花发育分子生物学

植物花发育的分子生物学一、花发育特点：花发育分为开花诱导、花的发端和花器官发育3个阶段,是由多种基因参与的十分复杂的调控过程。首先,在外部环境和植物体内信号的作用下,植物顶端分生组织从营养生长向生殖生长转变,这一过程主要受光周期促进、自发促进、开花抑制、春化促进和赤霉素诱导等多条途径共同控制。然后,这些途径综合作用于花/花序分生组织特异基因,致使茎端分生组织向花序(花)分生组织转化;接着,花/花序分生组织向成花转变,激活花器官特性基因的表达,最后形成花器官。近年来,通过对拟南芥、金鱼草和矮牵牛等模式植物花发育的研究,分离鉴定了一大批与植物花发育相关的基因,为阐明植物花发育的分子机理奠定了坚实的基础,同时,也促进了多年生植物花发育分子机理的研究。二、开花诱导及其基因调控植物顶端分生组织从营养生长向生殖生长转变受控于外界环境和植物体内在的信号,这一过程称为开花诱导，也叫开花决定。不同植物进化过程中演化出不同的生殖策略：一些植物的开花时间受光照、温度、水分、营养等环境因子的影响，以使植物能在最适条件下开花结果。另一些植物对环境变化不敏感，由营养生长的积累量等内部信号引起开花。缺乏营养和干旱等胁迫也可引起开花。中文名称拉丁学名科属童期长度月季Rosa×hybrida蔷薇科蔷薇属20–30天葡萄Vitisspp.葡萄科葡萄属1年兰花（草本）Cattleya,Cymbidium,Oncidium兰科4–7年苹果Malussylvestris蔷薇科海棠属4–8年柑橘Citrussinensis芸香科柑橘属5–8年洋常春藤Hederahelix五加科常春藤属5–10年北美红杉Sequoiasempervirens杉科北美红杉属5–15年欧亚槭Acerpseudoplatanus槭树科槭树属15–20年英国栎Quercusrobur壳斗科栎属25–30年欧洲山毛榉Fagussylvatica壳斗科水青冈属30–40年不同木本园艺植物童期长度中文名称拉丁学名品种名科属成年期需具备的叶片数(枚)耧斗菜Aquilegia×hybridaMckana’sGiant12Fairyland毛茛科耧斗菜属15蒲包草Calceolariaherbeohybrida玄参科蒲包花属5翠菊Callistephuschinensis菊科翠菊属4大花金鸡菊CoreopsisgrandifloraSunray菊科金鸡菊属8天人菊Gaillardia×grandifloraGoblin菊科天人菊属16红花矾根HeucherasanguineaBressingham虎耳草科矾根属19薰衣草LavandulaangustifoliaMunstead唇形科薰衣草属18金光菊RudbeckiafulgidaGoldsturm菊科金光菊属10不同草本园艺植物童期的长度开花诱导是植物生殖生长启动的第1阶段,目前已证明开花是受光周期促进、春化促进、自发促进、赤霉素诱导、开花抑制、和碳水化合物诱导等多条途径控制。这些途径通过调控一些开花途径共同控制的整合基因,如FLOWERINGLOCUST(FT)、LEAFY(LFY)、SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANS1(SOC1)和FLOWERINGLOCUSC(FLC)等,实现对植物开花时间的调控。其中LFY也在花/花序分生组织形成中起作用。图花发育基因之间的遗传模式1.光周期诱导途径在光周期途径中,感受光诱导的部位是植物的叶片,感受光的物质是光受体。光受体大致可分为3类,即光敏色素(phytochromes)、隐花色素(cryptochrome)和紫外线B类受体(ultravioletB)。远红光、蓝光通过促进PHYA和CRY1/2促进开花，红光通过PHYB/D/E抑制开花。光受体感受日长和夜长,产生昼夜节律(circadianrhythm)。这时光受体本身(或与其有关的一些物质之间)会形成某种平衡;当昼夜节律发生变化时,这种平衡就会被打破,促进(或抑制)一些基因表达,从而启动(或抑制)开花进程。模式植物拟南芥在长日照条件下,昼夜节律平衡被打破,CO基因在叶中的表达量上升,CO基因的表达积累到一定阈值会诱导FT基因的表达。目前FT基因的mRNA(或蛋白)被认为是促进开花的关键因子。FT基因在叶中表达,其表达产物被运输至顶端分生组织与FD蛋白结合,从而激活花分生组织决定基因LFY和AP1的表达,启动开花进程。LFY基因是花序分生组织转变为花分生组织过程中的一个关键因子,它能够促进AP1、AP3、AG和PI的表达。2.春化途径春化作用与蛋白质和核酸代谢的关系密切。也有学者认为,春化作用参与调节发育过程的化学本质是DNA的甲基化作用。FLC基因在拟南芥的春化过程中起着关键作用,AP1-like基因则在其它也需要春化作用的非十字花科植物中起类似作用。目前分离到的与春化作用相关的基因有FLC、VRN2、VRN1、VIN3、VER2、PIE1、HP1、TFL2和ELF等。中文名称拉丁学名光周期诱导春化诱导赤霉素诱导金盏菊Calendulaofficinalis兼性长日照植物0–5°C处理10–45天100mg·L–1GA3喷施提前18天开花唐菖蒲Gladiolusgandavensis日中性植物2–5°C处理8周20mg·L–1GA3浸球促进开花仙客来Cyclamenpersicum日中性植物0–4°C处理10–15天20mg·L–1GA3处理花期提前紫罗兰Matthiolaincana日中性植物5–10°C处理20天左右GA3(25×10–5kg·L–1)喷雾处理可促进开花菊花Chrysanthemummorifolium短日照植物0–5°C苗期越冬GA3在0–200mg·L–1，随浓度增加开花加快杜鹃Rhododendronsimsii专性短日照植物–10°C处理4–6周500–2000×10–6kg·L–1GA3花期提前德国鸢尾Irisgermanica长日照植物可耐–15°C低温,入秋后摆在室外至上冻低温和GA3处理可使花期提前八仙花Hydrangeamacrophylla长日照植物0°C处理4–6周GA30–250mg·L–1可促进开花，浓度高开花早百合Liliumspp.兼性长日照植物0–13°C处理30–110天100–500mg·L–1GA3处理花期提前兼性方式诱导成花的部分观赏植物3.赤霉素(GA)途径GA途径中,GA介导的DELLA蛋白降解的分子机制目前研究得比较清楚。DELLA是C端保守,N端存在DELLA和VHYNY2个保守酸性结构域的一类蛋白的总称,属于GRAS(GAI、RGA和SCR)蛋白家族。DELLA蛋白位于细胞核中,在没有GA的情况下,它阻遏植物的发育;但当DELLA蛋白上的GA信号感知区接收到GA信号后,这种蛋白的阻遏作用便被解除。植株表现出正常的GA反应和生长发育。如果改变DELLA蛋白的结构,植物就不能感知GA信号。在拟南芥中,GA通过促进整合子基因SOC1、LFY和FT的表达促进开花。4.自主途径自主途径是一条独立的成花诱导途径,现已克隆的与之相关的基因主要有FLD、FCA、FPA、FY、FVE和LD。FCA和FPA编码RNA结合蛋白;FY编码与mRNA3'端加工相关的蛋白;LD编码含有核定位信号的蛋白,与植物的DNA-结合结构域有比较高的同源性;FLD编码一个与人的组蛋白去乙酰化酶复合体同源的蛋白,FLD突变后使FLC染色质组蛋白乙酰化,FLC表达量上升,进而抑制开花。自主途径和春化途径通过一个MADS盒类转录因子——FLOWERINGLOCUSC(FLC)调控LFY和AP1等基因的表达,控制成花过程。在拟南芥中主要通过改变FLC染色体结构来控制成花进程。遗传学实验证明,自主途径是由一些通过RNA加工修饰的蛋白和表观遗传学修饰的蛋白来抑制FLC表达;但并不是所有自主途径的突变体都会使FLC发生组蛋白乙酰化,在自主途径中还有其它抑制FLC表达的方式。春化作用主要使FLC启动子和第1个外显子的染色质组蛋白H3-K9和H3-K27的双甲基化程度升高,从而造成FLC的表达量改变。此外,在光周期的刺激下,通过上调GA20X1基因的表达,能够使许多长日照植物的叶片中GA的合成量增加;在拟南芥中,低温处理可提高AtGA20ox1、AtGA20ox2、AtGA3ox1和AtGA3ox2的表达量,进而提高GA的浓度。三、花的发端植物顶端分生组织向花分生组织转变，由花分生组织特异基因的控制，这类基因在成花转变中被激活，又控制着下游花器官特性基因和级联基因的表达。植物开花途径整合基因的表达激活花/花序分生组织特异基因,如FRUITFUL(FUL)、CAULIFLOWR(CAL)、LFY和APETALA1(AP1)等,导致茎端分生组织向花序(花)分生组织转化,形成花序(花)分生组织,这一过程称为花的发端。其中AP1在花器官发育中还控制萼片和花瓣的发育。LFY基因是控制茎向花转变的一个主要基因，其强突变体基部花完全转变为叶芽，顶部花表现为部分花的特性。即使LFY基因失活，最终仍能开花，表明还有其他基因促进花序向花的转变。AP1的功能与LFY部分冗余，其表达晚于FLY，二者具有加性效应，能相互促进。组成型表达FLY和AP1能提早开花。CAL、AP2、UFO等基因也属于花分生组织特异基因，辅助LFY、AP1促进花分生组织的形态建成。TFL1保持花序分生组织的不终止性，抑制花原基的分化，其突变体花期提前，无限花序以单花终止，侧枝发育成单花。AG基因除控制生殖器官的发育外，也参与花分生组织的发育，控制其终止性。四、花器官发育相关基因植物成花转变中,由于花/花序分生组织特异基因的表达,激活了花器官特异基因,从而形成花器官。花器官发育由器官特异性基因控制，该类基因又称为同源异型基因（homeoticgenes），决定一系列重复单位的特性，如花的轮，其时间和空间表达模式十分精确，在某一细胞中特定的基因组合即决定其发育形态。通过对拟南芥和金鱼草花的同源异型突变体的研究，Coen和Meyerowitz(1991)提出花器官发育的ABC模型，该模型是20世纪90年代植物发育生物学研究重要的里程碑。它使人们能够通过改变ABC三类基因的表达而控制花的结构。之后,随着花特异基因的不断发现,后人对该模型进行了补充,形成了目前的被子植物花发育的ABC(DE)模型。（一）ABC模型拟南芥的花代表了大多数被子植物花的结构，它由4轮同心花器官组成，由外向内分别为：花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊。器官特异性基因分为A、B、C三类，每类基因分别控制相邻两轮花器官的发育，即第1轮花萼的发育由A类基因控制，第2轮花瓣由A、B共同控制，第3轮雄蕊由B、C共同控制，第4轮雌蕊由C基因单独控制。此外，A、C两类基因相互拮抗，即A类基因能够抑制C类基因在1-2轮的表达，C反过来也能抑制A在3-4轮的表达。被子植物花器官的结构ABC三类基因空间表达特异性主要在转录水平上调节。除AP2外，其余基因均在相邻两轮转录，AP2在四轮均转录，但只在1-2轮表达。后来又发现FBP7/11控制矮牵牛胚珠和胎座发育，Angenent和Colombo1996年提出将ABC模型延伸为ABCD模型，将控制胚珠发育的基因列为D基因。除AP2外，ABC三类基因均包含一个高度保守的结构域，即MADSdomain。具有该保守区的基因属于MADSbox基因家族，编码转录因子，参与花发育的级联反应，植物中的MADSbox基因结构相似，具有高度保守的MADS区（M），中度保守的K区（K），M区和K区间的插入中间区（I）和C末端区（C）。一些基因具有N末端（N），M区的N端能够和特定的DNA序列结合，C端参与二聚体及多聚体的形成，K区位于M区下游，对于选择性的形成二聚体具有重要作用，I区不保守，长度各异。1.A功能基因在拟南芥中,A类基因包括APETALA1(AP1)和AP2。A类、B类(AP3和PI)和E类基因(SEP)一起控制花瓣的发育(Theissen,2001)。AP1功能缺