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植物2n配子发生机理研究进展

花匠小妙招
2024-09-02 12:50

1、DOI:10.12171/j.10001522.20220050植物 2n配子发生机理研究进展张平冬(林木资源高效生产全国重点实验室，林木育种国家工程实验室，林木、花卉遗传育种教育部重点实验室，树木花卉育种生物工程国家林业和草原局重点实验室，北京100083)摘要:未减数配子是植物多倍化的源动力，也是植物多倍体育种的重要手段和工具。自然界植物多倍体的自发形成主要包括有性多倍化和无性多倍化 2 条途径，其中有性多倍化途径在植物界占据着绝对统治地位。本文在分析文献的基础上，从性母细胞减数分裂染色体行为、减数分裂微管骨架、细胞质分裂等异常细胞学现象，减数分裂转变调控以及 2n 配子发生的分子调控等

2、3 个方面，对植物 2n 配子发生机理研究进展进行了综述，并讨论了植物 2n 配子利用过程中存在的问题。指出综合利用高通量测序、生物信息学和多组学分析技术，发掘 2n 配子发生的关键基因，并验证其生物学功能，解析植物 2n 配子发生的分子调控机理，可能是未来植物 2n 配子发生机理研究领域的热点。提出综合利用生物信息学分析技术和 CRISPR-Cas9 等现代基因编辑技术，开展精准分子设计育种，可能是从根本上解决单倍性花粉授粉竞争问题、提高三倍体诱导效率的有效方法。关键词：2n 配子；多倍化；细胞学机理；减数分裂转变；分子调控中图分类号：S792.11文献标志码：A文章编号：10001522(

3、2023)07000108引文格式：张平冬.植物 2n 配子发生机理研究进展 J.北京林业大学学报，2023，45(7)：18.ZhangPingdong.Researchprogressonthemechanismof2ngameteoccurrenceinplantsJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2023,45(7):18.Research progress on the mechanism of 2n gamete occurrence in plantsZhangPingdong(StateKeyLaboratoryofEfficientPr

4、oductionofForestTreeResources,NationalEngineeringLaboratoryforForestTreeBreeding,KeyLaboratoryofGeneticsandBreedinginForestTreesandOrnamentalPlantsofMinistryofEducation,TreeandOrnamentalPlantBreedingandBiotechnologyLaboratoryofNationalForestryandGrasslandAdministration,BeijingForestryUniversity,Beij

5、ing100083,China)Abstract:Unreducedgametesarethedrivingforceforthepolyploidizationofplantsinnature,andarealsoan important tool for ploidy breeding.The spontaneous formation of polyploid in plants by sexualpolyploidizationandasexualpolyploidizationisinvolvedinnature.Forthetwowaystoproducepolyploid,sex

6、ual polyploidization is the more predominant way.In the present paper,mechanisms of 2n gameteoccurrence in plants was summarized based on the analysis of cited references.Abnormal cytologicalphenomena,suchasmeioticchromosomebehaviour,meioticmicrotubuleandcytokinesis,meiosistomeiosistransition,andmol

7、ecularregulatorof2ngameteformationwasreviewed.Someproblemsforutilizationof2ngametetoproducepolyploidinplantswerealsodiscussed.Detectingnewgenesrelatedto2ngameteformationbasedoncombiningthehigh-throughputsequencing,bioinformaticsandmulti-omicsanalysis,testingtheirbiologicalfunctionandelucidatingthemo

8、lecularmechanismof2ngameteformationwerepointedouttobehotresearchdomainsinthefuture.Itmightbeoneoftheeffectivemethodstosolvethecompetitionproblemofhaploidpollenduringpollinationandincreasethetriploidinductionrateby收稿日期:20220207修回日期:20220315基金项目:“十四五”国家重点研发计划课题（2021YFD2200105）。作者简介:张平冬，教授，博士生导师。主要研究方向

9、：林木遗传改良。Email：地址：100083北京市海淀区清华东路35 号北京林业大学生物科学与技术学院。本刊网址:http:/；http:/第45卷第7期北京林业大学学报Vol.45，No.72023年7月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYJul.，2023accuratelymoleculardesignbreedingcombinedwithbioinformaticanalysisandCRISPR-Cas9mediatedgeneediting.Key words:2n gamete;polyploidization;cytological mech

10、anism;meiosis to meiosis transition;molecularregulation植物通过全基因组复制的自发多倍化是物种多样性和新物种形成的主要源动力1。多倍化产生的冗余基因组使不同基因型个体更具可塑性，促进了物种适应性的改善，提高了生存竞争能力24。据可靠的基因组信息数据分析表明，超过 90%被子植物的基因组经历过一次或多次多倍化事件5。近年来，Wood等6证实，15%的被子植物和 31%的裸子植物物种形成过程中伴随有多倍体化事件发生。植物多倍体化还具有重要的商业利用价值。全球广泛栽培的重要农作物或经济作物品种，如小麦（Triticumaestivum）、马铃

11、薯（Solanum tuberosum）、烟草（Nicotiana tabacum）、咖啡（Coffea arabica）、赞皇大枣（Ziziphus jujubaZanhuangDazao）等均为多倍体78。我国广泛栽培的著名杨树（Populusspp.）品种，如天然三倍体毛白杨（Populus tomentosa）、I-214（Populus euramericana I-214）、中林 46（PopuluseuramericanaZhonglin-46）、沙兰杨（Populus canadensis subsp.Sacrau 79）、廊坊3 号杨（Populus deltodide

12、ShanhaiguanPopulussimoniiPopulus pyramidalis-12+Ulmus pumila）、武黑 1 号（PopuluseuramericanaWuhei-1）、辽河杨（Populus Liaohenica）等均为天然三倍体9，为解决我国木材资源短缺发挥了重要作用。自然界植物多倍体的自发形成途径主要包括2 条：（1）无性多倍化，如植物分生组织细胞或叶芽原基在物理或化学诱变剂的作用下诱导体细胞染色体加倍，进而发育成偶数倍的多倍体；（2）有性多倍化，即植物先自发产生二倍体（2n）配子，进而由2n 配子与单倍性配子融合形成多倍体种子，发育成多倍体植株；或者先经由远缘杂

13、交获得不孕杂种，再通过染色体自然加倍获得异源多倍体。其中，有性多倍化途径在植物界占据着绝对优势地位7。目前，植物育种学家已在三浅裂野牵牛（Ipomoeatrifida）10、秋海棠（Begonia grandis）11、玫瑰（Rosaspp.）12、毛白杨13、响叶杨（Populus adenopoda）14、通辽杨（Populus mionii Populus nigraTongliao）15、香脂杨（Populus balsamifera）16、银灰杨（Populuscanescens）17以及柿子（Diospyros kaki）18等树种中发现有天然 2n 花粉的存在。诸多研究人

14、员已对植物自然种群中 2n 配子发生机制开展了研究，取得了重要研究进展。本文从 2n 配子发生的细胞学机制、减数分裂转变调控以及 2n 配子发生的分子调控等方面，对植物 2n 配子发生机制的研究进展进行了较为全面的综述，并对 2n 配子人工利用方面存在的问题进行了讨论和展望。1植物 2n 配子发生的细胞学机制有关植物自发产生 2n 配子机制的研究很多，根据2n 配子的遗传物质组成可概括为 4 类11：FDR（firstdivisionrestitution）、SDR（seconddivisionrestitution）、PMR（post-meiotic restitution）、IMR（ind

15、eterminatemeioticrestitution）。在 FDR 型 2n 配子形成过程中，第一次减数分裂缺失，同源染色体未发生分离，但第二次减数分裂完全正常，姊妹染色单体成功分离。因此，FDR 型 2n 配子中包含亲本的所有同源染色体，能最大限度地传递亲本杂合性。SDR 型 2n 配子形成过程与 FDR 型刚好相反，第一次减数分裂正常，同源染色体成功分离，第二次减数分裂失败，姊妹染色单体未分离。故此，SDR 型 2n 配子中包含成对的姊妹染色单体，理论上只能传递亲本一半的杂合性。PMR 型 2n 配子是减数分裂后配子有丝分裂过程中染色体加倍的结果，主要发生于功能大孢子经 3 次连续有丝

16、分裂形成成熟胚囊的过程中19。因此，PMR 型 2n 配子中包含 2 个遗传组成完全相同的染色体组，其传递亲本的杂合性与 SDR 型 2n 配子相当。IMR 型是介于 FDR 和 SDR 之间的一种类型，IMR 型 2n 配子同时具有 FDR 和 SDR2 种配子类型的特征，这种机制十分罕见，曾在百合属（Lilium）植物中有过报道20。拥有 IMR 机制的物种，其性母细胞减数分裂中期既可观察到单价体又可观察到双价体的存在，染色体分离时，单价体类似于 FDR分离，双价体类似于 SDR 分离。高等植物中，虽然减数分裂前异常，如造孢细胞染色体加倍形成加倍的孢母细胞21、体细胞经有丝分裂直接形成配子

17、体22等均可形成 2n 配子，但这种现象并不普遍。一般来说，FDR 与 SDR 型 2n 配子大都形成于性母细胞的减数分裂过程中。故此，这2 种类型 2n 配子的发生必然与减数分裂过程中染色体行为、细胞微管骨架、胞质分裂以及辐射状微管定位异常等细胞学现象密切相关。减数分裂是一个非常精细而复杂的生物学过程，一直是植物生殖生物学的热点研究领域，其包括2北京林业大学学报第45卷染色体复制、同源染色体联会、遗传重组、纺锤体形成、同源染色体分离、着丝粒分裂、染色体单体分离以及细胞质分裂等一系列生物学事件。上述任何生物学事件异常都可能导致配子产生不可逆转的变异，甚至形成未减数（2n）配子7,23。尽管染色

18、体联会缺失、后期染色体桥等导致的 FDR 型 2n 配子形成机制已有报道11，但中期纺锤体定位异常更受植物遗传学家的关注。在已发现能自发形成 2n 花粉的马铃薯、毛白杨、胡杨（Populus euphratica）、银灰杨以及月季（Rosa chinensis）中，减数分裂中期均可观察到平行纺锤体、三极纺锤体以及融合纺锤体的存在2428。一般认为，平行纺锤体和融合纺锤体有助于二分体的形成25，三极纺锤体则有助于三分体的产生24。现有研究表明，这 3 种不同类型的纺锤体实际上是同一基因在中期纺锤体定位中的不同表现形式29。微管是由、2 种类型的微管蛋白亚基形成的蛋白二聚体，是真核生物细胞骨架的重

19、要组分，在细胞分裂过程中发挥着重要作用。植物减数分裂的正常进行与微管骨架的有序分布和动态变化密切相关3034。微管骨架在植物性母细胞减数分裂过程中主要参与纺锤体和成膜体的形成，以及核周和胞质微管网络的构建，从而决定同源染色体和姊妹染色单体分离、运动以及减数后细胞质的正常分裂34。在响叶杨、胡杨、毛白杨以及通辽杨等天然 2n 花粉高产植株的小孢子发生发育过程中，后期纺锤体微管缺失、末期核周辐射状微管系统合并以及成膜体缺失等异常现象广泛存在25,3032。这些异常的微管组织通过影响姊妹染色单体分离或细胞板形成33致使细胞核复原，形成二分体和三分体，进而发育成 2n 配子。胞质分裂提前也被认为是植物

20、 2n 配子发生的另一种重要机制。据 deStorme 等34报道，高等植物花粉母细胞减数分裂后的胞质分裂主要有 2 种类型：连续型胞质分裂和同时型胞质分裂。连续型胞质分裂是指同源染色体分离抵达性母细胞的两极后，立即进行第一次细胞质分裂，形成 2 个子细胞；然后，子细胞内的姊妹染色单体发生分离抵达子细胞的两极后，子细胞再次发生细胞质分裂，形成四分体。由于连续型胞质分裂类型中，细胞核分裂 2 次，细胞质也分裂 2 次，因此，胞质分裂提前可发生在第一次分裂，亦可发生于第二次分裂。第一次胞质分裂提前，会引起二价体的不同步分离，从而导致姊妹染色单体提前分开33，第二次减数分裂缺失；第二次胞质分裂提前，

21、同样会导致第二次减数分裂缺失。不管发生第一次胞质分裂提前还是第二次胞质分裂提前，均会导致姊妹染色单体分离后不移向两极，共存于同一子细胞中，形成 SDR 型小孢子35。同时型胞质分裂是指在同时型胞质分裂类型中，细胞核发生 2 次连续分裂，细胞质仅发生 1 次分裂。细胞质分裂提前现象往往发生在前期或中期，致使姊妹染色单体分离后仍保留在同一子细胞中，形成 SDR型小孢子24。胡杨、欧美杨（Populuseuramericana）以及群众杨（Populuspopularis）中曾报道过该机制24,36。2减数分裂转变调控植物有性生殖时，性母细胞完成减数第一次分裂后，在顺利进入减数第二次分裂，并且完成第

22、二次分裂后成功退出的前提下，才能确保单倍性孢子的正常形成。如果性母细胞从减数第一次分裂过渡到减数第二次分裂的过程中发生错误，也就是性母细胞停留在第一次减数分裂，不能过渡到第二次减数分裂，亦可能导致 2n 配子的产生7,37。因此，性母细胞第一次减数分裂向第二次减数分裂过渡失败被认为是植物 2n 配子产生的一种重要机制。周期细胞中，细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶形成复合物，是植物细胞有丝分裂和减数分裂顺利进行的重要保证。维持细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶复合物活性的良好平衡是性母细胞从第一次减数分裂过渡进入第二次减数分裂所必需的。性母细胞必须维持足够低水平的复合物活性才能退出第一次减

23、数，但复合物活性仍然要保持相对高的水平以抑制 DNA 复制并促使性母细胞进入第二次减数分裂3839。然而，细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶复合物的有丝分裂调节机制是如何转变为减数分裂机制至今仍然不清楚。目前，人类所获得有关该复合物的大多数知识都源自于对单细胞真菌、非洲爪蟾（Xenopus laevis）或小鼠（Mus musculus）卵母细胞系统的研究。在小鼠卵母细胞中，细胞进入第一次减数分裂和第二次减数分裂均由 Cdc2（celldivisioncycle2）和细胞周期蛋白 B（B-typecyclin）的复合物驱动33。卵母细胞通过后期促进复合物（anaphasepromotingc

24、omplex）调节细胞周期蛋白 B 的合成和降解速率，从而决定第一次减数分裂与第二次减数分裂转变的时间4041。第一次减数分裂末期，细胞周期蛋白B 仅部分降解42，残留的低水平 Cdc2/CyclinB 复合物活性对于顺利进入第二次减数分裂至关重要43。这种细胞周期蛋白 B 的部分降解可后期促进复合物抑制因子 Erp1/Emi2 微调4446。在粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中，Mes1 蛋白在第一第7期张平冬：植物 2n 配子发生机理研究进展3次减数分裂与第二次减数分裂转变过程中扮演着重要的角色4748。像 Erp1/Emi2 一样，Mes1 蛋白通过抑制

25、后期细胞周期蛋白降解，从而促使卵细胞进入第二次减数分裂。同时，删除 6 个 B 型细胞周期蛋白中的 2 个可导致酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）只发生一次减数分裂，从而形成二分体4950。这表明一些特殊细胞周期蛋白可能介导了第一次减数分裂与第二次减数分裂的相互转变。尽管植物遗传学家对减数分裂细胞周期的遗传调控知之甚少，但玉米（Zea mays）育种学家已知晓，伸长基因突变可致使大孢子母细胞第二次减数分裂缺失，产生 2n 雌配子51。然而，相关的功能基因还未鉴定获得。到目前为止，拟南芥（Arabidopsisthaliana）和水稻（Oryza sativa）中的 OS

26、D1 是目前分离获得与第一次减数分裂和第二次减数分裂转变相关且分子功能清楚的唯一基因。osd1 突变体可导致大孢子母细胞和小孢子母细胞的第二次减数分裂缺失，产生 2n 配子52。据 dErfurth 等53报道，拟南芥细胞周期蛋白 CYCA2;1 是第一次减数分裂过渡进入第二次减数分裂所必需的。然而，至今还未见文献报道细胞周期蛋白 A 的缺失突变可导致明显的突变表型，可能是细胞周期蛋白基因具有高度的冗余性54。相比之下，细胞周期蛋白 CYCA2;1 在性母细胞第一次减数分裂与第二次减数分裂转变中的作用是无可替代的。因此，细胞周期蛋白 CYCA2;1 在减数分裂转变中发挥了其他周期蛋白所不能提供

27、的特殊功能或拥有独特的表达模式。细胞周期蛋白CYCA2;1 缺失可导致细胞周期蛋白和细胞周期蛋白激酶复合物的生物学活性降低，从而引起第一次减数分裂与第二次减数分裂转变失败，产生 2n 配子。分裂中的细胞对外界环境变化十分敏感，如高温胁迫已被证明可以改变细胞周期相关基因的表达。据 Rymen 等55报道，玉米长期培养在夜间温度低的环境中，CYCA3;1 等有丝分裂相关基因的表达将发生明显的变化，可导致有丝分裂周期延长。在热敏感型西红柿（Solanum lycopersicum）中，生长在白天 32、夜间 26 环境的花粉母细胞表现出下调表达模式56，这为响应温度胁迫的减数分裂特异性转录提供了实验

28、证据。李燕杰26利用 38 高温对银灰杨雄花芽持续处理 3h 或 6h 后，发现 22 个与花粉母细胞减数分裂相关基因显著差异表达，部分花粉母细胞第一次减数分裂与第二次减数分裂过渡失败，获得了高达 56.3%的 2n 花粉。推测高温处理诱导银灰杨产生 2n 花粉的原因，可能是银灰杨雄花芽经高温处理诱导杨树同源基因 PtCYCA2;1 显著下调表达，导致花粉母细胞第二次减数分裂缺失所致。3植物 2n 配子发生的分子调控相关研究亦表明，植物 2n 配子的产生与自身遗传物质的表达调控密切相关。目前已在玉米、马铃薯以及拟南芥中鉴定出几个与 2n 配子发生密切关联的基因5758。例如，玉米 ARGONA

29、UTE104、AM1基因与拟南芥 DYAD/SWITCH1 基因被 T-DNA 插入突变后，性母细胞的同源染色体分离失败，姊妹染色单体分裂正常，使减数分裂周期细胞转变为有丝分裂5961，最终形成杂合性高的 FDR 型 2n 配子。拟南芥中，性母细胞周期蛋白复合物 OSD1/GIG1、TAM/CYCA2;1 受损，可导致第二次分裂姊妹染色单体分离异常，形成杂合性相对高的 2n 配子5253。在拟南芥中期纺锤体形成相关基因 jason 和 atps1突变体以及马铃薯 ps 基因突变体中，其花粉母细胞减数分裂中期平行纺锤体、融合纺锤体以及三极纺锤体可导致大量 FDR 型 2n 花粉产生62。近年来，

30、随着细胞生物学研究技术和生物信息学分析技术的进步，植物代谢调控信号途径网络的研究取得了突破性进展。有研究证实，分裂素激活蛋白酶信号途径可调控花粉母细胞减数后细胞质分裂的正常进行60。当性母细胞核减数分裂结束后，分裂素激活蛋白酶功能受损，可促使多倍性配子的发生。植物分裂素激活蛋白酶信号途径中，MPK4、MKK6/ANQ1 以及 TES/STUD/AtNACK2 这 3 个基因共同作用可使拟南芥花粉母细胞减数分裂后胞质分裂缺失，形成四倍性（4n）花粉粒63。拟南芥 DELLA蛋白基因下游靶基因 MYB33 和 MYB65 转录因子是决定花粉母细胞辐射状微管生物合成和胞质分裂的关键基因。当其表达受到

31、抑制时，花粉母细胞辐射状微管和胞质分裂出现缺陷，四分体时期产生高频率的三分体和二分体，发育形成 2n 花粉粒64。4植物 2n 花粉利用中存在的问题三倍体育种综合了倍性优势和杂种优势效应，经过一轮次育种过程就可达到综合改良多目标性状之目的。利用天然 2n 花粉与单倍性雌配子杂交是选育植物三倍体的一条重要途径。朱之悌65利用毛白杨天然 2n 花粉与毛新杨（Populus tomentosaP.bolleana）雌配子进行回交获得杂交种子，经播种育苗、苗期测定、染色体镜检、田间遗传测定等，筛选出 12 个生长速度快、材质好的三倍体毛白杨新品种。但由于天然 2n 花粉的发生具有偶然性，发生频率低且易

32、受环境条件的影响，不同年份间存在巨大差异，限制了天然 2n 花粉在育种中的应用。4北京林业大学学报第45卷随着秋水仙碱具有诱导植物细胞染色体加倍功能的发现，植物育种学家开始人工利用秋水仙碱等微管抑制剂或高温等物理诱变剂诱导杨树、桉树（Eucalyptusspp.）、杜仲（Eucommia ulmoides）、橡胶树（Hevea brasiliensis）、玫瑰等物种的花粉染色体加倍，旨在获得高频率的 2n 花粉6670。然后利用这些高频率的人工诱导型 2n 花粉与正常单倍性雌配子进行授粉杂交，以期望提高三倍体得率。然而，尽管人工诱导型 2n 花粉比例可达到 80%以上，但由于授粉杂交时单倍性花

33、粉的竞争，三倍体的得率仍然低于 0.1%。康向阳等71利用不同倍性植物花粉对辐射的敏感性差异，发现银腺杨（Populus albaP.glandulosa）混合花粉（2n 花粉与单倍性花粉）经1680rad60Co 射线照射后，与毛新杨雌配子进行授粉，获得了高达 12.9%的三倍体得率。这说明射线照射混合花粉可在一定程度上抑制单倍性花粉萌发，可提高 2n 花粉的相对萌发率，从而提高其授粉竞争能力。但通过辐射混合花粉提高 2n 花粉相对萌发率来达到提高三倍体得率的效果是非常有限的，不可能达到彻底消除单倍性花粉授粉竞争之目的。因此，开发简单实用的 2n 花粉纯化技术，获得高纯度的 2n 花粉可能

34、是未来植物三倍体育种的重要研究课题。利用化学或物理诱变剂处理正在减数分裂的大孢子母细胞，可诱导产生 2n 雌配子，进而与单倍性花粉进行授粉杂交获得三倍体，且不存在受精竞争问题。但是，与花粉母细胞相比，植物大孢子母细胞包被于子房内的胚珠中，其减数分裂过程不能利用醋酸洋红压片技术进行适时观察，需要制作石蜡切片才能进行观察。因此，解决大孢子母细胞的有效处理时期问题成为诱导获得高频率 2n 雌配子的关键。Lu 等72通过花序露出苞片的比例将响叶杨雌花芽发育过程区分为 6 个阶段，然后通过石蜡切片法研究大孢子母细胞减数分裂与各阶段的对应关系，试图从雌花芽的外部形态特征来确定大孢子母细胞染色体加倍的有效处

35、理时期，进而利用 3844的高温对雌花芽进行处理，获得了 12 株响叶杨三倍体，最佳处理的三倍体得率高达 40%。尽管通过观察雌花芽外部形态特征来判定大孢子母细胞染色体加倍有效处理时期的方法收获了一定的效果，但稳定性相对较差，不适宜于所有植物种类。植物大孢子母细胞减数分裂后，形成一个功能大孢子，功能大孢子需经历 3 次连续的有丝分裂，发育成一个具有八核七细胞的成熟雌配子体。此过程中，3 次连续的有丝分裂可为人工诱导雌配子染色体加倍和选育三倍体提供机会。Li 等73在研究银腺杨胚囊发生发育规律的基础上，利用 42 的高温处理授粉后 274h 的银腺杨雌花序，获得了高达87%的三倍体。尽管利用物理

36、或化学诱变剂诱导植物胚囊染色体加倍可以显著提高三倍体的得率，但诱导胚囊染色体加倍的有效处理时期至今仍存在争议14。另外，在诱导花粉染色体加倍、大孢子染色体加倍、胚囊染色体加倍选育植物多倍体时，均存在因花粉母细胞、大孢子母细胞的减数分裂以及胚囊发育过程中功能大孢子的有丝分裂不同步性而导致 2n配子诱导率低的问题66,73，严重影响了 2n 配子的利用。5研究展望虽然植物育种学家已对植物 2n 配子发生机理问题，从细胞学、性母细胞减数分裂转变调控以及2n 配子发生的分子调控 3 个层面开展了广泛的研究，但大多数研究仅停留在性母细胞减数分裂染色体行为、减数分裂微管骨架、胞质分裂、细胞板形态建成等细胞

37、学现象的观察，未揭示植物 2n 配子发生的深层次机理。性母细胞减数分裂转变调控和 2n 配子发生的分子调控基础研究尤其薄弱。因此，未来有关植物 2n 配子机理的研究，可能聚焦于通过高通量测序，结合生物信息学分析和多组学分析技术，发掘与植物 2n 配子发生的关键基因，解析相关基因的遗传学功能，揭示性母细胞减数分裂染色体行为、减数分裂微管骨架、胞质分裂、细胞板形态建成等异常细胞学现象以及减数分裂转变调控的深层次分子机理。随着植物性母细胞减数分裂分子调控机理的遗传解析不断深入，减数分裂转变调控功能基因 OSD1和 CYCA2;1 在性母细胞从第一减数分裂过渡到第二次减数分裂过程中的功能逐渐明晰52,

38、74。已有实验证实：OSD1 基因是拟南芥、水稻花粉母细胞从第一减数分裂过渡到第二次减数分裂必不可少的，当利用基因编辑技术敲除拟南芥 OSD1 基因后，突变植株的花粉母细胞停留在第一次减数分裂，第二次减数分裂缺失，四分体时期产生 100%的二分体74。可以预测，如能利用生物信息学分析技术，准确找到目标物种中的 OSD1 同源基因，应用CRISPR-Cas9 等基因编辑手段，精准敲除 OSD1 基因获得 osd1 突变植株，致使花粉母细胞第二次减数分裂完全缺失，不但可以获得高频率的 2n 花粉，从根本上解决单倍性花粉的授粉竞争问题，还可显著提高三倍体诱导率，有助于推动植物多倍体育种技术的进步。参

39、考文献Wang Y X,Magnard J L,McCormick S,et al.Progression1第7期张平冬：植物 2n 配子发生机理研究进展5through meiosis and meiosis in Arabidopsis anthers isregulated by an A-type cyclin predominately expressed inprophaseJ.PlantPhysiology,2004,136(4):41274135.AdamsKL,WendelJF.Novelpatternsofgeneexpressioninpolyploidplants

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