（细胞生物学专业论文）ghmads3基因组成型表达对烟草花器官的影响.pdf

g h m a d s 3 基因组成型表达对烟草花器官的影响 研究生：欧建龙 指导教师：李名扬教授 ( 西南农业大学园艺园林学院，重庆4 0 0 7 1 6 ) 摘要 植物花器官发育研究是植物发育分子生物学的重要内容。自c o o n 等人首次提出花器官发 育的“a b c ”模型以来，花器官发育的研究取得了突破性进展。以拟南芥、金鱼草等模式植 物为代表的与花器官发育相关的基因相继被克隆。研究表明，控制花器官发育的绝大部分基 因属于m a d s - b o x 基因家族成员。该家族成员是一种重要的转录因子，都含有一个保守性很 强的m a d s 盒，最早在酵母( _ _ m c m i ) 、拟南芥( a g a m o u s ) 、金鱼草( d e f i c i e n s ) 和人 血清应答因子( 量i 强) 中发现，是广泛存在于动植物中的调节基因，在花器官发育以及同源异 型转换中起着非常重要的作用。分析植物花器官发育相关基因，将有助于探明植物生殖发育 的分子模式并为观赏植物基因工程改良奠定坚实的基础。本论文以g h m a d s 3 基因为目的 基因，噬烟草为转化材料，研究了g l i a d s 3 基因的组成型表达对烟草花器官的影响。 核苷酸序列分析表明，g h m a d s 3 基因属于植物m a d s 。b o x 基因的a g 类亚家族成员。 根据y u k i k om i z u k a m i 7 8 1 等人的研究表明，a g 基因在拟南芥花器官中异位表达时，其花器官 的变化类型与a p 2 突变体极为相似。他认为这是由于c 类基因( 如a g ) 与a 类基因( 如a p 2 ) 相互抑制的结果。据此，我们推测g h m a d s 3 基因在植物花器官中组成型表达时，可能也会 使花器官的外形受到影响。为了验证g h m a d s 3 基因的功能，我们将其导入校式植物烟草中， 观察g h m a d s 3 基因对烟草花器官的影响。实验结果表明：g h m a d s 3 基因的组成型表达使烟 草花器官受到影响。本论文研究结果如下： 1 、采用根癌农杆菌介导的叶盘法转化，将g h m a d s 3 基因导入烟草中，获得了成活的不同的 转化株系7 株，经过p c r 检测发现，7 株全为转化植株。 2 、对第一轮花器官花萼的变化： i ) 花萼分裂成几部分，分裂成的数目不等；2 ) 花萼呈细丝状；3 ) 花萼成柱头状。 3 、第二轮花器官花瓣的变化： 1 ) 部分分裂或全部分裂成细丝状；2 ) 花冠退化、变小。 4 、对整个花器官的影响： 1 ) 整个花器官发育成一个类似予房的结构；2 ) 整个花器官发育成雌蕊结构：3 ) 整个发 育阶段的花器官比野生型花形小。 西南农业大学硕士学位论文摘要 5 、对果实和种子的影响： 1 ) 果实变小，重量变轻：2 ) 种子的育性变低或是完全不育。 对转基因植株的花冠直径、花瓣长度、果实重量作方差分析发现，其差异极为显著，说明 g h m a d s 3 基因对烟草花器官的影响是真实存在的。令人意外的是，花萼与花冠的颜色出现变 淡的趋势，有的甚至完全白化。因些，我们检测了花萼中的花色素苷、叶绿素的含量，花瓣 中的花色素苷的含量。结果显示：转基因植株中花萼的花色素苷、叶绿素的含量和花瓣中花 色素苷的含量远远低于野生型中的相应含量，说明在烟草中g h m a d s 3 基因的组成型表达对 花色的形成有一定的影响。 关键词：烟草； 遗传转化：花器官； m a d s b o x 西南农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s t i t u t i v e e x p r e s s i o n o fg h m a d s 3g e n ei n f l u e n c e df l o r a l o r g a n i nt r a n s g e n i ct o b a c c o c a n d i d a t e ：o u j i a n - l o n g a d v i s o r ：p r ，o f l im i n g - y a n g ( c o l l e g eo f h o r t i c u l t u r ea n dl a n d s c a p i n g ，s o u t h w e s t a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , c h o n g q i n g , 4 0 0 7 1 6 ) a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tt r a n s c r i p t i o nf a c t o r , m a d s - b o xp r o t e i np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nv a r i o u s c e l l u l a rp r o c e s s e s ，e s p e c i a l l yi nr e g u l a t i o no ff l o r a lo r g a nd e v e l o p m e n t t h eg e n e sr e l a t e dt ot h i s i d e n t i t y a r ec o n s e r v e dm a d s b o xg e n e sw h o s en a m ei n i t i a l l yc a m ef r o mt h ef i r s tl e t t e ro f 丛c m l ( f r o my e a s t ) ，a g a m o u s ( f r o ma r a b i d o p s i s ) ，d e f i c t e n s ( f r o ma n t i r r h i n u m ) a n d _ s r f ( f r o mh u m a n ) t h em a d sr e g i o nl i n k e ds p e c i f i c a l l yt ot h ec o a l e s c e n ts i t eo ft a r g e tg e n ea n d f o r m e da h o m o g e n o u so rh e t e r o g e n o u sd i m e r t or e g u l a t ei t ，w h i c hc a nm a k ed i f f e r e n tk i n d so ff l o r a l o r g a n sf o rm a n yf l o w e r i n gp l a n t s s ot h e ya r ei m p o r t a n tf a c t o r st oc o n t r o lt h ed e v e l o p m e n to f f l o r a l o r g a n sa n dt om a k e h o m e o t i ct r a n s f o r m a t i o n s i ti sv e r yu s e f u lt oa n a l y z et h ef l o r a lo r g a ni d e n t i t y g e n e si no r d e rt ou n d e r s t a n dt h em o l e c u l a rm o d e lo f p l a n tf l o r a lo r g a nd e v e l o p m e n t t h r o u g hp l e n t y o fr e s e a r c ho ft h ef l o r a lo i g a nm u t a n t ，c o e nd e v e l o p e dt h e ”a b c ”m o d e la b o u tf l o r a lo r g a n t h e m o d e lt o l dn st h a tt h ef l o r a lo r g a nd e t e r m i n e db yt h r e ev a r i o u sg e n e “a ，b ，c ) w h i c hh a v ed i f f e r e n t f u n c t i o n s ：aa c t si nw h o r l s ( s e p a l ) ，aa n dbf u n c t i o ni np r i m a r i l yi nw h o r l s2 ( p e t a l ) ，ba n dci n w h o r l s3 ( s t a t u e n ) ，cd e t e r m i n et h ef o r mo fc a r p e l i no r d e rt oe x p l a i nt h eh o m e o t i cp h e n o t y p e s c a u s e db ym u t a t i o n si nt h e s eg e n e s ，i tp r o p o s e dt h a taa n dcf u n c t i o n sa r ea n t a g o n i s t i cs u c ht h a ta f u n c t i o np r e v e n t st h ea c t i o no fci nw h o r l s1a n d2 ，w h e r e a scf u n c t i o np r e v e n t st h ea c t i o no fai n w h o r l s3a n d4 ，a n dbf u n c t i o n si nw h o r l s2a n d3a n dh a v eai n d e p e n d e n c er e l a t i o n s h i pw i t haa n d b s e q u e n c ea n a l y s i s o fg h m a d s 3s h o w st h a tt h ed e d u c e dg h m a d s 3p r o t e i nw a sh i g h l y h o m o l o g o u st ot h ea g - t y p e d - m a d sp r o t e i n s p h y l o g e n e t i ca n a l y s i sa l s oi n d i c a t e st h a tg h m a d s 3 b e l o n g st ot h em a d s - b o xp r o t e i no ft y p e - a g t h em a d sb o x ( 1 6 3 a a ) i si nt h en - e n d a n dt h ek b o x ( 9 0 - 16 0 a a ) i nt h em i d d l e t h e 1r e g i o n ( i n t e r v e n i n gr e g i o n ) i sb e t w e e nt h em a d sb o xa n dt h ek b o xw h i c he n c o d e sk e r a t i n l i k ep r o t e i ns t r u c t u r ea n di ti sv e r yi m p o r t a n tt om a k eh e t e r o g e n o u s d i m e ro ft w om a d sb o xg e n e s t h ec e n di san o n c o n s e r v e dr e g i o na n di t sf u n c t i o ni sn o tv e r y c l e a r g h m a d s 3w a st r a n s f e r r e di n t ot o b a c c oa n do b s e r v e dt h ei n f l u e n c eo ff l o r a lo r g a n i no r d e rt o r e s e a r c ht h ef u n c t i o no fg h m a d s 3 ，w ei n t r o d u c e dg h m a d s 3i n t ot o b a c c oa n dm e d i a t e db y i i i 西南农业大学硕士学位论文a d s t r a a c a g r o b a c t e i u mt u m e l o c i e n st h e r e s u l t so fm yr e s e a r c ha l es u c ha sf o l l o w s ： 1 s t a t i s t i cr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e s i s t a n ts h o o t sh a s7l i n e s 2 i n f l u e n c et os e p a l s t r a n s g e n i cs e p a l ss p l i ti n t os e c t i o n sa n d b e c o m es t i c m a t i c - l i k es t r u c t u r eb u tt h en u m b e r s a r eu n c e r t a i n 3 1 n f l u e n e et op e t a l s t h ec o r o l l aw a s p a r t i a l l yo re n t i r e l ys p l i ti n t os e c t i o n w h i c hr e s e m b l e df i l a m e n t s 4 i n f l u e n c et ow h o l ef l o r a lo r g a n t h ew h o l ef l o r a lo r g a no f t h e t r a n s g e n i et o b a c c ow a s s m a l l e rt h a nt h a to f w i l d - t y p et o b a c c oi nt h e l i f e s o m eo r g a n sd e v e l o p e di n t oo v a r y l i k eo rg y n o e c i u m l i k es t r u c t u r e 5 i n f l u e n c et of r u i t sa n ds e e d s t h e s et r a n s g e n i cp l a n t sh a v es m a l l e rf r u i t sa n df e r t i l i t yr a t e i sr e d u c e dw h e nc o m p a r e dt o w i l d - t y p e a n o v ao fs t a t i s t i cr e s u l t ss h o w e dt h a tt r a n s g e n i ct o b a c c oh a v es i g n i f i c a n td i f f e r e n c ec o m p a r e d w i t hw i l d - t y p e 。i ti sn o t e w o r t h yt h a tt h ec o l o ro ft r a n s g e n i cf l o r a lo r g a nb e c o m ew e a k e ro re n t i r e l y p a l e t h em e a s u r a t i o no fa n t h o e y a n i na n dc h l o r o p h y l li nt r a n s g e n i cf l o r a lo r g a n ss h o w t h a tt h e s e c o n t e n ti nt r a n s g e n i cp l a n t sa l eh i g h l yl o w e rt h a nt h o s ei nw i l d t y p et o b a c c o i ta l s oi n d i c a t e dt h a t g h m a d s 3i nt o b a c c oh a ss o m er e l a t i o n s h i pw i t ht h ef o r m a t i o no f f l o w e rc o l o r k e y w o r d s ：t o b a c c ot r a n s f o r m a t i o n f l o r a lo r g a nm a d s b o x 西南农业文学硕士学位论文 文献综述 第一章文献综述 1 1 植物m a d s b o x 基因概述 m a d s 是由4 种蛋白质m c m i 、a g a m o u s 、d e f l c i e n s 及s r f 的英文第一个字母组 成【1 1 。m c m i 是酵母细胞类型特异基因的调节因子 2 i , a g a m o u s 与d e f i c i e n s 均是花器官类 别基因产物，$ r f 则是人血清应答因子p 1 。在这4 种蛋白质中，都有一个由5 6 5 8 个氨基酸组 成的高度保守区，称为m a r s 盒。m a d s b o x 基因属于一个古老的基因家族，存在于整个真 核生物界，其生物学功能是调节细胞分化发育。m a d s - b o x 基因家族的蛋白产物均为转录因子， 具有调控其它基因转录的能力。m a d s b o x 基因与识别特异的d n a 序列有关，是这类转录因 子与目标基因上特异d n a 序列结合的功能区1 4 j 。m a d s b o x 基因编码的蛋白有3 种不同类型 即m e f 2 型、a g r 8 0 型和m i k c 型，前2 种仅存在于动物和真菌，而m i k c 型局限于植物。 m a d s - b o x 基因是目前植物界了解最多的调节基因家族，在植物的花分生组织、花器官及各种 营养器官中均有不同形式的时空表达模式，和植物所处的内外环境密切相关，起着各自不同 的功能d 1 。 1 2 植物m a d s b o x 基因的结构 植物中的m a d s - b o x 基因具有相似的内含子和外显子结构，一般包括6 个内含子和7 个 外显子1 61 。其中外显子l 编码蛋白园子高度保守的m a d s b o x 结构域：外显子3 - 5 编码半保 守的k - b o x 结构域，介于m a r s - b o x 与k 区域之间的是i 区域，晟后2 - 3 个外显子编码c 末 端( 图t - 1 ) i ，8 ” 、。 基因5 基因3 f i g l - 1 ：t h es t r u c t u r eo f m a d sg e n ea n di t sp o s t u l a t e dp r o t e i n 1 3 植物m a d s b o x 蛋白的结构 m a d s b o x 蛋白和其它真核生物转录因子一样由m a d s ( m ) ，i n t e r v e n i n g ( 1 ) t k e r a t i n - l i k e ( k ) 和c - t e r m i n a l ( c ) 等结构域组成，属于结构域蛋白( 图1 - 2 ) 。在所有已知的种子植物m a d s - b o x 蛋白中这些结构域几乎都类似。编码该类蛋白质的基因被称为m i k c 类m a d s - b o x 基因。 in 一端 m a d s d o m a i n i 一区k - d o m a i n c 。端 图卜2m a d s b o x 蛋白的结构 f i g l 2t h e s t r u c t u r eo f m a d s - b o x p r o t e i n 大部分m a d s - b o x 基因的上游有一称为c a r g b o xi 拘( c c a r i c h g g ) 特异序列【1 0 】。c a r ( 1 是正调节因子的结合位点，c a r ( 3 是负调节因子的结合位点，c a r ( 2 的突变使报道基因在花 冠中的表达水平大大下降】。 m a d s b o x 结构域多位于m a d s - b o x 蛋白的n 端，通常由5 6 个氨基酸残基组成。在目前 发现的几十个m a d s - b o x 基因中，在m a r s - b o x 区至少有1 2 个氨基酸残基是绝对保守的( 其 中9 个氨基酸完全一样) ，另外有1 0 个残基在除m a d s 和s r f 以外的蛋白中绝对保守。研究 表明它是一个序列特异的d n a 结合基元j ，主要与d n a 结合，有时也形成二聚体或与辅助 因子结合。该结构域结合的d n a 序列为c c ( a ，r ) 6 g g ( 即c a r g b o x ) 。c a r g b o x 位于许多基 因的启动子区域，这些基因可能受m a d s - b o x 的调控。 i 结构域在m a d s - b o x 蛋白的下游一般由3 1 3 5 个氨基酸残基组成，保守性较差。可帮 助转录因子蛋白二聚体与d n a 结合形成复合体。 k 结构域是植物转录因子的特有结构动物和真菌m a d s 结构域蛋白质中无k 结构域， k 区域是一段约7 0 个氨基残基的片段，与角蛋白( k e r a i n ) 部分同源1 1 2 , 1 3 1 ，可能与形成亲水、亲 脂的卷曲a 螺旋有关，参与调节蛋白质间的相互作用，促进二聚体化。 非保守的c 端，主要由疏水氨基酸组成，长度变化大( 约3 0 个氨基酸长度) ，保守性极差， 作用未知。 n 末端是位于m a d s b o x 上游富含碱性氮基酸的亲水结构域i l 。 1 4 植物m a d s b o x 基因的调节机理 m a d s b o x 基因是目前植物界中了解最多的调节基因家族，其表达模式的多样性和功能 的复杂性证明其内在机制的复杂性。科学家们整体上提出如下几点m a d s - b o x 基因调节机理 的假设：( 1 ) 一种是m a d s b o x 蛋白因子( 以下简称m a d s 网子) 在体外能形成同源二。聚体，或 选择性地与其它m a d s b o x 因子形成异源二聚体。二聚体能以不同的亲合性结合不同的f q 的 基因，从而调节基因的表达；( 2 ) d n a 与m a d s b o x 因子相结合导致d n a 扭曲程度的不同， 可能帮助m a d s b o x 因子选择不同的目的基因；( 3 ) m a d s b o x 因子与d n a 的特异结合需要 其它附加因子的协同作用。事实表明，m a d s b o x 因子可能由少量基因编码产生，它们通过表 达水平的调节、共价修饰、二聚体的形成、与d n a 的特异性结合、与附加因子的相互作用等 机制完成对花形态建成过程的复杂调控睁1 7 , ”1 。研究发现，m a d s b o x 因子以二聚体形式与 2 西南农业大学硕士学位论文 文献综述 m a d s b o x 基因相结合，实现对发育过程的调节。m a d s 因子结合于m a d s b o x 基因的特异 序列c a 闷b o x 上i 2 0 2 1 。”1 。不同的m a d s b o x 因子结合d n a 的不同部分，大量的 实验证明m a d s 因子中的m a r s b o x 结构域是结合所必需的【1 8 ”2 4 “】。同时，蛋白质的d n a 结合结构域越相似，所结合的d n a 的序列组成也越一致【1 7 i 。同一个m a d s b o x 因子与不同 的序列有不同的亲合性。免疫共沉淀实验表明，有的蛋白因子形成同源二聚体，如拟南芥中 的a g a p i 和a g l i 【2 2 】；有的形成异源二聚体，其中b 组蛋白d e f g l o l l 8 1 ( 金鱼草) 、a p 3 p i l 3 2 1 ( 拟南芥) 形成特异结合的异源二聚体，而金鱼草中的c 组蛋白因子p f l 至少能与分别在花 发育的甲、中、晚期表达的4 种m a d s b o x 因子s q u a ，d e f h 2 0 0 d e f h 7 2 ，d e f h 4 9 相结合 i t 7 1 对部分缺失的蛋白二聚体a p 3 p l 、a p il a p l 、a g a g 、d e f g l o 的研究表明，a p 3 伊1 和d e f g l o 的特异结合决定于1 区和k b o x 结构域1 1 w ：a p i a p l 与a g a g 的同源二 聚体化取决于m a r s b o x 结构域和l 区：a g l 2 蛋白的稳定二聚体化，需要包含完整 m a d s b o x 和i 区的7 7 个氨基酸序列。仅含7 0 个氨基酸的缺失a g l 2 能与a g 的k b o x 的n 末端相结合，但这样形成的异源二聚体不稳定口”。大量的研究表明，同源异形基因编码的转 录因子m a d s b o x 蛋白质是以二聚体状态而执行功能的【“2 6 2 8 2 9 3 “。上述的a p i 、a p 3 、 p i 和a g4 种m a d s b o x 蛋白发生聚合形成二聚体，是由其自身结构特点决定的f 3 1 i 。它们形 成二聚体时各有其“配体专一性”( p a r t n e r s p e c i f i c i t y ) ，即a g 、a p i 形成二聚体时，需m a d s b o x 和部分i 区参与：而a p 3 p i 形成二聚体时，除m a d s b o x 的i 区外，还需k b o x 的部分 氨基酸参与，这样决定了a p i ，a p 3 ，p l 和a g 只能形成3 种二聚体：a p i a p i 同源二聚体、 a g a g 同源二聚体和a p 3 p i 异源二聚体只有这三种二聚体与d n a 有亲和性能与d n a 结合形成复合体。体外实验证明其它形式的二聚体如a p 3 ag ，p i a g a p 3 a p l 和p i a p l 等均 不能与d n a 结合。通过嵌合蛋白( 如a p 3 的m a d s b o x 和1 区同a g 的k b o x 与c 端连接形 成新的蛋白b g f n s 等) 的研究p6 j 发现，i 区在转录因子的二聚体一d n a 复合体的形成过程中 起决定作用。从基因s r f 和m c m i 的研究得知，它们通过二聚体作用于与被称为c a r g - b o x 相同的c c ( a d6 g g 靶序n t 3 2 。3 ”i 。在模式植物中进行的实验也证实a g 产物和金鱼草 d e f a 和g l o 产物也以二聚体形式同样结合于c a r g b o x 【”。3 4 3 5 1 最近在拟南芥上的实验进 一步证明了只有a g a g , a p i a p i 和a p 3 p i 二聚体才能同d n ac a r g b o x 结合，其它组合则 不能。前面指出a p i ，a p 3 ，p i 和a g4 种m a d s - b o x 蛋白质可划分为5 个不同部分。人们通 过设计不同组合嵌合m a d s - b o x 基因异位表达来确定这5 个不同区域在花器官形成中的功能 1 3 9 1 。结果发现，这4 种蛋白质按它们决定的功能特异性可划分为2 组：b 组基因p i 和a p 3 的 功能特异性由k b o x 和i 区联合决定，但n 端和c 端是a p 3 执行功能必不可少的；a p i 和 a g 的功能特异性由m a d s b o x 和i 区域共同决定，k - b o x 和c 端也发挥积极作用。( 图1 - 3 ) 西南农业大学硕士学位论文 文献综述 a p 3 ，p i 一 垒堡垒堡 a p l ，a p l lm a d s 区i 区k 区c 端 垒堕：堕 - a g a p i特异功能区 图1 - 3 a p i ，a p 3 ，p i 和a g 的特异功能区和二聚体化的异同 f i g1 - 3t h ed i e n e eo f f u n c t i o n d d i m m e ro f a p l ，a p 3 ，p ia n d a g 通过设计不同的嵌合m a d s b o x 基因的研究发现，a p ! ，a p l 、a g a g 和a p 3 伊i 二聚 体与d n a 特异性结合的内在机理是相似的，因而与不同d n a 结合的专一性不可能导致这些 蛋白质调控特异性口“，它们调控的特异性可能与不同的“辅助蛋白因子”互作有关。另外a p i ， a g 和a p 3 ，p i 形成二聚体时，l 区域是必不可少的，人们推测这些二聚体与辅助蛋白质因子互 作时i 区域发挥着关键作用【3 ”。花器官同源异形基因能在花结构的相邻两轮器官中表达，而呈 现不同的表型。这与同源异形基因的二聚体产物可能通过i 区域与花结构不同轮中存在的不同 “辅助蛋白因子”相互作用有关，因而在不同区域调控不同系列的特异基因表达，使之产生 不同的表型1 9 1 。 1 5 花器官同源基因的功能及其多样性 由m a d s b o x 基因所编码的m a d s - b o x 蛋白结构域的作用主要是同d n a 序列的结台及 形成功能二聚体结构所必需【l5 1 。其生物学功能是调节细胞分化发育。m a d s b o x 基因家族的 蛋白产物均为转录因子，具有调控其它基因转录的能力。r o u r i s l e y 等”q 分离了m a d s 盒基因 家族的6 个成员；a g l l l - 1 5 ，a g l l 7 ，并对其表达特性进行了研究，认为该类基因的功能除了 己证明的在花发育中的作用外，还可能在植物发育的其他许多方面发挥功能。例如，c 类功能 基因a g 在花发育过程中至少表现3 种不同的功能。它不仅决定花的第3 、4 轮花器官的功能， 还具有抑制a 类基因a p 2 在第3 、4 轮表达而起到定域基因的功能，同时它还与花分生组织 决定有关，如a g 突变体的花表现多轮结构而不是通常的4 轮。从突变体的表型可以看出，一 4 西南农业大学硕士学位论文文献综述 些花同源异型基因不仅参与花器官特征的控制，而且在花发育的其它阶段也发挥作用 3 8 3 9 】。例 如c 类功能基因a g 也参与两个不同方面的花发育【4 0 l 。a g 基因为限定繁殖器官特征所需要； 在a g 突变体的花中，雄蕊被花瓣所取代，心皮被二级花代替，以至于形成“花萼、花瓣、花 瓣”的重复达五次以上h 1 1 4 ”。这种在花( 花骨朵，n e s t e dn o w e r s ) 内花的重复表明a g 基因在花 分生组织决定上所必需。这些数据也表明，野生型a g 基因不仅参与决定繁殖器官特征而且也 在遏制花分生组织的非决定性生长中起作用”“。表达分析显示a g 基网的表达首先在花分生 组织的中心部位被检测到，4 “，任野生型中此部位正是产生雄蕊和心皮原基的地方，这与a g 基因决定雄蕊和心皮特征的功能相一致【4 0 1 。再例如，在众所周知的a 功能基因a p l 和a p 2 ， 它们还参与控制花序分生组织向花分生组织的转变m 4 7 j 8 ，4 9 5 0 , 5 1 ，5 “。仅就a p l 基因而言，强表 达的a p i 突变体的花不仅表现为腋生花而且花朵缺少花瓣，很明显，a p i 基因不仅参与了花序 分生组织向花分生组织的转变，而且参与控制花被器官特征h 6 ，4 9 ，5 “。进一步而言，弱表达的a p i 突变体在第一、二轮花器官上存在缺陷，不过这些突变体的花分生组织是正常的 4 6 , 5 0 , 5 1 i ，这一 现象强烈表明a p i 基因决定花分生组织形成的功能与其决定花器官特征的功能是可以分开的 1 4 0 。 a i n t e g u m e _ n t a ( a i n ) 基因是另一个多功能花器官特征基因。e l l i o t t 等帮1 对突变体 a n t e g u m e n t a ( a n o 进行研究表明，该基因不仅参与表皮的发育启动而且在除根原基之外的所有 原基的启动和早期生长中发挥作用。k l u c h e r 等1 5 4 1 的研究的结果支持了上述结论，同时表明该 基因的表达产物包含有两个a p 2 蛋白区域，与乙烯反应元件结合蛋白的d n a 结合结构域同源。 1 6 花发育“a b c ”模型的提出及发展 1 , 6 1 花发育概述 由花的解剖结构来看，典型的花器官具有4 轮基本结构从外向内依次为花萼、花瓣、 雄蕊和心皮。从形态和生理上看，尊片和花瓣同叶片更为接近，可以看作叶的变态；雄蕊一 般位于雌蕊的外层，由花药和花丝组成：雌蕊( 心皮) 位于花结构的内层，由柱头、花柱和子房 构成。按g e o t h 的观点，花是一种变态枝条，花器官则是变态叶。研究认为【2 b ”5 ”，花发育 经历四个主要阶段：( 1 ) 茎端分生组织向花序分生组织的转变；( 2 ) p h 非决定性的花序分生组织 产生决定性的花分生组织；( 3 ) 四种类型花器官原基的数目和特征的确定；( 4 ) 每个花器官的发 育。在过去的几年里，对拟南芥、金鱼草和其他植物的遗传学和分子研究的分析已经找到了 一系列控制花发育的不同时期的基因【2 4 38 ”】。这些基因中，研究晟清楚的是控制花分生组织 特征和花器官特征的限制阶段的基因1 4 0 1 。 1 6 2a b c 模型及发展 c o e n 等通过对大量的花器官突变体研究后提出了花发育的“a b c ”模型。这一模型认 为，花器官分别由具有不同功能活性的三类基因( 用a ，b ，c 表示) 决定。其中，a 功能基因单 西南农业大学顼士学位论文 文献综述 i l l l 独作用决定形成萼片，a 和b 基因共同决定花瓣，b 和c 基因共同决定雄蕊，而c 功能基因 则单独决定心皮的形成。同时，这一模型还提出a 和c 的功能是相互抑制的，b 功能基因仅 限于花部的第2 轮和第3 轮器官且不依赖于a 和c 类基因的功能【”i 。m i z u k a m i 等【5 8 1 对拟南 芥进行转a g 基因的研究进一步证明了这种相互作用。目前在拟南芥中分离到的具有a 功能 的基因有a p i 和a p 2 ，具有b 功能的基因有a p 3 和p i ，具有c 功能的基因是a g ：在金鱼草 中相应的a 功能的基因有s q u a ，b 功能基因有d e f 和g l o ，c 功能基因娃p l e 。a n g e n e n t 等1 5 ”认为，矮牵牛的花器官在起源上可分为5 轮，即由外向内分别为萼片、花瓣、雄蕊、心 皮和胚珠胎座，每一轮发生于花分生组织的特定区域，并将在种子和胚珠中特异表达的m a d s 盒基因定为d 组基因，从而对植物花发育的“a b c ”模型进行了进一步的补充，使“a b c ” 模型发展成为“a b c d ”模型。p e l a z 等刚在研究究a g l 2 类m a d s b o x 蛋自亚家族基因的功 能时，想把该类基因称为d 功能从因。但d 功能基因己被a n g e n e n t 等p w 用米定义控制制胚珠 发育的相关基因。t h e i s s e n 等”将该类基因命名为调控花器官发育的e 功能基因，并提出了 调控花器官发育的转录因子四聚体模型，从而将花发育的“a b c d ”模型进一步发展成为 “a b c d e ”模型或“a 掣模型图4 ( 2 ) 。该模型的提出，是植物花发育分子生物学研究的重 大进展和突破，为研究花发育特别是花器官的发育探明了新的方向。 s e p a l sp e t a l s s t a m e n s c a r p e l s s e p a l sp e t a l s s t a m e n s c a r p e l s o v u l e s b l a t - c a p 3 - p l a p l ，a p 2 - t卜- a g l b ii a _ |卜 c d 【 e ( 2 ) 图1 - 4 ：拟南芥花器官发育的“a b c ”及其“a b c d e ”模型 f i g l - 4 ：t h e a b c ”m o d e l ( 1 硪) a n d a - e m o d e l ，0 1 j a b c d e m o d d ( g h f ) o f f l o w e r o r g a n i d e n t i t y i n a r a b i d o p s i s 图中，( 1 ) 为经典的花发育的“a b c ”模型。( 2 ) ，( a ) 在( 1 ) 的基础上加上了控制胚珠发育的d 功能 基因以及控制花器官内三轮发育的e 功能基因。( b ) 所示是拟南芥的花同潭异型蛋白。a 、b 、c 组的功能蛋 白与经典的“a b c ”模型中的蛋白质一样。所提供的“d ”功能蛋白a g l l l 仅仅是一种假设，具体功能还未 研究清楚。这种假设是基于a g l l l 与矮牵牛的“d ”功能基因具有非常近的系统进化关系，并且该类基因具 有相似的表达方式。其e 功能基因提供的是拟南芥的a g l 2 类m a d s 盘亚家族蛋白s e p i 2 3 。“? ”表示功 6 -。f 西南农业大学硕士学位论文文献综述 能研究还不是很清楚并用虚线所示。 i nt h el e t lt h em o d e lt o l du st h ef u n c t i o n a lg e n e sa n dt h e i rf u n c t i o n s i nt h er i g h ( a ) t h ef u n c t i o n sa ba n dc a r et h es m n ea si nt h e c l a s s i c a la b cm o d e l ( 1 e l ! 【) i na d d i t i o n ，t h e r ei sadf u n c t i o ns p e c i 母i n go v u l e s ，a n da ne f u n c t i o n ，w h i c hi sr e q u i r e df o rt h es p e c i f i c a t i o no fp e t a l ，s t a m e na n dc a r p e li d e n t i t y , a n dp o s s i b l ya l s of o ro v u l e i d e n t i t y t h ei n v o l v e m e n to f t h ecf u n c t i o ni no v u l ef o r m a t i o ni ss t i l lu n c l e a ra n di st h e r e f o r ei n d i c a t e db y ad a s h e d l i n e ( b ) t h ep r o t e i n sp r o v i d i n gt h ef l o r a lh o m e o t i cf u n c - t i o n si na r a b i d o p s i s t h ef u n c t i o n so fa ，ba n dca r e p r o v i d e db y t h es a m ep r o t e i n s8 si nt h e c l a s s i c a la b cm o d e l t h er o l eo fa g l l li np r o v i d i n gt h edf u n c t i o ni s h y p o t h e t i c a la n d t h u sh i g h l i g h t e db yaq u e s t i o nm a r k ；t h i sh y p o t h e s i si sb a s e do nt h ec l o s ep h y l o g e n e t l cr e l a t i o n s h i p b e t w e e na g l i ia n dt h ed f u n c t i o ng e n e sf r o mp e t u n i a , a n do l lt h es i m i l a re x p r e s s i o np a t t e r n so f t h e s eg e n e s t h ee f u n c t i o n i s p r o v i d e db ys e p l ，a n d o r s e p 2 ，a n d o r s e p 3 i n a r a b i d o p s i s 1 7a g 家族基因的功能研究 y a n o f s k y