显花植物自交不亲和性的分子与演化机制.pdf

Hereditas(Beijing)2024 年 1 月,46(1):317 收稿日期:20231201;修回日期:20231229;网络发布日期:20240101 基金项目:国家自然科学基金项目(编号：32200273，32030007)资助Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.32200273,32030007)通讯作者:赵洪，博士，副研究员，研究方向：显花植物自交不亲和性。E-mail: 薛勇彪，博士，研究员，研究方向：显花植物自交不亲和性。E-mail: DOI:10.16288/j.yczz.23-300 特邀综述 薛勇彪研究员主要从事植物分子遗传学领域研究，在植物自交不亲和性、重要基因功能解析和基因组分析等领域做出了重要科学发现，发表 SCI 论文 150 余篇，20202022 年获爱思唯尔生物学中国高被引学者，2007 年获国家自然科学二等奖 2 项，分别为“显花植物自交不亲和性分子机理”和“水稻第四号染色体测序及功能分析”，曾任中国科学院遗传与发育生物学研究所和北京基因组研究所(国家生物信息中心)所长、第十届中国遗传学会理事长、水稻功能基因组 973 项目和中国科学院 A 类先导专项首席科学家，Journal of Genetics and Genomics(JGG)荣誉主编、Plant Reproduction、Plants People Planet(PPP)、Biology Open、H1(F1000)等杂志编委或顾问。显花植物自交不亲和性的分子与演化机制 赵洪，薛勇彪 中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京 100101 摘要:自交不亲和性(self-incompatibility,SI)是雌雄同花植物广泛采取的一种种内促进异交机制，通常由一个多态且复等位的 S 位点控制。目前共发现 6 种不同分子机制的 SI，包括由花柱 S 因子 S-RNase 和花粉 S 因子 SLFs控制且常见于车前科、茄科、蔷薇科和芸香科的 I 类、SRK 和 SCR 控制的十字花科 II 类、PrsS 和 PrpS 控制的罂粟科 III 类、CYP-GLO2-KFB-CCM-PUM 控制的报春花科 IV 类、TsSPH1-TsYUC6-TsBAHD 控制的时钟花科 V类及 HPS10-S 和 DUF247I-S 控制的禾本科 VI 类 SI，其中 I 类 SI 为异己识别体系，而 II、III 和 VI 类均为自己识别系统。此外，近年来对其起源和演化机制研究也取得显著进展。其中，I 类 SI 起源于真双子叶植物的最近共同祖先，IIV 类则为丢失 I 类后分别进化产生的新机制，而单子叶禾本科特有的 VI 类 SI 则可能是在丢失古老 I 类 SI 后演化出的新系统。本文主要总结已报道 SI 的分子和演化机制，以期为显花植物 SI 的理论研究和育种应用提供参考和帮助。关键词:显花植物；自交不亲和性；起源；演化；自交系；杂交育种 Molecular and evolutionary mechanisms of self-incompatibility in angiosperms Hong Zhao,Yongbiao Xue Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China Abstract:As an intraspecific outcrossing mechanism,self-incompatibility(SI)widely adopted by hermaphroditic 4 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 plants is usually controlled by a polymorphic multi-allelic S locus.Typically,six molecular types of SI have been found,including type-I controlled by the pistil S S-RNase and pollen S SLFs commonly spread in Plantaginaceae,Solanaceae,Rosaceae and Rutaceae,type-II by SRK and SCR in Brassicaceae,type-III by PrsS and PrpS in Papaveraceae,type-IV by CYP-GLO2-KFB-CCM-PUM in Primulaceae,type-V by TsSPH1-TsYUC6-TsBAHD in Turneraceae and type-VI by HPS10-S and DUF247I-S in Poaceae,with type-I characterized as a non-self recognition system but types-II,-III and-VI self ones.Furthermore,remarkable progresses have been made in their origin and evolutionary mechanisms recently.Among them,type-I SI possessed a single origin in the most recent common ancestor of eudicots and types II-V dynamically evolved following its losses,while type-VI SI exclusively existed in monocot Poaceae may be regained after the loss of the ancient type-I.Here,we mainly review the molecular and evolutionary mechanisms of angiosperm SI systems,thus providing a helpful reference for their theoretical research and breeding application.Keywords:angiosperms;self-incompatibility;origin;evolution;inbred lines;crossbreeding 被子植物因具有独特的花器官，又称为显花植物。迄今为止，已定名的被子植物约有 30 万种，是植物界最大的类群，其花器官形态亦是纷繁多姿。花是被子植物繁衍生息的重要器官，是传粉受精的重要载体。与动物相似，植物也有性别之分。然而，除了少部分表现为雌雄异株、雌雄异花同株等外，约 85%的被子植物表现为雌雄同花，即雌蕊和雄蕊着生在同一朵花中，从而显著增加了自花授粉及近交衰退的可能性。于是，被子植物在快速崛起建立陆地植物霸主地位的过程中，进化出了多种自交限制 策 略，其 中 最 为 常 见 的 便 是 自 交 不 亲 和 性(self-incompatibility,SI)。超过 40%的显花植物所具有的 SI 是指正常可育的雌雄同花植物自交授粉后不能产生合子的现象与机制1。作为一种严格的种内生殖障碍，SI 可有效抑制自交并促进异交，对于种群遗传多样性的维持和适应生存至关重要。尽管 SI对自交花粉的作用大体表现为限制花粉在柱头上的萌发或花粉管在雌蕊中的生长，但实现这一过程的具体机制却不尽相同。在真双子叶植物中，SI 通常由单一多态且复等位的 S 位点或基因座控制，而单子叶禾本科 SI 则由多态、复等位且独立遗传的 S 和 Z 双位点控制。在控制 SI 的基因座中，通常包含两类基因，分别为决定花柱识别特异性的花柱 S 或 Z 基因和决定花粉识别特异性的花粉 S 或Z 基因，二者紧密连锁构成的独立遗传单元称为 S或 Z 单倍体型29。以 S 位点为例，来自相同 S 单倍体型的花柱和花粉 S 因子的识别称为自己识别，反之为异己识别，二者可分别导致自交不亲和反应(self-pollen incompatibility,SPI)与 异交 亲 和 反 应(cross-pollen compatibility,CPC)。根据花的形态是否存在差异，SI 分为同型自交不亲和性(homomorphic SI)和异型自交不亲和性(heteromorphic SI)。异型 SI主要指花柱异长(heterostyly)，包括二型花柱和三型花柱两种类型，存在于报春花科、时钟花科等 28 个科中，主要通过雌雄蕊的形态差异来抑制自交和促进异交(图 1)。与之相比，同型 SI 分布十分广泛，该类型又分为配子体自交不亲和性(gametophytic SI,GSI)和孢子体自交不亲和性(sporophytic SI,SSI)。GSI 常见于 1725 个科中，其花粉自交不亲和表型由花粉自身的 S 或 Z 单倍体型决定；而 SSI 仅存在于十字花科、菊科、旋花科、桦木科、石竹科等，其花粉自交不亲和表型由产生花粉的亲本 S 基因型决定10。根据分子机制的不同，已发现的 SI 主要分为 6种类型11，包括由花柱和花粉 S 因子 S-RNase(S-ribonuclease)和 SLF(S-locus F-box)控制的配子体I 类 SI，常见于车前科、茄科、蔷薇科和芸香科1217；由 SRK(S receptor kinase)和 SP11(S-locus protein 11)/SCR(S-locus cysteine-rich)控制的十字花科的孢子体 II 类18,19；PrsS(Papaver rhoeas stigma S,PrsS)和 PrpS(Papaver rhoeas pollen S)控制的罂粟科的配子体 III 类20,21；CYP(Cytochrome P450)、GLO2(GLOBOSA2)、KFB(Kelch repeat F-box)、CCM(Conserved cysteine motif)和 PUM(Pumilio-like 第1期 赵洪等:显花植物自交不亲和性的分子与演化机制 5 图 1 显花植物自交不亲和性的遗传控制与分类 Fig.1 Genetic control and classification of angiosperm SI RNA-binding protein)控制的报春花科异型花柱 IV类22；TsSPH1(Turnera subulata SPH1)、TsYUC6 和TsBAHD 控制 的 时 钟 花 科 异 型 花 柱 V 类23；HPS10-S/Z 和 DUF247I/II-S/Z 控制的禾本科配子体 VI 类 SI2429。本文将主要总结近年来已报道SI 的分子和演化机制，以期为显花植物 SI 的理论研究和育种应用提供参考和帮助。1 真双子叶植物自交不亲和性的分子与演化机制 1.1 I 类自交不亲和性的分子机制 I 类 S 位点通常包含 1 个花柱特异表达的S-RNase 和 937 个花粉特异表达的 SLFs。作为一类T2 核酸酶，花柱 S 因子 S-RNase 不仅可以降解自己花 粉 管 的 核 糖 体 RNA，还 可 通 过 形 成 SRCs(S-RNase condensates)、破坏花粉管细胞骨架的动态 平衡、调节花粉管尖端的钙离子流等抑制自交花粉管生长3035。成熟的 S-RNase 通常具有一或多个糖基化修饰36。当自交和异交授粉后，在花柱道传输组 织 细 胞 特 异 表 达 进 而 分 泌 至 细 胞 外 基 质(extracellular matrix,ECM)的 S-RNase 尽管可以同时转运至自己和异己花粉管，但是仅在自交花粉管中发挥细胞毒性13。S-RNase 对自己花粉管的毒性作用通常存在阈值效应，当其在花粉管中的积累量大于或等于阈值时才具有拒绝自己花粉的能力37。Liu等38发现 S-RNase 的细胞毒阈值与其糖链数目成正相关，但其具体机制尚无报道。此外，S-RNase 的活性还与自身的氧化还原状态有关，如 NaTrxh(Nicotiana alata thioredoxin type h)通 过 减 弱S-RNase 中特定半胱氨酸位点间的二硫键作用来增强其核酸酶活性，进而特异调控自交不亲和反应39。作为一种 F-box 蛋白，I 类花粉 S 因子 SLF 的 C 端通常具有典型的 FBA(F-box associated)/FBK(F-box associated kelch repreat)结 构 域，且 可 与 SSK1 6 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 (SLF-interacting skp1-like)和 Cullin1 结合形成 SCF(SKP1-CUL1-F-box)复合体发挥功能4,4044。SLF 的遗传学验证主要基于竞争性相互作用(competitive interaction)的原理45,46，即四倍体植株产生的杂合二倍体花粉可以打破 SI 的现象。在蔷薇科中，苹果亚科 SLF 被命名为 SFBB(S-locus F-box brothers)47，而李亚科则包含 SLF 同源基因 SLFL(SLF-like)和其特有F-box基因SFB(S-haplotype specific F-box)两种类型48。Zhao 等11发现蔷薇科的 SLFL、SFBB、SFB转基因与其他物种的 SLF 一样均可基于竞争性相互作用打破杂交矮牵牛(Petunia hybrida)的 SI，从而证明其功能相似。I 类 SI 属于异己识别系统，尽管 SLF 可与自己和异己 S-RNase 互作，但与后者的相互作用更强40,49,50。在茄科和车前科中，S-RNase 通常含有C1C5 五个保守区和 Hva 与 Hvb 两个高变区51。Li等52发现仅包含高变区的 S-RNase 即可与 SLF 的 C端互作。当把杂交矮牵牛 S3LSLF1 和 S3SLF1 中受到正选择且存在带电性差异的 293 位氨基酸位点相互替换后，其 S 单倍体型特异性也在一定程度上被改变，于是提出了 S-RNase 与 SLF 的“静电势识别模型”。其中，异己 SLF 与 S-RNase 的互作区由于带有相反静电势而相互吸引，促使 SLF 与 SSK1 和 Cullin1 结合形成正常的 SCF 复合体，而自己 SLF 与 S-RNase的互作区由于静电势相同而相互排斥，导致 SLF 无法进一步形成 SCF 复合体发挥 E3 泛素连接酶功能。此外，Kubo 等50基于膨大矮牵牛(P.inflata)的转基因及互作检测，提出了“协同异己识别模型”，即每个 SLF 可以特异识别一个或多个来自其他 S-单倍体型的 S-RNase，而同一 S 位点编码的所有 SLF 可协同识别除自己 S-RNase 以外的所有异己 S-RNase，由此也可以解释序列多态性较低的 SLF 如何识别多态性较高的 S-RNase。SLF 对 S-RNase 的异己识别主要通过解除其细胞毒性产生异交亲和反应。关于异交花粉管中 S-RNase 的解毒机制，目前最为认可的是“S-RNase 降解模型”40,53,54。其中，识别为异己的 S-RNase 可被 SCFSLF复合体在多个区域进行K48 类型的多聚泛素化修饰，进而导向 26S 蛋白酶体降解以解除其细胞毒性，而识别为自己的 S-RNase由于不能被有功能的 SCFSLF泛素化并导向降解途径，因而稳定存在于自交花粉管并对其造成生长抑制(图 2)。1.2 II 类自交不亲和性的分子机制 II 类 S 位点编码一个花柱乳突细胞特异表达的花柱 S 因子 SRK 和一个花药绒毡层细胞特异表达的花粉 S 因子 SP11/SCR18,19。作为一类受体激酶，SRK包含三个结构域：细胞外 S(S-locus)结构域、单次跨膜结构域和丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶催化结构域，其中胞外结构域又存在四个高变区。SP11/SCR 的多态性高于 SRK，除 N 端信号肽外，一般仅包含 8 个保守的半胱氨酸残基。II 类 SI 属于自己识别系统。当自交授粉后，分泌至花粉外壳的 SCR 可与自己eSRK(ectodomain SRK)特异识别，促使 SRK 同源二聚化及自磷酸化55,56。Ma 等57通过晶体结构解析，揭示 eSRK9可与 SCR9以 2:2 的分子构成形成一个“A”型异源四聚体，且每个 SCR 分子可同时与两个 eSRK9单体的高变区互作，而两个 SCR 之间没有相互作用。Murase 等58发现 SRK 与自己 SCR 互作所形成复合体的结合自由能最稳定，并且来自相同或不同亚族的 eSRK 与 SCR 的互作模式不同。II 类自交不亲和反应的发生依赖于一系列磷酸化级联反应，被 SCR 配体结合并自磷酸化激活的 SRK 可磷酸化另一个花柱乳突细胞膜锚定的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 MLPK(M-locus protein kinase)，二者进一步磷酸化激活 E3 泛素连接酶 ARC1(ARM-repeat containing 1)并促使 Exo70A1、GLO1(glyoxalase 1)、PLD1(phospholipase D alpha 1)等多个花粉萌发促进因子被泛素化降解5966。其中，泡外复合体亚基Exo70A1 可以通过介导囊泡转运促进花粉的吸水萌发及花粉管的生长63，乙二醛酶 GLO1 可以解除甲基乙二醛 MG(methylglyoxal)对 Exo70A1 等的毒性作用64,65，磷脂酶 PLD1 则通过催化磷脂酸 PA(phosphatidic acid)的产生增强乳突细胞的胞吐作用66，但其只在异交花粉管中稳定存在。此外，不亲和授粉后柱头乳突细胞还会发生由 FERONIA 信号介导的活性氧 ROS(reactive oxygen species)升高以及由谷氨酸盐受体样通道蛋白 GLR(glutamate receptor-like channel)介导的钙离子内流67,68，最终导致自交花粉无法萌发及花粉管生长受阻(图 2)。第1期 赵洪等:显花植物自交不亲和性的分子与演化机制 7 图 2 显花植物自交不亲和性的分子机制 Fig.2 Molecular mechanisms of angiosperm SI IVI 类 SI 的分子机制示意图。虚线框中分别指示花粉、花粉管、乳突细胞或花柱中发生的自交不亲和反应(self-pollen incompatibility,SPI)和异交亲和反应(cross-pollen compatibility,CPC)。右侧展示 IVI 类 S 因子。8 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 1.3 III 类自交不亲和性的分子机制 III 类 S 位点编码一个柱头乳突细胞表达的小的分泌型糖蛋白 PrsS 和一个花粉细胞膜定位的跨膜蛋白 PrpS20,21。III 类 SI 属于自己识别系统，其花柱 S因子 PrsS 与花粉 S 因子 PrpS 以配体和受体形式进行自己识别并最终导致花粉或花粉管中的自交不亲和反应。Ca2+和 K+的快速内流是对自己识别响应最早的细胞学事件69，该过程进一步导致无机焦磷酸酶(inorganic pyrophosphotases,sPPases)Pr-26.1a/b和MAPK(mitogen-activated protein kinase)蛋白 p56 的磷酸化、微丝解聚、活性氧 ROS 和一氧化氮(nitric oxide,NO)含量升高等70。其中，异交花粉管中的无机焦磷酸酶 Pr-26.1a/b 可通过水解无机焦磷酸(inorganic pyrophosphate,PPi)促进物质合成与细胞快速生长，而磷酸化导致其在自交花粉管中失活，从而抑制了花粉管尖端的正常生长71。MAPK 是引发细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)的一个关键信号，当 MAPK 蛋白 p56 被磷酸化激活后，可进一步增强花粉中 caspase-3-like 的活性以促进DNA 的片段化72。与之相似，细胞骨架动态平衡被破坏及 ROS 和 NO 含量升高也会激活自交花粉或花粉管中的 caspase-3-like，进一步诱发 DNA 片段化即不可逆 PCD73,74，从而抑制自交传粉(图 2)。1.4 IV 类和 V 类自交不亲和性的分子机制 IV 类和 V 类 SI 均为异型花柱 SI，通常由一个半合子 S 超基因位点控制，其中至少包含 3 个亚单元：控制花柱长度和雌性不亲和性的 G 位点、控制花药位置的 A 位点以及控制花粉大小和雄性不亲和性的 P 位点。以二型花柱为例，当 S 基因型为 Ss 和ss 时，分别表现为短花柱(S-morph/Thrum)和长花柱(L-morph/Pin)75。在报春花科的 IV 类 S 位点中，目前共发现 5 个基因：G 位点基因 CYP734A50，A 位点基因 GLO2，以及未知功能的 KFB、CCM 和PUM22。其中，细胞色素家族成员 CYP734A50 在短花柱中特异表达，通过降解油菜素甾醇(brassi-nosteroids,BRs)来抑制细胞扩张，进而产生短花柱表型76。GLO2 是一类花药特异表达的 MADS-box 转录因子，通过控制管状花冠中花丝着生点处的细胞扩张来控制花药高度77。Huu 等76发现 BR 在长型花柱中十分丰富，而在短型花柱中几乎检测不到，提出长型花柱中丰富的 BR 可分别促进和抑制短花柱花和长花柱花的花粉授精，因此短花柱和长花柱花给长花柱授粉后分别表现为亲和与不亲和；而在短花柱中由于 CYP734A50 促进 BR 降解，因此短花柱和长花柱花给短花柱授粉后分别表现为不亲和与亲和。与报春花科不同，时钟花科的 V 类 S 位点包含 3 个基因：在花药和花丝表达的 TsSPH1 及分别只在花药和花柱表达的 TsYUC6 和 TsBAHD23。其中，具有保守的 BAHD 酰基转移酶活性域的 TsBAHD 与CYP734A50 功能相似，通过抑制 BR 来调控花柱表型及花粉管生长78(图 2)。此外，在同样具有异型花柱 SI的荞麦和亚麻的 S位点中，S 基因类型也不同，例如亚麻 S 超基因位点包含 9 个基因，其中 LtTSS1和 LtWDR-44 在短花柱中特异表达79，但其功能还有待进一步研究。1.5 其他自交不亲和性 菊科(Asteraceae)约包含 30,000 个种，是被子植物的第一大科，其中至少 60%的植物表现为自交不亲和。既不同于 I 类 SI 植物的湿柱头，也不同于 II类 SI 植物的干柱头，菊科植物具有半干花柱80。菊科 SSI 最早报道于 20 世纪 50 年代，随后在灰白银胶菊(Parthenium argentatum)、秋英(Cosmos bipinnatus)、向日葵(Helianthus annuus)、除虫菊(Chrysanthe-mum cinerariifolium)、菊苣(Cichorium intybus)和糙叶千里光(Senecio squalidus)中相继被发现，但其分子机制还不清楚。在菊苣中，Gonthier 等81将 S 位点定位至一个 1.8 cM 的 QTL 区域，然而并未报道其详细基因。在全叶松香草(Silphium integrifolium)中，Price 等82将 S 位点定位于 6 号连锁群一个18.9 cM 的 QTL 区间内，进一步通过与向日葵 17 号染色体的共线性分析，发现 12 个紧密连锁的 F-box基因，但并未发现与其连锁的 S-RNase，与 Zhao 等11发现向日葵中不存在 I 类 S 位点一致，表明其 SI 机制与 I 类不同。不仅如此，虽然同属于 SSI，研究人员在候选 S 位点与其他菊科物种的共线区域中也未发现 SRK 类似基因82。尽管 Tabah 等83在糙叶千里光中克隆到一个雌蕊表达的 SRK-like，但后续证明 第1期 赵洪等:显花植物自交不亲和性的分子与演化机制 9 其并非雌蕊 S 因子。因此，菊科 SI 应该也不同于十字花科的 II 类 SI 机制。Wollenweber 等84通过橡胶草(Taraxacum koksaghyz)差异表达基因分析，鉴定到 3个候选基因(LRX4、TUBB 和 XTH33)。Palumbo 等85认为 MIK2(Mdis1 Interacting receptor like kinase 2)是控制菊苣自交不亲和的关键候选基因，但其功能仍有待进一步证实。SI 在豆科植物中也十分常见，其中云实亚科、含羞草亚科和蝶形花亚科中分别约有 62.3%、66.7%和 22.1%的物种为自交不亲和86。与 I 类 SI 相似，豆科植物通常为湿柱头且具有 GSI，但目前对其 SI的详细分子机制知之甚少。由于白三叶(Trifolium repens)花柱对自交花粉管的抑制作用与I类SI相似，人们普遍认为白三叶甚至豆科植物也采取 I 类 SI 系统。Casey 等87虽然定位到了白三叶的单一 S 位点，但并未报道其中是否包含紧密连锁的 S-RNase 和SLF。Aguiar 等88虽 然 在 蒺 藜 苜 蓿(Medicago truncatula L.)和鹰嘴豆(Cicer arietinum)中鉴定到了 I类S位点的类似结构，但其编码的T2核酸酶和F-box并不分别在雌雄蕊中特异表达或高表达，且鹰嘴豆的候选花柱 S 基因也不符合 S 因子的序列多态性特征。因此，白三叶及其他豆科植物与 I 类 SI 的关系仍存在疑问。此外，作为被子植物的第三大科，豆科约包含 650 个属，其自交不亲和反应在属内及属间均表现出较大差异，可发生在柱头、花柱、受精过 程、合 子 后 等 多 个 阶 段89。例 如，黄 耆 属(Hedysarum)、银合欢属(Leucaena)、百脉根属(Lotus)物种的自交不亲和反应发生于柱头，羊蹄甲属(Bauhinia)、苜蓿属(Medicago)、车轴草属(Trifolium)等物种对自交花粉管的抑制发生于花柱，而菜豆属(Phaseolus)、金合欢属(Acacia)、云实属(Caesalpinia)等物种的花粉管则在到达胚珠后无法正常授精或授精后发生合子败育等，这一现象可能是 SI 在豆科中经历高度动态起源、丢失和重获的结果。1.6 真双子叶植物自交不亲和性的起源与演化 在已发现的真双子叶五类 SI 系统中，I 类 SI 起源最早且分布最为广泛，而 IIV 类则分别为十字花科、罂粟科、报春花科和时钟花科特有的 SI 系统(图3)。对于 I 类 SI，Xue 等90率先提出其单一起源的观点。I 类花柱 S 因子所属的 T2 核酸酶共包含 3 个分支，分别命名为 i、ii 和 iii 类，其中 S-RNase 单独聚为一支且属于 iii 类。除了已报道具有 I 类 SI系统的茄科、车前科、蔷薇科和芸香科外，锦葵科、茜草科、大戟科、葫芦科、豆科、木犀科、山茶科和鼠李科等的 T2 核酸酶也可与 iii 类 T2 核酸酶/S-RNase 聚为一支，且该分支仅包含真双子叶植物，因此 I 类花柱 S 因子 S-RNase 单一起源于真双子叶植物的最近共同祖先(most recent common ancestor,MRCA)11,91,92。与 S-RNase 不同，SLF/SFB/SFBB是否单起源一直存在争议。直到近期，Zhao 等11通过系统发育和遗传学功能分析，证明与 SLF 和SFBB 聚为一支的 SFB 同样能够解除茄科杂交矮牵牛(P.hybrida)中 S-RNase 的细胞毒性，证明它们具有保守的 I 类花粉 S 因子功能。此外，基部真双子叶植物毛茛科耧斗菜(Aquilegia coerulea)的 SLF 也具有 I 类花粉 S 功能，从而为 I 类 SI 单起源于真双子叶植物的最近共同祖先提供了更加充分的证据11。显花植物在进化过程中由于受到地理环境和种群繁衍的选择压力，其 SI 也会频繁的丢失和重获。Zhao 等11提出显花植物 SI 起源、丢失和重获的高度动态进化过程主要包含 3 种丢失路径(x:I 类 S 位点重复;y:S 基因失活;z:S 位点缺失)和 4 种重获路径(a:重复I类S位点失活;b:重复I类S结构删除;c:S 基因再激活;d:新 S 位点的获得)构成11。研究发现，包 括 自 交 亲 和 的 耧 斗 菜 和 菜 豆(Phaseolus vulgaris)在内的多个真双子叶植物基因组均具有23 个 I 类 S 位点，表明由于全基因组复制和路径 x所导致的 I 类 SI 丢失最为普遍。为了避免近交衰退，自交不亲和的西班牙金鱼草(Antirrhinum hispanicum)、多 毛 番 茄(Solanum habrochaites)和 柚 子(Citrus maxima)则在失活或删除重复 I 类 S 位点基础上重获I 类 SI。与之不同，自交亲和的栽培金鱼草(A.majus)、栽 培 番 茄(S.lycopersicum)和 拟 南 芥(Arabidopsis thaliana)均通过路径 y 即分别失活 S-RNase 和SRK/SCR 而丢失 SI，十字花科、报春花科和时钟花科在完全删除 I 类 S 位点即丢失古老的 I 类 SI 后又分别进化出了新的 II、IV 和 V 类 SI(路径 z 和 d)，菊科 SI可能也是该进化路径。而罂粟科则在保留 I 类 S 基础上演化出新的 III 类 S，但前者的功能尚不清楚。10 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 图 3 显花植物自交不亲和性的起源与演化 Fig.3 Origin and evolution of angiosperm SI IVI 类自交不亲和代表物种的科水平物种进化树。进化树由 TimeTree(http:/www.timetree.org/)生成。上方为地质年代，下方数轴为演化时间轴，MYA(million years ago)为时间单位。不同颜色的圆圈及其对应线条分别表示 6 类 SI。橙色虚线表示古老 I 类 S 结构，绿色虚线代表无 I 类 S 位点。2 单子叶植物自交不亲和性的分子与演化机制 2.1 VI 类自交不亲和性的分子机制 VI 类 SI 由 S 和 Z 双位点控制，当花粉的 S 和 Z单倍体型与雌蕊的 S 和 Z 基因型均匹配时则为不亲和79。双位点控制的特性也使得不同来源的花粉给雌蕊授粉后可出现 0、50%、75%和 100%四种不同程度的亲和现象9(图 1)。SI 在禾本科中分布非常广泛，约 16 个属表现为自交不亲和。自 20 世纪 50 年代发现其由双位点控制以来，研究人员尝试在天蓝虉草(Phalaris coerulescens)、多年生黑麦草(Lolium perenne)、黑麦(Secale cereale)、球茎大 麦(Hor-deum bulbosum)和长雄蕊野生稻(Oryza longistaminata)等自交不亲和物种中克隆 S 和 Z 基因。尽管早期鉴定到一些分别能与 S 和 Z 位点共分离的基因，但均未验证其遗传学功能。Kakeda 等25在球茎大麦中发现雌蕊特异表达的 HPS10 可与 S 位点连锁，将其作为候选雌蕊 S 因子。在多年生黑麦草和黑麦中，S和 Z 位点分别被定位至 1 号和 2 号染色体28,9396。Rohner 等28提出 S 和 Z 位点具有相似的基因构成，二者均可编码两个序列多态且花药特异表达的含DUF247 结构域蛋白和一个雌蕊特异表达的分泌小肽，与 Manzanares 等27和 Shinozuka 等26分别将 1个编码 DUF247 结构域蛋白的基因作为候选花粉 S和 Z 基因一致。在稻属唯一自交不亲和物种长雄蕊野生稻中，Lian 等24通过序列相似性分析发现多个S 候选基因，其中花粉 S 候选基因 OlSS1 和 OlSS2与多年生黑麦草的 LpSDUF247 类似，雌蕊 S 候选基 第1期 赵洪等:显花植物自交不亲和性的分子与演化机制 11 因 OlSP 与球茎大麦 HPS10 同源，并且发现其连锁结构与多年生黑麦草的 S 位点共线。尽管如此，这些候选 S 和 Z 基因的分子遗传学功能均鲜有报道。直到近期，研究人员首次利用基因编辑技术证明敲除雌蕊 S 基因 HPS10-S 和花粉 S 基因 DUF247I-S 可分别打破长雄蕊野生稻雌蕊和花粉的 SI，且进一步通过自交 T1代基因型分析和互作检测发现雌蕊分泌的 HPS10-S 与花粉跨膜蛋白 DUF247I-S 以自己识别为主，但其如何引起自交不亲和反应尚不明确97(图2)。Chen 等98通过羊草(Leymus chinensis)自交和异交授粉雌蕊的转录组分析，发现雌蕊对自交花粉的拒绝可能与钙离子和植物激素相关信号引发的 PCD有关。2.2 单子叶植物自交不亲和性的起源与演化 VI 类 SI 是单子叶植物中已知分子机制的唯一SI 系统。其中，VI 类花柱 S 因子 HPS10-S 仅存在于禾本科的稻亚科、早熟禾亚科和黍亚科，而编码DUF247 结构域的花粉 S 同源基因则广泛存在于裸子和被子植物97。此外，研究发现，与 SLF 一样能够编码 FBA/FBK 结构域的 F-box 基因也可与 i/ii 类T2 RNase 连锁且该类结构在显花植物起源之初即已存在11(图 3)。尽管目前并不清楚其是否参与 SI，但该古老 I 类 S 位点与禾本科 VI 类 S 共存的现象与罂粟科中 I 类 S 与 III 类 S 共存较为相似，提示禾本科可能通过与真双子叶植物 x 和 d 进化路径类似的方式在丢失了古老的 I 类 SI 后获得了新的 VI 类 SI 系统，进一步对其他单子叶植物 SI 分子机制及其与古老 I 类 S 位点演化关系的研究有望为显花植物 SI 的起源和演化提供新的知识和线索。3 显花植物自交不亲和性的育种应用 在生产实践中，SI 虽然可以通过限制自交省去人工去雄等工作，但是不利于自交制种和纯系培育。目前已发现能够克服 SI 的方法主要涉及物理、化学和分子 3 个层面。物理法包括射线或高温处理、外科技术等。其中，利用-或 x-射线辐照花粉人工授粉可显著改善自交不亲和表型，常用于水果作物自交亲和栽培种的创制99,100。Townsend101基于杂三叶草的研究提出高温处理可使温度敏感 T 基因与自交不亲和 S 基因互作，从而诱发高温自交亲和性。在菊科植物中，3540高温处理 2448 小时可通过影响花柱的SI 使其获得自交种，而花柱 CLE45 则通过在高温下保护花粉管生长从而诱发自交亲和102。对于自交不亲和反应发生于柱头的植物，人们还尝试切除或浸泡柱头以阻断其对自交花粉的识别103。此外，对于开花前花柱和花粉即已成熟的植物，剥蕾授粉也能促进自交传粉104。与物理法相比，化学处理在打破 SI 中应用更为广泛。例如，施加乙醚、3%5%的二氧化碳、氯化钠、氢氧化钾等可人为打破十字花科 SI，其中最为有效的二氧化碳处理法已被广泛应用于十字花科蔬菜作物的自交种繁育105。在糙叶千里光中，用 5%盐溶液处理可产生假性自交亲和个体106。授粉前使用赤霉素处理可改善梅(Prunus mume)柱头的生理环境使其更利于花粉萌发和花粉管生长并产生较高的结实率107。在菊花花期利用 50 mg/L 的赤霉素处理也可促进自交结籽108。与之类似，外源喷施氨基酸、多胺、磷脂酸等可通过