花粉发育中基因表达和基因互作的机理研究

　　从分子生物学角度分析花粉发育过程的相关基因，表明特定的基因只在特定时空表达，其表达与否与花粉花药的发育、花粉败育的发生直接相关。Twell 在28 个物种中发现有 150 个基因与花粉发育相关[1];Becker 等[2]和 Pina 等[3]利用基因芯片技术分别在拟南芥中发现有 1,584 和 6,587 个基因在花粉中特异表达，其中 469 个（占 26%）基因在花粉中高表达，162 个（占11%）基因选择性表达；这些基因的高表达或选择性表达都直接或间接地影响花粉的发育以及花粉的败育。

　　只有从分子生物学角度对花粉发育全过程的基因表达变化和基因互作的机理进行研究，才能更好地构建花粉发育的整体框架。

　　1 花粉发育的过程

　　花粉发育初期，雄蕊原基中大量未分化的孢原细胞进行平周分裂，产生 2 层细胞即外层的周缘细胞和内层的造孢细胞。周缘细胞分裂的同时，造孢细胞也不断地进行有丝分裂，形成大量花粉母细胞。初生壁细胞经过分化，形成由绒毡层、中层、内层和表皮 4 层细胞组成的花药壁，其中绒毡层细胞分泌胼胝质酶，使得单核花粉粒得以释放[4].单核花粉粒从四分体中释放出来，形成自由小孢子；小孢子经过有丝分裂形成成熟的花粉；约 60%的被子植物成熟花粉由营养细胞和生殖细胞组成，其余 40%被子植物的成熟花粉是三细胞型花粉，包括 1 个营养细胞和 2 个精细胞[5].

　　2 花粉发育相关基因

　　在小孢子发育起始就发挥作用的基因有 SPL 和NZZ[6],缺失 SPL 和 NZZ 基因的孢原细胞不能发育成正常功能的小孢子母细胞，而且花粉壁和绒毡层的形成也被破坏。SWⅡ、ASY1 和 HOP1 基因是小孢子减数分裂所需要的，SWⅡ可以促进姐妹染色单体的联会，HOP1 是联会复合体装配和正常联会所必需的[7].在小孢子四分体时期，ms5 可导致小孢子降解，TAZ1 可导致绒毡层不正常发育和过早的降解，从而导致小孢子败育[9].研究表明，SLG 和 SRK 基因是花粉发育后期表达所需的[10],花粉管中的果胶甲酯酶（PMEs）在花粉管发育及与雌性组织之间起到重要的作用[11].花粉中与细胞壁合成与调控相关的果胶裂解酶（PEL）和多聚半乳糖醛酸酶（PG）基因，在花粉成熟和花粉管的生长中起作用[12].钙调蛋白（CaM）是最为普遍的钙结合蛋白，它通过与 20 多种酶和数种细胞膜成分结合相互作用，在花粉管生长的引导机制中发挥作用 （Wu et al.,2012）。STP 基因在花粉发育的全过程都有表达，其表达产物在花粉管生长时的糖供应中发挥作用[8].bHLH转录因子作用于激素应答，生长发育以及次生代谢调节，在植物花粉发育中起到重要的作用，通过激活或抑制一系列花药发育相关基因的时空特异性表达，从而保证植物花药的正常发育[14].在矮牵牛中研究发现，CHS 基因与花粉萌发有关，缺乏 CHS 的植株表现为雄性不育，而添加类黄酮类物质，可以使花粉管生长恢复正常[13].花粉发育是一个多步骤连续的过程，花粉萌发和花粉管穿过柱头都是花粉发育的重要步骤，这些基因相互作用，控制花粉发育的正常进行。

　　3 花粉发育相关基因的表达研究

　　基因差异表达的变化是调控细胞生命活动过程的核心机制。通过比较同一类细胞在不同生理条件下或在不同生长发育阶段的基因差异表达，可为分析生命活动过程提供重要信息。研究基因在特定条件下的表达水平可能是研究该基因表达的最直接途径。现在已有多种方法研究基因的差异表达，如：差减杂交法、代表性差异分析技术、基因芯片、cDNA 限制性片段长度多态性技术，mRNA 差异显示技术（Differential DisplayReverse Transcription PCR, DDRT-PCR）等。从基因差异表达水平，入手分析植物花粉发育的特征和分子调控机制，为深入认识花粉发育及花粉败育这一生命现象，以及有效控制植物育性表现、最终揭示植物不育以及花粉发育的特征和调控机制提供理论依据。