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细胞遗传学

植物信号转导与水稻雄性不育机制研究进展

摘要本文综述Ca2+、赤霉素、生长素等信使分子与水稻雄性不育的关系的研究概况。

关键词信号转导；水稻；雄性不育

ARenewoftheAdvancesonSignalTransductioninPlantsandMale-sterileMechanismofRice

020*******，genetics，FaxiuDu

AbstractTheadvancesinstudiesoftherelationshipbetweenCa2、GAs、IAAandgenicmalesterilityofricearereviewedinthispaper．

Keywordssignaltransduction；rice；malesterility

生物体新陈代谢和生长发育主要受遗传信息及环境信息的调控，遗传信息规定了个体发育的潜在模式，但它的实现在很大程度上受控于环境信息。

外源（光、温、气、重力等）和内源（激素、细胞因子等）信号对体内特定细胞起作用，引起基因不同水平的表达，导致细胞或机体局部或整体生理反应发生变化。

各种信号通过细胞膜进入细胞，逐步引起细胞内物质（主要是蛋白质）的变化过程及这些蛋白质综合作用引起细胞或机体发生生化反应的过程称之为信号转导（signaltransduction）[1]。

发育是基因的顺序表达，受环境调控。

要真正解决基因顺序表达的驱动过程及环境调节发育的机制，需从发育过程的信号转导着手。

雄性不育（malesterility，MS）是指雄性器官退化、发育不良或花粉、精子败育不能行使生殖能力而雌蕊发育正常的现象[2]。

雄性不育是植物中普遍存在的一种现象，在高等植物中，约有43个科162个属约620个物种具有雄性不育现象，在检测过的39种植物中就有28种[3]。

雄性不育对环境敏感，其中有44％对温度敏感，只有3种对光周期敏感。

雄I生不育对植株本身来说是一种不利性状，但却是自然界中植物进化的一种生存方式。

植物雄性不育主要由核基因、核外细胞质基因控制，或受两者同时控制。

长期以来，植物雄性不育机制的研究是植物生理学、遗传学、细胞生物学、分子生物学研究的热点，大量的研究也获得了许多有价值的资料，对水稻雄性不育、花粉不育形态学、生理生化机制有了诸多的了解[2,4,5]，但却极少涉及植物信号转导与水稻雄性不育的关系。

核不育水稻对光周期或温度敏感的器官是叶片和幼穗，产生反应则是幼穗中的花药；对光周期或温度的敏感期是在小孢子尚未发育的二次枝梗原基分化期（第Ⅱ期）到花粉母细胞形成期（第Ⅳ期）或花粉母细胞形成期到减数分裂期[6-9]。

这意味着在小孢子发生前的光周期和温度诱导到小孢子雄性不育之间存在很长的空间和时间距离，所以在测知光周期和温度的化学反应到小孢子发育之间必定有化学物质作为传递信使。

研究表明，Ca2+、GAs和IAA被认为是与此有关的传递信使。

本文就Ca2+、Gas及IAA与水稻雄性不育机制的研究作一概述。

1Ca2+信使与水稻雄性不育机制

Ca2+作为第二信使在植物细胞内起着广泛的作用，各种外界与内在信号因子（如：

触动、光、冷胁迫、盐碱胁迫、热敏反应、激素等）所导致的细胞内反应都被证明与Ca2+浓度变化有关。

近年来对Ca2+信号转导与水稻雄性不育机制的研究也日益受到重视。

陈章良[10]等指出，光照后某些植物细胞和器官中会有Ca2+流动，而改变胞内Ca2+浓度的化合物对植物的光刺激反应有明显作用。

具有4个钙结合位点的EF手臂、以绕性的a．螺旋区域连结、赋予分子哑铃形的钙调素，具有高度保守性，它可以活化蛋白激酶、NAD激酶、NTP激酶、NAD氧化还原酶、质膜（PM）Ca2+-AZPase等。

远红光通过钙调素，钙离子作用激活各种酶来调控基因的表达。

光敏色素对细胞内酶的活性以及细胞生长、发育的影响可以通过Ca2+和依赖于Ca2+的调节蛋白来调节，Ca2+在细胞内外的流动也受光敏色素的调控。

吴文华等[11]研究指出，在红光及长日照处理下，农垦58S在幼穗发育的第Ⅳ期到第V期，叶片中可溶性Ca2含量升高，叶绿体中Ca2+-ATPase活性下降，表现出与短日照及远红光处理完全相反的变化，这说明叶片中可溶性Ca2+含量和叶绿体Ca2+-ATPase活性变化与农垦58S的育性转换有关。

用焦锑酸钾沉淀法对HPGMR的可育和不育花药进行钙定位研究[12]发现，在可育花药中的小孢子发育晚期，在花药壁内和花粉与乌氏体表面积累丰富的钙，而在花粉粒的胞质中不积累；在花粉中积累淀粉粒后，花粉壁上的钙减少，而薄壁细胞中钙增加。

在花粉不育的花药中，花药中层和药室内壁积累丰富的钙，而在绒粘层中不像可育花药那样丰富。

在不育花药中间层和绒粘层之间出现特殊的细胞壁，这与特异性钙积累有关，因而在药室中缺少有壁的花粉。

这表明钙分布的异常与花粉发育衰退及败育有关。

杨代常[13]测定结果表明，农垦58S中磷酸化酶的活性受Ca2+浓度影响较大，对Ca2+浓度变化敏感；在农垦58S育性转换过程中，体内的磷酸化酶活性是长日照处理高于短日照处理。

由于磷酸化酶催化一些蛋白质的去磷酸化反应，而Ca2+-ATPase催化磷酸化反应，这初步表明，光敏色素参与调控农垦58S育性转换可能是以磷酸化和去磷酸化的方式进行的。

于青等[14]对农垦58S在幼穗发育的Ⅲ．Ⅶ期叶片Ca2+总含量及叶片细胞内Ca2+含量及CaM含量的变化进行测定，表明雌雄蕊形成期（Ⅳ）和花粉母细胞形成期（V）是农垦58S对光敏感的两个时期，长日照在此时期引起叶片中Ca2+含量的变化，特别是使细胞内Ca2+含量的增加，表明Ca2+与光信号的关系密切；在短日照处理中，叶片内CaM含量从V期开始上升，并在Ⅵ和Ⅶ期维持在相对较高水平，比同期的长日照叶片含量高，这种较高水平的CaM含量可能是保证这几个时期农垦58S正常发育所必需的，因而长日照下叶片中CaM含量明显不足与花粉败育可能有内在联系。

在短日照下的农垦58S，经EGTA（乙二醇双乙胺醚一N，N’四乙酸，Ca螯合剂）、CPZ（氯丙嗪，CaM抑制剂）处理后，均使花粉育性下降，结实率降低。

长日照下的农垦58S经EGTA和CPZ处理后，均使花粉育性部分恢复（可育花粉率为13.2％和14.3％），结实率为零，但在长日照下喷施Ca2+-CaM溶液后，可育花粉率为54.1％，结实率为46.8％，即Ca2+-CaM处理使农垦58S在长日照下育性得到83.3％的恢复。

由此可见，Ca2+-CaM系统在决定农垦58S育性表达中起着极为重要的作用。

在长日照下给农垦58S涂施Ca2+ATPase溶液后，使其育性得到一定的恢复。

CaM在这里可能起两种作用，一是未饱和的CaM易于与细胞膜表面的Ca2+合；二是CaM或Ca2+-aM复合物作为大分子物质阻塞了细胞膜的Ca2+，这两种情况均阻碍长日照下Ca2+向细胞内移动，使得长日照信号未能传递到细胞内，于是育性得到恢复。

长日照下农垦58S叶面喷施EGTA后，螯合了细胞膜外Ca2+之不能进入细胞内，破坏细胞内的Ca2+其Ca2+-CaM系统，对植株本身产生某种毒害作用，因而，虽然花粉育性有所恢复，但结实率只有0.1％。

长日照下的CPZ处理抑制了CaM与其靶酶的结合，使Ca2+日照信号不能进一步表达，故花粉育性有所恢复。

同样由于CPZ的毒害作用，结实率只有0．69％[4]。

用农垦58S为材料以涂叶法和灌根法对长、短日照处理植株饲喂Ca2+，发现Ca2+从叶片或根部转入功能器官，转入量随标记强度的增加而增加；植株吸收Ca2+可明显提高长日照下植株的可育率和自交结实率，而短日照下植株的效应则相反，表明外源Ca2+的吸收能影响花粉的育性，从而也证明Ca2+与水稻雄性不育有关[15]。

杨万年等[16]研究了光后期敏感胞质雄性不育小麦叶片中的NAD激酶（NADK）和NADPase的变化，认为在长光照下，光敏胞质雄性不育小麦在光敏期内，叶片中的NADK总活性和钙调素非依赖性NADK活性高于短日照处理，钙调素依赖性NADK则相反，在短日照条件下，其活性明显高于长日照处理。

不育系在长日照条件下钙调素依赖性和非依赖性活性比例也发生了变化，其钙调素依赖性活性逐渐被钙调素非依赖性NADK所取代。

胡德文[17]指出，58S依赖Ca2+／CaM的蛋白激酶活性在光周期处理前（Ⅲ）水平较低，随着发育进程的推进（Ⅶ），无论何种光照处理，依赖Ca2+/CaM的蛋白激酶活性都有不同程度的提高。

长日照处理下，Ca2+／CaM-pK活性明显高于短日照处理。

以几种新型细胞质雄性不育型小麦为材料，对分蘖期小麦叶片中的依赖钙／钙调素的蛋白激酶（Ca2+／CaM-pK）进行SDS—PAGE电泳图谱分析发现，不育系和保持系的蛋白激酶酶带之间存在差别，并且不育系之间也有差别，说明细胞质对核基因的表达也有影响，这可能与水稻雄性不育有关。

上述研究表明，无论是光敏感核不育水稻还是光敏感雄性不育小麦，在光敏期内Ca2+CaM-DK以及Ca2+／CaM．PK的变化，都与雄性核不育有密切关系。

通过大量研究，现可初步认为，Ca2+雄性不育有关，Ca2+／CaM在农垦58S育性调控中充当第二信使，光敏色素接受长日照信号后通过Ca2+/CaM传递到细胞内，并借助于多级信号的转导和生理生化反应，最终达到调控基因表达的目的。

Ca2+／CaM系统可能是调控农垦58S育性转换的关键因素之一。

2赤霉素、生长素与水稻雄性不育机制

2．1赤霉素

质体是细胞中赤霉素类（GAs）前体合成的部位，GAs合成及其跨膜运转受光敏色素的调节。

那么GAs是否参与农垦58S育性的调节呢?

童哲等[l8]在育性转换敏感期通过叶或根施用各种植物激素证明，一定剂量的GA4，GA3或GAl都能使农垦58S—LD恢复部分育性，自交结实率达到18％。

H标记的GAs能被农垦58S叶片吸收并转运到幼穗中去，这说明GAs类物质确实有可能作为化学信使发挥作用。

张能刚等[19]以农垦58S和双8-4S为材料，在育性转换敏感期检测了幼穗和倒二叶中GAs的含量。

在农垦58S颖花原基分化期，不同光照处理的GAs含量迅速下降；在雌雄蕊形成期至减数分裂期，长日照处理的GAs含量明显低于短日照处理，以花粉母细胞形成期差异最大；在花粉完熟期，GAs含量显著下降，而短日照处理却急剧上升，对照品种农垦58在不同光照处理下的各个发育时期的GAs含量变化趋势基本一致。

这表明GAs参与了农垦58S的育性转换过程。

童哲等[20]在育性转换期检测叶片中GAs的含量，结果表明，短日照处理的GAs含量高于长日照处理，而对照品种农垦58在长、短日处理下叶片中GAs含量没有这么大的差异，与张能刚的研究结果一致。

赵玉锦[21]，无论是农垦58，还是农垦58S，在长日照处理后同期生殖器官中GAs的含量均低于短日照处理。

扬花期正常发育的水稻花药中内源GAl和GA4呈现大量积累的趋势，花粉已败育的农垦58S—LD内源GAl和GA4水平却显著降低。

这暗示GAs的亏缺与水稻雄性不育可能有关。

游年顺等[22]比较同核异质体雄性不育系WAV41A、WVV41A和保持系V41幼穗和倒二叶鞘中GAl+3+4+7的含量，指出不育系WAV41A、WVV41A幼穗分化过程中，GAl+3+4+7含量低于保持系。

在细胞质雄性不育系珍汕97A和保持系珍汕97B中有类似的结果[23]。

在幼穗发育的雌雄蕊形成期到三核花粉期（花粉完熟期），不育系和保持系中GA-+4含量均表现出先升后降，但保持系中GA。

+4含量明显高于不育系。

用人工合成的化学杀雄剂TO3处理正常水稻，测定水稻幼穗、叶片中GAs含量的变化发现，经TO3处理后的幼穗、花药和叶片中GAs含量明显减少，这与水稻细胞质雄性不育和核不育方面的研究结果一致[24]。

由此进一步表明，GAs可能是引起水稻雄性不育的直接原因之一。

GAs与水稻花药发育和花粉成熟密切相关[25,26]，水稻幼穗中保持高含量的GAs水平是保证幼穗发育和花粉正常所必须的。

GAs对叶片中IAA水平变化起主要调控作用，可以抑制IAA氧化酶或过氧化物酶的活性，促进色氨酸转为IAA，使结合态L转为游离IAA，提高植物体内IAA水平。

2．2生长素

生长素类物质是植物生长发育所必需的，分布于植物体的各个部分，花和叶片则是IAA合成的主要部位，它对于调节植物基因转录和酶的活性起着重要作用。

黄厚哲等[27]研究了细胞质雄性不育系和保持系中IAA含量与雄性不育发生的关系，发现IAA含量与可育度平行下降，而不育系花药中IAA氧化酶和过氧化物酶活性却随着不育度提高而上升，提出雄性不育的发生在于不育花药中IAA库受到破坏，IAA严重亏损，而导致花粉败育。

游年顺等[22]以胞质不育系WAV41A、WVV41A和V41B为材料，田长恩等[23]以胞质不育系珍汕97A和保持系珍汕97B为材料，对比了幼穗、花药和叶片中IAA含量的变化，得到与黄厚哲相似的结果，再次证明IAA含量的变化与胞质雄性不育有关。

徐孟亮等[28]指出，农垦58S在长日照处理下叶片中游离IAA含量在幼穗发育的不同时期呈现上升趋势；而同期在幼穗和花药中IAA含量却表现出严重亏损。

杨代常等[13]以HPLC方法分析了农垦58S在不同光照处理下的IAA含量，得到与徐孟亮等相反的结果，在幼穗发育不同时期，叶片和幼穗中IAA在长日照处理下发生严重亏损，其含量明显低于短日照处理。

他们认为IAA在长日照下的严重亏损，进而引起其它激素的代谢调整，破坏了激素间的平衡关系，从而影响了育性的正常表达。

张能刚等[19]用ELISA检测分析了农垦58SIAA的变化规律：

在雌雄蕊分化期，无论是长日照还是短日照，幼穗中IAA的含量都很高；进入花粉母细胞形成期后，长日照和短日照处理的幼穗中IAA含量急剧下降，随后逐渐稳定，但农垦58S各时期幼穗中L含量均表现为长日照处理低于短日照处理，而叶片中IAA的含量却表现出不同的规律，从颖花原基分化期至花粉母细胞减数分裂期，长日照处理叶片中IAA含量始终很低，而短日照处理的农垦58SL含量保持一种较高的水平，随着生育期的推进，IAA氧化酶活性呈升高的趋势，在长日照处理下各时期IAA氧化酶活性均比短日照处理的高。

赵玉锦[21]用气相色谱一质谱联用选择离子检测技术，以农垦58S和农垦58为材料，得到与张能刚相类似的结果。

用一定浓度的外源生长物质IAA、三碘苯甲酸及玉米素+三碘苯甲酸组合处理，能使农垦58S在完全不育的条件下达到部分可育[29]，原因可能是通过补充外源激素影响农垦58S叶片与幼穗内源IAA的含量而达到部分可育。

用H-IAA饲喂农垦58S倒二叶，发现H—LAA垦58S（短日照）叶片中的输出量比长日照下多50％，而用IAA运输抑制剂TIBA涂布在农垦58S（长日照）叶片基部，也明显抑制该叶的H—IAA输出，导致其自交结实率明显下降，这暗示着从功能叶片输入幼穗的IAA含量可能取决于日照长短[19]。

3小结

植物雄性不育是一个与农业生产密切相关的植物学性状，是植物在发育过程中基因型表达与环境相互作用的结果。

植株本身的雄性不育就可以在免去人工去雄的情况下作为遗传工具用于开发利用作物杂种优势，进行轮回选择，回交等育种研究。

利用植物的雄性不育性培育各种雄性不育系，再借助遗传工程大量生产杂交种子，从而使许多作物特别是白花传粉作物的杂种优势得以在生产上利用，为大规模生产杂交种子提供了可能性。

袁隆平[30]叫提出杂交水稻育种战略设想，受到了育种工作者的重视，提出在水稻育种方法上的“三系法”到“两系法”，最后到利用大量无融合生殖的“一系法”的育种策略。

但是在利用雄性不育进行育种的过程中仍存在一系列问题，如育种过程中父本和母本的不相容性，花期不育、育性漂移等等，给农业生产带来了很大损失。

完全掌握水稻雄性不育机理是克服或避免这些问题的关键所在。

水稻雄性不育是由长日照和高温胁迫诱导产生，经过一系列形态、生理生化反应后产生的小孢子败育，其间存在着信号传递的过程，Ca2+、赤霉素和生长素已被证明是参与这一过程的信使分子，对于水稻雄性不育与Ca2+、赤霉素和生长素的关系已有较多的了解，但信号转导是个非常复杂的过程，必需有来自环境或内在的刺激作用、接受信号的受体、信号传导分子（可能包括第一信使、第二信使、第三信使等），最后必需具有对信号分子产生反应引起基因表达或形态变化的效应器。

对于低温等环境胁迫引起的信号转导过程研究（其受体蛋白、应激蛋白、受体蛋白的表达基因等）较为清楚，但是对于长日照和高温诱导核不育水稻产生的花粉败育的信号转导过程的研究却刚刚起步。

Ca2+、赤霉素和生长素参与水稻雄性不育的信号转导是否也与其余环境胁迫植株所产生的应激反应的受体、效应器等具有一致性?

它们分别是什么?

这尚需进行大量的、更深入的研究。

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