花粉-乳頭相互作用機(jī)制的研究進(jìn)展

花粉-乳頭相互作用機(jī)制的研究進(jìn)展

植物花粉粒落在縣里后，在縣里發(fā)芽，并伸展花粉管?；ǚ酃軘y帶兩個精子經(jīng)柱頭、花柱、子房、胚珠進(jìn)入胚囊,然后釋放出兩個精子分別與卵和極核融合。在這一非常復(fù)雜的雙受精過程中,花粉管是如何尋找又是如何找到它的最終目標(biāo)——胚囊的呢?對這一富有挑戰(zhàn)性的問題,人們已經(jīng)探討了100年,雖然取得了許多突破性進(jìn)展,但離徹底弄清還有一段距離。一般認(rèn)為,高度極性化生長的花粉管必定具有某種有效的引導(dǎo)機(jī)制,因?yàn)樗趶闹^經(jīng)花柱至胚珠的途徑中多次扭轉(zhuǎn)其方向。比較一致的看法是,花粉從萌發(fā)、生長到釋放精子都是花粉與雌蕊相互作用的結(jié)果?；ǚ?雌蕊的相互作用主要包括識別信號交流、異養(yǎng)花粉管在雌蕊中生長以及花粉管生長方向的引導(dǎo)等。本文從花粉-柱頭的識別、傳粉對雌蕊發(fā)育的作用和雌蕊對花粉管生長的影響等幾個方面,對花粉-雌蕊的相互作用機(jī)制的研究進(jìn)展作一介紹。1花粉-采用磷酸激酶抑制劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果花粉在柱頭表面的萌發(fā)需要細(xì)胞之間的信號交流。柱頭既是外源花粉的一個重要屏障,又為親和花粉提供刺激萌發(fā)的信號。目前已有多種用于研究花粉-柱頭相互作用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。其中用得較多的是細(xì)胞遺傳腐蝕術(shù)(geneticablation)。這一技術(shù)是通過細(xì)胞毒素基因的特異性表達(dá),引起柱頭乳突細(xì)胞或柱頭分泌區(qū)細(xì)胞死亡,從而導(dǎo)致花粉在柱頭上不能萌發(fā)。這說明刺激花粉萌發(fā)的識別信號來自柱頭細(xì)胞。自交不親和植物——油菜的柱頭乳突細(xì)胞以白喉毒素A(DTA)腐蝕后,親和花粉的萌發(fā)完全受阻。與油菜親緣關(guān)系很近的自交親和性植物——擬南芥的柱頭乳突細(xì)胞以DTA腐蝕后,盡管柱頭表面積和代謝活性大大減小和降低,但花粉的萌發(fā)不受影響。說明這兩個親緣種之間存在花粉-柱頭識別機(jī)制的差異。這種差異可能是由于油菜中調(diào)節(jié)自交不親和反應(yīng)的S位點(diǎn)的存在而引起的!花粉-柱頭之間的識別物質(zhì)可能是S位點(diǎn)編碼的跨膜受體激酶(SRK)。SRK在花粉-雌蕊相互作用的初始事件中被活化,繼而產(chǎn)生相應(yīng)的磷酸化級聯(lián)反應(yīng)(cascadereaction)。用磷酸激酶抑制劑可模擬乳突細(xì)胞腐蝕的效應(yīng),因此可用柱頭細(xì)胞的這種磷酸化狀態(tài)研究花粉-雌蕊的識別機(jī)制。在類似的實(shí)驗(yàn)中,如煙草柱頭分泌區(qū)以DTA或芽孢桿菌RNA酶腐蝕后,花粉在柱頭上就不能萌發(fā)。但是,如果在傳粉前將一個健康分泌區(qū)的滲出物涂布到一個無分泌區(qū)的柱頭上,這個柱頭就可恢復(fù)接受花粉的能力。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說明刺激花粉萌發(fā)的正是這些來自分泌區(qū)細(xì)胞的滲出物。不過,這些滲出物的分子特征還不清楚。Thoraness等和Goldman等的實(shí)驗(yàn)還揭示,分泌區(qū)被腐蝕后,還會抑制花柱的伸長。這意味著來自分泌區(qū)細(xì)胞的信號可能對于成功傳粉的兩個協(xié)同過程(花柱的適當(dāng)伸長和柱頭表面分泌物的存在)都是必要的。特異信號分子的鑒別非常困難,近年來對玉米和矮牽牛黃酮醇(flavonols)合成缺失突變體的研究取得了一些進(jìn)展這些黃酮醇缺失突變體植株無論是體內(nèi)或體外,其花粉都不能萌發(fā),花粉管不能生長。但是,如果加入μmol量的黃酮醇——堪非醇(kaempferol),這些表現(xiàn)型就會得到恢復(fù)。這些突變體是自花不育的,說明黃酮醇是由雄性或雌性組織提供的。另外,柱頭合成堪非醇的時間也是成功傳粉的一個重要調(diào)節(jié)因素。雖然黃酮醇為玉米和矮牽牛傳粉所必需,但它的作用并不具有廣泛性。如擬南芥缺失黃酮醇時,其育性并不受影響。花粉表面分子在信號交流過程中也起重要作用。如在十字花科成員中,花粉粒的初始識別是由花粉鞘(pollencoat)調(diào)節(jié)的?；ǚ矍适怯苫ㄋ幗q氈層分泌并沉積于花粉表面的蛋白質(zhì)、糖類、脂類和一些小分子組成的胞外層。擬南芥突變體花粉鞘的沉積受到破壞時,柱頭就會產(chǎn)生拒絕反應(yīng),接觸異?；ǚ鄣娜橥患?xì)胞產(chǎn)生胼胝體,花粉粒隔離,水合受阻。研究發(fā)現(xiàn)這些突變體花粉鞘中長鏈脂類的合成受到影響,而在正常花粉鞘中長鏈脂類一般是非常豐富的。這一現(xiàn)象說明,長鏈脂類可能在花粉-雌蕊信號交流中起作用。自交不親和植物雌雄性組織中存在非常復(fù)雜的識別系統(tǒng),能夠嚴(yán)格區(qū)分遺傳特征相同植株的不親和花粉。如油菜和罌粟中的這種識別機(jī)制可使柱頭上不親和花粉管停止生長。油菜中的不親和性由一多態(tài)性基因位點(diǎn)調(diào)控。這一位點(diǎn)編碼SRK和SLG兩個柱頭蛋白。SRK或SLG基因發(fā)生突變都能導(dǎo)致自交親和性。花粉中與這兩個蛋白相互作用的分子至今尚未分離到。近年來得到了兩個有意義的成分:(1)由具有S2自交不親和性植物單倍體的S位點(diǎn)編碼的花藥特異表達(dá)產(chǎn)物(SLA);(2)與SLG高度特異性結(jié)合的花粉鞘蛋白。最近,Doughty等人發(fā)現(xiàn)蕓苔屬植物中,有一種與S位點(diǎn)結(jié)合的花粉鞘糖蛋白-配子體基因表達(dá)產(chǎn)物。罌粟的不親和性識別反應(yīng)所需要的分子與油菜中的不同。罌粟中與自交不親和性有關(guān)的花粉和柱頭蛋白已經(jīng)鑒別和克隆,其中至少有一個花粉蛋白發(fā)生磷酸化作用,而這一磷酸化作用由Ca2+/CaM信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié),說明Ca2+/CaM信號系統(tǒng)可能與花粉-柱頭識別的磷酸化級聯(lián)反應(yīng)有相關(guān)性。2群體傳播與傳粉信號的影響柱頭表面最先接受傳粉信號,而這些傳粉信號在花粉萌發(fā)之前就已開始啟動了雌蕊發(fā)育。這意味著,花粉-柱頭相互接觸的物理事件或花粉攜帶的物質(zhì)可能是啟動雌蕊發(fā)育的傳粉信號。如Mol等將玉米剛傳粉的柱頭切除后,花粉-柱頭間的瞬時接觸即能加速卵細(xì)胞的成熟。這種傳粉信號的傳遞體可能是生物電或激素等物質(zhì)。在許多植物中,傳粉引起雌蕊組織的退化和細(xì)胞死亡,這類細(xì)胞包括柱頭上的分泌細(xì)胞、花柱引導(dǎo)組織和胚囊內(nèi)的一個助細(xì)胞。分泌細(xì)胞死亡后所釋放出的細(xì)胞物質(zhì)對花粉的水合與萌發(fā)是必需的。在花柱退化的引導(dǎo)組織中,細(xì)胞常因高度液泡化而破裂,胞質(zhì)溢出,完全填充于引導(dǎo)組織的胞外基質(zhì)中,為花粉管生長提供營養(yǎng)物質(zhì)。研究表明,傳粉引起煙草引導(dǎo)組織細(xì)胞退化和死亡的同時,伴隨有mRNApoly(A)尾的縮短。這種poly(A)尾的縮短是mRNA降解的初始事件,mRNA的降解是最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡的原因之一。令人感興趣的是,poly(A)尾縮短了的引導(dǎo)組織特異性糖蛋白(TTS)mRNA,在傳粉后的引導(dǎo)組織中并不降解,而保持非常高的水平,這一現(xiàn)象可能與TTS的某些特殊作用有關(guān)。Jones和Daryl指出,傳粉所誘導(dǎo)的細(xì)胞退化和死亡可能是促進(jìn)花粉管生長的程序性死亡過程。有些植物在傳粉之前,其雌配子體發(fā)育是不完全的。傳粉事件可以啟動與促進(jìn)胚珠和雌配子體的發(fā)生、發(fā)育和成熟。有些蘭科植物在傳粉前,其子房尚無胚珠,發(fā)育靠傳粉啟動,另一些蘭科植物的胚珠原基在傳粉前就已存在,但常停留在減數(shù)分裂前的階段,直到受到傳粉刺激時胚珠的進(jìn)一步發(fā)育才得以啟動。蘭科植物之外的許多植物雌配子體發(fā)育在傳粉前已接近成熟,親和性傳粉可促進(jìn)雌配子體細(xì)胞的最后分化。多數(shù)玉米胚珠的卵細(xì)胞在傳粉時形態(tài)上還不成熟,其成熟的最后事件在傳粉后至受精前完成。這說明,傳粉信號在誘導(dǎo)雌配子體的最后發(fā)育中起作用。大麥助細(xì)胞在傳粉后花粉管到達(dá)胚珠前退化,這樣花粉管隨后就能進(jìn)入雌配子體。助細(xì)胞中鈣離子積累可能也是傳粉引起的,形成吸引花粉管生長的向化性鈣離子梯度,使花粉管進(jìn)入助細(xì)胞后破裂而釋放精細(xì)胞。煙草中也發(fā)現(xiàn)有來自花粉管的信號,此信號能在較短距離內(nèi)傳遞到胚珠,以致助細(xì)胞退化加速。但這些信號的分子特征還不清楚。人們最初認(rèn)為,傳粉信號來自花粉與柱頭的物理接觸和花粉管對柱頭的穿入。但后來的研究結(jié)果表明,傳粉信號可能主要來自花粉攜帶的化學(xué)物質(zhì)。如矮牽牛、石竹和蘭花的雌蕊對傳粉的最初反應(yīng)是柱頭迅速釋放乙烯,乙烯的釋放先于花粉管的萌發(fā),暗示花粉管穿入柱頭表面并不是誘導(dǎo)乙烯合成必需的傳粉信號。Sanders和Lord在蘭花模擬傳粉實(shí)驗(yàn)中,用乳膠珠作為花粉代替品研究花粉-雌蕊的相互作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳膠珠不啟動乙烯的合成或任何其他傳粉反應(yīng)。這說明僅僅是物理接觸還不足以誘導(dǎo)任何傳粉信號調(diào)節(jié)物質(zhì)的產(chǎn)生。由于花粉-柱頭的物理接觸或花粉管生長引起的創(chuàng)傷反應(yīng)不是初始的傳粉信號,所以現(xiàn)在大量的實(shí)驗(yàn)多集中在鑒別那些由花粉攜帶的、可能是傳粉信號的化學(xué)物質(zhì)上。在花粉中已經(jīng)鑒定的化學(xué)物質(zhì)有氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)、生長素、果膠寡糖、油菜素類固醇(brassinosteroid)和茉莉酸甲脂等。所有這些物都是乙烯合成的誘導(dǎo)劑,它們可能是花粉的初始信號分子。3花粉管定向生長的向化性物質(zhì)在大多數(shù)植物中,花粉萌發(fā)和花粉管的生長速度都很快。例如,玉米花粉落到穗絲上5min后即開始萌發(fā),24~26h就能生長穿過50cm長的花柱,其速率近2cm·h-1?；ǚ酃苤阅苋绱搜杆俚叵蚺咧槎ㄏ蛏L,則是由于從雌蕊得到營養(yǎng)和信號之果。實(shí)驗(yàn)證明,離體培養(yǎng)的花粉管生長速率比在雌蕊活體內(nèi)的生長速率慢得多。另外,如果在培養(yǎng)基中加入雌蕊組織或其滲出液則能促進(jìn)和吸收花粉管的定向生長,這就進(jìn)一步證明,花粉管是從雌蕊組織中獲得營養(yǎng)支持和引導(dǎo)信號的?；ǚ酃苤谎刂^至胚珠之間的細(xì)胞外基質(zhì)中生長,在進(jìn)入胚囊之前從不穿過其所遇到的細(xì)胞原生質(zhì)。所以,花粉管生長過程可能依賴與雄性配子體和各種雌性孢子體之間細(xì)胞表面的相互作用。這些細(xì)胞表面的相互作用信號必須轉(zhuǎn)導(dǎo)到花粉管細(xì)胞內(nèi)才能影響花粉管生長的方向和速度。另外,這些相互作用信號還會激活雌蕊組織中各種生理、發(fā)育、分子和生化反應(yīng)。雌蕊支持花粉萌發(fā)和花粉管生長的主要是柱頭、花柱和子房等。柱頭提供花粉萌發(fā)的環(huán)境和花粉識別的信號。花粉管穿過柱頭進(jìn)入花柱后,在封閉型花柱的引導(dǎo)組織或開放型花柱的花柱道中生長?；ㄖ鶅?nèi)花粉管與雌蕊細(xì)胞是進(jìn)行主動的信息交流,還是被動地由花柱組織胞外基質(zhì)引導(dǎo)沿著預(yù)定的途徑生長,現(xiàn)在還不太清楚。Sanders和Lord的實(shí)驗(yàn)支持后一種可能性。他們將與花粉管直徑大小相仿的乳膠珠置于3種切除柱頭后的植物花柱表面,花柱無論是直立的還是倒立的,乳膠珠總是像花粉管生長方向一樣向子房運(yùn)輸,而且與花粉管生長的途徑和速率驚人的一致。這說明花粉管可能僅是由花柱雌性組織通過胞外基質(zhì)的驅(qū)動機(jī)制引導(dǎo)其從柱頭向珠孔生長的。在動物細(xì)胞運(yùn)動系統(tǒng)中,細(xì)胞表面的粘性分子對于運(yùn)動細(xì)胞的機(jī)械支持、方向引導(dǎo)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是非常重要的。而花柱內(nèi)胞外基質(zhì)也類似于動物細(xì)胞的粘性分子,這還有待進(jìn)一步研究。現(xiàn)代已經(jīng)知道的可能的向化物質(zhì)主要有葡萄糖、鈣離子、水溶性低分子糖蛋白等。Reger等的體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)觀察到,珍珠粟(Pennisetumglaucum)的柱頭組織有吸引花粉管定向生長的作用,柱頭組織中有蔗糖酶,能將培養(yǎng)基中的蔗糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖,從而吸引花粉管的體外向化性生長。鈣離子對花粉管生長的引導(dǎo)作用的研究資料也不斷積累。糖蛋白是理想的花粉管營養(yǎng)和粘附支持物質(zhì)以及花粉-雌蕊識別的信號分子和定向生長的引導(dǎo)分子?，F(xiàn)在已經(jīng)鑒別到幾種屬于伸展蛋白和/或阿拉伯半乳糖家族的富脯氨酸糖蛋白。引導(dǎo)花粉管定向生長的向化性物質(zhì)是否存在一個從柱頭到胚珠的濃度遞增梯度呢?這還是一個有爭議的問題。有人將百合花粉粒直接置于其開放型的花柱中央,發(fā)現(xiàn)花粉?？梢悦劝l(fā)并向柱頭和胚珠兩個方向生長。這說明花柱中沒有向化性物質(zhì)梯度的存在。向化性物質(zhì)梯度可能僅僅存在于雌蕊中花粉管生長途徑發(fā)生方向性急劇改變的有限的區(qū)域內(nèi),即從胎座到胚珠和從胚珠到珠孔之間的部位。例如,Chaubal和Reger發(fā)現(xiàn)助細(xì)胞和珠孔部位有很高濃度的鈣離子,這可能與引導(dǎo)花粉管進(jìn)入胚囊密切相關(guān)。但是,Wu等則發(fā)現(xiàn)煙草雌蕊中存在一個向化性物質(zhì)梯度。煙草雌蕊中花柱引導(dǎo)組織的特異性糖蛋白(TTS)能吸引花粉管,并促進(jìn)它們的生長。從花柱的柱頭端到子房端,引導(dǎo)組織中的TTS呈現(xiàn)一個糖基化(glycosylation)增加的梯度,剛好與花粉管的生長方向一致,于是推測這種糖蛋白結(jié)合的糖梯度可能是引導(dǎo)花粉管從柱頭伸向子房的信號。最近,Lush等還認(rèn)為煙草花柱滲出物中的水梯度是花粉管進(jìn)入柱頭的引導(dǎo)信號。人們雖然對花粉-雌蕊相互作用機(jī)制作了大量的研究,但對子房作用的了解仍然像一個“黑匣子”。盡管我們已經(jīng)知道子房為花粉管定向提供了信號引導(dǎo)和營養(yǎng)物質(zhì),但因其結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜,它與花粉管相互作用的機(jī)制還很不清楚?；ǚ酃芙?jīng)過長距離生長,最終在胚囊內(nèi)完成受精作用。在這一過程中既有雄配子體與雌蕊組織(孢子體)的相互作用,又有雌雄配子體和配子之間的相互作用。許多研究指出,胚珠的正常發(fā)育對花粉管的引導(dǎo)至關(guān)重要。Hulskamp等觀察擬南芥野生型花粉管在胚珠發(fā)育受阻的隱性突變株中的行為時,發(fā)現(xiàn)花粉管均勻地沿著整個子房的全長出現(xiàn),并隨機(jī)地穿過假隔膜及子房室表面(包括胚珠表面),既不是1個胚珠1條花粉管,也不把胚囊入口處作為目標(biāo)。只有少數(shù)完整胚囊才能吸引花粉管,完成受精作用。還有一些突變體,胚珠表觀發(fā)育都正常,但其中有的胚囊完全缺失,有的胚囊發(fā)育正常。結(jié)果沒有胚囊的胚珠根本不能吸引花粉管,而胚囊中發(fā)育正常的胚珠幾乎總是有花粉管生長?；ǚ酃艹３Ｊ窃竭^異常胚珠經(jīng)更遠(yuǎn)的距離而進(jìn)入正常胚珠。這似乎說明,胚囊是花粉管定向生長的引導(dǎo)信號之源。近來也有人證實(shí),缺乏胚囊的胚珠確實(shí)不能引導(dǎo)花粉向其生長,而分離的裸露胚囊在體外能精確吸引花粉管伸向其生活助細(xì)胞的絲狀器部位,并進(jìn)入其中。另外,花粉管的基因型對胚珠的引導(dǎo)作用也很重要。例如,與擬南芥近緣的蕓苔屬植物的花粉管雖然可以到達(dá)擬南芥的子房,但是不能象擬南芥那樣向胚珠生長。Wilhelmi和Preuss發(fā)現(xiàn)一種擬南芥不育性突變體,其胚囊和花粉發(fā)育都很正常,但對花粉管的引導(dǎo)卻受阻。這種突變表現(xiàn)型是親本基因型的反映,也就是