1。2。4 绒毡层发育过程相关基因分类及其研究进展

花粉发育依赖于双倍体孢子体细胞层尤其是绒毡层的支持。在花药发育过程中，绒毡层为花粉的发育及花粉壁的正常形成提供了所需物质和营养。植物绒毡层作为花药壁最内层细胞，在花粉发育过程中，主要功能便是向小孢子运送营养物质，从而为花粉母细胞减数分裂和花粉小孢子发育提供营养。随后，小孢子细胞的释放也依赖绒毡层细胞分泌的胼胝质酶，它能分解四分体之间的胼胝质结构。绒毡层上的乌氏体和绒毡层小体在花粉壁和花粉包被的形成过程中起重要作用。因此，绒毡层细胞与花粉粒的正常发育有着千丝万缕的联系。研究表明绒毡层细胞程序性死亡是绒毡层异常导致花粉败育的主要原因[22, 23]。在模式植物拟南芥和水稻等物种中, 已有许多与绒毡层形成及发育相关基因相继被克隆。我们根据其在不同阶段发挥作用不同将相关基因分成以下类型：

1）绒毡层形成及早期器官分化中发挥作用基因

EMS1/EXS是一个在绒毡层发育过程中发挥重要功能的富亮氨酸重复序列的受体样蛋白激酶（Leucine-rich repeat receptor protein kinase，LRR-RPK）。该基因突变体中不能形绒毡层而小孢子母细胞数量异常增多。进一步分析表明过量的小孢子母细胞是从绒毡层前体细胞分化而来，且这些细胞的总数与正常的绒毡层和小孢子母细胞数目之和相等。由于绒毡层的缺失，小孢子母细胞不能正常发育最终导致花粉败育[24, 25]。另一个基因Tapetum Determinant1(TPD1)编码一个176个氨基酸的分泌蛋白，其突变体tpd1具有与ems1/exs一致的表型，表现为过量的小孢子母细胞取代了绒毡层[26]。后续实验证实TPD1和EMS1蛋白能够相互作用，二者可能以配基-受体复合体的方式调控绒毡层和小孢子母细胞的分化，进而在相同的信号转导途径中发挥作用[27]。SERK1和SERK2是拟南芥中两个高度相似的富含亮氨酸的受体蛋白激酶，也属于LRR-RPK，它们在绒毡层中高表达，也是其形成所必须的[28, 29]。在绒毡层质膜中SERK1和SERK2的复合物与EMS1形成三体复合物，随后结合TPD1蛋白，激活信号复合物[30]。

2）转录因子调控绒毡层形成过程基因

DYSFUNCTIONAL TAPETUM1（DYT1）是一个在拟南芥花药发育及绒毡层早期分化中重要的中心调控因子[31]。水稻同源蛋白为Undeveloped Tapetum1（Udt1），属bHLH转录因子家族，在T-DNA插入导致的udt1不育突变体中，减数分裂期其绒毡层不能分化而呈空泡状[32]。此外，突变体的性母细胞也不能发育成小孢子，中间层细胞无法降解，花粉囊内不能形成正常花粉[31, 33]。Tapetal Development and Function 1（TDF1）编码一个R2R3-MYB家族转录因子，调控绒毡层早期发育及其正常分泌功能，突变体表现为绒毡层细胞无法分化为分泌型细胞，且不能形成胼胝质酶[34]。ABORTED MICROSPORES（AMS）也属于bHLH转录因子家族，由其编码的蛋白在花药绒毡层的发育和小孢子母细胞减数分裂中起重要调控作用[35]。拟南芥中的bHLH家族蛋白AMS以及水稻中同源蛋白TDR1在花药发育早期的绒毡层细胞中特异积累，其突变体绒毡层细胞不能及时降解，小孢子由于能量供应不足从四分体释放后即解体，从而表现为花粉败育[36, 37]。水稻eat1突变体表型与tdr1类似，虽然可以通过减数分裂形成小孢子，但是由于绒毡层细胞PCD延迟，使小孢子最终无法形成成熟花粉粒[38, 39]。Fu等通过辐射诱变获得一个水稻雄性不育突变体tip2 [40]，Ko等发现该突变体是由于转录因子bHLH142功能异常，引起绒毡层不能正常解体，没有形成正常的小孢子 [41]。目前发现的参与水稻花粉形成的4个bHLH转录因子均与绒毡层细胞的发育以及程序性死亡有关，其中UDT1居于上游，可调节bHLH142基因的表达，而bHLH142与TDR1蛋白形成的复合体可对下游EAT1基因的表达进行调控，EAT1基因直接调控绒毡层PCD相关基因的表达保证小孢子正常的正常发育，因此bHLH家族转录因子相互协作才能在花粉形成过程中发挥关键作用[42]。此外，MS188/MYB80属于MYB家族转录因子家族，其在绒毡层和小孢子中特异表达[43]。ms188突变体的绒毡层细胞的细胞壁不能被降解，且绒毡层不能分泌胼胝质酶，因而四分体中小孢子不能释放[44]。MS1基因编码PHD同源家族转录因子，ms1突变体也是一个雄性不育突变体。突变体小孢子能从四分体中释放，但在花粉发育后期，绒毡层和小孢子逐渐空泡化，绒毡层分泌和细胞程序性凋亡，外壁合成出现异常，导致花粉败育[45]。Ito等研究发现MYB99可能是MS1的靶位点。myb99突变体中绒毡层细胞较薄、育性有所下降，但是对小孢子的影响不大，可能与其他MYB家族的基因存在功能冗余[46]。TEK基因编码AT-HOOK家族的蛋白质，在四分体时期的绒毡层中特异表达。该基因突变体的小孢子在减数分裂后破裂降解，导致雄性完全败育的表型[47]。