植物激素调控水稻花药发育的研究进展

沈亚琦，项圆圆，刘家林，王联红，张秋云，贺浩华，胡丽芳

(江西农业大学 作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省超级稻工程技术研究中心/双季稻现代化生产协同中心，江西 南昌 330045)

花药是雄蕊最重要的组成部分，药隔将花药分开的2个药室，花粉囊在药室中,花粉囊是花粉产生的地方。水稻是重要的粮食作物，花药的正常发育不仅对水稻开花过程和种子的形成十分重要[1-3]，而且在杂种优势利用和杂交育种中也有着重要地位，因而对水稻花药育性研究有着重要的理论和实践意义。近年来，随着许多与水稻花药发育相关基因的分离与功能鉴定，许多植物激素相关基因被发现在水稻花药发育中发挥着重要作用[4-6]。发现生长素、赤霉素、细胞分裂素、茉莉酸和油菜素内酯等激素参与了水稻花药发育过程。

1 水稻花药的发育过程

水稻花药的发育是一个连续复杂的过程，将其划分成不同的阶段以便于相关的研究。首先雄蕊原基顶端的L1-L3层细胞经过数轮平周分裂和有丝分裂，形成的花粉母细胞从外到内包围着表皮层、内皮层、中间层和绒毡层。随后花粉母细胞之间逐渐分散开，进入减数分裂阶段。二分体和四分体形成，绒毡层细胞胞质开始浓缩。在小孢子早期，绒毡层细胞胞质呈浓缩状，无液泡的小孢子形状近似球形，萌发孔尚未出现和不明显的孢子壁。在小孢子中期，小孢子的体积增大，孢壁变厚，液泡增多，合并形成较大的液泡。在小孢子晚期，小孢子体积明显增大，孢子壁加厚，中央大液泡出现。小孢子核逐渐移至萌发孔对侧，带状绒毡层细胞变为山丘状。进入到二孢花粉期后，小孢子经过有丝分裂形成营养细胞和生殖细胞，营养细胞较大具有中央大液泡并向萌发孔方向移动，而生殖细胞逐渐与花粉壁脱离，移至营养核的附近。开始积累淀粉粒等物质。绒毡层仅剩残留物，孢粉素体附着在其内表面。在成熟花粉期，由生殖细胞分裂产生2个精细胞与营养核同时存在，花粉内充满了淀粉等储藏物，绒毡层消失，仅剩次生绒毡层壁[7-8]。

2 调控水稻花药发育的植物激素

2.1 生长素

参与水稻花药发育的生长素生物合成途径的基因包括OsTDD1、OsDAO和OsFTIP7等(表1)。OsTDD1(TRYPTOPHANDEFICIENTDWARF1)基因编码一种与邻氨基苯甲酸合成酶β亚基同源的蛋白质，催化色氨酸生物合成反应的第一步。tdd1突变体出现雄蕊数目改变、雄蕊畸形的现象，偶有器官融合的发生[9]。OsDAO(DIOXYGENASEFORAUXINOXIDATION)基因编码2-酮戊二酸和亚铁依赖性双加氧酶，在水稻的花粉发育和花药开裂中不可或缺。突变体dao植株中游离生长素含量在花药内升高，造成花药不开裂，无花粉散出，表现为雄性不育植株[10]。OsFTIP7(FT-INTERACTINGPROTEIN7)基因编码FT互作蛋白。osftip7突变体花药不开裂，导致完全不育。此外，相比野生型，突变体中花粉发育也部分受损，花药中生长素含量显著升高。OsFTIP7与同源盒转录因子OSH1互作，调控OSH1发生质核穿梭结合到生长素合成关键基因OsYUCCA4的启动子区域上，从而抑制OsYUCCA4的转录表达，下调生长素的水平，促进花药开裂，最终控制水稻的育性[11]。

表1 参与水稻花药发育的生长素途径基因

参与水稻花药发育生长素信号传导途径的基因包括OsMGH3、LHS1和MFO1等。OsMGH3/OsGH3-8基因编码IAA酰胺合成酶，通过将氨基酸连到IAA上来维持花药游离IAA含量的动态平衡。OsMGH3基因敲除植株雄蕊发育和花粉活力受到影响，导致育性下降。OsMGH3在水稻小花中高水平表达有助于心皮和花药的发育，并通过调节生长素活动来影响小花的育性，同时受OsMADS1和OsMADS6的调控[12]。LHS1(LEAFYHULLSTERILE1)基因编码一个含有MADS box的蛋白OsMADS1。lhs1突变体雄蕊数量减少，心皮数量增加，雄蕊结构发生改变。OsMADS1能与OsMADS3发生互作，参与浆片和雄蕊特征的形成，促进花发育[13]。MFO1(MOSAICFLORALORGANS1)基因编码OsMADS6蛋白。mfo1-1突变体雄蕊数目减少，育性明显降低，会形成颖片-浆片-雄蕊嵌合的结构。OsMADS6是水稻花早期发育的一个重要调节因子，主要调控雄蕊、浆片和心皮起始原基的形成[14]。

2.2 赤霉素

参与水稻花药发育赤霉素信号传导途径的基因包括SLR1、GID2、EL1、OsGAMYB和SAW1等(表2)。SLR1(SLENDERRICE1)基因编码一种DELLA蛋白SLR1，是一种GA信号传导途径中的抑制蛋白。slr1-d3突变体表现为半不育，具有发育正常的花和形态正常的雄蕊，但是花粉的活力低于野生型花粉。SLR1蛋白N末端的磷酸化能抑制GID1介导的降解，并且C末端磷酸化维持SLR1的活性[15]。GID2(GIBBERELLININSENSITIVEDWARF2)基因编码SCF E3复合体的一个F-box亚基，SCFGID 2-蛋白酶体途径完成谷氨酸依赖性磷酸化启动的SLR1的调节性降解。在gid2突变体植株中，参与遗传信号传导的水稻SLR1蛋白的降解中有缺陷，导致不育表型[16]。EL1(EARLYFLOWERING1)编码酪蛋白激酶CKI，水稻el1突变体对赤霉素信号的反应增强，在小穗发育过程中诱导GAMYB和花粉形成相关基因CYP703A3和KAR过度表达，导致花药发育和花粉活力缺陷。酪蛋白激酶通过磷酸化和激活SLR1在GA信号的负调节中起作用，EL1磷酸化SLR1是一种主要的GA信号阻遏物[17]。OsGAMYB(GIBBERELLINMYB)编码一个赤霉素诱导转录因子，OsGAMYB突变损害糊粉和花发育中的α-淀粉酶表达，导致花粉发育缺陷。gamyb-4突变体花粉发育不能进行正常的减数分裂，使得绒毡层增大。该转录因子是一种正的赤霉素信号传导成分，控制谷类糊粉和花药细胞中大多数赤霉素诱导基因的表达，其下游基因CYP703A3和KAR主要参与花粉形成[18]。SAW1(SwollenAntherWall1)基因编码一种新的细胞核定位CCCH-串联锌指蛋白，该蛋白可直接与GA合成基因OsGA20ox3启动子区域结合，诱导其花药特异性表达。saw1突变体产生异常花药，花药壁肿胀，花粉脱落。在saw1花药中，OsGA20ox3的表达量显著降低，导致具有生物活性的GA含量降低，进而导致GA诱导花药调节基因OsGAMYB的表达降低。水稻SAW1基因敲除产生了类似的雄性不育植物[19]。

2.3 细胞分裂素

参与水稻花药发育的细胞分裂素代谢途径的基因包括参与合成的LOG和信号传导的LEPTO1等(表3)。LOG(LONELYGUY)基因编码细胞分裂素活化酶，对维持分生组织活性十分重要。log突变体花分生组织器官的分化提前终止，无法形成具有正常数量的花器官，通常只含有一个雄蕊[20]。LEPTO1(LEPTOTENE1)基因编码OsRR24，具有保守的DDK和MYB结构域的N端和转录激活活性的C端，属于B类响应调节因子。突变体lepto1的花粉母细胞染色体停滞在前细线期状态，不能进一步组装进入典型的细线期染色体状态。没有组装减数分裂特异蛋白，看不到胼胝质的积累，最终产生无花粉型花药。lepto1突变体在营养生长期无差异现象，但花药小而白，不产生花粉。用野生型花粉授粉后，lepto1也不能形成种子，雌雄均不育。OsRR24能通过DDK结构域与OsAHP1和OsAHP2两种组氨酸磷酸转移蛋白相互作用，可能通过调节细胞周期蛋白相关基因的表达，影响细线期染色体的组装[21-22]。

2.4 茉莉酸

参与水稻花药发育的茉莉酸代谢途径的基因包括参与合成的OsJAR1和信号传导的EG2、OsCOI1b等(表3)。OsJAR1(JASMONATERESTIVE1)基因编码茉莉酸氨基酸合成酶，参与JA调控的水稻小花开放和花药开裂。osjar1等位基因植株的小花在开花期间正常开放，但花药开裂受到损害，导致突变体植株生育力降低，外源施用茉莉酸甲酯诱导的花开放途径受损[23]。EG2(EXTRAGLUME2)编码茉莉酸信号阻遏物，与推测的茉莉酸受体OsCOI1b相互作用，在小穗发育过程中触发OsJAZ1的降解。eg2突变体表现出改变的小穗形态，以及有缺陷的花分生组织，雄蕊量减少[24]。OsCOI1b(CORONATINEINSENSITIVE1b)基因编码JA受体COI，介导JA信号传导影响小穗育性和籽粒灌浆。相比野生型，oscoi1b-1突变体小穗育性和粒重显著降低，造成籽粒减产严重[25]。

2.5 油菜素内酯

参与水稻花药发育的油菜素内酯代谢途径的基因包括参与合成的D11、OsCYP51G3和信号传导的OsBZR1等(表3)。D11(DWARF11)基因编码细胞色素P450蛋白CYP724B1，参与油菜素内酯生物合成途径。D11基因敲除植株花粉的成熟有陷并且淀粉的累积量变少，导致雄性育性降低。过表达D11基因会引起发育的花药中糖积累量增加[26-27]。OsCYP51G3基因编码钝叶醇14α-脱甲基酶，属于细胞色素CYP51亚家族，影响甾醇合成和油菜素内酯合成。OsCYP51G3-RNAi植株体内甾醇和油菜素内酯含量降低、花粉半不育和细胞较短[28]。OsBZR1基因编码油菜素内酯信号传导的下游信号分子OsBZR1，在水稻花粉发育过程中，OsBZR1通过直接促进CSA基因的表达，使糖分配和代谢相关基因的表达。OsBZR1基因敲除植株花粉的成熟有缺陷以及淀粉的累积量变少，而过表达OsBZR1基因花药中糖累积量变多[26]。

表3 参与水稻花药发育的细胞分裂素、茉莉酸和油菜素内酯途径基因

3 展望

植物激素对植物生长发育的各个时期都有重要作用，对水稻花药发育过程中植物激素生物合成、信号传导和极性运输途径相关基因和突变体的研究发现：生长素在调控水稻花药开裂、花粉萌发以及雄蕊结构中有着重要作用；赤霉素参与调控水稻花药发育、花粉成熟和花药开裂；细胞分裂素影响生殖器官的起始和发育，参与花粉母细胞染色体的组装；茉莉酸主要影响水稻花药开裂；油菜素内酯影响花粉成熟。低温、高温和干旱等[29-31]外界因素可通过调节相关激素水平来影响水稻花药发育，但对激素应答反应的分子机理知之甚少。同时水稻花药中遗传和外界环境信号的影响与激素之间的相互作用机理，组成了一个复杂的植物激素调控网络。水稻花药发育过程中调节植物激素相关基因的研究还不够完善，他们的时空表达模式以及作用网络可成为今后研究的重点方向之一。植物激素间相互调控网络的研究、调控机制的完善和水稻花药中激素水平的时空表，达对水稻花药发育和种子形成的深入研究提供良好的帮助。采用高效液相色谱-质谱联用检测水稻花药中激素含量差异，荧光定量PCR检测水稻花药中激素合成及传导相关基因的表达量变化，蛋白互作等技术研究验证水稻花药中激素的合成传导途径。同时与高通量测序及代谢组分析方法相结合，对水稻花药发育中的植物激素调控网络进行更加深入的研究提供支持，有助于我们进一步认识植物激素调控水稻花药发育的生物学问题。