‘紫婵’大花紫薇雌性不育的转录组解析：激素信号通路与SPL基因家族的协同调控机制

《BMC Plant Biology》：The transcriptome analysis reveals the regulatory mechanisms of female sterility in Lagerstroemia speciosa ‘Zichan’

本研究针对杂交育种中普遍存在的胚珠败育难题，以珍贵木本观赏植物‘紫婵’大花紫薇为材料，通过细胞学观察与多组学联用，首次系统揭示其雌性不育由八核胚囊期发育阻滞引发，并挖掘出AGL15、AG1、ARF6、GID1B等关键基因通过赤霉素、生长素和细胞分裂素信号通路互作失调导致胚囊败育的分子网络，为木本植物不育机制研究与育种实践提供了新靶点。

　　

在植物杂交育种中，胚珠败育是导致生殖障碍的关键因素之一，尤其对于紫薇属（Lagerstroemia）这类观赏价值高但杂交亲和性差的木本植物。大花紫薇‘紫婵’（Lagerstroemia speciosa 'Zichan'）作为一个连续开花且完全不结实的雌性不育 cultivar，其胚囊发育异常的具体机制尚未明确。能否解析其不育的细胞学特征与分子调控网络，不仅关系到该品种的生殖生物学认知，更对紫薇属杂交育种改良具有重要实践意义。

为揭示‘紫婵’雌性不育的成因，Yin 等人综合运用石蜡切片技术、扫描电镜（SEM）、花粉管荧光追踪及多时期转录组测序，系统比较了‘紫婵’与可育型大花紫薇在胚囊发育关键阶段的形态差异与基因表达动态。

研究发现，‘紫婵’的柱头形态与花粉管引导能力并无显著缺陷，其不育根源在于胚囊发育至八核期后出现纤维结构紊乱、萎缩退化。转录组分析显示，在二核胚囊期AGL15基因显著下调，可能通过影响赤霉素代谢通路干扰胚囊形成；AG1基因的异常高表达则触发了生殖抑制信号。在八核胚囊期，生长素信号通路中AUX/IAA蛋白积累抑制了ARF6活性，ARF7/ARF9的代偿性激活未能逆转败育进程；同时GID1B功能异常导致DELLA蛋白（GAI1）滞留，进而阻碍赤霉素响应基因的表达。SPL家族基因在四核胚囊期异常高表达，可能通过调控生长素空间分布间接影响发育。细胞分裂素信号通路中AHK2、AHP1、ARR12等关键元件表达下调，进一步加剧了胚囊发育阻滞。

关键实验方法概述

研究以10年生大花紫薇及‘紫婵’植株为材料，按花蕾直径分阶段取样。通过石蜡切片与HE染色观察胚囊发育进程；扫描电镜分析柱头超微结构；异花授粉后利用荧光显微镜追踪花粉管行为；选取四核、八核及成熟胚囊期样本进行RNA-seq，依托BMK Cloud平台进行差异基因筛选与GO/KEGG富集分析；qRT-PCR验证候选基因表达模式。

主要研究结果

柱头形态与结构分析

电镜与石蜡切片显示，‘紫婵’柱头乳突细胞排列、分泌物含量及引导组织结构与可育型大花紫薇无显著差异，表明柱头功能并非不育主因。

花粉管萌发不受抑制

授粉24小时后，花粉管在‘紫婵’花柱中正常生长并抵达胚珠，排除花粉-雌蕊互作障碍，证实败育源于胚囊自身发育缺陷。

胚珠发育停滞阻碍雌配子体形成

胚囊发育至八核期后出现降解迹象，成熟期完全萎缩，无法形成具功能的雌配子体。

差异表达基因分析

DEGs数量在成熟胚囊期最多（上调11,284个，下调3,078个），富集于植物激素信号转导（ko04075）、MAPK通路等。Z2 vs Z3比较中，SPL16、AGL61等基因下调，提示其参与胚囊成熟调控。

激素相关基因调控网络

生长素通路中ARF6持续低表达，AUX/IAA与GH3家族成员动态变化；赤霉素通路GID1B在八核期下调导致GAI1积累；细胞分裂素受体AHK2及信号转导元件AHP1、ARR12表达显著降低。

花器官发育基因表达异常

AG1在二核期上调，SPL家族基因在四核期高表达，ANT与BEL1在八核期后激活，可能共同扰乱胚珠发育编程。

结论与讨论

本研究首次明确‘紫婵’大花紫薇雌性不育的关键时期为八核胚囊期，并构建了多激素通路交叉调控的分子模型：细胞分裂素信号减弱、GID1B功能障碍导致的DELLA蛋白滞留、ARF6活性抑制等因素协同阻碍胚囊成熟；SPL家族及花器官发育基因的失调进一步加剧败育。该研究为木本植物雌性不育机制提供了转录水平的新见解，为通过基因编辑或激素调控恢复育性奠定了理论基础。未来需对ARF6、GID1B等关键节点进行功能验证，并建立赤霉素-生长素-细胞分裂素互作的定量调控模型。

论文发表于《BMC Plant Biology》（2025），题为“The transcriptome analysis reveals the regulatory mechanisms of female sterility in Lagerstroemia speciosa 'Zichan'”。