果 树 学 报 2003,20(1):59-63
Joumal of Fruit Science
梨配子体型自交不亲和性及其分子机理
徐义流 张绍铃
(南京农业大学园艺学院,江苏南京 2l0095)
摘 要 综述了梨(帅 )配子体型自交不亲和性机理研究 的一些进展 ,主要包括梨 自交不亲和性的
现 ,雌蕊 自交
不亲和基因(S基因)的表达特性 与克隆,S基因蛋 白产物(S糖蛋 白)的分离 、特性鉴定 ,S糖蛋白的晶体结构与功能 ,
梨 S基因型的确定等方面的研究成果,并提出了梨 自交不亲和性研究中尚待阐明的问题。
关键 词 梨 ;自交不 亲和性 ;S基 因 ;S糖 蛋 白;分 子机理
中图分类号:S661.2 文献
码 :A 文章编号:1009-9980-(2003)-01-059-05
Characteri:zation and M olecular M echanism of Gametophytic Self..
incompatibility in Pears
Xu Yiliu and Zhang Shading‘
(College ofHorticulture,NanjingAgricultural Univers ,Nanjing,Jia~ u210095China)
Abstract In this review,recent advances in mechanism of gametophytic self-incompatibility in Pears,including expression
ofself-incompatibility,specific expression and cloning of serf-incompatibility genes (S-gene),purification and characteri-·
zafion of the~tylal protein(S-glycoproteinlI of S-gene,crystallization and function of S-glycoprotein,estimation of S-geno-·
type are summarized.Some research trends for future work ale suggested.
Key W ords Pe al ;Self-incompatibility;S-gene;S-glycoprotein;Molecular mechanism
显花植物的自交不亲和性(Self-incompatibility,
sU,是促进异交 、防止近亲繁殖和保持遗传变异的
一 种特性 ,在植物界普遍存在 ,涉及 70个科、250个
属【”。按形态学和遗传学的分类方法 ,植物的 SI被分
为 同 形 性 SI (Homomorphic sI) 和 异 形 性 SI
(Heteromorphic SI)两大类型。同形性 SI又分为孢子
体型(Sporophytic)、配子体型(Gametophytic)和孢子
体型一配子体型 SI(Sporophytic—Gametophytic SI)[2-31。
蔷薇科、茄科植物等的 SI属于配子体型 SI类型。
梨是世界及我国主栽果树种之一 ,其种类和品
种繁多 ,但在数以千计的品种 中,能够 白花授粉结
实的品种却屈指可数 ,绝大多数品种 白花授粉不能
结实 ,在生产上必须配置授粉树及花期辅助授粉 ,
才能完成受精和结实 ,不仅费时费力 ,也常因品种
搭配不当或辅助授粉不及时以及气象条件等原 因
而使产量、质量受到影响。为此 ,从 20世纪 30年代
起 ,国际上就有许多学者开展 了自花 、异花授粉生
物学、自交不亲和的细胞形态学、生理生化学及 自交
亲和品种的选育等 方面的研究工作 ,尤其是最近
的20余年,随着分子生物学的发展及研究的深入 ,
梨 S1分子机理研究取得了许多突破性进展,极大地
丰富了配子体型 SI机理的学术理论[7-91,也为通过调
控 自交不亲和基因表达水平等途径来培育自交亲和
性品种奠定了理论基础。本文着重介绍在梨雌蕊自
交不亲和基因(Self-incompatibility gene,S—gene,简
称 S基因)的表达特性 ,S基因蛋白产物的分离、特
性鉴定及其晶体结构与生理功能 ,.s基 因的克隆等
方面的一些研究成果,试图为促进我国果树 SI机理
研究工作的开展提供参考。
l 梨 SI的表现
虽然梨品种田间白花授粉结实率很低 ,但品种
间有一定差异。早在 1935年 日本学者就在不同地区
进行人工 白花授粉实验 ,结果表明晚三吉的白花授
收稿 日期:2002—06—28 接受 日期:2002.一10--08
基金项 目:国家 自然科学基金(30170651,30270926)、江苏省自然科学基金(BK2001062)及高校博士学科点专项科研基金资助项 目
(20010307012)。
徐义流 ,男,副研究员,在职博士生。
通讯作者。Authorfor correspondence.
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果 树 学 报 20卷
粉 结实率 为 15.2%,二 十世 纪为 8.3%,独逸 为
4.6%,青龙为 4.0%,明月为 3.7%,巴梨为 3.4%,幸
水为 0.8%等。近年 ,我国学者也开展了许多 田间 自
花授粉实验 ,获得了类似的结果【‘Ol。由于梨树花期
短 ,田间人工授粉工作量大,因而许多品种 自花授
粉结实率还不清楚 ,为此 ,张绍铃等『l‘1用花柱培养
法,对 52个梨品种的 SI进行
的结果表明,梨树
不仅 自花授粉不结实 ,而且还存在品种间异花授粉
不结实的现象 ,如二 十世纪X菊水 、幸水X爱甘水等
均表现品种间异花授粉不能结实。
对梨 SI形态学特征的观察表明,自花授粉时花
粉虽能在柱头上萌发并穿过柱头 ,但在沿花柱向子
房生长过程中受到抑制而停长 ,不能完成受精结
实 ,表现出典型的配子体型 SI。花柱内花粉管生长
的特性不仅 自花与异花授粉之间有差异,而且 自花
花粉管在花柱内生长的程度及停长的位置也 因品
种表现出不同的特性 ,同时还与花蕾 的发育阶段有
关。Hiratsuka等【‘21用半离体培养授粉花柱的实验结
果表明,成熟花柱中异花花粉管的生长速率显著高
于 自花花粉管,而在幼蕾花柱中没有这种差异。进
一 步在授粉后的不同时间内,用 FAA固定花柱 ,然
后用荧光显微镜观察的结果显示 ,自花花粉管在授
粉后的 1.5~2 d内停止生长,并表现出花粉管先端
膨大 ,形态异 ”1。张绍铃 “1将 自花授粉后的花柱
按整个花柱(子房以上)、全长的 1/3、1/2进行离体
培养,发现不同品种花柱内花粉管停止生长的位置
各不相同,有在花柱上部、中部 ,也有在花柱下部停
止伸长。在 52个供试品种中,有花粉管从花柱基部
(切 口)穿出的花柱的比率从 0-47%不等。新雪、山
梨、自交亲和性突变品种奥嘎二十世纪花粉管生长
良好 ;晚三吉、菊水、二十世纪及喜水居中;而新水、
丰水及幸水的花粉管生长最差。将花柱切成全长的
1/3、1/2时,有花粉管穿出的花柱的比率得到提高 ,
因品种表现出以下不同的特征:1)花柱切短后花粉
管生长相应变好 ;2)虽然花柱切短后花粉管生长变
好 ,但 1/3与 1/2花柱之间没有区别 ;3)切短后花
粉管生长没有变化。这些结果表明,在不同的品种
中花粉管生长受到的抑制发生在花柱的不同部位 。
这种梨 品种 自花花粉管生长在花柱 内停止位置的
差异可能是 自交不亲和基因时空表达的差异所造
成 的。
2 梨 自交不亲和基因表达特性
2.1 自交不亲和基因表达的品种间差异
Sassa等【‘4】研究表明,日本梨 自交不亲和基因表
达的蛋白产物一S糖蛋 白主要分布于成熟花柱中,子
房中有微量存在 ,而在叶片、花粉或萌发的花粉中没
有检测到。进一步从花柱中提取可溶性蛋白,进行等
电聚焦电泳(IEF—PAGE)及 SDS—PAG电泳[71的结果
表明,各品种花柱内的一对 5等位基因均能表达特
异性蛋白质。通过图象解析显示,5基因表达的 S糖
蛋白品种间存在明显差异 ,根据花柱内每 1 g可溶
性蛋白质 中含有 S糖蛋白的量 ,张绍铃等【‘51将 自交
不亲和品种的自交不亲和强度分为强(≥1.3 ng)、中
(0.7~0.9 ng)和弱 (≤0.7 ng)三大类型 ,指出花柱内
总 S糖蛋白的含量与品种 自交不亲和强度显著地正
相关 (r=0.906,n=20),花柱内 S糖蛋白的含量可作
为鉴定品种 自交不亲和强度的指标。由此可见,引起
品种间自交不亲和强度差异的一个主要原因就是花
柱内5基因表达的总 5糖蛋白的含量不同。研究还
表明同一 5基因所表达的 S糖蛋白在不同品种中的
含量也不同,例如同为 5 基因表达的 S 糖蛋白,在
每 1 g花柱可溶性蛋白中的含有量奥嘎二十世纪
为 0.29 ng,而独逸为 0.51 ng,这种现象可能是梨品
种花柱内存在着调控 S基因表达水平的修饰基因所
引起 的。
2.2 不 同 基 因表达水平的差异
不同5基因所表达的 S糖蛋 白的量也有差异。
张绍铃等『l51对 目前已明确 的 梨品种 的7个 5基 因
(5 ~5 基因)所表达的 S糖蛋白进行定量的结果表
明,不同5基因表达水平有显著差异,并明确了7种
S糖蛋白量多少的顺序为 S3>Sl>S5>S4>S6>S2>S4sM>S7。
一 般地说含有 5。、5 和5 基因的品种花柱内总 S糖
蛋白的含量较高,自交不亲和强度强 ;而含 5 、&基
因的品种花柱内总 S糖蛋白的含量较低 ,自交不亲
和强度弱 。
2.3 不同发育阶段的花柱内 基因表达差异
花柱中5基因是随花蕾 (花柱)发育逐步表达
的,在 自交不亲和品种二十世纪的花柱中 S 糖蛋白
在花前 8 d被检出,并持续合成到花后 2 d,在这前
后 10d中含量增加了 4.7倍 ;而在其自交亲和的突
变品种奥嘎二十世纪中,花前 6 d花柱内没有发现
S 糖蛋白,其后随花的发育才有 S 糖蛋 白的合成并
逐步增加 ,花后 2 d的 S 糖蛋白水平相当于二十世
纪花前 4 d的水平【‘61。Zhang等【‘刀分析不同发育阶段
的花柱 S糖蛋白含量时发现 ,随着花柱发育成熟,花
柱内总 S糖蛋白浓度逐渐增加 ,但增加的速度随品
种而异。在自交不亲和强度强的品种幸水中增加的
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1期 徐义流等 :梨配子体型白交不亲和性及其分子机理 61
速度明显比自交不亲和强度中等的品种菊水快,而
自交不亲和强度弱 (或称为 自交亲和)的品种奥嘎
二十世纪增加最慢。
3 梨 自交不亲和基 因蛋 白产物的分
离及特性鉴定
3.1 自交不 亲和基因蛋 白产 物的分离
梨 SI受控于具有两个等位基因的一个遗传位
点 ,通常称为 S位点(S locus)[2]。因此 ,要准确地理解
梨 SI的分子机理,就必须弄清这些基因的表达特性
与产物的功能。根据 SI的遗传、生理特性 ,要分离 |s
基因产物 ,就要首先找到与特定 |s基因在遗传上共
分离的雌蕊或花粉蛋白。比如 ,要分离 |s,基因的蛋
白产物 ,就必须找到所有含有 |s,基 因的植株上才
有 、所有 不含 |s,基因 的植 株上 都没有 的蛋 白。
Ishimizu等【。 分别从 14个 13本梨品种的花柱中提取
花柱可溶性蛋白,应用双向凝胶 电泳的方法 ,对这
些可溶性蛋白进行电泳 ,在凝胶印迹图上可以看到
具有明显区别的 S糖蛋白区。比较共有一个 S等位
基因的任何两个品种的蛋白质的位置 ,特别是在分
析了N一端氨基酸序列后 ,可以确定每一个 |s基因所
对应的碱性蛋白。此后 ,有许多学者开展了梨雌蕊
自交不亲和基 因蛋 白产物的分离与特性鉴定的研
究工作 ,由于较难采集大量花柱样品及花柱内 S糖
蛋白含量少等,给研究工作带来了一定困难。2000
年我们应用 CM琼脂糖层析柱和 SP琼脂糖层析柱,
首次成功地分离纯化出了具有核糖核酸酶(RNase)
活性 的 S糖 蛋 白㈣。被提纯的 S糖 蛋 白的纯度及 回
收量因品种而异 ,花柱内 S糖蛋白含量相对高的品
种(新水)被提纯的 S糖蛋白的纯度高(可达 94%),
回收量大,提纯相对容易 ;花柱内 S糖蛋 白含量少
的品种(奥嘎二十世纪 )被提纯的 S糖蛋 白的纯度
低(仅为 87%),回收量小 ,提纯也相对困难(结果 尚
未发表)。
3.2 自交不亲和基因蛋白产物生化特性
在双向凝胶电泳 图谱中,被分离的 7种 S蛋 白
的分子量约为 30~32 KDa,多为碱性的水溶性蛋白,
等电点(pI)为 9.6-10.1。被分离出的 S蛋 白含有糖
基,因此通常又称之为 S糖蛋白。我们对 S糖蛋 白
经等电聚焦电泳后的胶板进行 RNase活性染色 ,以
及以酵母 RNA为基质测定的结果均表明,花柱内 S
糖蛋 白就是 S-RNase,能分解酵母 RNA,比活性约
为 280 U/min·mg proteinf 】。进一步对 SI-S7糖蛋白
氨 基 酸 序 列 分 析 的 结 果 列 于 表 1,它 们 共 有
YFQFTQQY序列 ,具有高度的同源性。
为了分析花柱 S糖蛋 白的特性 ,将从花柱中纯
表 1 日本梨 不 同 S糖 蛋 白 N 端氨 基酸序 列
Table 1 Alignment of N-terminal amino acid sequences of
S-glycoprotein of Japanese pear
s一糖蛋白 端氨 序
. . 报道人与年份
- tem unai am lno ac10
s—gly op 。In sequences c b“ 。 d i 。
YDYFQ~7"QQYxPAVxN Sassa H.et a1.1993
AR YDYFQ~7"QQYQxAF Ishimitsu T.et a1.1996
YDYFQFI'QQYxLAVxN Ishimitsu T,et a1.1996
FDYFQ~7"QQYQPAVxN Sassa H,et a1.1993
YDYFQ~7"QQYQLAVxN Sassa H.et a1.1993
YDYFQ~7"QQYxPAVxN Ishimitsu T,et a1.1996
YDYFQ~7"QQYxPAV Ishimitsu T.et a1.1996
注:序 列 中 x表不 尚未 鉴定 的残基 。
Note:x indicates aIl unidentified residue in the sequence.
化 出的 S糖蛋 白进行 双 向凝 胶 电泳后 ,用 API
(Achyomobacter protease I) 消 化 留 在 PVDF
(Polyvinylidenedifluoride)膜上的蛋 白印迹 ,多肽片
段 通 过 反 相 HPLC (High—performance liquid chro-
matography)被分离 、测序 ,并将其序列与许多真菌
的 RNase的氨基酸序列 比较,结果表明其氨基酸序
列与从真菌中分离出的 RNaseRh及 RNaseT2的序
列相似,具有很高的同源性 ,因而认为梨 S糖蛋白是
RNaseRh家族成员【“】。
3.3 自交不亲和基因产物的晶体结构
为了进一步阐明白交不亲和基因蛋白产物的功
能,最近 Matsuura等【 卅提取长十郎的 S 糖蛋 白,通
过悬滴(hanging-drop)蒸散(vapour-diffusion)的方法
获得平均直径近似于 0.1 mm~0.1 mm~0.03 mm的 S3
糖蛋白的晶体。用一个晶体收集到了 1.5 A分辨率的
X射线的照射数据 ,其空间群 (space group)为 P2。,
晶胞 (unit—cel1)参数 为 a=45.4,b=52.4,C=47.4A,
a=,V=90,13=106.5。。推测 S3糖 蛋 白分子被包 含在一
个不平衡的单位中,马太(Matthews)系数为 2.16A 3/
Da,溶解成分为 43%,属于被发现 的蛋白质晶体的
典型范围。该成果为进一步深入研究 S糖蛋白的结
构与功能的关系和阐明 SI反应的识别位点等奠定
了良好的基础 。
4 花柱 S糖蛋白的作用机理
为了
S糖蛋白就是特异性地抑制 白花花粉
管生长的物质 ,张绍铃等 采用在花粉离体培养中
添加 S糖蛋白的方法 ,研究 了新水 (|s )和长十郎
(|s )白花花粉的萌发和花粉管生长的特性。当花粉
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62 果 树 学 报 20卷
培养基 中 S糖蛋 白浓度较低 (<0.4 g//L)时 ,对花粉
萌芽几乎没有影响,浓度超过 1 g/L时萌芽率急剧
下降,当浓度达到 1.5 g/L时,萌芽率只有 6%。在含
有新水 S糖蛋白的培养基中,长十郎花粉的发芽率
却不随 S糖蛋白浓度的增加而降低。花柱 S糖蛋白
对 白花花粉管生长的抑制与其对 白花花粉萌发的
抑制作用极为相似 ,当培养基 中 S糖蛋白的浓度为
0.4 g/L时,白花花粉管生长受到轻微 的抑制 ,浓度
为 1.25 g/L时花粉管生长受到强烈抑制 ,当浓度达
到 1.5 g/L时 ,花粉管长度只有对照(不含 S糖蛋白
的培养基)的 10%。幸水与新水含有完全相同的一
对 5基因(5 ),它们杂交不亲和 ,因此从幸水花柱
中提取 的 S糖蛋 白能抑制杂交不亲和的新水花粉
管的生长 ,但不抑制杂交亲和的长十郎的花粉管生
长。此外 ,在不同品种中,相同 S糖蛋白浓度对 白花
花粉萌发及花粉管生长的抑制强度不同。向培养基
中加入不含 S糖 蛋 白的花柱 可溶性蛋 白或失去
RNase活性的 S糖蛋白,对上述的花粉和花粉管生
长没有抑制作用(结果尚未发表)。最近 ,我们用从
自交亲和突变品种花柱中分离纯化出的 S4s 糖蛋 白
添加于花粉离体培养基中的试验结果表明,它也能
特异地抑制 S 和 S4sM花粉的萌发和生长 ,同样具有
S糖蛋 白的基本功能【 ”。
上述有关梨花柱 S糖蛋 白的 RNase活性 、氨基
酸序列 以及对花粉管生长抑制作用等的研究结果
都表明,蔷薇科果树花柱 S糖蛋 白的作用机理与茄
科植物的相 ,201。Kao等[221针对茄科植物的 S糖蛋
白作用机理提出了2种模型 ,一种是花粉管进入花
柱后 ,花粉管周围的 S糖蛋白与花粉的 5基因的专
一 受体发生特异性反应,只有与花粉 5基因型相同
的 S糖蛋 白能进入花粉管(不同的被拒绝进入),降
解 花粉 管 的 rRNA和 mRNA。另 一种是 花柱 中的 S
糖蛋白能够 自由进入花粉管,当 S糖蛋白进入带有
不同 S基因的花粉管时 ,其活性受到花粉管中具有
专一性抑制物质的抑制 ,而在具有相同 5基因的花
粉管中不存在这种专一性抑制物质 ,S糖蛋 白降解
花粉管的 RNA,从而抑制花粉管的生长。然而,不论
梨 S糖蛋白作用机理属于哪一种模型 ,花柱中花粉
管周围的 S糖蛋 白只有达到一定浓度时,才能有效
地抑制花粉管的生长[221。
5 梨 自交不亲和基因的克隆
Norioka等[231依据 S糖蛋 白 N端氨基酸序列设
计探针 ,从 日本梨 自交不亲和品种二十世纪及其亲
和突变品种奥嘎二十世纪花柱的 cDNA文库中克隆
了 2种蛋白的基因。在二十世纪中,编码 2种 自交不
亲和 S糖蛋 白(S:和 S 糖 蛋 白)的 cDNA被 从 花柱
cDNA文库中克隆出来,编码 S:、S 糖蛋白的 cDNA
分别包 含 了 678 bp和 684 bp开 放 阅读 框 (Open
readingframes),它们演绎的氨基酸序列是 由信号肽
和成熟 RNase(201~203个残基)组成的。在奥嘎二
十世纪 中,编码 S:糖蛋 白的 cDNA同样被从花柱
cDNA文库中克隆出来。但编码 5 糖蛋白的 cDNA
却没有被 PCR扩增 ,也没有被从文库中克隆出来。
然而 Sassa等[241以奥嘎二十世纪的基因组 DNA为模
板进行的 PCR扩增 ,却找到了微量的 &基因片段,
这个结果与 Zhang等【‘7】用等电聚焦电泳方法从奥嘎
二十世纪花柱可溶性蛋 白中发现微量的 &糖蛋 白
的结果一致。最近我们的研究结果也表明奥嘎二十
世纪仍有 54sM基因存在 ,也具有原始 自交不亲和品
种二十世纪 S 基因的功能 ,只是 基因表达量较
少,且只在柱头上表达【2I】。
6 梨品种 S基因型的确定
梨品种间异花授粉不亲和,是由于它们含有完
全相同的 5基因型的缘故。因此 ,梨品种的5基因型
是田间合理配置授粉品种的重要依据。早在二十世
纪中叶 ,寺见廑 雄等[41应用偏父不亲和性原理及田
间杂交授粉试验 ,鉴定了一些梨品种的 5基因型,但
由于这种方法耗物费时 ,使得梨品种 5基因型的鉴
定工作进展缓慢。迄今,在千余个梨栽培品种中鉴定
出5。一5 的 7个 5基因,仅确定 了不到 40个品种的
5基因型[4.51。近些年,随着分子生物学研究的不断深
入 ,Ishimizu等【 及 Hiratsuka等【‘81应用花柱可溶性蛋
白的等电聚焦电泳及分子标记技术等快速鉴定 5基
因型的方法 ,鉴定了一些品种的5基因型 ,比如赤穗
的 5基 因型为 5。5:、八云为 5。5 、明月为 5t55、今
村秋为 5。5 、长十郎为 5 ,、二十世纪为 5 、新世
纪为 5 、丰水为5 、幸水为 5 、晚三吉为 5,s 等
[4,t51
。 这些方法的综合应用将大大加快梨品种 5基因
型鉴定的进程。
7 结束语
蔷薇科果树 与茄科植物 的 SI机理 目前虽 然
被认为是相似的,但两者在进化中是独立的[251。No—
rioka等[231将梨 的 S糖蛋白与和 自交不亲和无关的
蛋 白(non—S—RNase)进行 比较 ,它们的氨基酸残基
只有 25%相同,这也许是蔷薇科植物 S糖蛋 白的一
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1期 徐义流等:梨配子体型 自交不亲和性及其分子机理
个特点,暗示蔷薇科果树的 SI可能有 自己独有的特
性。至今,有关梨等配子体型 SI机理研究的报道几
乎都是以雌蕊为试材的研究结果 ,很少涉及花粉 ,
而要阐明雌蕊与花粉的识别过程 ,完善配子体 S1分
子机理 ,还必须分离出花粉的 Js基因及其产物。虽
然孢子体型 SI植物花粉 Js基因已被克隆闭,但遗憾
的是到 目前人们还没有分离出配子体型 SI植物花
粉 Js基 因及 其表达 的产 物。应用染 色体行走 法
(Chromosome walking)、以蛋 白质为基础的 cDNA分
离法或异源转座子标记法 (Heterologous transposon
tagging)也许有助于分离和克隆花粉 Js基因。
植物 自交不亲和机制是一个从物质一信号一基
因一物质的循环系统 ,因此在克隆 Js基因和分离提
纯 Js基因产物的基础上 ,还必须开展 自交不亲和反
应中信号转导系统的研究。已有的研究表明,Ca2+在
植物 自交不亲和反应中表现活跃[271,除了 Ca 以外 ,
一 定还有其它物质参与 了自交不亲和反应的信号
转导[281,这也是一个值得深入研究的领域。
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