被子植物约有 20 多万种, 是植物界种类最多、分布最广和适应性最强的类群。因具有 独特的花器官, 被子植物又称为显花植物。其中, 约 85%的显花植物为雌雄同花, 而该构造 显著增加了自交授粉的概率, 进而导致有害基因纯合以致于近交衰退。为此, 显花植物演化 出多种异交促进机制, 其中约 60%的显花植物进化出了自交不亲和性(Self-Incompatibility, SI), 即正常可育的雌雄同花植物自花授粉不能产生合子的现象(de Nettancourt, 2001)。作 为一种种内生殖隔离机制, SI 可有效避免自交、促进异交, 从而增加后代的遗传多样性并增 强其生存能力。SI 在显花植物中分布非常广泛, 涉及大约 320 多个科。其中, 绝大多数自交 不亲和植物的 SI 由一个多态且复等位的 S 位点/基因座控制。该位点一般包含两类基因: 决 定花柱识别特异性的花柱 S 基因和决定花粉识别特异性的花粉 S 基因。二者紧密连锁, 构 成一个独立的遗传单元, 称为 S-单倍体型(Takayama and Isogai, 2005)。来自同一 S 单倍 体型的花柱和花粉 S 因子之间的识别称为自己识别, 而来自不同 S 单倍体型的花柱和花粉 S 因子间的识别称为异己识别。在自交不亲和植物中, 自己的花粉不能在柱头上萌发或能够 萌发但是花粉管不能伸长到达胚珠, 从而发生自交不亲和反应(Self-Pollen Incompatibility, SPI); 而异己的花粉则能完成传粉受精, 最终发生异交亲和反应(Cross-Pollen Compatibility, CPC)。 根据花的形态是否存在差异, SI可以分为同型SI (Homomorphic SI)和异型SI。(Heteromorphic SI)。基于花粉自交不亲和表型在遗传控制上的差异, 同型SI又分为配子体 自交不亲和性(Gametophytic SI, GSI)和孢子体自交不亲和性(Sporophytic SI, SSI)。GSI的 花粉表型由单倍体花粉(即配子体)携带的S基因型决定, 而SSI中花粉亲和与否则由产生花 粉的二倍体亲本(即孢子体)的S基因型决定。异型SI主要指花柱异型(Heterostyly), 其不亲和 表型与雌蕊和雄蕊形态有关。根据其形态差异, 异型SI又分为二型花柱(Distyly)和三型花柱 (Tristyly) (de Nettancourt, 2001; Takayama and Isogai, 2005; Franklin-Tong, 2008; Zhang et al., 2009; Fujii et al., 2016)。现有的研究发现五类不同分子机制的SI, 且均分布于真双子 叶植物, 其中包括常见于车前科(Plantaginaceae)、茄科(Solanaceae)、蔷薇科(Rosaceae) 和芸香科(Rutaceae)的配子体Type 1 (1类) SI, 十字花科(Brassicaceae)的孢子体Type 2 (2 类) SI, 罂粟科(Papaveraceae)的配子体Type 3 (3类) SI以及分别发现于报春花科(Primulaceae)的异型花柱Type 4 (4类)、时钟花科(Turneraceae)的异型花柱Type 5 (5类)、亚麻科(Linaceae)的异型花柱Type 7 (7类)(Shore et al., 2019; Matzke et al., 2020, 2021; Zhao et al., 2022)。

Type 1 SI植物的花柱和花粉S决定因子分别为花柱特异表达的S-核酸酶和花粉特异表 达的N端为F-box且C端为FBA/FBK (F-Box Associated/F-Box associated Kelch repreat)结 构域的SLF (S-locus F-box)蛋白(Anderson et al., 1986; McClure et al., 1989; Sassa et al., 1996, 2007; Xue et al., 1996; Lai et al., 2002; Ushijima et al., 2003; Qiao et al., 2004a; Sijacic et al., 2004; Liang et al., 2020)。当花柱道传输组织细胞合成进而分泌至细胞外基质 的S-核酸酶通过花粉管细胞膜进入其细胞质后, 可通过静电势基于“同性相斥, 异性相吸” 的原理与SLF进行自己和异己识别(Li et al., 2017)。异己S-核酸酶因与SLF的互作区带有相反的静电势而相互吸引, 促使SLF招募SSK1 (SLF-interacting SKP1-like 1)、Cullin1和Rbx1 形成SCF复合体并行使E3泛素连接酶的功能, 从而多聚泛素化异己S-核酸酶使之分步进入 26S蛋白酶体进行降解(Qiao et al., 2004b; Huang et al., 2006; Zhang et al., 2009; Zhao et al., 2010, 2021; Xu et al., 2013; Entani et al., 2014); 而自己S-核酸酶因与SLF的互作区带 有相同的静电势而相互排斥, 使得SLF无法形成SCF复合体对其泛素化, 因此自己S-核酸酶 可以在细胞质中发挥细胞毒性, 主要表现为降解核糖体RNA、调节花粉管尖端钙离子流和破 坏细胞骨架动态平衡(McClure et al., 1990; Gu et al., 2015; Qu et al., 2017; Chen et al., 2018; Yang et al., 2018), 最终使得花粉管生长停滞在花柱道中约三分之一处(图1)。

Type 2 SI的花柱和花粉S决定因子分别为花柱乳突细胞特异表达的跨膜受体激酶SRK(S-locus receptor kinase)和花药绒毡层细胞特异表达进而分泌于花粉表面的小的配体SCR (S-locus cysteine-rich protein) (Schopfer et al., 1999; Suzuki et al., 2000; Takasaki et al., 2000)。当自交授粉后, SCR可与自己SRK的胞外结构域特异互作, 促使SRK同源二聚化及 自磷酸化(Cabrillac et al., 2001; Takayama et al., 2001)。随后, 定位于乳突细胞膜上的 MLPK (M-locus protein kinase)可被SRK磷酸化, 进一步磷酸化并激活ARC1使其作为E3泛 素连接酶泛素化泡外复合体亚基Exo70A1、乙二醛酶GLO1 (Glyoxalase 1)和磷脂酶PLD1 (Phospholipase D alpha 1)等亲和因子并将其导向降解途径(Gu et al., 1998; Stone et al., 2003; Kakita et al., 2007; Samuel et al., 2008, 2009; Sankaranarayanan et al., 2015, 2017; Scandola and Samuel, 2019)。其中, Exo70A1介导的囊泡转运可将水和花粉管渗透生长所 需的酶运输至花粉与花柱乳突细胞的互作面, 从而促进花粉的吸水萌发及花粉管的渗透生 长; GLO1为乙二醛酶途径的一个限速酶, 可在亲和反应的细胞质中解毒甲基乙二醛MG (Methylglyoxal)使其不能修饰并破坏GLO1和Exo70A1等蛋白, 对于细胞生命活动的正常运 行至关重要; PLD1则能在亲和反应中催化磷脂酸PA (Phosphatidic acid)的产生进而增强乳 突细胞的胞吐作用以促进花粉萌发。然而, 自交授粉后, 由于这些亲和因子的降解使得自己 花粉不能萌发并长出花粉管, 因此产生SPI。此外, 不亲和授粉还可促进乳突细胞中活性氧 ROS (Reactive Oxygen Species)的产生(Zhang et al., 2021)以及谷氨酸盐受体样通道蛋白 GLR (Glutamate receptor-like channel)所介导的钙离子内流(Iwano et al., 2015), 从而抑制 并拒绝自交花粉(图2)。

Type 3 SI的花柱S基因PrsS (Papaver rhoeas stigma S)编码的小的分泌蛋白可以作为 配体与花粉S基因PrpS (P. rhoeas pollen S)编码的定位于花粉细胞膜上的受体进行自己识 别, 并最终引发自己花粉的细胞程序性死亡(Programmed Cell Death, PCD) (Foote et al., 1994; Thomas and Franklin-Tong, 2004; Wheeler et al., 2009)。在此过程中, Ca2+和K+的 快速内流为最早发生的细胞事件之一。由于细胞质中游离Ca2+浓度瞬时增加, 进而导致无机 焦磷酸酶(Inorganic pyrophosphotases, sPPases) Pr-26.1a/b磷酸化并失活、MAPK (Mitogen-activated protein kinase)蛋白p56磷酸化并激活、微丝解聚以及ROS和NO含量爆 发(Thomas et al., 2006; Li et al., 2007; Wilkins et al., 2011)。其中, 自己花粉中失活的无机 焦磷酸酶Pr-26.1a/b由于无法通过水解无机焦磷酸(Inorganic Pyrophosphate, PPi)促进生物 合成与细胞的快速生长, 因而抑制了自交花粉管尖端的生长(de Graaf et al., 2006)。激活的 MAPK则可促进NO产生并介导可逆不亲和反应向不可逆PCD转变。此外, 不亲和授粉还可 诱导花粉中ROS的爆发, 该信号分子的显著增多与微丝解聚均可诱导下游PCD的产生 (Wilkins et al., 2011), 从而导致自己花粉管生长受阻(图3)。

Type 4 SI由一个半合子S超基因位点控制, 其中包括紧密连锁的控制花柱长度和雌性SI 的G位点基因CYP (Cytochrome P450), 控制花药位置的A位点基因GLO2 (GLOBOSA2), 以及未知功能的KFB (Kelch repeat F-box)、CCM (Conserved cysteine motif)和PUM (Pumilio-like RNA-binding protein) (Huu et al., 2016, 2020; Li et al., 2016)。当S位点基因 型为S/s时, 表现为短花柱(S-morph/Thrum); 当其为s/s时, 则为长花柱(L-morph/Pin) (Lewis and Jones, 1992)。这两种不同形态的花杂交时表现为完全亲和, 而自交时则为不亲 和或结实率极低。研究表明, CYP基因在短型花柱中特异表达, 其编码产物CYP734A50通过 失活油菜素甾醇(Brassinosteroids, BRs)抑制花柱伸长, 这与BR在长型花柱中十分丰富, 而 在短型花柱中几乎检测不到相一致。长型花柱中丰富的BR进一步促进短花柱花的花粉受精 而抑制长花柱花的花粉受精, 使得短花柱和长花柱花的花粉给长花柱授粉后分别表现为亲 和与不亲和; 而在短花柱中由于CYP734A50对BR造成抑制, 使其无法促进短花柱花的花粉 并抑制长花柱花的花粉, 因此两种花粉给短花柱授粉后分别表现为不亲和与亲和(Huu et al., 2022) (图4)。与Type 4 SI不同的是, Type 5 SI的S位点由三个基因构成(Shore et al., 2019)。 其中, TsSPH1 (Turnera subulata SPH1)在花药和花丝中表达, TsYUC6只在花药中表达, TsBAHD则在花柱中表达并包含保守的BAHD酰基转移酶活性域(Shore et al., 2019; Matzke et al., 2020)。与CYP734A50功能相似, TsBAHD可通过酰化作用抑制BR进而调控自交和异 交花粉管的生长(Matzke et al., 2021)。

Type 6 SI由