发现导致植物雄性不育的新基因

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    [生物通讯]宾夕法尼亚大学的科学家们新发现一个有花植物产生花粉所必需的基因。在发表于2002年8月1日期的《基因与发育》(Genes and Development)杂志的文章中，研究人员描述，这个新基因的活化是花粉产生过程中孢原细胞形成所必需的。

    “这次研究是首次证明该基因编码的一种作为受体蛋白激酶的特殊蛋白质，对于有花植物的繁殖器官－－花粉囊－－中花粉的产生至为重要。”研究的领导人、宾夕法尼亚大学的生物学教授Hong P. Ma说。“植物育种学家最终将可以利用这一信息来控制小麦、水稻和大豆等重要农业作物的授粉过程，而早前授粉的控制方法都不太切实易行。”

    为识别这个基因，研究小组以模式植物拟南芥为研究对象。拟南芥在实验室中已被广泛研究，尤其是它的一些DNA已被彻底研究，科学家已完成其基因组的测序。尽管拟南芥基因组已被破译，但了解拟南芥基因组中25,000个左右基因的功能的研究才刚刚开始。

    为识别出在花粉发育过程中所需的基因以及这些基因在植物花粉囊细胞中的特殊作用，研究人员首先创造出含有不同基因突变的拟南芥品系，然后从中筛选出携带一个致使植物丧失产生花粉能力的突变品系。接下来，研究人员观察了突变植株中花粉产生细胞即孢原细胞的发育与正常植物中的有何不同，并通过遗传学方法确定直接由突变导致的功能丧失的基因。“通过观察突变植株的缺陷，我们可以推论出这个基因在正常植株中的功能。”Ma 解释说。

    “在正常植株中，花朵的花粉囊中有一个壳状结构称为绒毡层。绒毡层细胞是花粉囊中最内一层细胞，是花粉细胞形成的‘巢穴’。由于绒毡层所处位置，向外紧贴周围母体，向内与小孢子母细胞密切相连，花粉形成过程中的营养物质和水分等都必须通过绒毡层输送，因而对于花粉粒的形成至为关键。正常植株中，花粉囊中的孢原细胞经过分裂，又会形成很多的造孢细胞，造孢细胞在一般植物再进行分裂，形成更多的花粉母细胞，花粉母细胞填充满绒毡层后就开始分裂形成花粉细胞，花粉细胞进一步发育为成熟的花粉粒。”Ma详细解释了花粉形成的过程。“但我们发现，突变拟南芥植株发育的花粉囊中甚至没有细胞发育为绒毡层细胞。”他说。

    为明确他们观察到的究竟是绒毡层细胞还是花粉细胞，研究人员检查了细胞中两种分子标记的存在情况，一种标记已知只在绒毡层细胞中有活性，另一种已知只在花粉细胞中有活性。“分子检测结果表明，我们的突变植株绝对不存在绒毡层细胞，而正常情况下应该由绒毡层细胞填充的地方却充满了额外的花粉细胞。”Ma说。Ma和他的研究小组将这个基因命名为“额外花粉1（Excess Microsporocytes 1，EMS1)”基因，以此在说明该基因出现功能障碍时在花粉囊中产生的影响。

    突变是由一个已知的转座子基因引起的。转座子具有一种独特的能力：在DNA分子上的不同位置间跳来跳去，插入到一个或几个基因之中。Ma和他的研究小组培育出含有这个跳跃基因的拟南芥植株，发现其中一株没有产生花粉。接下来，研究人员采用标准的分子生物学技术揭示了这个跳跃基因在植物基因组中的位置：它位于一个负责产生花粉的基因中，研究人员怀疑该基因是受跳跃基因存在的影响丧失了产生花粉的功能。研究人员因而将转座子从该基因处转移，结果植株产生花粉的能力恢复到正常，这表明，这个转座子的旧“东家”就是产生花粉所必需的基因。

    研究人员继续探查了EMS1基因编码的蛋白质的自然特性以推测该蛋白质的功能。他们发现，EMS1蛋白由3个部分组成，一部分伸出细胞膜表面，一部分深入到细胞内部，第三部分则扎根于细胞膜中，将前两个部分连接起来。“这个蛋白质的特点与普遍存在于植物类群中的一类蛋白质－－受体激酶蛋白－－十分相似，受体激酶蛋白也有一个受体伸出细胞膜之外与细胞膜外的分子结合。”Ma解释说。受体激酶与细胞外分子偶联产生的变化诱使该蛋白细胞内的部分－－蛋白受体（protein kinase）－－催化细磷酸基团与细胞内其它蛋白质的反应。”Ma说。 

    “根据我们的研究结果以及动物细胞中类似蛋白质已被深入了解的功能，我们推测，EMS1基因编码的EMS1蛋白在发育的花粉囊细胞中是作为一个蛋白激酶起着促进绒毡层形成的作用。而绒毡层在花粉粒的形成过程中起着至为重要的作用。”Ma解释说。他还推测，这些花粉囊细胞本来注定要发育成为花粉细胞－－除非EMS1发出的信号告诉细胞分化为绒毡层细胞。花粉的形成需要绒毡层的存在，绒毡层包围在花粉母细胞四周，没有绒毡层花粉母细胞就无法分裂。“如果我们的推测被证实，这将是迄今发现的第一个编码通过控制花粉囊细胞的发育在专门控制植物育性受体激酶的基因。”Ma说。

    Ma期望重要作物植物中也能发现这类基因的存在，很有可能通过诱使这类基因沉默来产生植物的雄性不育系。“既然我们已经识别出这个基因及其功能，植物育种学家们可通过无需涉及转座子的更稳定的方法来消除改基因的功能。”他认为。

    除Ma外，研究小组其它成员还包括博士后研究人员Da-Zhong Zhao、研究生Guan-Fang Wang、本科生Brooke Speal等。研究由美国国家科学基金会（NSF)、美国农业部和美国国家卫生院以及宾夕法尼亚大学共同资助。

消息来源：宾夕法尼亚大学

生物通摘译自BIO.COM