
一种臂重复蛋白 ARC1(arm repeat containing)。在 ARC1 的 C
端区 ,有 5 个臂重复单元 ,也是与 SRK 相互作用的区段。通
过酵母双杂交系统和体外结合鉴定 , 他们发现 ARC1 可特异
性地与 SRK 结合而不能与来自两个不同拟南芥的类受体激
酶结合。另外 , 用蛋白磷酸化处理或使用激酶失活突变的方
法来减弱或消除 ARC1 结合 SRK 激酶域的能力 , 结果发现这
种相互作用是依赖于磷酸化作用的。最后, 通过 RNA杂交带
型分析 , 发现ARC1仅在柱头表达 ,而柱头恰恰又是自交不亲
和发生的部位。在酵母双杂交系统中, 还发现了与 SRK 结合
的另外两种蛋白质 , THL1(thioredoxin-h-like-1)和 THL2。它
们是硫氧还蛋白 h 家族的两个成员 , 也能特异地与 SRK 结
合, 但这种结合作用是不依赖于磷酸化作用的。而依赖于一
个共同的活性位点:CPPC。为了证明这两个 Cys 是否在
THL1和 THL2 与 SRK 的结合中起了关键作用 , Maria M 等
人[9]用两个 Ser 分别替代了两个 Cys。结果它们均不能与
SRK相互作用 , 这也说明这种相互作用需要氧化还原活性。
另外 ,通过对酵母双杂交系统中激酶结构的分析 , 也鉴定了一
个 Cys465 ,它是 SRK 与 THL1 和 THL2 相互作用的必需氨基
酸。Cys465的缺失或取代均导致了这种相互作用的消失。经
Maria M等人[ 9]研究发现 THL1 和 THL2 在自交不亲和中的
功能可能是在缺乏刺激物的情况下 , THL1 和 THL2 是 SRK
的负调控因子。这种负调控作用减弱了 SRK 的活性 , 是通过
SRK的二聚化或自身磷酸化实现的。 SRK 的激活是由花粉
的外壳蛋白 SCR的作用[ 14] 。然后, SRK 克服了这种负调控,
导致了 SRK信号通过蛋白质传递如 ARC1。
4　花粉外壳蛋白基因 SCR
SCR 编码一种高度多态性富含半胱氨酸的小分子巯基
蛋白 , 该蛋白在花药壁和花粉中特异表达。在芸薹属中 , 功
能获得性方法已经证明了 SCR是 S 单元型花粉特异性的决
定因子。 Seiji T 等人[ 10]在 B.rapa 中也鉴定了 SCR 的两个
等位(图 1),验证了 SCR是芸薹属植物自交不亲和花粉特异
性的决定因子。同时也发现 S 9 单元型的 SCR 基因 5′端上
游的 522 个碱基序列过去常用来做转基因的启动子 ,该序列
包含了多个调控因子 。启动子剔除分析表明上游区高度保
守的 192 个碱基序列是该启动子的特异功能区。 另外 ,免疫
组织化学分析表明在晚期发育的花粉中 , SCR 蛋白主要积累
于花粉外壳 ,这与它的生物学功能相一致。 SCR 是在 S 基
因座发现的第三个多态性基因。 SCR 是在 Brassica rapa 的
S9 单元型的SLG SRK 侧翼区被首次鉴定为 S 9 单元型花药
特异基因, 而处于 S 8 单元型相应区域的 SCR 等位基因也被
鉴定[ 11] 。在白菜中 S 基因座 SLG SRK 区的基因组织结构
见图 1。到目前为止 ,在 B.rapa 中 SCR 已有 22 个等位基因
被鉴定 ,它们均具有花粉外壳蛋白家族的特性[ 12 ,13] 。
图 1　白菜类 S 基因座的SLG SRK 区的基因组织结构(引自 Seiji T akayama[ 10]等)
(基因的转录方向用箭头表示 ,内含子用方块表示 ,外显子用折线表示)
Fig.1　Genomic organization of the SLG SRK region of the S locus of B.campestris [ 10]
(The arrow s indicate the direction of transcription of each gene.Exons are indicated by boxes and introns are indicated by dips.)
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5　SCR、SLG 、ARC1 、THL1 、THL2 与 SRK 之间的
相互作用
　　在 SRK 介导的芸薹属自交不亲和过程中 , THL1 与
THL2能通过抑制 SRK 的磷酸化作用使 SRK 失去活性 , 但
它们与 SRK 的结合并不依赖磷酸化作用。当自花花粉落到
柱头上时 , 花粉外壳蛋白 SCR 在细胞壁中 SLG 的协助
下与 SRK 胞外域相互作用 , 激活了膜上的 SRK , 于是
THL1与 THL2 被释放到了胞质中 , SRK 之间形成寡聚
体[ 14] , S RK 分子之间发生转磷酸化作用。 在 S RK 的激
酶域发生磷酸化作用后 , 胞内 ARC1 的臂重复区开始与之
结合 , 进而引发了一系列级联反应 , 调节相关基因的表达 ,
抑制自花花粉萌发或花粉管伸长。这种相互作用的模式见
图 2。
图 2　芸薹属植物柱头乳突细胞
(A:表示未受粉的乳突细胞 ,其中箭头表示未受粉时 TH L1和 TH L2与 SRK结合;
B:表示接受了花粉的乳突细胞 ,其中箭头表示信号的途径 , X为未知蛋白)
Fig.2　Papillar cell of the stigma of Brassica plants
(A:indicates non-pollinating papi llar cell , in w hich the arrow s indicate the binding of THL1 , THL2 and SRK;
B:indicates pollinat ing papillar cell , in w hich the arrow s indicate the ways of signaling.X indicates unknown proteins.)
6　展　　望
自交不亲和性是芸薹属植物具有的阻止自花授粉 、保持
遗传变异的一种重要机制。 通过对芸薹属植物自交不亲和
分子机制的研究 ,既为人类研究开花作物的胞间通讯机理提
供了一种典型的模式材料 ,同时也为人类利用其花期表达的
自交不亲和基因及其启动子创造雄性不育系展示了诱人的
前景[ 16～ 20] 。另外 ,我们也可以对芸薹属植物自交不亲和在
遗传上的多态性有一个更进一步的认识 , 促进了芸薹属植物
杂种优势的利用及自交不亲和系的鉴定[ 21 ,22] 。最近 , T iesh-
eng G 等人[ 9]的研究表明 ARC1 的 N端区可能是这个信号转
导途径中下一个组分的结合区域。下一个组分可能就是类
水通道蛋白 MOD蛋白 , 因为 MOD 的突变导致了自交不亲
和性的丧失。这说明了自交不亲和性涉及到了柱头水通道
的激活 ,而这又与花粉识别过程中花粉的黏附 、水化 、花粉管
的渗透有关。但在芸薹属植物自交不亲和信号转导中 ,MOD
蛋白的作用机理我们并不清楚。另外 , THL1 和 THL2 在这
个过程中是如何抑制 SRK 活性及 SLG 是如何增强 S RK 活
性的 ,这些作用机理都有待于进一步研究。
参 考 文 献(References):
[ 1] 　Hinata K , Watanabe M , Yamakaw a S , et al.Evolut ionary aspects
of the S-related genes of the Brassica self-incompatibility system :
synonymous and nonsynonymous base substitution-s[ J] .Genetics ,
1995 , 140:1099～ 1104.
[ 2] 　Giranton J L , Christian D , Cock J M , et al.The integral membrane
S-locus receptor kinase of Brassica has serine theonine kinase ac-
tivity in a membranous envi ronment and spontaneously forms oli-
gomers in planta[ J] .Proc Natl Acad Sci USA , 2000 , 97:3759 ～
3764
[ 3] 　Nou I S ,Watanabe M , Isogai A , et al.Comparison of S-alleles an
S-glycoproteins betw een two w ild populations of B rassica campes-
t ris in Turkey and Japan[ J] .Sex Plant Reprod , 1993 , 6:79～ 86.
[ 4] 　Delorme V , Giranton J L , Hatzfeld Y , et al.Characterization of the
S-locus gene , SLG and SRK , of the Brassica S 3 haplotype:iden tifi-
cation of a membrane-localized protein encoded by the S-locus re-
ceptor kinase gene[ J] .Plant J , 1995 , 7:429～ 440.
243　2 期　　　　　　　　　　　　　刘　东等:芸薹属植物自交不亲和分子机制的研究进展
[ 5] 　Nasrallah J B , Nasrallah M E.Pollen-stigma signaling in the sporo-
phyt ic self-incompatibility response[ J] .Plant C ell , 1993 , 5:1325～
1335.
[ 6] 　Schopfer C R , Nasrallah M E , Nasrallah J B , et al.T he male der-
minant of self-incompat ibi li ty in Brassica[ J] 　.Science , 1999 ,
286:1697～ 1700.
[ 7] 　Watanabe M ,Ono T , Hatakeyama K , et al.Molecular characteriza-
tion of SLG and S-related genes in a self- incompatible Brassica
campestr is L.var.yel low sarson[ J] .S ex Plant Reprod , 1997 , 10:
332～ 340.
[ 8] 　Tiesheng G , Maria M ,Waheeda S , et a l.Binding of an arm repeat
protein to the kinase domain of the S-locus receptor kinase[ J] .Pro
Natl Acad S ci USA , 1998 , 95:382～ 287.
[ 9] 　Maria M ,Waheeda S , Helen E , et al.Further analysis of the interac-
t ions between the Brassica S receptor kinase and three interacting pro-
t eins(ARC1 , THL1 and THL2)in the yeast two-hybird system[ J] .
Plant Molecular Biology , 2001, 45:365～ 376.
[ 10] S eiji T ,Hiroshi S , Megumi I , et al.T he pollen determinant of self-
incompatibility in Brassica campest ri s[ J] .Pro Nat l Acad Sci USA ,
2000 , 97:1920～ 1925.
[ 11] T antikanjana T , Nasrallah M E , Stein J C , et al.An alternative
transcript of the S-locus glycoprotein gene in a class II pollen-re-
cessive self-incompat ibili ty haplotype of Brassica oleracea encodes a
membrane-anchored protein[ J] .Plant Cell , 1993 , 5:657～ 666.
[ 12] Suzuki G , Kai N , Hirose T , et al.Genomic organization of the S
locus:ident ification and charac-t erizat ion of genes in SLG SRK re-
gion of S9 haplotype of Brassica campestris(syn.rapa)[ J] .Ge-
netics, 1999 , 153:391～ 400.
[ 13] Takayama S , Isogai A , Tsukamoto C , et al.Sequences of S-glycop-
roteins products of the Brassica campestri s self-incompatibility lo-
cus[ J] .Nature.1987 , 326:102～ 104.
[ 14] Didier C , Cock J M , Christian D , et al.The S-locus receptor ki-
nase is inhibited by thioredoxins and activated by pollen coat pro-
teins[ J] .Nature , 2001 , 410(6825):220～ 223.
[ 15] Watanabe M , Takasaki T , Toriyama K , et al.A high degree of ho-
mology exists betw een the proteinencoded by SLG and the S re-
ceptor domain encoded by SRK in self-incompat ible Brassica
com pestris L[ J] .Plant Cell physiol , 1994 ,35:1221～ 1229.
[ 16] 王谋强.论大白菜及其近缘芸苔属作物核不育材料的育性遗传
兼基因互作的抑制效应[ J] .遗传 , 1998 , 20(3):32～ 34.
[ 17] 王谋强.大白菜及近缘作物核不育两用系的育性遗传多样性探
讨[ J] .遗传 , 2000 , 22(3):162～ 164.
[ 18] 缪　颖 ,曹家树 ,陈林蛟.芸苔属植物雄性不育的发育生物学研
究[ J] .生命科学 , 2000 , 12(3):105～ 108.
[ 19] 孙　威 ,高　洁 , 李继耕 ,等.油菜叶绿体基因组雄性不育特异
DNA片段的定位[ J] .遗传学报 , 1992 , 19(1):55～ 60.
[ 20] 卢　钢 ,曹家树 ,陈　杭.芸苔属植物分子标记技术和基因组研
究进展[ J] .园艺学报, 1999 , 26(6):384～ 390.
[ 21] 朱利泉 ,王小佳.利用 S 基因多态性测定甘蓝自交不亲和性及
S 等位基因系[ J] .植物学报 , 2000 , 42(6):595～ 599.
[ 22] 吕　俊 ,朱利泉 ,王小佳.利用 SRK 抑制剂和激活剂调控甘蓝
自交不亲和性[ J] .园艺学报 , 2001 , 28(3):235～ 239.
2003全球华人生物科学家大会第二轮通知
经国务院批准 ,由中国科学院 ,国家自然科学基金委员会 ,中国工程院 , 北京大学和中国医学科学院与美国华人生物科学家
学会主办的 2003全球华人生物科学家大会暨第十届美洲华人生物科学大会将于 2003年 8月 16～ 21 日在北京国际会议中心举行。
本次大会的主题是生命科学—为了更美好的生活 , 其议题将涉及广泛的生命科学领域(详见 Website:http ww w.sc-
ba2003.o rg和大会第二轮英文通知)。本次大会将邀请 4 ～ 5 位诺贝尔奖获得者 ,多名中美两国科学院院士以及国内外 150 位
左右在生物学 、医学 、生物技术领域从事前沿研究工作的著名专家和学者到会做学术报告。 大会采取全体会议和专题讨论
会 ,而且还有论文展示和技术 、产品 、及科研成果展览会 。预计将有 2000 多名海内外代表参加此会 , 因此可以说本次大会是一
次全球华人生物科学家的学术盛会。希望大家踊跃报名参加。现将有关事项通知如下:
一 、投稿:如愿向大会投稿者 , 请于 2003 年 3 月 31 日前将文摘寄至大会组委会秘书处 ,有关投稿的具体要求等请详见
Website:http www .scba2003.o rg和大会第二轮英文通知 。
二 、注册费:1.国内正式代表(2003 年 6月 15 日前 1200元;2003 年 6 月 15 日后 1500 元);2.国内学生代表(2003 年 6 月 15
日前 800 元;2003 年 6月 15日后 1000 元)。注册费主要包括大会日程、文摘集 、招待会 、宴会 、茶点。
会议注册费请汇至:帐户名:中国科学院国际学术交流中心　帐号:00030408091001　开户行:北京市中国银行总行营业
部。如需参加大会请 2003 年 6 月 25日前将注册表寄至大会组委会。
三 、住宿:大会组委会将国内代表的住宿安排在鸿翔大厦(地址:北京市海淀区龙翔路 15 号)。住宿费为每间房每天 192 元,
每床位每天为 96 元, 住宿费代表自理, 如需大会组委会预订住宿 ,请于6 月25 日前将住宿登记表寄至大会组委会 ,以便我们安排。
联系人:王　博　中国科学院国际学术交流中心　地址:北京市西城区三里河路 52 号 , 100864
电话:68597751　传真:68597748　E-mail:hy-cise@cashq .ac.cn
2003年全球华人生物科学家大会组委会
二★★三年一月二十七日
244 遗　传 HEREDITAS (Beijing)2003　　　　　　　　　　　　　　　　25卷