植物花粉发育研究进展及CRISPR/Cas9技术在雄性不育系中的应用
摘要：花粉发育对作物育种、杂交制种以及基因漂移的调控等具有重要意义，花粉正常发育并且具有活力是植物繁殖的必要条件，是保障高结实率的重要前提。花粉发育是受到环境因子、遗传因子和表观遗传因子等一系列因素严格调控的过程，其任何一方受阻都会导致败育的发生导致作物减产，本文从环境因子、遗传调控因素和表观遗传调控因素等三方面对植物花粉发育研究进行综述，并对CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术在雄性不育系构建中的应用进行说明。
随着CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物中的推广，提高各种作物的基因编辑效率已经成为一个研究热点，如何发掘调控番茄花粉发育的重要基因，并利用CRISPR/Cas9技术对基因功能进行验证是当下研究的一个热点。
关键词：花粉发育；雄性不育；遗传调控；表观因子
1引言
植物的花粉发育过程从孢原细胞的分化开始，孢原细胞存在于幼花药四角的表皮下，分为两层细胞。细胞内层称为造孢细胞，分裂形成花粉母细胞，细胞外层称为外周细胞，分裂形成室壁的纤维层、中间层和绒毡层。在后来的发育过程中，花粉母细胞历经第一次减数分裂形成两个子细胞，两个子细胞的细胞核与此同时进行第二次分裂，分裂后产生大小均一、双侧对称的四分体，并逐渐分裂成四个单核小孢子。之后随着单核小孢子的发育，细胞核进行一次不均等的有丝分裂，形成一个营养核和生殖核。生殖核靠近花粉壁，而营养核则占据细胞中央。在花粉发育过程中，以上任一步骤出现异常都可能会引起雄性不育[1]。
利用雄性不育突变体开展杂交育种工作，是快速提高作物单产的有效途径。植物雄性不育在植物界存在普遍，雄性不育的植株雄蕊发育不正常。利用雄性不育可以免去人工去雄这一步骤，简化制种程序，降低种子成本，提高种子纯度。如何开发更便于生产应用的雄性不育系是农作物杂交育种研究的重点[2]。利用基因编辑技术改变花粉发育重要基因，能快速获得不同品种的不育系，将是作物杂种优势利用研究的发展趋势[3]。
2环境和遗传调控因子对花粉发育的影响
迄今为止，关于花粉发育的研究，主要集中在环境因子和花粉发育相关基因的表达调控上。在环境因子方面，众多研究表明温度、光照、缺素等环境因子均可引起花粉的生理性不育[4]。如低温胁迫引起四分体时期的胼胝质和绒毡层降解异常，导致花粉外壁发育异常，致使花粉不具备正常的生物学功能[5-7]，而热胁迫则使减数分裂期间染色体行为受到影响，导致四分体小孢子之间的染色体分离不平衡而形成游离的二倍体小孢子[8-9]。在遗传模型方面，Sawhney等（1997）首次在番茄中分离获得条件性雄性不育株系7B-1，表现为仅在长光照条件下（16小时光照/ 8小时黑暗），植株的雄蕊收缩并且产生无活力的小孢子[10]。Lyu等（2019）在拟南芥中鉴定到一个C2H2-ZFP型基因，编码雄性受精相关的锌指蛋白1（MAZ1），该基因优先在花粉发育的早期表达，其突变体表现为四分体时期初生外壁的沉积减少，小孢子细胞壁发育受阻，最终导致花粉败育[11]。Wen等（2019）发现水稻中OsCPK21(Calcium-dependent protein kinase 21)敲除会导致转基因植物花药发育的第10阶段开始出现严重的花粉发育缺陷，花粉真空且形状异常，并伴随着后期花粉细胞死亡[12]。Gan等（2019）发现生长素转运蛋白SlPIN8在花粉内的特异性表达，在SlPIN8-RNAi转基因植物中，雌配子体功能并无异常，但大约80％的花粉粒异常且缺乏活力，呈干瘪状态，最终诱导了无核果实的产生[13]。
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