王潔，王婧，孟秋峰，黃蕓萍，任錫亮，高天一，安學君

（1.寧波市農(nóng)業(yè)科學研究院，浙江，315040；2.安徽省種子管理總站）

柱頭能夠捕獲花粉，促進花粉萌發(fā)，花粉管極性生長通過柱頭上的乳突細胞，穿過花柱進入胚囊，最終完成雌雄配子的融合。由此可見，柱頭在被子植物授粉受精過程中起著關(guān)鍵作用。

1 植物柱頭的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 植物柱頭的結(jié)構(gòu)

柱頭位于雌蕊的頂端，從花柱上部延伸，是第一個與花粉細胞相互作用的雌蕊組織，能接受親和的花粉，排斥異質(zhì)或不親和的花粉。不同植物的柱頭形狀差異很大，有的細長、有的球形、有的呈羽狀等[1]。柱頭通常分裂成裂片或類似于針的頭部或成一個點，其最外層一般是薄薄的蛋白質(zhì)和蠟質(zhì)，最外層下面是富含纖維的細胞壁[2]。

柱頭常常有特殊的表面，一般根據(jù)表面形態(tài)可分為干柱頭和濕柱頭。干柱頭表面干燥，柱頭表皮細胞不能產(chǎn)生分泌物或僅有少量分泌物，表面細胞可以分化形成突起的乳突細胞。不同種類植物乳突細胞突起程度存在一定差異，乳突細胞的細胞質(zhì)一般比較少，常常含有大液泡，細胞壁存在分層，如蠅子草等；也有一些植物的柱頭表面沒有乳突細胞，如眼子菜、莎草等。擬南芥、油菜、水稻、玉米、小麥等都屬于干柱頭物種[3]。

濕柱頭物種柱頭表皮細胞能夠產(chǎn)生柱頭分泌物，并通過細胞壁穿過角質(zhì)膜的裂縫運輸?shù)街^表面，分泌物富含多種蛋白質(zhì)、多糖、脂類、酚類化合物和植物色素。有些植物的乳突細胞在傳粉前解體，而另一些植物柱頭分泌功能一直延續(xù)到傳粉后很久。濕柱頭的柱頭細胞均具有腺細胞的特征，含有大量的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及小泡，細胞質(zhì)比較濃厚。煙草、矮牽牛、百合等都屬于濕柱頭物種[4]。

1.2 植物柱頭的功能

①粘附花粉 柱頭細胞表面的蛋白質(zhì)膜是親水的，可以通過角質(zhì)膜的裂縫進行吸水，從而起到粘附花粉的作用。由于表面存在黏性分泌物，濕柱頭基本可以粘附所有落在柱頭上的花粉，而干柱頭粘附花粉的機理則比較復雜。不同種類植物柱頭表面粘附花粉的機理差異也比較大，目前研究最多、最透徹的主要有十字花科的擬南芥和蕓薹屬作物。Edlund 等[5]研究認為，擬南芥柱頭粘附花粉主要靠柱頭與花粉外壁之間的生物化學或者生物物理反應；而Swanson 等[6]則認為，這一過程主要依賴于花粉外壁的脂類和蛋白質(zhì)流到柱頭表面而形成的“foot”。對蕓薹屬植物的研究發(fā)現(xiàn)，與SI 位點相關(guān)的2 個柱頭表皮蛋白SLR 和SLG 在柱頭粘附花粉的過程中起著關(guān)鍵的作用[7]。

②促進花粉水合和萌發(fā) 柱頭是植物各器官或組織中唯一的水分可滲透位點，因而可以參與花粉的水合過程。濕柱頭表面的可流動性分泌物可以將落在上面的花粉包圍并提供水分，這種水合過程并不特異。而干柱頭會對落到柱頭上的花粉進行識別和篩選，并主動調(diào)控花粉的水合過程，只有親和的花粉才能順利完成水合過程[8]。此外，柱頭表面的蛋白質(zhì)表層在花粉萌發(fā)及花粉管的伸長過程中也發(fā)揮重要作用。

2 植物柱頭外露研究

柱頭外露作為提高作物異交結(jié)實率的重要性狀，在雜種優(yōu)勢利用中得到了廣泛的應用。許多研究者對柱頭外露性狀開展了大量研究，水稻、番茄等作物都轉(zhuǎn)育出了柱頭外露品種。

2.1 水稻

增加水稻的柱頭長度可以提高柱頭外露率，增加異交結(jié)實率，進而增加雜交稻的制種產(chǎn)量。李陶等[9]選用8 個秈型親本雜交，并在開花時調(diào)查柱頭外露率和柱頭長寬及角度等花器形態(tài)學特征。結(jié)果表明，水稻柱頭外露率受柱頭長、柱頭角度、粒長、子房長的影響，并達到顯著水平。賀立偉等[10]調(diào)查了水稻不同品種的不育系材料柱頭外露與花器性狀的關(guān)系，并進行了相關(guān)性和通徑分析，研究結(jié)果表明，柱頭跨度、穎花長、穎花長寬比和子房長都可以明顯提高柱頭外露率，2 枚柱頭的間距也對柱頭外露率有顯著影響，柱頭長度和外露長度隨著柱頭間距增加而增大。這些研究結(jié)果表明，水稻花器發(fā)育能夠影響柱頭外露。目前，高柱頭外露率水稻品種的選育與應用依然是研究熱點。徐秋生等[11]利用田間表現(xiàn)型與分子輔助相結(jié)合的手段育成了高柱頭外露率的溫敏核不育系生730S，該不育系除了具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗等常規(guī)優(yōu)良性狀以外，其柱頭外露率達到91.7%，異交結(jié)實特性比較強，目前已利用該柱頭外露不育系培育出了晚稻組合兩優(yōu)273，并通過了湖南省審定。紀惠忠等[12]利用傳統(tǒng)系譜法育種、南繁加代培養(yǎng)以及分子標記輔助育種等多種方法，選育出了柱頭外露軟米兩系不育系浦粳2179S，并利用該不育系配成了3 個組合浦粳2179S/凡15、浦粳2179S/T22 和浦粳2179S/T201，食味綜合得分都在66 分以上。

2.2 番茄

番茄外露的柱頭明顯是由柱頭從花藥延伸而來，外露的花柱不能接受自身產(chǎn)生的花粉，從而影響自花授粉。外界環(huán)境的變化對番茄的花柱長度有較大影響，高溫、低濕、干旱、低光強、短光周期等都能誘導番茄花柱伸長，其中高溫是引起柱頭外露的主要外界環(huán)境因子[13]。研究指出，在高溫下，番茄柱頭會伸出花藥筒中心，致使有活力的花粉無法到達柱頭，影響授粉過程，從而導致果實產(chǎn)量大幅度降低[14]。王燕等[15]以番茄Micro-Tom 為材料觀察不同溫度對番茄花器生長的影響，發(fā)現(xiàn)在30℃/25℃亞高溫處理下，柱頭外露率為41.1%，雄蕊顯著縮短；而在35℃/30℃處理下柱頭外露率提高到了46.7%，雌蕊和雄蕊都顯著變短；40℃/35℃處理下則不能正常開花。細胞學特征觀察發(fā)現(xiàn)，在35℃/30℃高溫處理下花柱直徑增加，但花柱細胞數(shù)基本不受影響，而花絲細胞縱向長度則顯著縮短。李景富等[16]分別以長柱頭型和花藥閉合性雄性不育系為父母本，利用系譜法選育出了柱頭外露的新型番茄雄性不育系（PSL）N431-69，利用該不育系進行雜交授粉，可以免去人工去雄的繁雜步驟，直接將父本花粉涂抹到母本外露的柱頭上即可，可節(jié)省人工成本50%。

2.3 其他植物

謝卿[17]以甘藍型油菜新品系GH30 和蕾期柱頭外露突變體為材料，對其F2代群體進行研究，發(fā)現(xiàn)正常植株與柱頭外露突變體植株的數(shù)量比為1∶3，符合1 對隱性基因的遺傳特征。顯微鏡解剖觀察發(fā)現(xiàn)突變體柱頭較干癟，柱頭乳突細胞稀疏且細小。對柱頭外露性狀進行基因定位研究，初步判斷B073C04-5 與突變呈現(xiàn)連鎖關(guān)系。郭巖等[18]以正常柱頭材料陸地棉TM-1 和柱頭外露材料CSB-18 為材料，觀察2 個品種花器的生長情況，結(jié)果表明在整個發(fā)育階段2 個品種間柱頭長度和苞葉不存在顯著差異，但是柱頭外露材料的花瓣卻顯著縮短。胡育瑋[19]利用煙草柱頭正常發(fā)育的不育系和可育系以及柱頭外露突變性狀不育系為研究材料，比較了不同發(fā)育時期的花器官發(fā)育特性，結(jié)果表明，溫度對柱頭外露沒有顯著影響，突變體柱頭外露的主要原因是花冠長度明顯縮短；進一步對3 個材料花柱、花冠以及子房的發(fā)育特征、內(nèi)源激素及相關(guān)基因表達量變化情況進行研究，發(fā)現(xiàn)花蕾發(fā)育早期柱頭外露突變體花蕾中生長素、細胞分裂素、赤霉素、水楊酸、脫落酸、茉莉酸、乙烯等植物激素以及聚胺和碳氮代謝旺盛是其花柱伸長的原因；花蕾發(fā)育后期柱頭外露突變體花冠中生長素、細胞分裂素、赤霉素、聚胺、應激蛋白合成、活性氧代謝、碳氮代謝的強度較弱，水楊酸、脫落酸和茉莉酸的代謝強度較高，推測這是導致其花冠長度顯著縮短的主要因素。

3 問題與展望

柱頭是授粉反應的主要場所。在授粉過程中，柱頭特異性地接受親和性花粉粒，促進花粉水合和萌發(fā)，以及花粉管在柱頭乳突細胞穿越和花柱中延伸，從而使精細胞到達胚珠進行下一步的受精反應。在授粉過程中，柱頭發(fā)生一系列生理生化反應，柱頭中許多重要的基因必然在授粉反應中發(fā)揮了非常重要的作用。研究植物授粉反應過程中柱頭基因的調(diào)控對于揭示植物生長發(fā)育規(guī)律及果實和籽粒形成機理具有重要意義，也可以為克服遠緣雜交和自交不親和性、進行農(nóng)作物遺傳育種創(chuàng)新研究以及培育優(yōu)良品種提供理論指導。然而，目前柱頭中僅有少數(shù)參與授粉反應的基因其分子作用及功能被鑒定，如糖蛋白SLG基因、受體激酶基因和囊泡亞基Exo70A1基因等[20]。

隨著大數(shù)據(jù)及組學的快速發(fā)展，利用柱頭突變體材料基于組學的方法篩選柱頭特異性上調(diào)或下調(diào)表達基因，并分析這些基因的性質(zhì)和分子生物學功能，以期揭示授粉反應的調(diào)控機理將成為下步研究熱點。隨著被子植物柱頭發(fā)育以及柱頭與花粉間信息傳遞機制研究的不斷深入，作物遺傳育種勢必會更快發(fā)展，為糧食發(fā)展做出重要貢獻。