果樹生理學(xué)一授粉受精

第1頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五果樹傳粉受精授粉和受精大多數(shù)果樹需要經(jīng)過(guò)授粉受精才能結(jié)實(shí)（授粉刺激果實(shí)形成；受精形成種子，種子刺激果實(shí)發(fā)育），授粉受精是生殖生長(zhǎng)開始的標(biāo)志，是提高坐果率的核心與最關(guān)鍵因素(配植授粉樹、選擇自花結(jié)實(shí)品種、人工授粉、花期放蜂與噴硼、延長(zhǎng)有效授粉期)。第2頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五自花授粉、自花（不）親合、自花結(jié)實(shí)異花授粉、異花（不）親合、異花結(jié)實(shí)注：結(jié)實(shí)和產(chǎn)生種子并不等同；

種子是維持果實(shí)發(fā)育的重要因素，產(chǎn)生兩性種子，必須自花或異花親合；不親合或不受精也能形成果實(shí)。第3頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五單性結(jié)實(shí)----不受精而形成果實(shí)，一般無(wú)種子，如香蕉、菠蘿、柑橘、柿子、無(wú)花果等；無(wú)種子不一定是單性結(jié)實(shí)，如無(wú)核葡萄，需要授粉刺激才能結(jié)實(shí)但種子敗育。無(wú)融合生殖----不受精也能產(chǎn)生有發(fā)芽力的胚（種子），如湖北海棠，柑橘（由珠心或珠被細(xì)胞產(chǎn)生珠心胚）。第4頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五單性結(jié)實(shí)可生產(chǎn)無(wú)籽果，但一般產(chǎn)量低、果實(shí)小、不能進(jìn)行雜交育種第5頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五授粉：指花粉由雄蕊的花藥傳到柱頭的過(guò)程受精：雌雄配子的結(jié)合從授粉到受精需要經(jīng)過(guò)親合性識(shí)別-----花粉萌發(fā)----花粉管生長(zhǎng)-----雌雄配子在失去活性前（有效授粉期內(nèi)）結(jié)合第6頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五果樹傳粉受精一、花粉與雌蕊的相互識(shí)別二、花粉萌發(fā)三、花粉管生長(zhǎng)四、花粉管與花柱的相互作用五、雌雄配子融合六、有效授粉期七、授粉受精后的生理生化變化第7頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、花粉與雌蕊（柱頭）的相互識(shí)別

落在柱頭上的各種花粉能否最終完成受精，取決于花粉和柱頭之間的親和性細(xì)胞相互識(shí)別是親和性的前提1、識(shí)別(recognition)

一類細(xì)胞與另一類細(xì)胞在結(jié)合過(guò)程中所進(jìn)行的特殊反應(yīng)。它要求從對(duì)方獲得信息，此信息可以通過(guò)物理的和化學(xué)的信號(hào)來(lái)表達(dá)。第8頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五花粉與柱頭之間的相互識(shí)別，涉及到花粉壁中的蛋白質(zhì)與柱頭乳突細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)薄膜之間的相互作用

花粉內(nèi)壁蛋白由花粉本身制造，具有很高的酶活性，主要是與花粉萌發(fā)和花粉管穿入柱頭有關(guān)的酶類；外壁蛋白參與識(shí)別反應(yīng)第9頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第10頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五柱頭：多數(shù)植物的柱頭有乳突，常覆蓋一層水合蛋白質(zhì)薄膜，與花粉粒和柱頭的識(shí)別有關(guān)。（1）干柱頭（drystigma）：雌蕊成熟時(shí)，柱頭沒(méi)有分泌物，多數(shù)被子植物屬此類。

（2）濕柱頭（wetstigma）：雌蕊成熟時(shí)，柱頭能產(chǎn)生很多液態(tài)分泌物。第11頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五柱頭上的分泌液主要有蛋白質(zhì)、氨基酸、酚類化合物、脂類和糖類。蛋白質(zhì)參與識(shí)別反應(yīng)；脂類有助于粘住花粉粒，減少柱頭失水；酚類有助于防止病蟲對(duì)柱頭的侵害，有選擇地促進(jìn)花粉粒的萌發(fā)；糖類供給花粉管生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)。第12頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五如果相互識(shí)別，花粉管尖端產(chǎn)生能溶解柱頭薄膜下角質(zhì)層的酶（角質(zhì)酶），使花粉管穿過(guò)柱頭而生長(zhǎng)，直至受精如果不識(shí)別，柱頭的乳突細(xì)胞立即產(chǎn)生胼胝質(zhì)(callose)，阻礙花粉管穿入柱頭，花粉管尖端也被胼胝質(zhì)封閉，花粉管無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)，使受精失敗第13頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五識(shí)別表現(xiàn)為植物的親合性植物在進(jìn)化過(guò)程中形成了雌蕊在受精前識(shí)別花粉的能力（機(jī)制），使柱頭或花柱可以辨別某類花粉，并對(duì)這類花粉萌發(fā)或生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制能力，使受精不能完成，此為授粉不親和性。

來(lái)自不同種植物的雌蕊與花粉，兩者基因型差異較大，產(chǎn)生的不親和性稱種間不親和性（intra-specificincompatibility），該機(jī)制有利于保持物種的穩(wěn)定性。

來(lái)自同種植物的雌蕊和花粉，兩者基因型過(guò)于一致，產(chǎn)生不親和性稱種內(nèi)不親和性（inter-specificincompatibility），該機(jī)制有利于種內(nèi)的遺傳變異。第14頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五植物種內(nèi)不親和性最典型的是自交不親和性（self-incompatibility,SI）。遺傳學(xué)將自交不親和性定義為能產(chǎn)生具有正常功能且同期成熟的雌雄配子的雌雄同體植物，在自花授粉或相同基因型異花授粉時(shí)不能受精的現(xiàn)象。第15頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五自交不親合是植物防止近親繁殖的一種天然屏障。（實(shí)線：親和，虛線：不親和）第16頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五自交不親和性是顯花植物的一個(gè)重要遺傳性狀絕大多數(shù)植物的自交不親和性受具復(fù)等位基因的單一位點(diǎn)S-locus控制

(S代表不育性，sterility)，即單因子自交不親和性（mono-factorialSI），不同的S-locus多態(tài)型用S-單元型（S-haplotype）來(lái)描述。第17頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五根據(jù)花粉不親和表型及其遺傳控制方式的不同，單因子SI分為兩類：一類是以十字花科植物為代表的孢子體自交不親和型（Sporophyticself-incompatibility,SSI），花粉自交不親和表型由產(chǎn)生花粉的植株即孢子體基因型決定；另一類為茄科、薔薇科、玄參科、罌粟科等植物中出現(xiàn)的配子體自交不親和型（Gemetophyticself-incompatibility,GSI），該類花粉表型由其本身的單倍體基因型決定。第18頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2、孢子體不親合（1）產(chǎn)生于花粉與柱頭相互作用的初期(柱頭上)（2）花粉不萌發(fā)、萌發(fā)但不能進(jìn)入花柱、能進(jìn)入花柱但很快被胼胝質(zhì)封閉（3）一般發(fā)生于有三核花粉（一個(gè)營(yíng)養(yǎng)核，兩個(gè)生殖核）和柱頭為干性的植物上，如十字花科、菊科植物。（4）主要由雌蕊的基因型決定（花柱的糖蛋白與花粉粒外壁的糖蛋白相互識(shí)別）第19頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3、配子體不親合（1）發(fā)生于花粉萌發(fā)和初期生長(zhǎng)后（花柱中）（2）一般發(fā)生于有兩核花粉和柱頭為濕性的植物上，如薔薇科（大部分果樹）、豆科、茄科、百合科植物。（3）主要取決于花粉自己的S等位基因的產(chǎn)物和柱頭表達(dá)的識(shí)別蛋白（S-蛋白可使花粉管的游離鈣離子激增而導(dǎo)致花粉管生長(zhǎng)受抑）第20頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五單基因座控制的自交不親和性植物的自交不親和的遺傳學(xué)花粉基因型：S1S2，S3S4，S2S3；雌蕊基因型：

S1S2

花粉粒表型由自身單倍體基因型決定。左：S1S2花柱自花授粉中，所有的花粉管生長(zhǎng)被抑制。中：S3S4花粉為S1S2花柱異花授粉，所有花粉管完成受精。右：S2S3花粉為S1S2花柱授粉，S2的花粉管被抑制，S3花粉管正常生長(zhǎng)。第21頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（4）花粉自己的S基因產(chǎn)物尚未分離到，但已從蕓薹屬植物上克隆到2種S位點(diǎn)柱頭專一性基因SLG（編碼一胞外糖蛋白）和SRK（編碼一位于膜上的S受體激酶）-----授粉親合性的識(shí)別可能是一種蛋白磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)。第22頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（5）另一S基因產(chǎn)物----S-RNase，是在柱頭表達(dá)的糖蛋白，具有核酸酶的活性，S—核酸酶S-RNase已在多種植物的基因中克隆S基因，如蘋果、梨、杏、櫻桃等但確定S基因產(chǎn)物具有S-RNase特性是在自交不親合的煙草上：用反義S3基因轉(zhuǎn)化的植株（其S3基因不能表達(dá)）不能抑制自體的S3花粉的生長(zhǎng)。用S3基因轉(zhuǎn)化的S1S2植株（其S3基因超表達(dá)）能抑制S3花粉的生長(zhǎng)第23頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五S-RNase生理生化特性（1）S-RNase一般含有250個(gè)氨基酸（2）可被花粉管吸收，并降解花粉RNA而抑制花粉管生長(zhǎng)（3）分布在花柱引導(dǎo)組織的胞間隙（4）在花柱1/3以下部位濃度最高（識(shí)別區(qū)）（5）花粉管進(jìn)入胚珠所經(jīng)過(guò)的組織內(nèi)均有S-Rnase，但當(dāng)濃度達(dá)到一定域值時(shí)，自交不親合性才發(fā)生（6）為成熟的花柱S-RNase濃度較低（蕾期授粉易親合）（7）S-RNase并不參與所有配子體不親合，且其S基因產(chǎn)物與SLG、SRK或S-RNase沒(méi)有同源性第24頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五S-RNase的作用機(jī)理

一般認(rèn)為自交不親和是由于花柱中的S-RNase進(jìn)入花粉管，作為細(xì)胞毒素使自己的花粉管RNA降解，細(xì)胞溶解，導(dǎo)致花粉管生長(zhǎng)抑制。S-RNase等位基因?qū)Ｒ恍宰饔?，存在單基因和雙基因控制SI的兩類假說(shuō)：第25頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五單基因假說(shuō)認(rèn)為，S位點(diǎn)上的一個(gè)基因同時(shí)控制花柱和花粉的自交不親和性。例如，在煙草花柱中檢測(cè)出了低水平的S-RNase基因的RNA轉(zhuǎn)錄本，在成熟的新鮮花粉粒的內(nèi)壁中也測(cè)出了S-蛋白，這表明單基因控制的可能性，可能存在一個(gè)基因同時(shí)編碼介導(dǎo)自交不親和反應(yīng)的花柱和花粉產(chǎn)物。第26頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

雙基因假說(shuō)的理論基礎(chǔ)為花柱S-基因產(chǎn)物作為細(xì)胞毒素降解自己的花粉管RNA，導(dǎo)致自交不親和性，假說(shuō)認(rèn)為，花粉和雌蕊中分別存在不同的S-基因控制著自交不親和性，

其證據(jù)來(lái)自轉(zhuǎn)反義S3-RNase基因的膨大矮牽牛植株表型由自交不親和變?yōu)橛H和，但其花粉表現(xiàn)出正常的自交不親和性；一個(gè)自交親和日本梨品種被鑒定為S4-RNase基因缺失，但這種缺失并不影響花粉的功能。這些結(jié)果都顯示S-RNase與花粉表型控制無(wú)關(guān)，從而支持了雙基因假說(shuō)。

第27頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五雙基因假說(shuō)分為“膜受體學(xué)說(shuō)”（receptormodel）和“胞內(nèi)抑制劑說(shuō)”（inhibitormodel）兩種模型。

“膜受體學(xué)說(shuō)”認(rèn)為，S-RNase被特異性地?cái)z入花粉管，花粉S等位基因產(chǎn)物是一種與花粉管的質(zhì)膜或細(xì)胞壁結(jié)合的受體，僅允許自己的S-RNase進(jìn)入花粉管。（但體外核酸酶實(shí)驗(yàn)證明，花粉管吸收S-RNase沒(méi)有表現(xiàn)出特異性）

第28頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

“胞內(nèi)抑制劑說(shuō)”認(rèn)為，花粉S-基因編碼一種特異的胞內(nèi)RNase抑制劑，其產(chǎn)物抑制除自己的S-等位基因編碼的S-RNase外的其它各種S-RNase的活性。用免疫組織化學(xué)標(biāo)記方法，證明親和的和不親和的花粉管細(xì)胞質(zhì)中都有S-RNase的積累。第29頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五矮牽牛和煙草的S-RNase嵌合體實(shí)驗(yàn)表明S-RNase存在兩個(gè)分離的功能性結(jié)構(gòu)域，一個(gè)是每個(gè)S-RNase獨(dú)有的S-等位基因特異性結(jié)構(gòu)域（SD），一個(gè)是所有S-RNase共有的催化結(jié)構(gòu)域（CD）。簡(jiǎn)單抑制劑模型認(rèn)為，花粉S-等位基因產(chǎn)物有類似S-RNase的兩個(gè)分離的結(jié)構(gòu)域：RNase抑制劑結(jié)構(gòu)域（ID）和S-等位基因特異的結(jié)構(gòu)域（SD）。第30頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五當(dāng)S1花粉為S1S2花柱授粉時(shí)，S1-RNase和S2-RNase均被S1花粉管吸收。花粉管蛋白（S1基因產(chǎn)物）的SD（特異性結(jié)構(gòu)域）與自己相同基因型的S1-RNase的SD結(jié)合，而S1-RNase的CD（催化結(jié)構(gòu)域）仍保留著，所以S1-RNase仍有活性，使得花粉管RNA降解，導(dǎo)致不親合。而花粉管蛋白的ID（抑制劑結(jié)構(gòu)域）與非己的S2-RNase的CD結(jié)合，S2-RNase活性被抑制，不能花粉管RNA降解，從而表現(xiàn)親合。S-單元型特異的花粉管生長(zhǎng)抑制模型

第31頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4、改善親合性（1）抑制識(shí)別蛋白的表達(dá)：轉(zhuǎn)錄抑制劑提高新紅星蘋果自花親合性（2）化學(xué)藥劑處理：NAA、CEPA、BA、EDTA-Fe、脯氨酸、谷氨酸等可提高“廿世紀(jì)梨”的自花結(jié)實(shí)率（3）氣候因素：“廿世紀(jì)梨”自花結(jié)實(shí)率15°C下最高，23°C下次之，30°C最差；橘蘋蘋果10°C下最低，20~22°C時(shí)最高第32頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（4）掌握好時(shí)期避開識(shí)別蛋白大量表達(dá)期：蕾期、雌蕊衰老期、截短柱頭“長(zhǎng)十郎”梨自花結(jié)實(shí)率通常小于20%，但在蕾期可打30