鄧中印，廖如意，孫國梁，耿帥鋒，李愛麗，毛 龍

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，農(nóng)作物基因資源與基因改良國家重大科學(xué)工程，北京 100081）

花藥是小麥花器官的重要結(jié)構(gòu)，其異常發(fā)育會導(dǎo)致花粉育性降低或不育。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，雄性不育材料對于利用雜種優(yōu)勢提高作物產(chǎn)量具有重要意義。植物花藥的發(fā)育分為花藥形態(tài)建成階段和花粉形成及成熟階段。第一階段是細胞與組織發(fā)生分化，主要是孢原細胞分裂形成初生壁細胞和初生造孢細胞，其中，初生壁細胞發(fā)育成花藥壁，初生造孢細胞經(jīng)有絲分裂和分化形成小孢子母細胞，然后經(jīng)減數(shù)分裂形成四分體小孢子。第二個階段是花粉形成及成熟階段，主要是細胞衰退、凋亡，其中小孢子經(jīng)過2 次有絲分裂，分化發(fā)育成成熟的花粉，花絲將膨大的花藥托舉到合適的位置，花粉囊破裂釋放花粉粒[1]。筆者通過借鑒模式作物擬南芥和水稻花藥發(fā)育基因的研究，為小麥花藥發(fā)育基因的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 花藥的結(jié)構(gòu)及發(fā)育時期

1.1 花藥的結(jié)構(gòu)

植物體的決定因素是頂端分生組織和根尖分生組織。植株的葉片、莖、花等部位均是由頂端分生組織發(fā)育形成的，因此，分生組織的維持與分化在植株發(fā)育過程中至關(guān)重要。在營養(yǎng)生長階段，植株的頂端分生組織分化形成葉原基；從營養(yǎng)生長階段過渡到生殖生長階段，植株頂端分生組織開始分化形成花序的分生組織。在雙子葉模式植物擬南芥中，植株分生組織的分化比較簡單，其花序分生組織直接形成小花分生組織。

在禾本科植物中，植株的花序發(fā)育比較復(fù)雜，需要形成多種分生組織。當(dāng)水稻由營養(yǎng)生長階段過渡到生殖生長階段，植株頂端的分生組織開始轉(zhuǎn)變形成花序分生組織，進而形成分枝分生組織和穗軸分生組織，進一步形成小穗分生組織，分化出小花分生組織，最后產(chǎn)生小花。每個小花由心皮、雄蕊（花藥和花絲）、漿片等花器官和包裹花器官的內(nèi)稃、外稃器官組成[2]。

與水稻不同，小麥的穗子不形成分枝，而是由無柄的小穗直接附著生長在穗軸的每個穗節(jié)上，其中每個小穗又會形成多個小花?；ǖ陌l(fā)育是一個極其復(fù)雜的過程，但又是大部分植物繁殖后代所必需的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。典型的植物花朵主要包括花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊四個部分。雄蕊由花藥和花絲組成，是植物的雄性生殖器官，其中花藥位于花絲頂部，由花藥壁和花粉組成?；ㄋ幈趶耐獾絻?nèi)依次是表皮、內(nèi)壁、中層和絨氈層細胞，在花藥發(fā)育的整個過程中，不同層的細胞會發(fā)生明顯改變，最后在花粉成熟時期，花藥破裂釋放出花粉。在花藥及花粉發(fā)育的過程中，涉及到眾多基因的表達和調(diào)控，因此，某些關(guān)鍵基因的突變就會導(dǎo)致花藥或小孢子發(fā)育的異常，并最終影響花粉的活性，產(chǎn)生雄性不育。

1.2 花藥的發(fā)育時期

根據(jù)花藥發(fā)育不同時期的細胞學(xué)切片觀察，擬南芥花藥的發(fā)育劃分為15 期。在1～4 時期，花藥原基出現(xiàn)，經(jīng)細胞分裂形成花藥的各層細胞組織，隨后花藥的腔、壁、連接細胞和導(dǎo)管區(qū)域開始形成，并逐漸成熟。在5～7 時期，花藥原基的孢子體細胞經(jīng)過分化形成了四類細胞，分別為內(nèi)壁層、中間層、絨氈層和小孢子母細胞。然后，小孢子母細胞經(jīng)2 次減數(shù)分裂，形成胼胝質(zhì)層包裹著，且包含單倍體小孢子的四分體。在第8 時期，絨氈層分泌胼胝質(zhì)酶，降解胼胝質(zhì)層，并釋放出四分體小孢子。在9～12 時期，小孢子經(jīng)2 次有絲分裂形成三核花粉粒，并逐漸發(fā)育成熟。同時，絨氈層等營養(yǎng)組織逐漸衰退降解，擴大了藥室形態(tài)。在第12 時期后，花藥藥室的裂口細胞發(fā)生破裂，使花藥變成2 個藥室。之后藥室兩側(cè)的裂縫處發(fā)生破裂，釋放花粉。在第13 時期后，花藥逐漸衰老并脫落[3]。

水稻花藥的發(fā)育劃分為14 期，大致與擬南芥相同，在第8 時期，水稻又劃分為8A、8B。將第8A時期描述為減數(shù)分裂第一期，此時進行減數(shù)分裂形成二核的二分體，絨氈層細胞呈空泡狀和萎縮，胞漿染色呈暗色，隨著細胞核DNA 的碎裂，絨氈層細胞開始發(fā)生程序性死亡；將第8B 時期描述為減數(shù)分裂第二期，此時形成一個包含4 個單倍體的四分體，小孢子的初生壁的胼胝質(zhì)開始降解，絨氈層繼續(xù)降解[4]。減數(shù)分裂后水稻的花藥發(fā)育時期的劃分與擬南芥類似[4]。

小麥花藥的發(fā)育劃分為15 個時期，不同的是將前期的第5 時期和第6 時期描述為胼胝質(zhì)初期和胼胝質(zhì)中期。因為這2 個時期胼胝質(zhì)起著十分重要的作用。在第5 時期藥室周圍出現(xiàn)絨氈層，上部和下部的室分開。胼胝質(zhì)接著分泌，包裹在孢母細胞的表面，進入第6 時期胼胝質(zhì)中期，絨氈層細胞增大，在藥室的中央可看到胼胝質(zhì)包裹著小孢子母細胞（MMCs）。這樣就為孢子母細胞接下來進行減數(shù)分裂提供了一個較為封閉的環(huán)境，保證了減數(shù)分裂的順利進行。但是并未將第8 時期的減數(shù)分裂分為8A 和8B，而是將第8 期描述為減數(shù)分裂，并將最后的衰老和裂開描述為2 個時期[5]。

2 模式植物及水稻花藥發(fā)育中的關(guān)鍵基因調(diào)控

當(dāng)花藥結(jié)構(gòu)在花藥發(fā)育各時期出現(xiàn)異常發(fā)育時，就會造成雄性不育，如染色體不能正常聯(lián)會、在減一時期染色體不均勻分配、在減數(shù)分裂完成后絨氈層出現(xiàn)推遲或提早降解等情況，都會造成雄性不育。擬南芥和水稻中雄性不育基因的功能研究較為透徹，已構(gòu)成調(diào)控花藥發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)，即雄性不育基因互作機制。

2.1 雄蕊原基發(fā)育時基因的調(diào)控

在雄蕊剛剛形成時，雄蕊原基為方形，被內(nèi)稃和外稃包裹，此時只存在雄蕊原基，它是由小花分生組織發(fā)育而來的。在小花分生組織形成的過程中，某些與花器官形成相關(guān)的基因開始發(fā)揮重要的作用。擬南芥花的發(fā)育受“ABCDE”模型調(diào)控，其中，A、B、C、D 和E 是決定花器官發(fā)育的5 類基因[6]。在花器官分化模型中，A 類和E 類基因負責(zé)花萼的形成，A 類、B 類和E 類基因負責(zé)第2 層花器官花瓣的形成，B 類、C 類和E 類基因參與第3 層花器官雄蕊的形成，C 類和E 類基因決定第4 層花器官心皮的分化[7]。擬南芥中C類MADS盒基因AGMOUS（AG）對植株的發(fā)育有著十分重要的作用，參與調(diào)節(jié)雄蕊和心皮的形成、抑制A 類基因表達以及影響花分生組織。MADS 盒基因中MADS3 和MADS58 決定雄蕊和心皮的身份，另外，這2 個基因與MADS13 一起，對花分生組織的確定有著重要作用。在擬南芥mads3mads58 雙突變材料中生殖器官的特征完全丟失，在第3、4 輪花器官中積累了大量漿片[8]，可見MADS3 和MADS58 共同調(diào)節(jié)著雄蕊原基的分化。

2.2 造胞細胞分裂時基因的調(diào)控

雄蕊原基包括L1、L2、L3 三層細胞，L2 通過快速的有絲分裂在4 個角落里形成孢原細胞，此時孢原細胞比其他細胞大。孢原細胞經(jīng)過平周分裂形成初生壁細胞和造胞細胞，造胞細胞再經(jīng)過有絲分裂形成孢母細胞。在形成孢母細胞的過程中，造胞細胞分裂受到一系列基因的調(diào)控，如MULTIPLE SPOROCYTE 1（OsMSP1）、HOMOLOGUES OF TAPE TUM DETERMINANT1（OsTDL1A）。OsMSP1 基因是富亮氨酸重復(fù)類受體蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶，由1 294 個氨基酸組成。OsMSP1 蛋白包含一個信號肽、一個亮氨酸拉鏈基序、一個包含34 LRRs 的結(jié)構(gòu)域、一個跨膜結(jié)構(gòu)域和一個細胞質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)域。OsMSP1 通過影響初生壁細胞和初生造孢細胞的分化發(fā)揮作用，其不僅能通過抑制孢母細胞周邊細胞的再度分化，控制大、小孢子母細胞數(shù)目，而且在花藥壁形成初期發(fā)揮重要作用[9]。水稻中OsTDL1A（MIL2）通過與水稻受體激酶OsMSP1 的LRR 結(jié)構(gòu)域的結(jié)合，調(diào)控孢子母細胞的數(shù)目，控制心皮發(fā)育[10]。OsTDL1A 蛋白與擬南芥TPD1 蛋白同源，具有調(diào)控水稻花藥早期細胞分化的功能，控制水稻花藥初生壁細胞分化成次生壁細胞，同時OsTDL1A 位于UDT1 的上游，控制花藥壁的細胞發(fā)育[11]。

2.3 絨氈層細胞發(fā)育時基因的調(diào)控

在造胞細胞經(jīng)過有絲分裂形成孢母細胞時，孢原細胞產(chǎn)生的初生壁細胞進行有絲分裂，分化形成中層和絨氈層，基因DEFECTIVE TAPETUM AND MEIOCYTES 1（DTM1）和UNDEVELOPED TAPETUM1（UDT1）調(diào)控著絨氈層的發(fā)育。DTM1 是水稻早期絨氈層發(fā)育和性母細胞進行減數(shù)分裂所必需的，編碼一個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白。DTM1 在絨氈層的早期發(fā)揮作用，這種作用發(fā)生在MSP1 之后而在UDT1 之前；同樣對于性母細胞發(fā)育，DTM1 作用發(fā)生在MEL1 之后而在PAIR1 之前[12]。UDT1 包含保守的“堿性螺旋—環(huán)螺旋”基序，是一個典型的bHLH轉(zhuǎn)錄因子，編碼一個核蛋白，在細胞減數(shù)分裂早期發(fā)揮作用。水稻udt1 突變能夠?qū)е轮仓晷坌圆挥?。在減數(shù)分裂前，突變體具有正常的花藥壁和性母細胞；但至減數(shù)分裂期，突變體花藥的絨氈層不能分化，并成為空泡[13]。

2.4 減數(shù)分裂時基因的調(diào)控

在絨氈層發(fā)育時，孢母細胞被胼胝質(zhì)所包裹，開始進行減數(shù)分裂，減一期主要是HOMOLOGOUS PAIRING ABERRATION IN RICE MEIOSIS1（PAIR1）、HOMOLOGOUS PAIRING ABERRATION IN RICE MEIOSIS2（PAIR2）、HOMOLOGOUS PAIRING ABERRATION IN RICE MEIOSIS3（PAIR3）和SISTER CHROMATID COHESION AND SEGREGATION（Os-REC8）基因通過控制同源染色體配對，使姐妹染色單體不能發(fā)生配對，從而造成減數(shù)分裂發(fā)生異常。

在水稻中PAIR1 基因的缺失或突變會影響減數(shù)分裂過程中同源染色體的正常配對。在減數(shù)分裂前期Ⅰ中，pair1 材料的性母細胞的染色體會互相糾纏，進而形成一個緊密的圓球黏附在核仁上，不能進行同源配對。在減數(shù)分裂的后期Ⅰ和末期Ⅰ，染色體不發(fā)生分離，紡錘體不能形成，產(chǎn)生多個不均等的孢子[14]。

PAIR2 對水稻雌雄生殖細胞減數(shù)分裂過程中同源染色體的配對是必要的。免疫細胞學(xué)和電鏡分析發(fā)現(xiàn)，PAIR2 蛋白與細線期和偶線期的軸向元件有關(guān)，但在水稻減數(shù)分裂Ⅰ過程中對軸向元件形成、著絲粒處姐妹染色單體黏合和動粒裝配不起作用[14]。

突變體pair3 和PAIR3 RNAi 植株，營養(yǎng)生長期正常，但雌雄性均不育，花藥呈淺黃色，幾乎所有的花粉都缺少淀粉。終變期的pair3 性母細胞中，能觀察到12～24 個單價體，說明同源染色體不能正常形成二價體和聯(lián)會。

OsREC8 作為一種染色體結(jié)構(gòu)維持蛋白，是大多數(shù)模式生物中減數(shù)分裂黏連復(fù)合體的關(guān)鍵組成部分。Osrec8 材料的減數(shù)分裂細胞中，同源的配對和端粒束的形成發(fā)生異常，在第1 次減數(shù)分裂期間，絲粒不發(fā)生黏連，動粒也雙向定位，從而導(dǎo)致姐妹染色單體過早分離[15]。在第2 次減數(shù)分裂時期，OsOSD1 影響水稻減數(shù)第2 次分裂，它的變異導(dǎo)致減數(shù)第2 次分裂中止，形成雙倍體的雌雄配子，Ososd1 突變體營養(yǎng)生長期正常，但雌雄配子形成異常，100%精母細胞不能形成四分體，而是二分體，即全部的雄配子都是雙倍型[16]。

在水稻減數(shù)分裂期間，通過同時敲除3 個減數(shù)分裂關(guān)鍵基因OsOSD1、PAIR1 和OsREC8，使生殖發(fā)育的減數(shù)分裂過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪z分裂過程，且不發(fā)生染色體交換，創(chuàng)建了MiMe 材料，產(chǎn)生與親本體細胞基因型一致的雙倍體雌雄配子[16]。以MiMe 技術(shù)為基礎(chǔ)，中美2 個科研團隊均實現(xiàn)了對雜交稻種子胚的克隆。美國Sundaresan 團隊在BBM1-ee 轉(zhuǎn)基因植株（BBM1 調(diào)控胚胎發(fā)生的起始）中利用這種有絲分裂替代減數(shù)分裂技術(shù)（MiMe），產(chǎn)生S-Apo 植株，發(fā)現(xiàn)S-Apo 植株可通過種子順利誘導(dǎo)孤雌生殖。由于不存在減數(shù)分裂，S-Apo 植株的單倍體具有正?；ㄋ?，而其后代依然可誘導(dǎo)單倍體產(chǎn)生，占比達26%，后面2 代均維持此概率[17]。來自我國水稻研究所的王克劍團隊，在MiMe 基礎(chǔ)上，再敲除MTL基因（MTL能誘導(dǎo)雄配子基因組降解），獲得Fix 材料，F(xiàn)ix 自交形成后代過程中，因減數(shù)分裂失敗形成雙倍體的雌、雄配子，雙倍體雌雄配子融合后形成四倍體（145 個后代中，136 個是四倍體），但同時有一定概率發(fā)生雄配子的基因組降解（在MTL的作用下，145 個后代中，9 個是雙倍體），即融合后的孤雌發(fā)育，發(fā)生雄配子基因組降解的合子胚與F1親本在基因型上保持一致，從而實現(xiàn)了對雜種胚的克隆[18]，為雜種優(yōu)勢的利用，開辟了新的路徑。

2.5 絨氈層細胞程序性死亡（PCD）基因的調(diào)控

在減數(shù)分裂完成后，絨氈層釋放出胼胝質(zhì)酶，使包裹的四分體釋放出來，絨氈層發(fā)生程序性死亡。在絨氈層細胞程序性死亡時，主要受到PHD 鋅指蛋白基因調(diào)控，如TDR INTERACTING PROTEIN 2（TIP2）、TDR INTERACTING PROTEIN 3（TIP3）、TAPETUMDEGENERATIONRETARDATION（TDR）、ETERNAL TAPETUM 1（EAT1；DTD）、PERSISTENT TAPETAL CELL1（PTC1；MS1）基因。

TIP2是一個堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子，作用于TDR和EAT1的上游，直接調(diào)控它們的表達，而TDR和EAT1作為水稻絨氈層細胞程序化死亡過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子，對花藥的早期發(fā)育起關(guān)鍵作用。tip2突變導(dǎo)致花藥壁內(nèi)3 層的細胞不發(fā)生分化，絨氈層細胞的程序化死亡發(fā)生中斷，產(chǎn)生完全的雄性不育[19]。

轉(zhuǎn)錄因子TIP3可與調(diào)控絨氈層發(fā)育和花粉壁形成的轉(zhuǎn)錄因子TDR發(fā)生互作，突變體tip3花藥較小，淡黃色，無成熟花粉粒，烏氏體異常，無花粉壁形成，并且絨氈層降解延遲[20]。

TDR定位于細胞核中，編碼一個堿性螺旋-環(huán)-螺旋蛋白，在水稻絨氈層中優(yōu)先表達，對水稻絨氈層降解和花藥發(fā)育是必需的。編碼半胱氨酸蛋白酶和蛋白酶抑制因子的OsCP1和OsC6基因可能是TDR的直接作用目標[21]。TDR通過觸發(fā)ADF介導(dǎo)的蛋白水解通路調(diào)節(jié)絨氈層細胞發(fā)育和花粉形成[22]。此外，TDR作用于EAT1上游，并能與EAT1互作，來調(diào)控絨氈層[23]。

EAT1/DTD作用于TDR下游，并能與TDR 蛋白互作，編碼bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，正向調(diào)控水稻花藥絨氈層細胞的程序性死亡，還能直接調(diào)控OsAP25和OsAP37的表達，這2 個基因編碼天冬氨酸蛋白酶，在酵母和植物細胞中誘導(dǎo)程序性死亡[23]。

PTC1/OsMS1編碼一個PHD 鋅指蛋白，是一個轉(zhuǎn)錄因子，具有轉(zhuǎn)錄激活活性。PTC1/OsMS1 蛋白能夠與OsMADS15 和TIP2 蛋白發(fā)生互作，而TIP2 協(xié)調(diào)TDR 蛋白能夠調(diào)控EAT1基因的表達，進而調(diào)控絨氈層的PCD 過程。同時TDR 可以通過Myb80控制PTC1/OsMS1脂質(zhì)合成來調(diào)節(jié)絨氈層的降解。突變體Osms1雄性完全不育，花藥小而淺黃，花粉粒不可見。細胞學(xué)觀察顯示，突變體花藥中絨氈層PCD 過程延遲[24-25]。

總之，bHLH 轉(zhuǎn)錄因子之間發(fā)生互相作用來調(diào)控絨氈層的降解，即TIP2和TIP3通過與TDR互作來調(diào)節(jié)EAT1的表達，EAT1控制AP37 和AP25 天冬氨酸的表達，進而調(diào)控絨氈層的降解。TC1/OsMS1又可以通過TIP2來控制TDR的表達，但TDR可以通過Myb80控制PTC1/OsMS1脂質(zhì)合成來調(diào)節(jié)絨氈層的降解。TDR還可以直接調(diào)控OsCP1、OsC6、ADF來控制絨氈層的表達。

絨氈層的降解還受到APOPTOSIS INHIBITOR5（OsAPI5）-API5-INTERACTING PROTEIN1/2（Os-AIP1/2）-CYSTEINE PROTEASE 1（OsCP1）途徑的調(diào)節(jié)，水稻凋亡抑制子OsAPI5 與動物中抗凋亡蛋白Api5 同源，敲除OsAPI5 能抑制水稻PCD 的過程，絨氈層的退化延遲導(dǎo)致雄配子的形成發(fā)生障礙。OsAPI5 是一個核蛋白，與AIP1 和AIP2 相互作用，AIP1 和AIP2 是2 個依賴ATP 的DEAD-box RNA螺旋酶。OsAIP1 和OsAIP2 可以形成二聚體，直接與編碼半胱氨酸蛋白酶的CP1基因的啟動子結(jié)合。如果抑制OsAIP1/2 的表達會導(dǎo)致CP1的表達下調(diào)，并導(dǎo)致水稻不育，這與直接抑制OsCP1的表達是高度一致的。這些結(jié)果揭示了“OsAPI5-OsAIP1/2-OsCP1”調(diào)控水稻絨氈層退化的途徑，這一過程在真核生物中可能是保守的[25]。

2.6 花粉粒壁合成的基因調(diào)控

在減數(shù)分裂完成后，絨氈層降解的同時還伴隨著花粉粒壁的合成?；ǚ哿１诜譃榛ǚ哿Ｍ獗诤蛢?nèi)壁，外壁又分為花粉粒外壁外層和外壁內(nèi)層，外壁外層又分為柱狀層、覆蓋層和含油層?；ǚ哿?nèi)壁的合成主要是小孢子合成，外壁則是依靠絨氈層通過烏氏體釋放的孢粉素組成。

2.6.1 花粉粒內(nèi)壁合成的基因調(diào)控 花粉粒內(nèi)壁的形成主要與糖類物質(zhì)有關(guān)，即與細胞器高爾基體有關(guān)，GLYCOSYL TRANSFERASE1（OsGT1）編碼一個糖基化轉(zhuǎn)移酶。OsGT1 定位在高爾基體，對花粉內(nèi)壁的形成和花粉成熟是必要的[26]。ARABINOKINASE-LIKE PROTEIN（CAP1）含有996 個氨基酸，其N 端一半是糖基轉(zhuǎn)移酶家族結(jié)構(gòu)域，而C 端含有GB 和GHMP 結(jié)構(gòu)域，GHMP 參與ATP 的結(jié)合。CAP1 與擬南芥中的催化L-arabinose（L-阿拉伯糖）轉(zhuǎn)變成L-arabinose 1-phosphate（L-阿拉伯糖1-磷酸鹽）的L-arabino kinase（L-阿拉伯糖激酶）蛋白非常相似，可控制花粉內(nèi)壁的合成[27]。

2.6.2 花粉粒外壁（Exine）合成的基因調(diào)控 花粉粒外壁的合成主要依靠絨氈層的孢粉素，孢粉素的合成主要包括三大類代謝物質(zhì)：脂類代謝、酚類代謝和多糖類代謝。花粉粒外壁外層的脂類代謝主要與細胞色素P450 兩大基因家族CYP703As 和CYP704Bs 有關(guān)，如細胞色素P450 基因家族成員CYP704B2 催化脂肪酸的ω-羥基化，是水稻花藥角質(zhì)生物合成和花粉外壁形成所必需。水稻雄性不育突變體cyp704B2 能夠?qū)е骆咦芋w絨氈層膨脹，花粉粒由于沒有形成外壁以及花藥角質(zhì)層發(fā)育不完全而導(dǎo)致不育，另外，突變體花藥中很難檢測到角質(zhì)單體。CYP703A3 是一種鏈式羥化酶，通過作用于特異底物月桂酸，產(chǎn)生七羥基月桂酸。TDR 直接調(diào)控CYP703A3 的表達，對水稻花藥表皮角質(zhì)層和花粉外壁的發(fā)育起關(guān)鍵作用[28]。同時Defective Pollen Wall（DPW；MS2）和PERSISTENT TAPETAL CELL1（PTC1；MS1）也控制著花粉粒外壁外層的脂類代謝，DPW 蛋白酶可以以脂肪?；d體蛋白為底物，將C16 脂肪酸還原為其相應(yīng)的脂肪醇，其與脂肪?；d體蛋白為底物的親和力是以C16：0 乙酰輔酶A 為底物的270 倍以上。DPW 蛋白以其N端運輸肽的介導(dǎo)作用，定位于質(zhì)體中。另外，水稻DPW 基因可以互補擬南芥突變體ms2 花粉不育表型，與擬南芥MS2 是直系同源的。這表明DPW 在參與雙子葉和單子葉中花藥角質(zhì)層和花粉外壁孢粉素所需脂肪醇的合成中具有保守性[29]。

花粉粒外壁外層的酚類代謝主要與TETRAKETIDE ALPHA-PYRONE REDUCTASE 1/2（TKPR1/2）有關(guān)，編碼DIHYDROFLAVONOL 4-REDUCTASELIKE1（DRL1），與水稻OsDFR2 是同源基因，主要負責(zé)酚類物質(zhì)的代謝，當(dāng)OsDFR2 單堿基缺失會導(dǎo)致移碼突變，引起水稻可遺傳雄性不育，花粉細胞壁缺陷。TDR 可以調(diào)控TKPR1/2 的表達[30]?；ǚ哿Ｍ獗谕鈱拥姆宇惔x主要與UDP-ARABINOPYRANOSE MUTASE 3（UAM3）有關(guān)，UDP-L-ARABINOSE MUTASE 參與細胞壁非纖維素多糖的生物合成，催化UDP-L-ARABINOSE（UDP-Arap）和UDP-L-ARABINOFURANOSE（UDP-Araf）的相互轉(zhuǎn)化，優(yōu)先催化UDP-Araf 生成UDP-Arap[31]。

2.7 花藥開裂基因調(diào)控

花藥開裂主要涉及FT-INTERACTING PROTEIN 7（OsFTIP7）-KNOX FAMILY CLASS 1 HOMEOBOX GENE OF RICE（OsH1）-YUCCA-LIKE GENE 4（OsYUCCA4）路徑，OsYUCCA4 能與同源盒轉(zhuǎn)錄因子OsH1 互作并調(diào)控OsH1 的質(zhì)核穿梭（從細胞質(zhì)運輸?shù)郊毎耍?，OsH1 入核后作為轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到生長素合成關(guān)鍵基因OsYUCCA4 的啟動子區(qū)域，直接抑制OsYUCCA4 的轉(zhuǎn)錄表達，從而下調(diào)生長素的水平，促進花藥開裂，最終控制水稻的育性[32]。

3 小麥花藥發(fā)育基因調(diào)控的研究

3.1 Ms1-Ms5 對小麥花藥發(fā)育的調(diào)控

與水稻和擬南芥相比，小麥中關(guān)于花藥發(fā)育性狀的研究起步較晚。迄今為止，已鑒定的雄性不育基因主要有Ms1-Ms5，其中，Ms1 和Ms5 為隱性基因[33-35]，Ms2、Ms3 和Ms4 為顯性基因[36-37]。通過MutMap方法克隆的Ms1，是禾本科中新進化的基因，僅在異源六倍體小麥的B 基因組中表達，在A 和D 基因組中沉默，其通過調(diào)節(jié)花藥減數(shù)分裂后的發(fā)育影響育性[38-39]。利用CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)將小麥Ms1 基因進行敲除后，可以獲得T0純合的雄性不育小麥[40]。目前，已經(jīng)被證明Ms1 在小麥雄蕊發(fā)育中主要負責(zé)脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運[41]。通過圖位克隆方法克隆的Ms2 是小麥族中的一個孤兒基因，僅D 基因組拷貝在減數(shù)分裂時期的花藥組織中表達，其余2 個拷貝在進化過程中發(fā)生假基因化，將其轉(zhuǎn)化小麥、大麥和短柄草后，發(fā)現(xiàn)該基因通過中間層細胞的提前降解引起花粉不育[37，42]。

3.2 MS26/CYP704B 對小麥花藥發(fā)育的調(diào)控

在受精植物生命周期中，花藥和花粉發(fā)育是一個重要的方面。促進花藥和花粉發(fā)育的基因在許多植物物種中得到了廣泛的研究。MS26/CYP704B 基因通過孢粉蛋白的生物合成在花粉發(fā)育中起著重要的作用。為了研究MS26/CYP704B 基因在面包小麥花藥和花粉發(fā)育中的作用，分析了推測的MS26/CYP704B 基因的A、B 和D 同源基因的突變。任何同源物中的雙純合子-單純合突變體都不影響花粉發(fā)育和雄性育性，但雜合突變體是雄性不育的。2 個異源MS26/CYP704B基因當(dāng)轉(zhuǎn)化為三重純合突變背景時，完全恢復(fù)了雄性的育性，對MS26/CYP704B的功能分析進一步了解了雄性育性基因，可用于開發(fā)新型雜交種子生產(chǎn)[43]。

3.3 MIR159 裂 解GAMYB1 和GAMYB2 對小麥花藥發(fā)育的調(diào)控

WANG 等[44]研究了MIR159對其靶向GAMYB的調(diào)控作用及其與小麥發(fā)育的關(guān)系，用5-RACE 和瞬時表達系統(tǒng)證明了GAMYB1 和GAMYB2 的裂解是由miR159引導(dǎo)的；在轉(zhuǎn)基因水稻中過度表達了TamiR159、TaGAMYB1和mTaGAMYB1（miR159結(jié)合位點受損），發(fā)現(xiàn)由小麥前體衍生的成熟miR159在水稻中的積累導(dǎo)致抽穗延遲和雄性不育。

3.4 bZIP 家族和RAFTIM 對小麥花藥發(fā)育的調(diào)控

從小麥基因組中鑒定出187 個bZIP家族基因，其中，11 個TabZIP基因主要在花藥中表達[45]。RAFTIM是禾本科植物中特有的基因，且特異地在花藥中表達，對花粉后期發(fā)育起至關(guān)重要的作用[46]。通過熒光定量PCR 檢測，發(fā)現(xiàn)ATP 合酶α 亞基基因在不育及可育條件下花藥中的轉(zhuǎn)錄本含量與BNS 育性轉(zhuǎn)換正相關(guān)。利用小麥的基因組數(shù)據(jù)，通過序列同源性比較分析，發(fā)現(xiàn)了DLF1在小麥中的正源基因Ta-DLF1（CK206464），但小麥類DLF基因是否參與調(diào)控花藥的發(fā)育還有待進一步研究[47]。由此可見，與擬南芥、水稻相比，小麥對于花藥發(fā)育性狀相關(guān)基因的分離及其決定花粉粒育性的分子路徑和作用機理研究尚處于剛剛起步階段。

4 展望

對花藥發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解可有效促進雄性不育系的創(chuàng)制。雄性不育是利用雜種優(yōu)勢的基礎(chǔ)，是提高作物產(chǎn)量最重要的因素。近些年來，水稻各個不育基因及擬南芥在水稻里的同源基因在各關(guān)鍵時期發(fā)揮的功能有所研究，并構(gòu)成相對保守的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。即雄蕊原基發(fā)育中的關(guān)鍵因子MADS3和MADS58可以調(diào)控造胞細胞分裂因子MSP1，OsTDL1A又可以與MSP1的LRR 結(jié)構(gòu)域結(jié)合，限制孢子母細胞數(shù)目，MSP1可以調(diào)控DTM1來調(diào)控減數(shù)分裂和絨氈層發(fā)育，在減數(shù)分裂中DTM1通過影響PAIR1等基因去影響減數(shù)分裂，DTM1還會影響UDT1來控制絨氈層的發(fā)育，UDT1進一步地通過TIP2影響絨氈層的降解，TIP2和TIP3通過與TDR相互作用，來調(diào)節(jié)EAT1的表達，EAT1控制AP37和AP25天冬氨酸的表達，來調(diào)控絨氈層的降解。PTC1/OsMS1又可以通過TIP2來控制TDR的表達，但TDR可以通過Myb80控制PTC1/OsMS1脂質(zhì)合成來調(diào)節(jié)絨氈層的降解。TDR還可以直接調(diào)控OsCP1、OsC6、ADF來控制絨氈層的表達?？傊ㄟ^綜述花藥發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中各基因的功能，有助于植物花藥發(fā)育的研究，并為創(chuàng)制小麥不育材料、利用雜種優(yōu)勢提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。