張?jiān)趯殻鷫?mèng)輝，聞 潔，馮曉冰，張 馳，饒本強(qiáng)

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，信陽(yáng) 464000；2.信陽(yáng)師范學(xué)院 河南省茶學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，信陽(yáng) 464000)

氣溫升高是目前全球面臨的一個(gè)非常嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。預(yù)計(jì)2016—2035年，地球表面溫度相對(duì)1986—2005年將會(huì)升高0.3℃～0.7℃，到21世紀(jì)末(2081—2100年)，全球表面溫度相對(duì)于1986—2005年將會(huì)有0.3℃～4.8℃的增長(zhǎng)[1]。溫度上升將會(huì)影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)于小麥、水稻、玉米等農(nóng)作物而言，溫度升高會(huì)降低糧食產(chǎn)量，影響食品安全。高溫對(duì)植物的影響涉及植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)時(shí)期。前期的許多研究表明，植物的生殖生長(zhǎng)，特別是雄蕊的發(fā)育對(duì)高溫脅迫更敏感。因此研究高溫脅迫對(duì)雄蕊發(fā)育的影響，對(duì)于提高植物的耐高溫能力、培育新品種及提高糧食產(chǎn)量具有重要的理論意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

花藥是雄蕊最重要的結(jié)構(gòu)，為花粉產(chǎn)生、發(fā)育及成熟提供適宜的環(huán)境。關(guān)于花藥發(fā)育各個(gè)時(shí)期的生物學(xué)事件已經(jīng)被詳細(xì)地研究和描述[2-3]，此過(guò)程中也有許多的調(diào)節(jié)基因(如轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶)及功能基因參與了不同時(shí)期的花藥發(fā)育[4]。高溫條件下花藥形態(tài)及分子水平的改變決定了花藥發(fā)育的成功與否。

1 高溫脅迫對(duì)花藥發(fā)育的影響

高溫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響非常復(fù)雜。高溫對(duì)生殖發(fā)育的影響具有階段特異性，涉及小孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂、花粉發(fā)育、花藥開(kāi)裂和花粉釋放等過(guò)程。

1.1 高溫對(duì)減數(shù)分裂的影響

高溫介導(dǎo)的發(fā)育缺陷最早可能發(fā)生在減數(shù)分裂期間[5]。高溫導(dǎo)致花藥早期發(fā)育過(guò)程過(guò)早進(jìn)行，例如在高溫條件(30℃白天/25℃夜晚)下的大麥中觀察到絨氈層細(xì)胞過(guò)早降解和小孢子母細(xì)胞提前進(jìn)入減數(shù)分裂時(shí)期[6]。高溫脅迫下，同源重組和交叉互換的頻率增加、細(xì)胞核變小、染色體遷移異常、細(xì)胞固縮、胞質(zhì)融合、產(chǎn)生異常的四分體[7]。高溫誘導(dǎo)的ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和減數(shù)分裂相關(guān)基因表達(dá)的改變可引起減數(shù)分裂同源重組的頻率增加[8]。例如，在大麥中，高溫誘導(dǎo)減數(shù)分裂特異性基因ASY1(ASYNPSIS1)的提前上調(diào)，增強(qiáng)了減數(shù)分裂同源重組的頻率[8]。減數(shù)分裂同源重組頻率隨溫度升高而增加的機(jī)制在一定的范圍內(nèi)有效，當(dāng)變化超過(guò)閾值時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生相反的結(jié)果[8]。Pécrix等以36℃、48 h的高溫條件對(duì)薔薇進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)了二倍體花粉粒的出現(xiàn)，這主要是由于減數(shù)分裂II末期高溫誘導(dǎo)的紡錘體定向錯(cuò)誤[9]。高溫誘導(dǎo)的減數(shù)分裂II末期紡錘體定向錯(cuò)誤可歸因于次級(jí)精母細(xì)胞的機(jī)械性畸變；同時(shí)高溫脅迫也可能影響了花藥溫度感應(yīng)和次級(jí)精母細(xì)胞極性聯(lián)系間的正常調(diào)節(jié)[8]。

1.2 高溫對(duì)小孢子發(fā)育的影響

從減數(shù)分裂到單倍體小孢子轉(zhuǎn)換階段可能是對(duì)高溫最敏感的時(shí)期，其中絨氈層細(xì)胞的提前降解可能是造成小孢子發(fā)育異常及隨后花粉育性降低的原因之一。由于小孢子發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)源于絨氈層細(xì)胞，所以高溫下絨氈層的缺陷會(huì)對(duì)小孢子的正常發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重影響。細(xì)胞學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下絨氈層在減數(shù)分裂的四分體階段開(kāi)始表現(xiàn)出凋亡的特性，如發(fā)生細(xì)胞空泡化，并且在小孢子第一次有絲分裂前完全降解，高溫可能在有絲分裂階段通過(guò)影響絨氈層功能而導(dǎo)致花粉流產(chǎn)[8,10]。高溫脅迫下，絨氈層細(xì)胞內(nèi)的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)缺陷。前期研究表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)能通過(guò)未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)或降解錯(cuò)誤蛋白來(lái)減輕環(huán)境脅迫下的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力；一定程度的環(huán)境脅迫下，UPR也可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或細(xì)胞程序性死亡[11]。

此外，胼胝質(zhì)的合成及正常降解對(duì)花粉的發(fā)育至關(guān)重要；在花藥發(fā)育第8期，絨氈層分泌降解胼胝質(zhì)壁的酶，從而使包裹四分體的胼胝質(zhì)壁降解并釋放小孢子至藥室中[2,12]。高溫脅迫導(dǎo)致胼胝質(zhì)不能發(fā)生正常降解而使小孢子無(wú)法從四分體中釋放。由此推測(cè)，高溫造成絨氈層細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)發(fā)生缺陷，進(jìn)而影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)功能，導(dǎo)致胼胝質(zhì)酶合成和供給花粉壁發(fā)育的蛋白含量減少，最終導(dǎo)致雄性不育。因此，絨氈層細(xì)胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可能是高溫敏感的關(guān)鍵中心。

1.3 高溫對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及植物激素代謝的影響

花藥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累與代謝對(duì)花粉發(fā)育具有重要的作用，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為花藥中小孢子發(fā)生、花粉成熟及花粉管形成等生命活動(dòng)提供能量。持續(xù)高溫條件下的花藥發(fā)育過(guò)程中，糖濃度降低導(dǎo)致花粉活力降低。另外，生物體中的代謝大都是在相關(guān)酶的催化下進(jìn)行的，酶的活性對(duì)溫度高度敏感。因此，高溫下與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝相關(guān)的酶活性可能受到影響；也就是說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的大量積累不一定說(shuō)明花粉發(fā)育等過(guò)程的能量供應(yīng)充足，量的積累與代謝水平的協(xié)調(diào)效應(yīng)也許對(duì)花粉發(fā)育等過(guò)程的正常進(jìn)行起著主導(dǎo)作用。

生長(zhǎng)素在花藥中發(fā)揮效應(yīng)的時(shí)間始于小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂末期，在小孢子有絲分裂、花粉成熟、花藥開(kāi)裂和花絲伸長(zhǎng)等方面有重要的調(diào)控作用[13]。高溫條件下，大麥和擬南芥中生長(zhǎng)素生物合成基因的表達(dá)被抑制，花藥中絨氈層細(xì)胞的內(nèi)源生長(zhǎng)素水平特異性降低，進(jìn)而致使小孢子發(fā)育失敗，造成雄性不育[14]。因此，高溫下有關(guān)生長(zhǎng)素合成和代謝活動(dòng)的改變會(huì)對(duì)花粉發(fā)育造成嚴(yán)重的影響。

Wu等在水稻中發(fā)現(xiàn)高溫脅迫降低幼穗中CTKs(細(xì)胞分裂素)、GA1(赤霉素A1)和IAA(生長(zhǎng)素)的活性，而ABA(脫落酸)和與ABA結(jié)合的CTKs的活性則增加；進(jìn)一步研究表明，高溫誘導(dǎo)的CTKs的變化對(duì)花粉活力、花藥開(kāi)裂等有調(diào)控作用[15]。ABA可能通過(guò)與糖信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的相互作用以激活植物的應(yīng)激反應(yīng)[8]。外源ABA的處理能夠誘導(dǎo)HSPs的合成；此外，高溫誘導(dǎo)產(chǎn)生的內(nèi)源ABA對(duì)植物抗氧化系統(tǒng)的提高有促進(jìn)作用[16]。高溫改變了花藥中ABA合成與降解的代謝水平，這表明ABA信號(hào)在花藥細(xì)胞響應(yīng)高溫脅迫的信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用。

1.4 高溫導(dǎo)致ROS過(guò)量產(chǎn)生和花器官?zèng)Q定基因異位表達(dá)

植物在由營(yíng)養(yǎng)階段向生殖階段過(guò)渡期間，ROS信號(hào)在整合來(lái)自各種內(nèi)源性和環(huán)境信號(hào)的信息中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Kelliher和Walbot在玉米中證實(shí)過(guò)量ROS的形成是造成雄性不育的主要原因[17]。高溫脅迫誘導(dǎo)ROS的過(guò)量產(chǎn)生，超過(guò)閾值的ROS導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)大分子的氧化損傷。此外，由于抗氧化系統(tǒng)效率低下或糖代謝變化引起的脅迫誘導(dǎo)的氧化還原失衡可導(dǎo)致更高的ROS積累，進(jìn)而造成正在發(fā)育的小孢子或大孢子發(fā)生程序性死亡，最終導(dǎo)致雄性不育或胚珠敗育[18]。

高溫脅迫下，決定花器官發(fā)育基因的異位表達(dá)對(duì)花藥發(fā)育影響巨大。如在長(zhǎng)期中等程度的高溫條件下，兩個(gè)雌蕊特異性基因TRANSMITTINGTISSUESPECIFIC和TOMATOAGAMOUSLIKE11被證實(shí)在花藥中表達(dá)，并使花藥具有部分雌蕊特征；與此同時(shí)，花藥中的番茄B類(lèi)基因TOMATOAPETALA3、TOMATOMADSBOXGENE6 (TM6) 和LePISTILLATA被下調(diào)表達(dá)，從而致使花藥變形并降低雄性生殖力[19]。

總的來(lái)說(shuō)，高溫脅迫對(duì)雄性發(fā)育影響的關(guān)鍵時(shí)期主要集中在小孢子母細(xì)胞開(kāi)始進(jìn)行減數(shù)分裂及以后的小孢子發(fā)育時(shí)期，影響花藥的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育、生理生化功能和分子表達(dá)等許多層面。以上因素對(duì)小孢子發(fā)生及發(fā)育的過(guò)程具有重要的影響，任一因素的改變都可能造成雄性不育。

2 花藥發(fā)育響應(yīng)高溫脅迫的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制

植物的生理狀態(tài)和發(fā)育階段決定了對(duì)特定脅迫的敏感性差異，植物體內(nèi)的不同細(xì)胞類(lèi)型對(duì)脅迫的敏感也有很大的差異[20]?；ǚ郯l(fā)育和受精過(guò)程通常是生殖發(fā)育過(guò)程中對(duì)溫度最敏感的部分。與營(yíng)養(yǎng)組織類(lèi)似，為了抵抗高溫，生殖器官調(diào)節(jié)許多基因的表達(dá)如編碼熱激轉(zhuǎn)錄因子和熱休克蛋白的基因被高度上調(diào)[21]，涉及轉(zhuǎn)錄、翻譯和代謝等水平的變化。

2.1 熱激轉(zhuǎn)錄因子(Hsfs)在花藥中的功能

Hsfs調(diào)控各種熱激反應(yīng)基因的表達(dá)，并通過(guò)這種調(diào)控影響相應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝途徑等多種基因的轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)節(jié)植物應(yīng)激反應(yīng)。許多基因的轉(zhuǎn)錄激活受Hsfs的活性控制[22]。例如，在短期和長(zhǎng)期高溫脅迫下，花藥中的HsfA2和Hsp17-CII被誘導(dǎo)表達(dá)；進(jìn)一步的功能研究表明HsfA2參與花粉早期發(fā)育 (花粉母細(xì)胞/四分體)和花粉釋放的耐熱性調(diào)節(jié)，兩者在花藥發(fā)育過(guò)程中被精細(xì)調(diào)控[22-23]。

高于正常生長(zhǎng)溫度5℃～15℃時(shí)，植物發(fā)生熱應(yīng)激[24]，熱休克蛋白(HSPs)產(chǎn)生。熱休克蛋白中有一類(lèi)特殊的蛋白分子即分子伴侶，高溫脅迫下，其對(duì)于解除絨氈層細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上由錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白造成的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力具有重要作用。如百合花LimHSP16.45基因在花藥中被高溫誘導(dǎo)，在減數(shù)分裂第一階段，其作為分子伴侶保護(hù)花粉母細(xì)胞和絨氈層細(xì)胞并抵抗高溫[25]。

Fragkostefanakis等人的研究表明，雄配子的耐熱性取決于由Hsfs介導(dǎo)的發(fā)育和/或熱應(yīng)激的轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)信號(hào)；在高溫脅迫下，成熟花粉中的熱激反應(yīng)主要由HsfA1a和HsfA2介導(dǎo)，高溫下HsfA1a促進(jìn)HsfA1b、HsfA2、HsfA3、HsfA6b和HsfA7的表達(dá)，同時(shí)，HsfA6b和HsfA7的表達(dá)受HsfA2表達(dá)的抑制；這些由HsfA1a促進(jìn)表達(dá)的基因進(jìn)一步調(diào)控相關(guān)熱休克蛋白和其它熱激基因的表達(dá)[22]。

除了Hsfs之外，在熱應(yīng)激期間，ERF、NAC、MYB、bZIP和bHLH家族的轉(zhuǎn)錄因子也在花中上調(diào)表達(dá)，如當(dāng)植物在生殖階段經(jīng)歷高溫脅迫時(shí)，bZIP家族中膜相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子bZIP28和bZIP60激活并介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的UPR[26]。

2.2 高溫下糖類(lèi)、植物激素及ROS在花藥中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

高溫下ROS含量的提高增加了細(xì)胞發(fā)生氧化損傷的風(fēng)險(xiǎn)，并因此誘導(dǎo)抗氧化劑的產(chǎn)生和抗氧化酶基因的增強(qiáng)表達(dá)[27]。這些抗氧化劑和抗氧化酶含量的增加提高了細(xì)胞清除ROS的能力，減少了ROS誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷，提高了抗高溫能力。例如在高溫脅迫(43℃～45℃)下番茄的小孢子中，編碼ROS清除酶(例如SIAPX3)的基因的表達(dá)水平顯著提高[28]。在減數(shù)分裂階段暴露于高溫時(shí)，高溫抑制花藥中與Cu/Zn-SODa蛋白合成有關(guān)的抗氧化酶基因cCu/Zn-SOD1和cCu/Zn-SOD2的表達(dá)，Cu/Zn-SODa可能對(duì)于提高SOD活性和清除花藥中過(guò)量的ROS起著關(guān)鍵作用[29]。

高溫下花藥中的糖類(lèi)和生長(zhǎng)素水平受基因的精細(xì)調(diào)控。高溫誘導(dǎo)花藥中CASEINKINASEI(GhCKI) 的表達(dá)，其抑制淀粉合成酶活性，提高葡萄糖和ABA水平，破壞ROS活性氧動(dòng)態(tài)平衡；另外，與糖濃度感知和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的SNF1-RELATEDPROTEINKINASE1 (SnRK1) 在早期花藥發(fā)育階段也被上調(diào)，SnRK1蛋白可調(diào)節(jié)CASEINKINASEI(CKI) 的表達(dá)[30]。高溫下葡萄糖濃度和不正常的淀粉積累對(duì)花藥發(fā)育具有重要影響。在花藥開(kāi)裂階段，催化蔗糖水解生成葡萄糖(Glc)和果糖的基因INVERTASE(INV) 中的一個(gè)細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶基因CWINV和3個(gè)堿性/中性胞漿轉(zhuǎn)化酶基因CINV被顯著上調(diào)；高溫下淀粉合成基因GRANULEBOUNDSTARCHSYNTHASE(GBSSI) 被顯著誘導(dǎo)表達(dá)，而淀粉分解代謝基因a-AMYLASE和b-AMYLASE被明顯下調(diào)[30]。總之，高溫導(dǎo)致花藥中葡萄糖和淀粉的積累減少，進(jìn)而影響花藥發(fā)育并導(dǎo)致雄性不育。

在大麥和擬南芥中，高溫抑制了花藥中IAA生物合成基因YUCCA并且降低了內(nèi)源生長(zhǎng)素水平，花藥細(xì)胞增殖受到影響[31]。高溫條件下，花藥中的可溶性糖參與調(diào)節(jié)IAA的合成。高溫下受可溶性糖類(lèi)調(diào)節(jié)的PHYTOCHROME-INTERACTINGFACTOR(PIFs) 基因可能促進(jìn)花藥中IAA的生物合成，其中大部分GhPIFs基因在絨氈層降解和花藥開(kāi)裂階段被上調(diào)[30]。

總體而言，植物在花藥發(fā)育階段響應(yīng)高溫脅迫是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，涉及轉(zhuǎn)錄、翻譯、代謝等水平的適應(yīng)性變化。其中由Hsfs介導(dǎo)的各種熱激蛋白的發(fā)生被認(rèn)為是植物抵抗高溫的主要過(guò)程，另外如參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊反應(yīng)、ROS清除、糖類(lèi)代謝以及與植物激素生物合成與分解代謝相關(guān)的基因的差異性表達(dá)在響應(yīng)高溫的過(guò)程中也發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用(圖1)。

高溫脅迫下，花器官?zèng)Q定基因異常表達(dá)，ABA的活性增強(qiáng)，ROS過(guò)量產(chǎn)生，淀粉、葡萄糖和IAA濃度或活性降低；減數(shù)分裂特異性基因ASY1提前上調(diào)，減數(shù)分裂同源重組的頻率增加；Hsp17-CII、LimHSP16.45、A類(lèi)熱激轉(zhuǎn)錄因子HsfA1/2上調(diào)表達(dá)，誘導(dǎo)熱休克蛋白的合成；與絨氈層細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的基因bZIP28/bZIP60上調(diào)；ROS清除酶基因SIAPX3上調(diào)，與Cu/Zn-SODa蛋白合成相關(guān)的基因cCu/Zn-SOD1/2被高溫抑制，兩者均能抑制ROS的產(chǎn)生；SnRK1、GhPIFs等基因調(diào)節(jié)淀粉、葡糖糖和IAA生物組分濃度。ABA：脫落酸；ROS：活性氧；UPR：未折疊蛋白反應(yīng)；HSPs：熱休克蛋白；IAA：生長(zhǎng)素；Glc：葡萄糖

圖1花藥細(xì)胞響應(yīng)高溫的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)
Figure 1 Signal network of anther cells responding to heat stress

3 展望

高溫下小孢子發(fā)生及發(fā)育的順利進(jìn)行是植物繁殖成功的關(guān)鍵。在此過(guò)程中，已經(jīng)清楚絨氈層細(xì)胞所擔(dān)當(dāng)?shù)闹匾饔茫桥c此相關(guān)的深入具體的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還未完全解析；另外，小孢子發(fā)生前的事件如花發(fā)生、雄蕊原基的分化等過(guò)程涉及小孢子發(fā)生及發(fā)育的前提和相關(guān)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累；高溫下與分化和代謝相關(guān)基因的表達(dá)變化，可能使植物不能或有明顯缺陷地進(jìn)入小孢子發(fā)生及以后的生殖時(shí)期。因此，我們認(rèn)為未來(lái)關(guān)于高溫脅迫下花藥發(fā)育的研究還應(yīng)注意到從花藥原基出現(xiàn)到小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂前相關(guān)的分子或代謝變化對(duì)后期生殖發(fā)育的影響，這可能為我們更加深入地了解高溫對(duì)雄性生殖發(fā)育的影響提供更加開(kāi)闊的視野，從而為培育抗高溫作物提供深層次的理論指導(dǎo)。