高溫對植物減數分裂過程的影響

周巧玲　郭恒琳　勾曉婉

摘要 由于全球氣候變暖，高溫天氣變得更加頻繁，導致溫度變化敏感的作物產量大幅度下降。植物減數分裂過程對溫度變化更為敏感，僅次于開花期。減數分裂期間的高溫可能導致粗線期染色體配對中斷、紡錘體形成有缺陷、交叉頻率下降等，最終導致植物的育性下降。因此，研究極端溫度對作物的影響至關重要，將有助于培育作物的抗逆性。基于此，主要綜述了植物減數分裂期間高溫造成的同源染色體配對缺陷、激素水平以及絨氈層發育等異常情況，以期進一步促進相關領域的研究。

關鍵詞 熱脅迫;減數分裂;小孢子母細胞

中圖分類號：Q945.78 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）11–0071–03

氣候變化日益嚴重已經給世界范圍內的農業生產帶來了重大影響，高溫導致產量嚴重下降，給未來的全球糧食安全帶來極大風險[1]。不斷增長的糧食需求和全球氣候變化造成的嚴重農作物損失，迫切需要制定戰略，大幅度改善糧食供應。作為固著生物，植物經常受到干旱、寒冷、鹽分和高溫等環境因素的影響，這些因素都會顯著影響植物的繁殖和受精過程。盡管栽培作物廣泛適應世界上多個地區的生長環境，但一些發育階段對環境脅迫非常敏感，特別是花藥和花粉發育期間的溫度波動[2-3]。而在花藥發育中一個至關重要的過程為減數分裂。

減數分裂是一種特殊類型的細胞分裂，在植物中發生在小孢子母細胞和大孢子母細胞中，產生倍性減半的配子。在減數分裂的早期，同源染色體中非姐妹染色單體的交叉互換實現驅動遺傳信息的交換。減數分裂重組在后代中產生新的遺傳等位基因組合，可以在群體中自然選擇，保護同源染色體的平衡分離，這對產生活配子和生育能力至關重要。

植物的雄配子減數分裂對環境溫度的變化十分敏感。由于受到全球變暖的影響，溫度逐年上升，當溫度超過植物生長的最適宜溫度時，會顯著影響植物的育性，因此大量的研究集中在高溫對小孢子母細胞的影響。

1 高溫對減數分裂過程的影響

1.1 聯會復合體、聯會、交叉互換、同源染色體配對缺陷

由于同源染色體的配對和聯會依賴于染色體軸和聯會復合體（synapto-nemal complex，SC）的正確結構，而高溫會干擾染色體結構，誘導單價體的形成，從而破壞減數分裂過程。在大多數有性繁殖的真核生物減數分裂過程中，遺傳交叉（crossover，CO）的形成對染色體的準確分離至關重要。通常28℃為擬南芥可育的閾值溫度，而37℃高溫處理下的同源四倍體擬南芥，觀察到偶線期的染色體橋狀結構和粗線期受損的染色體配對和聯會，表明高溫誘導了染色體的異常相互作用，干擾了同源聯會。另外，溫度升高可通過調節擬南芥Ι型CO的形成而影響減數分裂的重組速率，有學者發現擬南芥中參與I型CO形成途徑的HEI10豐度在熱脅迫下降低，導致染色體在后期I和四分體階段不均等分離。Lei等[4]也發現了高溫對染色體配對過程的破壞作用。在未經過高溫處理的擬南芥對照組，在終變期觀察到5對同源染色體配對的二價體，而36℃～38℃熱脅迫處理的擬南芥出現10個單價體，并且導致減數分裂后期Ι同源染色體不平衡分離。此外，在減Ι后期觀察到著絲粒位點數目超過10個，表明姐妹染色單體之間的凝結力缺失，造成染色單體過早分離。這些結果表明：熱脅迫干擾了雄性減數分裂的染色體動態，導致染色體分離不平衡。

在擬南芥的研究中發現了CDKG1/CyclINL復合體在雄性減數分裂的聯會和重組過程中必不可少。在cdkg1-1純合子突變體中觀察到不完全聯會和不正常的二價體和單價體數目，說明cdkg1的缺失會影響聯會和染色體分離。同時，CDKG影響CO頻率，CDKG活性的下降揭示了一種雄配子特有、對溫度敏感的影響CO頻率的途徑。除此之外，在所有真核生物中，RAD51對減數分裂過程中的DNA重組是必不可少的，而擬南芥中的Atrad51C缺陷會導致四分體發育成大小不一的異常小孢子。這些小孢子繼續分化將成為大小不規則的花粉粒。在擬南芥突變體spo11中也發現了類似的不規則花粉粒。

減數分裂過程中DNA雙鏈斷裂（double-strand breaks，DSBs）的形成在高溫下也受到抑制。在多個物種中，ATM （全稱ATAXIA TELANGIECTASIA MUTATED）的活性與DSBs豐度呈負相關。它在感知DNA損傷和隨后引發DSBs修復事件方面的功能十分保守。擬南芥最近的一份報告表明，ATM通過限制SPO11-1在染色質上的積累來限制DSBs的形成，而Atm突變體增加了SPO11-1的數量。先前已經發現在熱脅迫的二倍體擬南芥中ATM的表達上調，因此高溫可能通過激活ATM干擾DSBs的形成，并伴隨著單價體的誘導。熱脅迫還破壞染色體上ASY1和ASY4（軸相關蛋白）的穩定性，從而影響染色體軸的形成。高溫通過使ASY4介導的軸的穩定性受損，破壞與ASY1相關的聯會復合體的穩定性，在同源四倍體擬南芥中，熱脅迫破壞了聯會復合體中依賴ZYP1的橫向細絲的構建。Higgins等[5]對大麥的研究表明：高于35℃的高溫導致CO形成迅速減少，30℃時平均每個花粉母細胞中的CO頻率從14.8下降到13.5。因此，認為CO的減少與CO分布的改變在某種程度上是相關的。

1.2 激素水平異常

赤霉素（GAs）、生長素（IAA）和乙烯（Ethylene）等植物激素在花粉發育過程中起著重要作用。有研究表明，它們參與了高溫中雄性生殖細胞的保護。生長素在花粉發育的早期和晚期產生，調節小孢子有絲分裂、花絲伸長、花粉成熟和花藥開裂。在長期接觸高溫的大麥花藥中，生長素濃度的下降可能是導致花粉敗育和不育的主要因素。乙烯水平的下降增強了番茄小孢子對中等高溫的敏感性。

激素在花粉發育方面起著重要的作用，過量的脫落酸（ABA）和低水平的IAA及細胞分裂素（CTK）可能會導致育性下降或花粉不育。對水稻的研究發現高溫明顯使粒重下降，高溫引起了幼穗中IAA、玉米素（Z）和玉米素核苷（ZR）的減少，ABA含量的增加。耐熱品種在高溫下受精結實較好，檢測發現其幼穗中存在較高的IAA、Z+ZR和游離多胺含量，較低的ABA含量和高表達的氧化還原調控相關的蛋白有密切關系。

1.3 絨氈層、紡錘體、胞質、花藥壁等形成異常

胼胝質（1，3-b-葡聚糖）是小孢子母細胞的特殊細胞壁，在小孢子細胞壁的形成中起到重要作用。Filomena等[6]發現，番茄在36℃/26℃（日間/夜間）下生長3 d后，孢子體和配子體組織發生了顯著的變化。由于絨氈層分泌酶將小孢子從四分體壁中釋放出來，在小孢子發育過程中作為營養來源，因此熱脅迫誘導的絨氈層缺陷可能強烈影響雄配子發生的進程，從而影響小孢子細胞的正確形成。在熱脅迫大麥花藥中，減數分裂特異基因Asy1和花藥脂轉移蛋白（LTP）編碼基因過早激活，LTP通常在退化前的成熟絨氈層細胞中高表達。由此推測，高溫加速了花藥早期發育進程，如花粉母細胞進入減數分裂、花藥壁細胞增殖受阻和細胞降解。在矮牽牛的PCF細胞質雄性不育系中，也觀察到類似的早熟絨氈層退化。在CMS甜菜中，LTP的表達受到強烈抑制。這些事件可能是高溫導致花粉敗育和雄性不育的原因。

在雙子葉植物和單子葉植物中，低溫主要通過干擾胞苷膜的形成，影響胞質分裂，從而誘導減數分裂恢復和未減數配子的形成。相比之下，高溫條件下染色體動力學和胞質分裂都容易受到影響，尤其是減數分裂重組對熱應激的反應更復雜。在擬南芥中發現，經過熱處理后，同源四倍體擬南芥中期Ⅰ微管陣列沒有顯示典型的紡錘體構型而是它與隨機分布的單價染色體結合起來，同源染色體在減數分裂時分離不平衡，導致不規則的成膜體形成。中期Ⅱ觀察到紡錘體斷裂現象。這樣的改變導致相鄰細胞核之間產生不平衡的四分體和多聚體。Lei等[4]也觀察到一個孢子內多個大小不一的核和多分體的出現，表明染色體分離不平衡。在中期Ⅰ，還觀察到不規則的紡錘體，微管豐度下降，染色體由線形微管連接，這表明熱脅迫嚴重損害了減數分裂Ι紡錘體的穩定性。同時，微管纖維明顯降低說明成膜細胞的穩定性也受到了影響。這些結果表明，高溫脅迫對雄性減數分裂過程中的微管細胞骨架有顯著的影響。

高溫還影響到花藥壁的發育。在突變體wda1中，花藥壁發育時沒有角質層，而且在四分體時期，小孢子母細胞不會被花粉壁外壁覆蓋，從而導致敗育。結果表明：在花藥表皮細胞層，Wda1直接參與蠟質合成，間接參與花粉被的形成。

1.4 其他異常現象

大量研究表明，熱應激轉錄因子（Hsfs）和熱休克蛋白（HSPs）是響應高溫脅迫的分子機制中的關鍵成分。與營養組織相比，雄性生殖細胞在發育過程中的高溫敏感性通常被歸因于花粉粒啟動熱應激反應能力較弱，從而產生少量的熱休克蛋白。然而，這一假說可能只適用于成熟花粉，因為不同的研究發現HSPs在發育中的花藥和高溫中的花粉粒中高表達。熱休克蛋白作為分子伴侶，通常與高溫后形成的變性蛋白結合，避免它們出現錯誤折疊、聚集或過早清除的情況，并使其能夠重折疊和恢復天然構象。

Min等[7]在研究棉花中發現H05的花藥在高溫下蔗糖向葡萄糖和果糖的轉化存在缺陷，導致蔗糖積累，激活淀粉合成途徑，進而影響花藥下沉強度。在H05的花藥中，高溫誘導的GhCKI表達較早且更為顯著，高濃度的GhCKI抑制了淀粉合成酶的活性，降低了花藥發育過程中淀粉和GLC的含量。GLC或可溶性糖可能通過PIF蛋白調節生長素的生物合成，PIF蛋白可能正向調節高溫下HT敏感品系H05的花藥中生長素的生物合成。另一種可能性是GhCKI直接磷酸化GhPIF蛋白，調節植物激素生物合成基因，最終導致H05的花藥敗育。植物SnRKs（尤其是SnRK1）可以補充酵母蔗糖非發酵1（Snf1）突變體的功能，促進淀粉合成。SnRK1的沉默導致花粉中淀粉的異常積累和大麥的雄性不育。

2 結束語

本研究綜述了植物減數分裂期間溫度的脅迫作用，包括同源染色體配對缺陷、激素水平異常、絨氈層發育異常等。高溫導致花藥早期發育程序和生命周期的過早進展，一系列基因，包括減數分裂特異的基因ASY1和花藥特異的LTPS在高溫中過早上調。花藥細胞的發育和分化，包括細胞譜系和細胞命運的確定，都是有良好調控的程序。造孢細胞分化為小孢子母細胞，進入減數分裂。此外，在花粉成熟和花藥壁開裂的過程中，花藥壁細胞的4個分位層（表皮、藥室內壁、中層和絨氈層細胞）依次退化，排除成熟花粉。這一降解過程由程序性細胞死亡控制，因此高溫可能通過影響調控程序性死亡過程的基因，加速花藥死亡，以保存自身能量，維持正常的新陳代謝功能。由于減數分裂過程受到多條路徑的交叉調控，如激素水平。因此，關于極端溫度對作物的影響，只關注減數分裂過程遠遠不夠，還需從多個方面出發，綜合考量溫度對作物生長和產量的影響。

有研究推測，到2060年不利天氣頻率可能會大幅度增加，導致作物歉收更加頻繁。如果目前的氣候趨勢持續下去，對耐熱作物的培育變得越來越重要，仍需科研工作者進一步努力。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

Effects of High Temperature on Meiosis of Plants

ZHOU Qiao-ling et al（Institute of Integr-ated Plant Biology，? School of Life Sciences， Jiangsu Normal University， Xuzhou， Jiangsu 221116）

Abstract As a result of global warming， hot weather has become more frequent， leading to a significant decline in the yield of temperature-sensitive crops. The meiosis process is more sensitive to temperature changes， second only to flowering. High temperature during meiosis may lead to chromosome pairing interruption， defective spindle formation， decreased crossover frequency， etc.， and ultimately lead to decreased fertility of plants. Therefore， studying the effects of extreme temperatures on crops is crucial and will help to foster stress resistance in crops. Based on this， this paper reviews the abnormal homologous chromosome pairing defects， hormone levels and tapetum development caused by high temperature during meiosis in order to further promote the research in related fields.

Key words Heat stress; Meiosis; Microspore mother cell

基金項目 江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃（201910320052Z）;江蘇省自然科學基金項目（BK20190996）;江蘇師范大學博士學位教師科研支持項目（18XLRX033）;江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目（KYCX21_2606）。

作者簡介 周巧玲（2001—），女，湖南衡陽人，主要從事植物細胞遺傳學研究。#通信作者：勾曉婉（1988—），女，黑龍江甘南人，講師，主要從事植物細胞遺傳學及進化研究，E-mail：gouxw@jsnu.edu.cn。

收稿日期 2021-08-21