[发明专利]一种花药发育控制基因及其在拟南芥雄性不育中的应用

说明书

技术领域

本发明属植物生物技术领域，特别是涉及一种调控植物花药发育从而调节育性的基因、编码蛋白及其应用。

背景技术

植物的有性生殖不仅是植物繁殖的主要途径，也是植物进化及对环境适应的基础之一。花药是植物的雄性生殖器官，是花粉发育的场所。花药及花粉的发育是植物基因功能研究的一个重要研究方向。花药及花粉发育异常会引起花药不能产生正常功能的雄配子从而导致雄性不育，雄性不育是生产上杂交制种的基础。因此对花药及花粉发育的深入研究既有理论研究意义，又有实际应用的价值。

绒毡层位于花药壁四层孢子体细胞的最内层，与配子体直接相连。因此，它在花粉发育过程中起着重要的作用。雄性不育的发生与绒毡层正常的发育途径受干扰有关。在拟南芥中，绒毡层从花药原基的L2细胞层发育而来，到花药发育第5期形成明显的绒毡层结构。在减数分裂期间，绒毡层细胞的细胞质则变得浓密，进行核内有丝分裂，形成双核的、缺少初生壁的极性分泌细胞，其中充满了核糖体、线粒体、内质网、高尔基体等等，显示其代谢高度活跃。在小孢子从四分体释放后，绒毡层进一步特化为海绵状的细胞，且在原生质膜的向药室面上分布着一些分泌小泡，通过细胞内切面释放小孢子发育所需要的蛋白质、脂类及其他营养物质。最后，绒毡层细胞降解，细胞膜破裂，细胞残余与脂体释放到花粉表面成为对花粉粘着和信号识别很重要的花粉包被。

在大多数植物中，成熟的花粉粒有两层细胞壁：花粉内壁和花粉外壁；花粉外壁在保护花粉抵抗环境压迫，细菌侵染以及细胞间识别中有重要作用。外壁的主要成分是孢粉素类物质(sporopollenin)，有较强的抗腐蚀及抗酸碱性能。花粉外壁比其他植物细胞壁都要复杂，分为两层：有蜂窝状的外壁外层(sexine)以及平坦的外壁内层(nexine)，分别有不同的组成模式。花粉外壁的成分主要由绒毡层细胞合成并分泌在药室中，沉着在小孢子表面后形成高度复杂的网状结构。花粉外壁的成分主要由绒毡层细胞合成并分泌在药室中，沉着在小孢子表面后形成高度复杂的网状结构。而花粉内壁则是由小孢子自身纤维素果胶类物质合成，并含有多种蛋白，在花粉萌发，花粉管营养生长，及柱头渗透等过程。但关于其形成机理的研究还不够深入。

花粉外壁的形成可以追述到减数分裂期间，此时小孢子母细胞会在细胞膜外分泌由β-1，3-葡聚糖组成的胼胝质层以取代原有的细胞壁。胼胝质具有将小孢子与花药孢子体细胞隔离、防止细胞融合以及防止小孢子过早发育等作用。此外，胼胝质层作为初生外壁形成的模板在随后的花粉壁发育中有极其关键的作用。初生外壁(primexine)由单倍体小孢子在细胞膜表面形成由多糖类物质组成。其结构决定了随后花粉外壁的结构图案，相当于花粉外壁建设的蓝图。当胼胝质或者初生外壁的合成出现缺陷时，随后的花粉壁形成就会受到影响，从而导致花粉发育缺陷乃至降解。基于许多已知基因的功能分析表明，正常花粉壁的形成需要小孢子及其母细胞负责胼胝质、初生外壁与内壁物质的合成，而绒毡层则负责合成分泌外壁原料和花粉包被。因此这个复杂而有序的过程依赖于小孢子自身与绒毡层功能的协同作用。

拟南芥基因组中，只含有1个AT-HOOK和PPC(plants and prokaryotes conserved)元件的共29个高度同源基因被命名为AHL(AT-hook motif nuclear localized protein)家族。其中AT-HOOK元件具有与染色体核基质附着区相结合的能力，而PPC元件中的疏水区域是必要的核定位信号。目前家族中一些基因功能已被报道。例如：AH L15与AHL25能够通过直接结合赤霉素调节基因AtGA3ox1的启动子中AAAT序列，从而调控赤霉素在的体内平衡。AHL27的过量表达植株出现下胚轴缩短、叶片的晚衰及延长种子的储存时间，而AHL29的过量表达植株表现出相较于野生型更短的下胚轴和更大的花器官及叶片，同样也延长了叶片衰老。暗示了这2个高度同源的基因都参与了光抑制下胚轴生长机制中，可能存在了基因功能冗余现象。同样，AHL22，AHL18，AHL27，AHL29基因四突变体能够导致提前开花的表型。AHL21基因功能更是被证实是能够直接结合染色体的蛋白，并且直接受控于AG基因。AHL21能够直接影响下游多个重要转录因子启动子区域中MAR区域的组蛋白修饰，调控其表达水平，从而影响花器官的形成与分化。从已报道的家族成员功能来看，此家族成员的功能分布于拟南芥许多生命活动中，并且可能直接调控下游许多基因的时空表达，但大部分的家族成员功能仍未被报道。