植物中花粉管在柱头的生长特征

更新时间:2023-07-20 15:55:58 阅读: 评论:0

第42卷第1期吉林师范大学学报(自然科学版)Vol.42ꎬNo.1㊀2021年2月JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Feb.ꎬ2021收稿日期:2020 ̄11 ̄18
基金项目:国家自然科学基金项目(31770723ꎬ31370683)
第一作者简介:贺红利(1982 )ꎬ女ꎬ吉林省辽源市人ꎬ实验师ꎬ博士.研究方向:植物学.∗通讯作者:刘剑锋(1976 )ꎬ男ꎬ湖北省黄石市人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ硕士生导师.研究方向:植物学.
doi:10.16862/j.cnki.issn1674 ̄3873.2021.01.018
植物中花粉管在柱头的生长特征
贺红利ꎬ任佳华ꎬ刘剑锋∗
(吉林师范大学吉林省植物资源科学与绿色生产重点实验室ꎬ吉林四平136000)木莲冻
摘㊀要:在多数高等植物中ꎬ花粉粒通过虫媒或(和)风媒到达植物雌花柱头ꎬ花粉粒在柱头吸水萌发后ꎬ穿过花柱组织ꎬ最终花粉管将两个精细胞传递给雌配子体ꎬ从而实现双受精作用.在受精过程中ꎬ花粉管必须穿透柱头并在花柱组织中生长ꎬ最后到达胚珠的珠囊ꎬ这一定向生长过程需要十分精确的调控.本文就花粉管的激活和引导研究进展进行了综述ꎬ并对今后的研究提出展望.
关键词:花粉ꎻ花粉管ꎻ萌发ꎻ柱头
中图分类号:S722.3㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1674 ̄3873 ̄(2021)01 ̄0099 ̄05
㊀㊀正常的传粉与受精是开花植物保证其有性生殖顺利完成的关键ꎬ没有传粉与受精ꎬ果实无法形成.整个授粉和受精过程主要包括以下几个步骤:花粉在柱头附着㊁花粉的水合及萌发㊁花粉管生长.花粉管在柱头萌发以后ꎬ沿花柱进行生长ꎬ随后进入输导组织.花粉管的生长受胚珠信号的调控[1 ̄2]ꎬ会沿着珠柄生长ꎬ最后进入胚珠的胚囊.在花粉管生长过程中ꎬ精子在花粉管内移动ꎬ花粉管到达雌配子体后ꎬ两个精子将分别与卵细胞和极核融合ꎬ进行双受精.因此ꎬ花粉管是精子的载体ꎬ花粉管中的两个精细胞需要移动相当长的距离才能到达胚囊ꎬ花粉管的生长受到许多细胞 ̄细胞信号相互作用的调控.近年来ꎬ生命科学领域许多技术都取得迅猛的发展ꎬ对花粉管生长调控机制的研究也逐步全面深入.因此ꎬ本文将以上述植物授粉受精的几个重要步骤为基础综述花粉管的生长调控机制.
1㊀花粉的附着与识别
种瓜得瓜㊁种豆得豆 ꎬ这句俗话生动地说明了植物物种的遗传稳定性.只有亲缘关系近的物种的花粉ꎬ才能在特定物种的柱头萌发.花粉与柱头的识别反应ꎬ构建了物种间的生殖壁垒ꎬ维持了物种的稳定性.花粉与柱头的识别反应㊁花粉在柱头的萌发与花粉壁的构造有关.花粉壁结构有物种特异性ꎬ在结构上
可分为三层ꎬ分别为:(1)花粉外壁.花粉外壁也有多层ꎬ含有孢粉素ꎬ有供花粉管萌发的萌发孔ꎬ不同物种萌发孔的数量位置有明显差异.一般来说ꎬ单子叶植物花粉粒有1个萌发孔ꎬ双子叶植物有3个萌发孔[3].(2)花粉内壁.该结构有时也有多层ꎬ其主要化学成分是纤维素.(3)花粉外被.该层由脂类㊁蛋白㊁芳香化合物等组成ꎬ在花粉和柱头的识别㊁花粉管萌发过程中起作用.不同的物种ꎬ花粉粒的大小㊁化学成分㊁色素㊁表面纹饰等均有差异ꎬ如风媒花的花粉粒较小ꎬ易随风进行传播.花粉粒的形态特征ꎬ也可作为不同物种㊁不同品种的鉴定依据[4].柱头为植物花粉提供了接触点ꎬ柱头根据含水量的多少分为两种类型ꎬ分别是:干柱头与湿柱头.湿柱头表面有蛋白㊁脂类等分泌物ꎬ因而显得湿润ꎬ在植物中ꎬ形成二核花粉的种多拥有湿柱头ꎬ如豆科(Leguminosae)㊁茄科(Solanceae)和兰科(Orchidaceae)植物等.干柱头上有蜡质㊁蛋白样薄膜ꎬ这样植物多属风媒授粉植物ꎬ如菊科(Asteraceae)ꎬ禾本科(Gramieae)和芸苔科(Brassicaeae)[5].
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吉林师范大学学报(自然科学版)第42卷自然界中ꎬ许多植物为防止近交ꎬ呈现出自交不亲和特性.所谓自交不亲和是指具有植物的花器可以形成正常雌㊁雄配子ꎬ但缺乏自花授粉结实能力.具有自交不亲和性的作物有甘蓝㊁黑麦㊁白菜型油菜㊁向日葵㊁甜菜㊁白菜和甘薯等[6].根据遗传学研究ꎬ自交不亲和可分为配子体型自交不亲和与孢子体型自交不亲和.配子体型自交不亲和是指花粉在柱头上萌发后可侵入柱头ꎬ并能在花柱组织中延伸一段ꎬ此后就受到抑制ꎬ这在豆科㊁茄科和禾本科的一些植物中较为常
见.花粉管生长受抑制可发生在花柱组织内ꎬ也可以在花粉管与胚囊组织之间ꎻ极端情况下ꎬ花粉管释放的精子已达胚囊ꎬ但仍不能与卵细胞发生结合.孢子体型自交不亲和性指花粉落在柱头上不能正常萌发ꎬ或者萌发后在柱头乳突细胞上缠绕而无法侵入柱头ꎬ花粉的这种行为取决于二倍体亲本的基因型ꎬ因而称为孢子体型自交不亲和性ꎬ多见于十字花科和菊科植物.
2㊀花粉的水合与萌发
花粉粒从花药中释放时ꎬ代谢不活跃ꎬ含水量较低[7 ̄8].花粉粒在柱头附着萌发时ꎬ需要从柱头吸收水分ꎬ因此ꎬ花粉粒在柱头水合对于花粉管的萌发至关重要ꎬ这一过程受花粉和柱头之间的相互作用的调控.在干柱头表面ꎬ不能通过花柱识别反应的花粉粒不会发生水合ꎬ因而也不会萌发形成花粉管[9 ̄10].在拟南芥中ꎬ花粉外壁和柱头的脂类和蛋白质在花粉水合作用中起着关键作用[11].花粉在柱头附着以后ꎬ甘蓝的柱头乳突细胞[12]和拟南芥的花粉粒[13]中水通道蛋白大量表达ꎬ进而启动了花粉的水合过程ꎬ这表明水通道蛋白参加花粒水合过程的调控.在拟南芥花粉外壁中找到了6种脂酶和6种富含甘氨酸蛋白GRPs[14]ꎬ其中GRP17突变后ꎬ突变株花粉的水合过程被延迟ꎬ与野生型花粉相比ꎬ突变株花粉水合竞争能力变弱[15].长链脂类生物合成路径中的基因eceriferum(cer)突变后ꎬ突变株的花粉不能在柱头上发生水合作用[16].以上研究结果表明ꎬ花粉壁与柱头表面的脂类调控花柱向花粉的水分运输ꎬ不同的蛋白参与花粉与柱头的识别.
除外部组分外ꎬ一些内源信号路径也参与花粉的水合.在拟南芥中ꎬSnf1相关蛋白激酶1(SnRK1)的βγ亚基突变株的花粉不能正常在花柱发生水合ꎬ在离体萌发过程中则能正常萌发ꎬ推测KINβγ亚基通过调节活性氧水平在花粉的水合过程中起重要作用[17].一种花粉特异的机械敏感通道蛋白MSL8对花粉水合和花粉萌发至关重要[18].
在水合后的数分钟内ꎬ花粉粒由非极性转为高度极性ꎬ细胞质和细胞骨架进行了组织并形成管状结构ꎬ同时ꎬ花粉质膜选择靶向分泌小泡和胼胝质沉积出现在新形成的花粉管中[19].在许多物种中ꎬ花粉管从萌发孔萌发ꎬ花粉外壁厚度则明显减少[20].果胶的修饰是花粉萌发的关键ꎬ而在拟南芥中敲除果胶甲基酯酶PME48将显著延缓花粉萌发[21].花粉细胞壁蛋白在花粉萌发过程中也起着重要作用ꎬ富含亮氨酸重复序列延伸蛋白基因LRXs的突变导致花粉萌发受阻[22].
肃反委员会钙离子(Ca2+)在调控花粉管生长过程中也起到了重要的作用[23]ꎬ当花粉管中的Ca2+吸收受阻ꎬ花粉管中的Ca2+浓度梯度将消失并引起花粉管生长的停滞[24].有研究认为胞质中自由钙离子与花粉管中特异性的钙离子浓度梯度在花粉管伸长生长过程中都有重要的调节作用[25].花粉管具有逆钙离子浓度生长特性ꎬ而花粉管尖端钙离子浓度同时受胞外钙离子内流与胞内钙离子外流的影响[26]ꎬ而花粉管中钙离子浓度梯度的形成与质膜上的钙泵㊁钙离子通道等相关[26].
3㊀花粉管在花柱中的生长
花粉萌发以后ꎬ花粉管必须穿透柱头与花柱ꎬ直到最终到达胚珠.在拟南芥中ꎬ岩藻糖转移酶基因AtOFT1参加花粉管在花柱中的生长调控.AtOFT1定位于高尔基体ꎬ这意味着在花粉与柱头的互作过程中ꎬ糖基化可能发生作用[27].AtVPS41编码一个膜蛋白ꎬ该蛋白位于花粉管的内膜系统ꎬ该基因突变后ꎬ花粉在离体条件下萌发正常ꎬ但在柱头附着以后ꎬ花粉管在柱头中不能正常的延伸与生长.进一步的研究表明ꎬAtVPS41参与调控花粉管中的囊泡运输[28].拟南芥基因组中共找到20个离子型谷氨酸受体样(GLR)基因ꎬ其中6个GLR在花粉中表达.GLRs通过花粉管顶端的Ca2+内流控制胞质钙浓度ꎬ参与花粉管内钙离子信号的传导ꎬ从而影响花粉管的生长.GLR1.2或GLR3.7的单次敲除会导致花粉管生长
101第1期贺红利ꎬ等:植物中花粉管在柱头的生长特征
减慢ꎬ并降低结实率ꎬ这些实验结果表明GLR1.2和GLR3.7在花粉管生长中的确有一些特殊的作用.氨基酸γ ̄氨基丁酸(GABA)与钙离子通道结合ꎬ通过调节花粉管中钙离子深度梯度来调节花粉管的生长[29].
没有信号物质的引导ꎬ花粉管向胚珠的远距离定向精确生长似乎不太可能.必须的信号物质产生后ꎬ信号传递给花粉胞质ꎬ引起细胞骨架变化和花粉管尖端的生长.这些信号是如何被花粉管感知和传递呢ꎬ受体样激酶(RLKs)可能在执行信号感知与传递功能.在番茄花粉中的RLKsꎬLePRK1和L
ePRK2可能与授粉与花粉管生长有关[30].RLKsꎬLePRK1和LePRK2定位于质膜ꎬ聚集在一起形成高分子量复合物ꎬ共同参与花粉管生长的调控.花粉特异性富含半胱氨酸的胞外蛋白LAT52参与花粉离体萌发.在花粉萌发前ꎬLAT52与LePRK2的胞外结构域相互作用.花粉萌发后ꎬ来自柱头的LeSTIG1与LePRK1和LePRK2的胞外结构域相互作用ꎬ形成STIG1 ̄LePRK1或STIG1 ̄LePRK2信号级联ꎬ促进花粉管的生长[31].
蜻蜓的样子花粉管在花柱中生长ꎬ必需穿透花柱组织ꎬ膨压应当为花粉管的生长提供前进的动力.TOD1编码一种碱性神经酰胺酶ꎬ能催化神经酰胺合成鞘氨醇和脂肪酸.TOD1突变体花粉管比野生型花粉管产生更高的膨压ꎬ这可能影响花粉管壁强度的建立.另外ꎬTOD1突变花粉管生长迟缓的表型可通过半乳糖基转移酶13(GAUT13)突变来恢复ꎬ而GAUT13参与花粉管中果胶的生物合成[32]ꎬ这些研究结果表明雌蕊中花粉管生长过程中的膨压调节对于植物的成功受精至关重要.
4㊀胚珠对花粉管生长的引导
开花植物的雌配子体位于胚珠的胚囊中ꎬ而胚珠位于子房内.花粉管如何自输导被精确引导进入胚珠和胚囊ꎬ这是一个很有意思的问题.花粉管的定向生长分为两个阶段:珠柄引导阶段与珠孔引导阶段.在珠柄引导阶段ꎬ花粉管从胎座表面被引导进入珠柄.在珠孔引导阶段ꎬ花粉管从珠孔被引导进入胚囊中的雌配子体.目前ꎬ已经鉴定到了一批与胚珠花粉管导向性生长相头的重要蛋白ꎬ包括:AMORꎬZmE
A1ꎬLUREsꎬMYB98ꎬCCGꎬCBP1[33].新近的研究表明ꎬ在拟南芥中ꎬCrRLK1L亚家族的一种受体样激酶ERULUS(ERU)ꎬ只在花粉管与根毛的尖端特异表达ꎬ与花粉管的导向性生长密切相关.ERU参与调节花粉管尖端胞质钙离子振荡ꎬ有利于花粉管向胚珠的导向性生长.此外ꎬ在拟南芥根毛尖生长过程中ꎬERU还通过果胶甲基酯酶活性和FER和质子泵的磷酸化来调节细胞壁组成[34]ꎬ推测在花粉管生长过程中ERU也能通过类似机制调节花粉管生长.
5㊀花粉管的接收与精核释放
花粉管进入珠孔后ꎬ会与助细胞相遇.在拟南芥中ꎬCrRLK1L亚基因家族成员FER位于助细胞的丝状器中ꎬ在花粉管接收中起着关键作用.早期结节蛋白样蛋白(ENODLsꎬ或ENs)参与花粉管的接收ꎬ该基因突变体en中ꎬ花粉管能穿过胚囊ꎬ但不能将精核释放到胚囊并完成受精作用.EN14特异地与FER的胞外结构域相互作用ꎬ它与糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白GPIAPs㊁LRE和LLG1密切相关[35].这些蛋白质相互结合ꎬ共同形成一个大的复合物来调节胚珠对花粉管的接收.
花粉管被接收后ꎬ花粉管需要爆裂以释放两个精子.那么ꎬ花粉管在到达雌配子体后如何触发花粉管破裂ꎬRALF34是一种广泛分布于珠孔/助细胞区的多肽ꎬ当花粉管到达胚囊时ꎬRALF34与RALF4/19竞争ꎬ促进花粉管破裂和精子释放.在玉米中ꎬ另一种防御素样蛋白ZmES4(Zeamays胚囊4)积累在助细胞的分泌区ꎬ通过打开钾通道导致花粉管破裂.在水稻中ꎬ花粉管破裂由一种CrRLK1L亚家族蛋白介导ꎬ它与钾转运蛋白相互作用来调节花粉管的完整性[36].
梦到有人结婚
6㊀展望固态硬盘接口类型
授粉与受精是植物果实产生的基础ꎬ而花粉与雌蕊的相互作用是开花植物成功受精的关键.在拟南芥等模式植物中ꎬ通过基因突变等手段ꎬ已经鉴定到一批与花粉管导向性生长密切相关的基因与蛋白ꎬ这些工作为深入理解花粉与雌蕊的相互作用提供了重要线索.近年来ꎬ生物学的测序技术已经十分成
201
吉林师范大学学报(自然科学版)第42卷熟ꎬ花费也越来越低ꎬ通过转录组㊁蛋白组㊁代谢组联合分析ꎬ为寻找花粉 ̄雌蕊相互作用过程中重要信号物质㊁基因与蛋白提供新的研究技术手段.CRISPR/Cas9是近年来分子生物学中的热点技术ꎬ可便利的进行特定基因编辑ꎬ也可为深入理解特定基因在花粉 ̄雌蕊相互作用提供重要分子证据.
参㊀考㊀文㊀献
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Growthcharacteristicsofpollentubeonstigmainplants
HEHong ̄liꎬRENJia ̄huaꎬLIUJian ̄feng
苹果怎么屏蔽短信(KeyLaboratoryofPlantResourcesScienceandGreenProductionꎬJilinNormalUniversityꎬSiping136000ꎬChina)
Abstract:Inhigherplantsꎬpollengrainsreachthestigmaoffemaleflowersthroughinsector(and)windvectors.Afterthepollengrainsgerminateonstigmaꎬtheypassthroughthestyletissueꎬandfinallythetwospermcellsaretransferredtothefemalegametophytethroughthepollentubeꎬandthisisdoublefert
ilizationinplant.Intheprocessoffertilizationꎬthepollentubemustpenetratethestigmaandgrowinthestyletissueꎬandfinallyreachtheovulesacꎬwhichrequiresverypreciseregulationofthegrowthprocess.Inthispaperꎬtheresearchprogressofpollentubeactivationandguidancewasreviewedꎬandthefutureresearchwasprospected.Keywords:pollenꎻpollentubeꎻgerminationꎻstigma
(责任编辑:林险峰)

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