全 文 ：第6卷第6期
Vol.6 No.6
南方农业
South China Agriculture
2012年6月
Jun. 2012
芸薹属自交不亲和信号传导功能分子的研究进展
刘豫东1,2,3，曾 静4，高启国1,2,3※
(1西南大学园艺园林学院，重庆 400715; 2南方山地园艺学教育部重点实验室，重庆 400715;
3重庆市蔬菜学重点实验室，400715; 4西南大学农学与生物科技学院，重庆 400715)
摘 要 : 芸薹属自交不亲和属于孢子体自交不亲和(SSI)，受S位点复等位基因控制。SCR、SRK是自
交不亲和的关键因子，花粉产生信号分子SCR，与柱头乳突细胞SRK相互作用，然后进行细胞内的
一系列信号传导。近年来在自交不亲和过程中有重要作用的其他因子也有所研究，如: ARC1、THL1/
THL2、MLPK、EXO70A1等。本文综述了芸薹属自交不亲和信号传导过程中的功能分子的研究进展。
关键词: 芸薹属; 自交不亲和性; 信号传导
中图分类号: Q78 文献标志码: A
芸薹属植物属于典型的孢子体自交不亲和(SSI)，
遗传上由具有复等位基因的多态性S基因座所控制，
现已分离到3类与该位点连锁的基因, 分别编码SRK(S-
locus receptor kinase, S位点受体激酶)，SLG(S-locus
glycoprotein, S位点糖蛋白) 、和SCR(S-locus cystein-
rich protein，S位点富半胱氨酸蛋白) 。SLG与SRK
位于雌蕊中，SCR位于雄蕊中, 当花粉和干性柱头结
合时，SRK和SCR相互作用，花粉管在雌蕊中停止
生长，引起SI反应。这种自交不亲和性除了受S位点
基因的控制外，还受ARC1、THL1/THL2、MLPK、
EXO70A1、水孔蛋白等因子的调控，这些因子的编码
基因虽然不与S位点连锁，但在自交不亲和反应过程
中他们也起着重要的作用。
1 编码基因与S-位点连锁的因子
1.1 SCR
SCR是自交不亲和的信号分子，由花粉产生，在
花粉壁上大量积累，它是一种亲水性的碱性蛋白，成
熟蛋白的分子量为8.4～8.6 kDa。Schopfer和Suzuki 差
不多在同一时间公布了编码SCR的基因，大量证据表
明它就是花粉S基因，并且是唯一的雄性决定因子: 在
甘蓝(Brassica oleracea )的花粉自交亲和突变体上没有
检测到SCR基因的表达[1]。其次，SCR转基因植株中
的花粉获得了S花粉表型，并获得了SI[1]。SCR具有高
水平的序列多态性，目前在芸薹属和Arabidopsis lyrata
中鉴定出的22个SCR，只有7个半胱氨酸和1个谷氨
酸残基是保守的。当自花授粉时，SCR在SLG的帮助
下进入柱头细胞壁中与SRK相互作用，并降低THL对
SRK的磷酸化抑制作用，促使SRK磷酸化。进而引发
一个由受体介导的级联反应，造成自交不亲和反应。
1.2 SRK
SRK是柱头乳突细胞上由S基因编码的一种跨膜
蛋白激酶，有胞外域、跨膜域和具有Ser/Thr激酶活性
的胞内域三部分，SRK的胞外域是SCR的结合位点，
有较高的多态性，决定SI中的识别反应。它的胞内域
即激酶区域是功能部位，通过Ser和Thr的磷酸化来传
递来自胞外的信号。
一系列的突变体实验和转基因实验证明SRK是SI
反应中的核心因子，1991年Stein等从甘蓝中成功分
离出编码SRK的基因，该基因与S位点连锁，并且在
作者简介: 刘豫东(1992—)，男，河南太康人，西南大学园艺园林学院
蔬菜学专业2011级在读硕士研究生，研究方向为蔬菜基因工程与分子生
物学。※为通讯作者，E-mail: GAOQG2004031@163.com。
77
柱头中特异性表达[2]; 1993年Goring等发现芸薹属植物
SRK缺失会导致自交亲和[3]; 2000年Takasaki等向SI芜
菁中转入SRK28和SLG28发现，只转入SRK28即可使转
基因植株拒绝S28的花粉，而SLG28没有这个功能，它
对SI反应只有促进作用[4] 。这些证据说明SRK是雌蕊
的决定因子，在花粉识别在有重要作用。
1.3 SLG
SLG是从雌蕊中分离出来的第一个S位点基因产
物，它是一种分泌型糖蛋白，主要分布在柱头乳突细
胞的细胞壁和胞间区。SLG也是一个高度多态的S位
点基因，表达水平比SRK高，SLG与SRK胞外域具有
高度的序列同源性。
运用免疫化学和原位分子杂交的实验表明，芸薹
属植物的SLG主要分布在柱头乳突细胞的细胞壁和胞
间区，不存在营养组织中，在柱头中也不积累。在某
些自交亲和突变体中SLG的量显著降低，表明SLG的
积累与自交不亲和性是相关的，最初认为柱头识别花
粉主要依赖SLG，但Takasaki T等[4] 通过转基因实验表
明，在SI中SLG只起辅助作用，某些植物中甚至没有
SLG出现而同样发生SI反应。虽然SLG不是SI的核心
因子，但它促进SI反应，对于SRK的成熟和它在柱头
表皮中积累到相对生理水平有促进作用。然而，在随
后的转基因实验中发现，在表达SRK910的转基因植株
中转入SLG910基因，却没有提高SI反应的能力[5] 。
2 编码基因与S-位点非连锁的因子
2.1 ARC1
ARC1是一臂重复蛋白，主要在柱头中表达，一
般存在于细胞核和细胞质中。它含有1个广泛存在于
泛素连接酶中的U-box 结构域。Stone研究表明ARC1
其实就是连接酶E3，它和E1、E2酶参与的泛素化反应
在SI中具有重要地位[6] 。
一些体外实验证明，ARC1 通过C 末端的臂重复
区与有活性的SRK 激酶域相互作用，导致了ARC1的
磷酸化。1999年在Stone的实验中[7] ，将ARC1的全长
cDNA序列进行正义和反义转基因实验，结果显示正
义转基因植株中均能检测到ARC1，且表达量增加，
植株仍为SI表型; 在反义转基因植株中，柱头中有部
分SI被打破，植株表现为自交亲和，并且认为ARC1
仅是SRK的底物之一。尽管如此，这些结果仍确立了
ARC1在SI信号转导中起胞内第二信使的作用。在自
花授粉时ARC1与SRK激酶区结合发生磷酸化，使得
细胞内一未知底物泛素化而形成一复合物，该复合物
可能导致某种能促进自交亲和的蛋白质降解，或者可
能调节柱头乳突细胞上的水孔蛋白从而限制不亲和的
花粉获取水分。
2.2 THL1/THL2
它可能是SRK的一个负调控因子。SRK分子在离
体细胞中可以不用配体就磷酸化，但是在活体细胞
内，它的磷酸化需要一种PCP(pollen coat proteins)，
这说明SRK在柱头中受某种物质的抑制而处于非活性
状态。Bower等[8] 用酵母双杂交系统发现一类硫氧还
蛋白H(thioredoxin H)——THL1和THL2，他们可以与
SRK激酶区作用，体外重组THL1能抑制SRK的活性，
随后证明在没有SCR的情况下THL1是作为SRK的抑制
子起作用的。Cabrillac等[9] 发现加入THL1后SRK3的自
体磷酸化受到抑制，但是加入PCP后，抑制作用得到
缓解。这些实验证明，在花粉与柱头接触前，THL抑
制SRK的磷酸化，从而影响SI的表达，当SCR与SRK
相互作用后，其构象发生改变，激活SRK激酶，从而
SI发生。
2.3 MLPK
利用酵母双杂交技术和对自交亲和突变体的分
析，我们知道信号传导是由SCR-SRK相互作用所触发
的，这在十字花科植物中已经做过研究，在这些研究
中一些蛋白被鉴定，认为其在自交不亲和中的作用是
磷酸化级联反应和泛素介导蛋白水解通道的一部分。
在这种自交不亲和的模式下，SRK胞外结构域和它
的同源SCR配合基引起受体的自体磷酸化。磷酸化的
SRK与乳突细胞膜MLPK(M位点蛋白激酶)一起，与
ARC1相互作用和磷酸化[10]。现在对于MLPK的功能还
知之甚少，它可能与SRK、ARC1有相互作用，这需
要进一步的实验来证实。
2.4 EXO70A1
刘豫东，曾 静，高启国: 芸薹属自交不亲和信号传导功能分子的研究进展
78
EXO70A1是胞吐囊的一个复杂成分，研究证明它
是ARC1相互作用的配合体。在芸薹属和拟南芥中，
EXO70A1表达水平的降低会中断花粉管生长。Samuel
MA等[11]提出了这样一个假说: EXO70A1通过ARC1-
介导泛素化对SI进行负调控，在芸薹属植物柱头上，
EXO70A1的局部增强表达能够克服对自体花粉的抵制
作用。这些结果显示EXO70A1能够增强“相容性”花
粉的授粉成功，但是由于EXO70A1的降解，造成自体
花粉被“相容性”因子的抑制分泌物所拒绝。然而，
迄今还没有找到这种模式所要求的正式证据来证明在
自交不亲和机制激活之后，在花粉-柱头接触位点下面
EXO70A1蛋白水平的集中降低。
Synek [12] 等研究证明EXO70A1在一些组织中表
达，并表明这个蛋白在极化分泌物通道中的作用比在
柱头-花粉相互作用更重要。事实上，纯合子植物拟南
芥的EXO70A1无意义突变展示出多向性的形态缺陷，
比如影响下胚轴伸长，根毛、植物的大小，顶端支配
作用，以及花的发育等 。
2.5 水孔蛋白
水是花粉萌发所必须的条件，所以SI发生在干性
柱头的表面。在SI基因的研究中发现一种编码类似于
水孔蛋白(aquaporin)的基因MOD。这个基因虽然不
是S位点基因，但是它的缺失会导致自交亲和的发生;
Ikeda等[13] 认为在自花授粉中，磷酸化的SRK通过一
系列的信号传导激活MOD蛋白，刺激水分子进入柱头
而远离花粉。编码MOD蛋白的基因序列和MIP(major
intrinsic protein)膜蛋白很相似，MIP可以透过水分子
和一些小分子，因此可以推测MOD可能通过调节水分
子或某些小分子的运输来调控SI。
对十字花科和其他物种自然成员自交不亲和的
分析已经说明SI是个定量的特征，由复合的相互没关
联的“修饰基因”基因座影响SI的强度。Nasrallah 等
人[14]的实验结果显示，群体中的个体可以显示自交不
亲和不定的的度，从完全的自交不亲和到完全的自
交亲和。 Stone[7]表示ARC1的反义引物的下调调节和
EXO70A1过度表达的减弱(但并没有取消)，自体花粉
仍然受到抑制。ARC1的不完全抑制和EXO70A1转录
物的部分过度表达可能可以解释在转基因链分析中SI
反应的部分中断，ARC1和EXO70A1可能只是代表SI
信号传导网络的一个分支。
花粉-柱头的相互作用十分复杂，它由多种因素构
成，包括花粉附着力、花粉水合、花粉发芽、花粉管
穿透。自交不亲和反应的典型性是由花粉水合的抑制
所证明的，花粉水合是新陈代谢、细胞极化、花粉粒
萌发所必须的前提条件。在一些不相容的传粉中，花
粉粒会萌发，它们的花粉管也会在柱头表面上生长，
这可能是因为花粉水合的不完全抑制，但是花粉管
绝不会伸长到柱头表皮细胞壁上。Samuel等[15]已证明
EXO70A1在花粉水合和花粉管穿透上均有作用，在芸
薹属植物柱头上这个蛋白的过度表达增强了自体花粉
粒的附着力和水合作用。然而，它只是轻微的增加花
粉管穿透柱头表面的几率，这解释了EXO70A1过度表
达的转基因植物为什么产生极少的种子，也说明除了
ARC1-介导的EXO70A1的遍在蛋白作用，在SI反应中
另一个信号传导的因子或者途径对花粉管穿透的抑制
起着作用。这个因子可能是KAPP(激酶相关蛋白磷酸
酶)、钙调蛋白、或者SNX1(排序微管连接蛋白)。虽然
在SI信号传导中这些蛋白的角色还没有得到证明，但在
拟南芥中，SNX1显示出植物激素携带运输的功能[16]，
这增加了SI和植物激素信号传导相互交叉的可能性。
3 小结
通过上述对SI各功能因子的研究进展，自交不亲
和的信号传导途径可以借鉴Stone等[6] 的总结(如图1)。
图中问号处是尚未了解决清楚的，是今后研究的主要
内容，主要是: ARC1作用的底物以及它们组成的复合物
对SSI的调控机理，除此之外，还有MLPK和EXO70A1
的功能，以及水孔蛋白对SSI的作用机理等。
不亲和花粉不存在时，SRK被THL1抑制。自
交授粉后，SCR激活受体SRK，THL1游离下来，促
进SRK的磷酸化。磷酸化的SRK与胞质内的ARC1结
合，导致ARC1磷酸化。ARC1与底物结合，结合底
物的ARC1通过U-box结构与E2酶作用，使底物泛肽
化，并共同运输到ER膜表面的蛋白酶体/CSN(COP9
第6卷第6期
Vol.6 No.6
南方农业
South China Agriculture
2012年6月
Jun. 2012
79
signalosome)。在蛋白酶体/CSN中，ARC1介导的泛肽
化的底物被降解，导致了自交不亲和性反应的发生。
参考文献
[1] Schopfer C R, Nasrallah M E, Nasrallah J B, 1999.
The male determinant of self-incompatibility in
Brassica [J]. Science,286:1697－1700.
[2] Stein JC,Nasrallah JB,1993.A plant receptor-
likegene, the S-locus receptor kinase of Brassica
oleracea L.,encodes a functional serine/threonine
kinase[J]. Plant Physiol, 101:1103－1106.
[3] Goring D R, Rothstein S J, 1992. The S-locus
receptor kinase gene in a self-incompatible Brassica
napus line encodes a functional serine/threonine
kinase[J]. Plant Cell, 4:1273－1281.
[4] Takasaki T, Hatakeyama K, Suzuki G, Watanabe
M, Isogai A, Hinata K, 2000. The S receptor kinase
determines self-incompatibility in Brassica stigma [J].
Nature, 403:913－916.
[5] Silva N F, Stone S L, Christie L N, Sulaman W,
Nazarian K A P, Burnett L A, Arnoldo M, Rothstein
S J,Goring D R，2001. Expression of the S receptor
kinase in self-incompatible Brassica napus cv
Westar leads to the allele-specific rejection of self-
incompatible Brassica napus pollen.[J] Mol Genet
Genomics, 265:552－559.
[6] Stone S L, Anderson E M, Mullen R T, Goring D R,
2003. ARC1 is an E3 ubiquitin ligase and promotes
the ubiquitination of proteins during the rejection
of self-incompatible Brassica pollen.[J]Plant
Cell,15:885－898.
[7] Stone S L, Arnoldo M, Goring D R, 1999. A
breakdown of Brassica self-incompatibility in
ARC1 antisense transgenic plants[J]. Science,
286:1729－1731.
[8] Bower M S, Matias D D, Fernandes-Carvalho E,
E1 E1
E2
E2
E2
Cell wall
Substrate
Ubiquitination
Nucleus
Proteasome/CSN
Plasma membrane
Self-pollination
图1 芸苔属自交不亲和反应的模型(引自参考文献[6])
Self-pollen inhibition
p
p
p
p p pp
THL
THL
THL
?
?
?
ARC1
ARC1
ARC1
ARC1
SCR
SRK
Ub
ER
ARC1
刘豫东，曾 静，高启国: 芸薹属自交不亲和信号传导功能分子的研究进展
80
Mazzurco M, Gu T, Rothstein S, Goring D R,1996.
Two members of thioredoxin-h family interact with
the kinase domain of a Brassica S locus receptor
kinase[J]. Plant Cell, 8:1641－1650.
[9] Cabrillac D,Cock JM, Dumas C, et al .The S-locus
receptor kinase is inhibited by thioredoxins
and ac t i va t ed by po l l en coa t p ro t e in s [ J ] .
Nature,2001,410:220.
[10] Murase K, Shiba H, Iwano M, Che FS, Watanabe M,
Isogai A,Takayama S:A membrane-anchored protein
kinase involved in Brassica self-incompatibility
signaling[J]. Science, 2004,303:1516－1519.29.
[11] Samuel MA, Chong YT, Haasen KE, Aldea-
Brydges MG, Stone SL,Goring DR:Cellular
pathways regulating responses to compatible
and self-incompatible pollen in Brassica and
Arabidopsis stigmas intersect at Exo70A1, a putative
component of the exocyst complex[J]. Plant Cell,
2009,21:2655－2671.
[12] Synek L, Schlager N, Elias M, Quentin M, Hauser
MT, Zarsky V:AtEXO70A1, a member of a family
of putative exocyst subunits specifi cally expanded in
第6卷第6期
Vol.6 No.6
南方农业
South China Agriculture
2012年6月
Jun. 2012
land plants, is important for polar growth and plant
development[J]. Plant 2006, 48:54－72.
[13] Ikeda S, Nasrallah JB, Dixit R, et al. An aquaporin-
like gene in the Brassica Self-incompatibility
response[J]. Science,1997,276:1564.
[14] Nasra l lah ME, Liu P , Sherman-Broyles S ,
Boggs NA,Nasrallah JB:Natural variation in
expression of self-incompatibility in Arabidopsis
thaliana:implications for the evolution of selfi ng.[J]
Proc Natl Acad Sci USA, 2004,101:16070－16074.
[15] Samuel MA, Chong YT, Haasen KE, Aldea-
Brydges MG, Stone SL,Goring DR:Cellular
pathways regulating responses to compatible
and self-incompatible pollen in Brassica and
Arabidopsis stigmas intersect at Exo70A1, a putative
component of the exocyst complex[J]. Plant Cell,
2009,21:2655－2671.
[16] Jaillais Y, Fobis-Loisy I, Miege C, Rollin C,
Gaude T:AtSNX1 defines an endosome for auxin-
carrier trafficking in Arabidopsis [J]. Nature 2006,
443:106－109.
(责任编辑: 丁志祥)
扦插繁殖 : 以4—
5月进行为好。插穗选
取1～2年生半木质化嫩
枝为佳，插穗长12～18
cm，剪除中部以下枝
叶，上端部枝叶过于茂
密可适当疏剪，插深为
1～3 cm。苗床地宜选地
势高燥，肥沃疏松，排水良好的沙质土，插前先将土翻松
整平。插后浇透水，并搭棚遮荫，8个月左右即可发根，
在此期间只要叶片不黄枯脱落，就要仔细管理。夏季多喷
水，成活后于第2年春季进行分栽移植，以培育大苗。
压条繁殖: 全年皆可进行，而以3—4月为好。压条
可选用径粗1.0～1.5 cm的枝条，进行环剥切割，深达木
质部，将枝条埋入土中培土压实，细心管理养护，一般
压后3～4个月即可发根。
嫁接繁殖: 多用靠接法进行。选用桧柏或侧柏苗作
砧木，砧木的干径以1.5 cm为宜，接穗宜选用生长充实
并仍为绿色的2年生枝。靠接时间宜在5月，约2个月后
自接口下方将接穗剪掉，第2年春重栽时将接口上面的
砧木苗剪掉。
(本刊编辑部)
翠蓝柏盆景的制作(一)繁殖
81