花發(fā)育分子生物學課件

植物花發(fā)育的分子生物學一、花發(fā)育特點：

花發(fā)育分為開花誘導、花的發(fā)端和花器官發(fā)育3個階段,是由多種基因參與的十分復雜的調(diào)控過程。首先,在外部環(huán)境和植物體內(nèi)信號的作用下,植物頂端分生組織從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變,這一過程主要受光周期促進、自發(fā)促進、開花抑制、春化促進和赤霉素誘導等多條途徑共同控制。然后,這些途徑綜合作用于花/花序分生組織特異基因,致使莖端分生組織向花序(花)分生組織轉(zhuǎn)化;接著,花/花序分生組織向成花轉(zhuǎn)變,激活花器官特性基因的表達,最后形成花器官。二、開花誘導及其基因調(diào)控

植物頂端分生組織從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變受控于外界環(huán)境和植物體內(nèi)在的信號,這一過程稱為開花誘導，也叫開花決定。不同植物進化過程中演化出不同的生殖策略：一些植物的開花時間受光照、溫度、水分、營養(yǎng)等環(huán)境因子的影響，以使植物能在最適條件下開花結(jié)果。另一些植物對環(huán)境變化不敏感，由營養(yǎng)生長的積累量等內(nèi)部信號引起開花。缺乏營養(yǎng)和干旱等脅迫也可引起開花。

中文名稱拉丁學名科屬童期長度月季Rosa×hybrida薔薇科薔薇屬20–30天葡萄Vitisspp.葡萄科葡萄屬1年蘭花（草本）Cattleya,Cymbidium,Oncidium蘭科4–7年蘋果Malussylvestris薔薇科海棠屬4–8年柑橘Citrussinensis蕓香科柑橘屬5–8年洋常春藤Hederahelix五加科常春藤屬5–10年北美紅杉Sequoiasempervirens杉科北美紅杉屬5–15年歐亞槭Acerpseudoplatanus槭樹科槭樹屬15–20年英國櫟Quercusrobur殼斗科櫟屬25–30年歐洲山毛櫸Fagussylvatica殼斗科水青岡屬30–40年不同木本園藝植物童期長度中文名稱拉丁學名品種名科屬成年期需具備的葉片數(shù)(枚)耬斗菜Aquilegia×hybridaMckana’sGiant12Fairyland毛茛科耬斗菜屬15蒲包草Calceolariaherbeohybrida玄參科蒲包花屬5翠菊Callistephuschinensis菊科翠菊屬4大花金雞菊CoreopsisgrandifloraSunray菊科金雞菊屬8天人菊Gaillardia×grandifloraGoblin菊科天人菊屬16紅花礬根HeucherasanguineaBressingham虎耳草科礬根屬19薰衣草LavandulaangustifoliaMunstead唇形科薰衣草屬18金光菊RudbeckiafulgidaGoldsturm菊科金光菊屬10不同草本園藝植物童期的長度

開花誘導是植物生殖生長啟動的第1階段,目前已證明開花是受光周期促進、春化促進、自發(fā)促進、赤霉素誘導、開花抑制、和碳水化合物誘導等多條途徑控制。這些途徑通過調(diào)控一些開花途徑共同控制的整合基因,如FLOWERINGLOCUST(FT)、LEAFY(LFY)、SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANS1(SOC1)和FLOWERINGLOCUSC(FLC)等,實現(xiàn)對植物開花時間的調(diào)控。其中LFY也在花/花序分生組織形成中起作用。

圖花發(fā)育基因之間的遺傳模式

光周期誘導途徑

在光周期途徑中,感受光誘導的部位是植物的葉片,感受光的物質(zhì)是光受體。光受體大致可分為3類,即光敏色素(phytochromes)、隱花色素(cryptochrome)和紫外線B類受體(ultravioletB)。遠紅光、藍光通過促進PHYA和CRY1/2促進開花，紅光通過PHYB/D/E抑制開花。光受體感受日長和夜長,產(chǎn)生晝夜節(jié)律(circadianrhythm)。這時光受體本身(或與其有關(guān)的一些物質(zhì)之間)會形成某種平衡;當晝夜節(jié)律發(fā)生變化時,這種平衡就會被打破,促進(或抑制)一些基因表達,從而啟動(或抑制)開花進程。2.春化途徑

春化作用與蛋白質(zhì)和核酸代謝的關(guān)系密切。也有學者認為,春化作用參與調(diào)節(jié)發(fā)育過程的化學本質(zhì)是DNA的甲基化作用。FLC基因在擬南芥的春化過程中起著關(guān)鍵作用,AP1-like基因則在其它也需要春化作用的非十字花科植物中起類似作用。目前分離到的與春化作用相關(guān)的基因有FLC、VRN2、VRN1、VIN3、VER2、PIE1、HP1、TFL2和ELF等。中文名稱拉丁學名光周期誘導春化誘導赤霉素誘導金盞菊Calendulaofficinalis兼性長日照植物0–5°C處理10–45天100mg·L–1GA3噴施提前18天開花唐菖蒲Gladiolusgandavensis日中性植物2–5°C處理8周20mg·L–1GA3浸球促進開花仙客來Cyclamenpersicum日中性植物0–4°C處理10–15天20mg·L–1GA3處理花期提前紫羅蘭Matthiolaincana日中性植物5–10°C處理20天左右GA3(25×10–5kg·L–1)噴霧處理可促進開花菊花Chrysanthemummorifolium短日照植物0–5°C苗期越冬GA3在0–200mg·L–1，隨濃度增加開花加快杜鵑Rhododendronsimsii專性短日照植物–10°C處理4–6周500–2000×10–6kg·L–1GA3花期提前德國鳶尾Irisgermanica長日照植物可耐–15°C低溫,入秋后擺在室外至上凍低溫和GA3處理可使花期提前八仙花Hydrangeamacrophylla長日照植物0°C處理4–6周GA30–250mg·L–1可促進開花，濃度高開花早百合Liliumspp.兼性長日照植物0–13°C處理30–110天100–500mg·L–1GA3處理花期提前兼性方式誘導成花的部分觀賞植物3.赤霉素(GA)途徑GA途徑中,GA介導的DELLA蛋白降解的分子機制目前研究得比較清楚。DELLA是C端保守,N端存在DELLA和VHYNY2個保守酸性結(jié)構(gòu)域的一類蛋白的總稱,屬于GRAS(GAI、RGA和SCR)蛋白家族。DELLA蛋白位于細胞核中,在沒有GA的情況下,它阻遏植物的發(fā)育;但當DELLA蛋白上的GA信號感知區(qū)接收到GA信號后,這種蛋白的阻遏作用便被解除。植株表現(xiàn)出正常的GA反應和生長發(fā)育。如果改變DELLA蛋白的結(jié)構(gòu),植物就不能感知GA信號。在擬南芥中,GA通過促進整合子基因SOC1、LFY和FT的表達促進開花。4.自主途徑

自主途徑是一條獨立的成花誘導途徑,現(xiàn)已克隆的與之相關(guān)的基因主要有FLD、FCA、FPA、FY、FVE和LD。FCA和FPA編碼RNA結(jié)合蛋白;FY編碼與mRNA3'端加工相關(guān)的蛋白;LD編碼含有核定位信號的蛋白,與植物的DNA-結(jié)合結(jié)構(gòu)域有比較高的同源性;FLD編碼一個與人的組蛋白去乙?；笍秃象w同源的蛋白,FLD突變后使FLC染色質(zhì)組蛋白乙?；?FLC表達量上升,進而抑制開花。自主途徑和春化途徑通過一個MADS盒類轉(zhuǎn)錄因子——FLOWERINGLOCUSC(FLC)調(diào)控LFY和AP1等基因的表達,控制成花過程。

在擬南芥中主要通過改變FLC染色體結(jié)構(gòu)來控制成花進程。遺傳學實驗證明,自主途徑是由一些通過RNA加工修飾的蛋白和表觀遺傳學修飾的蛋白來抑制FLC表達;但并不是所有自主途徑的突變體都會使FLC發(fā)生組蛋白乙酰化,在自主途徑中還有其它抑制FLC表達的方式。春化作用主要使FLC啟動子和第1個外顯子的染色質(zhì)組蛋白H3-K9和H3-K27的雙甲基化程度升高,從而造成FLC的表達量改變。此外,在光周期的刺激下,通過上調(diào)GA20X1基因的表達,能夠使許多長日照植物的葉片中GA的合成量增加;在擬南芥中,低溫處理可提高AtGA20ox1、AtGA20ox2、AtGA3ox1和AtGA3ox2的表達量,進而提高GA的濃度。

LFY基因是控制莖向花轉(zhuǎn)變的一個主要基因，其強突變體基部花完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿~芽，頂部花表現(xiàn)為部分花的特性。即使LFY基因失活，最終仍能開花，表明還有其他基因促進花序向花的轉(zhuǎn)變。AP1的功能與LFY部分冗余，其表達晚于FLY，二者具有加性效應，能相互促進。組成型表達FLY和AP1能提早開花。

CAL、AP2、UFO等基因也屬于花分生組織特異基因，輔助LFY、AP1促進花分生組織的形態(tài)建成。

TFL1保持花序分生組織的不終止性，抑制花原基的分化，其突變體花期提前，無限花序以單花終止，側(cè)枝發(fā)育成單花。AG基因除控制生殖器官的發(fā)育外，也參與花分生組織的發(fā)育，控制其終止性。四、花器官發(fā)育相關(guān)基因

植物成花轉(zhuǎn)變中,由于花/花序分生組織特異基因的表達,

激活了花器官特異基因,從而形成花器官?；ㄆ鞴侔l(fā)育由器官特異性基因控制，該類基因又稱為同源異型基因（homeoticgenes），決定一系列重復單位的特性，如花的輪，其時間和空間表達模式十分精確，在某一細胞中特定的基因組合即決定其發(fā)育形態(tài)。被子植物花器官的結(jié)構(gòu)

除AP2外，ABC三類基因均包含一個高度保守的結(jié)構(gòu)域，即MADSdomain。具有該保守區(qū)的基因?qū)儆贛ADSbox基因家族，編碼轉(zhuǎn)錄因子，參與花發(fā)育的級聯(lián)反應，植物中的MADSbox基因結(jié)構(gòu)相似，具有高度保守的MADS區(qū)（M），中度保守的K區(qū)（K），M區(qū)和K區(qū)間的插入中間區(qū)（I）和C末端區(qū)（C）。一些基因具有N末端（N），M區(qū)的N端能夠和特定的DNA序列結(jié)合，C端參與二聚體及多聚體的形成，K區(qū)位于M區(qū)下游，對于選擇性的形成二聚體具有重要作用，I區(qū)不保守，長度各異。A功能基因

在擬南芥中,A類基因包括APETALA1(AP1)

和AP2。A類、B類(AP3和PI)和E類基因(SEP)一起控制花瓣的發(fā)育(Theissen,2001)。AP1功能缺失突變體的花器官向營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)AP1基因植株開花時間提前。2.B功能基因

擬南芥的B類基因只有APETALA3(AP3)和PISTILLATA(PI)2個。B類基因在花瓣和雄蕊中表達。B類基因與AP1和SEP基因一起,共同控制花瓣的發(fā)育,與AG和SEP基因一起共同控制雄蕊的發(fā)育。3.C功能基因

擬南芥中C類基因僅有AGAMOUS(AG)1個。AG在第3、4輪花器官中的表達抑制A類基因AP1

的表達,AG與B類基因AP3和PI,以及E類基因SEP一起共同控制雄蕊的發(fā)育,與SEP基因一起控制心皮的形成。擬南芥AG突變體的雄蕊轉(zhuǎn)變成花瓣和心皮,并以萼片、花瓣和花瓣的模式多次重復,成為重瓣花。4.D功能基因

擬南芥中還有一些基因與C類基因同源性較高,但功能卻與C類基因有所不同,如SHATTERPROOF1

(SHP1)和SHP2(也稱為AGL1和AGL5)。SHP1和SHP2功能冗余,在心皮和果實中特異表達,其雙基因突變體由于角果裂開區(qū)不能木質(zhì)化而不能開裂。SHP1和SHP2與在胚珠中特異表達的AGL11和AGL13基因一起,被歸為D類基因。5.E功能基因

在擬南芥中,SEP1、SEP2和SEP3等SEP類基因被稱為E類基因。SEP類基因可與A類、B類和C類MADS-box基因相互作用,如SEP3與AG、AP1以及PI/AP3二聚體結(jié)合,在不同花器官中起作用。SEP1和SEP2在4輪花器官形成層中均有表達,當花器官形成后表達量降低。SEP1也在胚珠未成熟胚和種皮內(nèi)高表達,

SEP3主要在花瓣雄蕊和心皮中表達。（二）花對稱性模型

金魚草的花為背腹不對稱，通過對其突變體的研究，發(fā)現(xiàn)CYC、RAD、DICH、DIV等基因與不對稱結(jié)構(gòu)有關(guān)。前三個控制背部特征，DIV控制腹部特征。

金魚草花的形態(tài)（Stubbe，1966）（A，金魚草花的正面觀；B金魚草花的側(cè)面觀；d，背部花瓣；l，側(cè)部花瓣；v，腹部花瓣）

根據(jù)Endress對花型的分類方法,將高等植物花型劃分為3種:

多對稱性(polysymmetric)花：有多個對稱面的花,如:輻射對稱的擬南芥花

單對稱性(monosymmetric)花：僅有一個對稱面的花,如兩側(cè)對稱的百脈根花。

不對稱(asymmetric)花：無任何對稱面的花。

高等植物各種形態(tài)的花和三種基本花型（Endress，2001；Jabbouretal，2009）

系統(tǒng)進化的觀點認為，不同的物種的兩側(cè)對稱花型是由原始輻射對稱花型經(jīng)過不同的祖先多次反復獨立進化而來，其目的是為了適應傳粉者的需求，因為沿背腹軸向上花器官的特化在保護花內(nèi)輪的雌性器官或雄性器官以及在吸引昆蟲傳粉方面起著重要作用。英國JohnInnes研究中心的Coen實驗室第一次在模式植物金魚草(Antirrhinummajus)中揭示了決定花對稱性發(fā)育的分子機理,利用突變體克隆了與花對稱性發(fā)育有關(guān)的CYCLOIDEA(CYC)和DICHOTAMA(DICH)基因(Luo等1996,1999)。從此揭開了，對控制花對稱性的基因的研究序幕。金魚草野生型、cyc和cyc/dich雙突變表型（Luoetal1996）(d，背部花瓣；l，側(cè)部花瓣；v，腹部花瓣)金魚草野生型（A、B）和dich(C、D)單突變體表型（Luoetal，1996）

CYC和DICH共同控制了金魚草的背部花瓣屬性，這兩個基因同屬于一類植物特有的TCP家族轉(zhuǎn)錄因子。

cyc突變體主要表現(xiàn)為花第二、三輪花器官的變化：側(cè)部花瓣呈現(xiàn)腹部花瓣的特征，而背部花瓣表現(xiàn)為背部與側(cè)部花瓣相結(jié)合的特征，有的花的器官數(shù)目增多，有6枚花瓣。而金魚草中的另外一個CYC同源基因DICH突變后，背部花瓣變寬而且變得內(nèi)部對稱。cyc/dich雙突變體的表型更為明顯：所有的花瓣均呈現(xiàn)腹部花瓣的特征，花型由兩側(cè)對稱變成輻射對稱。CYC雖然只在背部花瓣表達，但是其突變體的側(cè)部花瓣發(fā)育也受到影響，這說明該基因在側(cè)部花瓣以非細胞自主性行使功能。

DIV決定了腹部花瓣的屬性。DIV編碼含有兩個MYB保守域的MYB轉(zhuǎn)錄因子。在CYC、DICH、DIV均突變的情況下，所有5枚花瓣均呈側(cè)部屬性，這說明在CYC和DICH功能缺失的背景下，DIV能夠決定所有花瓣為腹部屬性。在cyc和dich突變體中DIV的轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有變化，表明CYC和DICH對于DIV的調(diào)控是發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平的。在野生型金魚草中，DIV的轉(zhuǎn)錄存在于所有的花瓣中，但在花發(fā)育的后期，DIV在腹部區(qū)域的表達會略有升高。

RAD編碼一個只有93個氨基酸的MYB轉(zhuǎn)錄因子，這個蛋白只有一個MYB保守域。CYC和DICH在背部區(qū)域的表達激活了RAD，因此RAD基因也同樣控制了背部屬性。由于RAD和DIV蛋白的同源性，RAD很可能通過與DIV的目標序列結(jié)合從而起到競爭的作用，或者直接與DIV結(jié)合從而抑制DIV在花原基背部及側(cè)部的功能。五、花色相關(guān)基因

植物的花色主要由三大類色素決定:類黃酮(包括花青素)、類胡蘿卜素和甜菜色素?；ㄇ嗨厥穷慄S酮家族中的主要呈色物質(zhì)。通過對花青素合成分支途徑的關(guān)鍵節(jié)點基因進行調(diào)控,人們成功地獲得了一些花色改良的觀賞植物新品種。VanderKrol等(1988)首次將花青素合成途徑上游的CHS基因反義導入矮牽牛(Petuniahybrid),抑制生成花青素苷的前體柚皮素等的合成,引起矮牽?；ㄉ淖?為分子育種改良花色帶來希望。導入單個外源基因使花色發(fā)生改變的嘗試,近年來有許多成功的案例,尤其是在缺乏藍色系的物種中導入有“藍色基因”之稱的F3'5'H基因,開啟了藍色花育種的大門。受體植物分子設計性狀變化參考文獻矮牽牛(Petuniahybrid)抑制內(nèi)源CHS表達粉色變?yōu)榘咨玍anderKroletal.,1988抑制內(nèi)源F3‘5’H表達藍色、紫色變?yōu)闇\藍色、淺粉色Shimadaetal.,2001過表達長春花F3‘5’H紅色變?yōu)樯罴t色,紫色花斑Morietal.,2004抑制內(nèi)源F3‘H表達+過表達月季DFR紅色變?yōu)槌壬玊sudaetal.,2004過表達PH5紫色變?yōu)榧t色Verweijetal.,2008龍膽(Gentianasp.)通過RNAi抑制CHS表達藍色變?yōu)榘姿{-白Nakatsukaetal.,2008通過RNAi抑制F3‘5’H和A5/3‘AT表達藍色變?yōu)榈?白藍Nakatsukaetal.,2010仙客來(Cyclamenpersicum)通過RNAi抑制F3‘5’H表達紫色變?yōu)榧t-粉Boaseetal.,2010蝴蝶蘭(Phalaenopsisamabilis)通過RNAi抑制PeUFGT3表達紅色變?yōu)榘咨獵henetal.,2011b月季(Rosachinensis)過表達三色堇F3‘5’H+鳶尾DFR+月季DFRRNAi紅-白青變?yōu)闇\藍色Katsumotoetal.,2007月季CHS啟動子+三色堇F3‘5’H+菊花F3‘HRNAi粉色變?yōu)樗{色Bruglieraetal.,2013菊花(Chrysanthemummorifolium)特異型F3H啟動子+風鈴草F3‘5’H+乙醇脫氫酶5‘UTR區(qū)作為增強子紅-紫變?yōu)樗{紫色Nodaetal.,2013通過RNAi抑制CmCCD4a表達白色變?yōu)辄S色Ohmiyaetal.,2006煙草(Nicotianatabacum)抑制內(nèi)源F3‘H和FLS+過表達非洲菊DFR粉色變?yōu)榧t色Nakatsukaetal.,2007過表達瓜葉菊F3‘5’H粉色變?yōu)樽仙玈unetal.,2013a藍目菊(Arctotisstoechadifolia)F3‘5’HRNAi+過表達非洲菊DFR洋紅色變?yōu)闇\紅色