禾本科三倍体: 形成、鉴定与利用 植物学报    2021, 56 (3): 372-387.   DOI: 10.11983/CBB20166

图2 2n配子的形成机制
(A) 与体细胞相比正常配子的染色体数目减半; (B) 通过胞质融合或多核体形成的四倍体花粉母细胞产生PRD型2n配子, 如鸭茅(Falistocco et al., 1995); (C) 在减数分裂I期同源染色体无配对和分裂形成的FDR型2n配子将保留除重组片段外的所有亲本基因, 如雀稗(Filho et al., 2014)和多年生黑麦草(Chen et al., 1997); (D) 在减数分裂II期因分裂缺失形成的SDR型2n配子将保留除重组片段外比正常配子多1套染色体副本的2n配子, 如多年生黑麦草(Chen et al., 1997); (E) 在减数分裂I期部分染色体以姐妹染色单体分离, 其余以二价体分离, 随后在减数分裂II期分裂缺失形成IMR型2n配子, 如百合(Lim et al., 2001); (F) 减数分裂正常而进入配子体发育阶段时基因组加倍形成PMD型2n配子, 如马铃薯(Bastiaanssen et al., 1998)

正文中引用本图/表的段落

目前, 通过观测小孢子发生在植物中已发现5种2n配子形成机制(Loginova and Silkova, 2017) (图2)。减数分裂II期姐妹染色单体分离形成的FDR (first division restitution)型2n配子(图2C)在很大程度上保留了亲本的杂合性, 而减数分裂II期姐妹染色单体不分离形成的SDR (second division restitution)型2n配子(图2D)高度纯合。因此, 在转移亲本杂合性方面FDR型比SDR型更为有利(Younis et al., 2014)。Harlan和De Wet (1975)认为所有植物都以某种频率产生2n配子, 但物种间发生频率不同。二倍体水稻(Oryza sativa, 2n=2x=24)多胚苗能自发地产生三倍体(张静等, 2002)。在二倍体看麦娘(Alopecurus bulbosus, 2n=2x=14)自然群体中, 二倍体、三倍体与四倍体并存(Sieber and Murray, 1979)。在22个二倍体大麦(Hordeum vulgare, 2n=2x=14)品种中, 三倍体植株的发生率为0.01%-0.29% (Sandfaer, 1975)。在黄花茅(Anthoxanthum alpinum, 2n=2x=10)中2n配子的发生率为6.3% (Bretagnolle, 2001)。对十字花科24个物种60个群体的研究表明, 尽管2n配子先前被认为相对罕见、但普遍发生(通常个体的雄配子2n发生率<2%), 并且在特定个体中较高, 这些极少数产生高频率2n配子的个体可能在多倍体的形成中发挥关键作用(Kreiner et al., 2017)。在同一植物中, 雌雄2n配子的发生率也不一致(Ramsey and Schemske, 1998)。鸭茅(Dactylis glomerata, 2n=2x=14) 2n雌配子发生率为0.49%, 而2n雄配子发生率为0.98% (Maceira et al.,1992)。鉴于2n配子发生率低, 在2x/2x下通过单向有性多倍化(unilateral sexual polyploidization, 2x+x)形成三倍体的频率远高于通过双向有性多倍化(bilateral sexual polyploidization, 2x+2x)形成四倍体的频率。例如, 在黄花茅中2n配子形成三倍体的发生率为0.2%, 但未见四倍体发生(Bretagnolle, 2001)。

FCM检测花粉倍性为2n配子的评估提供了高通量的选择。然而, FCM难以获得高质量核荧光直方图且不能将真实的2n核(singlet)与n+n黏合细胞(doublet)区分(Kron and Husband, 2015)。2n配子的发生为稀有事件, 因此区分2n核与黏合细胞十分必要。Kron等(2015)开发并验证了使用脉冲分析(pulse analysis)对花粉核数据进行双重校正, 以便使用花粉FCM获得2n配子核的准确测量值。当在2n配子(2C DNA含量)区域中, 细胞核荧光高度和/或宽度度量显示双峰态(可指示singlets和doublets), 再结合在n配子中荧光参数的单峰分布, 可以区分2n核和黏合细胞。这些检测条件在十字花科中得到满足, 但禾本科不满足上述条件, 仍需进一步改进或开发新的方法。

卵细胞融合2个精细胞(n+n+n)形成三倍体合子(图1H), 称多精受精(polyspermy).多精受精发生困难.为了阻止多精融合的风险, 动物通过多精障碍(polyspermy block)确保合子的二倍性: (1) 单精合子在精卵质膜融合阶段通过卵膜周围电位立即触发的正向移位或通过Ca2+依赖性皮质颗粒的胞吐作用在受精卵周围形成1个受精膜以阻止多余的精细胞入卵; (2) 生理多精(physiological polyspermy)在多精卵子中仅选择性融合1个精核, 剩余的精核退化或消失; (3) 多精合子致死或早期胚胎致死, 在动物中源自多个精子的额外中心体可产生多个微管组织中心(microtubule-organizing centers, MOCs), MOCs将引发异常的核分裂和细胞分裂, 导致合子或胚胎早期致死(Nakel et al., 2017).被子植物拟南芥则通过FERONIA受体激酶确保合子的二倍性, 防止多余花粉管到达胚囊; 胚珠通过助细胞中的丝状器分泌诱导蛋白AtLURE1s吸引花粉管进入胚珠, 当1个花粉管穿过胚珠珠孔端的其中1个助细胞时, 丝状器上FERONIA受体激酶表达, 并与丝状器中去甲酯化果胶结合进而诱导产生NO; NO对AtLURE1s进行亚硝基化修饰后抑制AtLURE1s的分泌并造成其失活, 抑制其与受体的相互作用, 使其对后来花粉管的吸引能力急剧下降, 从而避免多管现象(polytubey), 最终阻止多精受精(Duan et al., 2020).由于植物细胞缺乏中心体, 并且不将它们用作核分裂过程中染色体分离的纺锤体; 一旦多余花粉管到达胚珠, 在被子植物中形成的多精合子可能不会死亡.多精受精的鉴定困难, 利用传统的根尖压片技术无法区分三倍体由何种途径(n+n+n或2n+n)产生.因此, 有关兰花(Hagerup, 1947)、玉米(Rhoades, 1936)、高粱(Erichsen and Ross, 1963)和小麦(Suarez et al., 1992)的多精受精现象一直停留在理论推测, 缺乏直接的生物学证据. ...