（发育生物学专业论文）太行花trmads3基因的结构、功能和进化研究.pdf

太行花t r m a d s 3 基因的结构、功能和进化研究 摘要 抹眠是温带多年生植物的特性之一。为了适应温带地送寒冷的冬季，多年 生植物的分生组织通常在秋末冬初进入休眠状态，这样有利于它们在低温下的 存活。因此，温带多年生植物的生长和开花具有季节性。植物的生长发育需要 与季节的交替变化同步，才能适应环境，保证繁殖成功。多年生植物通过“生长 一休眠一生长”的循环过程适应温带地区寒冷的冬季。休眠既有利于植物存活又 可调节开花时闽。因此，探索温带多年生植物休眠过程的分子调控机理具有重 要的应用价值。 太行花( t a i h a n g i ar u p e s t r i s ) 是蔷薇科仙女木族的一种多年生草本。它生长 在海拔1 0 0 0 到1 2 0 0 米的温带蠢区。太行花需要两个生长季节才能开花，这一 点与模式植物拟南芥、水稻不同。在第一个生长季节花芽诱导，花序发育到秋 末冬初时进入休眠状态；过冬花序包裹在叶柄基部，接近土壤表面；到了第二 个生长季节，花进一步发育完全，开花结果。体眠过程对太行花花序的存活以 及来年的开花时间控制非常关键，对这个过程的调控基因的研究不仅有助于理 解太行花休眠的分子机制，还将为其它经济植物在这个方越的研究提供资料。 本研究以太行花为研究材料，从它的过冬花序中分离得到了一个m a d s - b o x 基因，分析了它的序列结构、系统发育关系、表达式样和功能，探讨了f l c 亚 家族基因在太行花这种多年生植物和一年生、两年生植物之闻发生的表达功能 分化。主要研究结果包括： 1 从太行花的过冬花序中分离出了t r m a d s 3 基因。氨基酸序列分析结果表 明它是m i k c c 型m a d s - b o x 基嚣，系统发育分析结果表明t r m a d s 3 与f l c 类 基因聚在一起。 2 实时定量p c r 和r t - p c r 实验显示t r m a d s 3 在冬季休眠期太行花的花 捅要 序、根、叶中广泛表达。从十月底到一月底的冬季低温期户外太行花植株中 t r m a d s 3 表达量比同期温室植株的表达量高，也比夏季户外植株的表达量高。 对温室植株进行低温处理能明显上调t r m a d s 3 的表达量，而短光照、干旱、高 盐和脱落酸( a b a ) 处理对t r m a d s 3 的表达影响不明显。 3 用原位杂交的方法分析了t r m a d s 3 的表达式样。营养器官中，t r m a d s 3 在营养顶端分生组织、叶原基、幼叶边缘细胞中表达量高；生殖器官中，t r m a d s 3 在侧生分生组织、花序原基、花原基、幼苞片、萼片原基、花瓣原基、雄蕊原 基、心皮原基、发育中的雄蕊、心皮中表达量高。t r m a d s 3 的表达模式反映了 t r m a d s 3 调控营养生长和不同阶段的花序、花发育过程。 4 t r m a d s 3 在拟南芥中异位表达不影响拟南芥开花时间。在高盐和干旱胁 迫条件下，t r m a d s 3 异位表达能够明显提高转基因拟南芥后熟种子的萌发率。 5 建立了太行花的组培体系。 综上所述，t r m a d s 3 属于f l c 进化支，这一亚家族基因还未在多年生植物 中报道。t r m a d s 3 在太行花休眠期表达量很高。在实验控制条件下，一至两周 低温能够明显促进t r m a d s 3 表达量的上调。低温处理后回到生长温度的太行花 在一月内依然保持较高的t r m a d s 3 的表达。原位杂交实验显示t r m a d s 3 在营 养和生殖分生组织中表达量高。t r m a d s 3 在拟南芥中异位表达促进后熟种子在 高盐和干旱胁迫下萌发。因此，我们推测t r m a d s 3 具有响应低温调节太行花休 眠期营养和生殖分生组织活性的功能。在一、二年生植物中分离的f l c - l i k e 基 因响应春化作用，具有抑制花芽诱导的保守功能，这些基因在营养器官中表达， 受春化作用调节，对应一、二年生植物的成花诱导受春化作用促进的过程，但 t r m a d s 3 在太行花营养和生殖器官中均表达，对应太行花花芽诱导后营养和生 殖器官均进入休眠状态的生理特性，因此，我们推测f l c - l i k e 基因有可能在太 行花这种温带多年生植物和一、二年生植物之间发生功能分化。 关键词：太行花f l c 休眠t r m a d s 3 功能分化 i i 太行花t r m a d s 3 基因的结构、功能和进化研究 a s t u d y o ns t r u c t u r e ，f u n c t i o na n de v o l u t i o no f t r m a d s 3f r o mt a i h a n g i a r u p e s t r i s x i a o - q i ud u ( d e v e l o p m e n t a lb i o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f k a n gc h o n ga n dp r o f z h e n gm e n g d o r m a n c y , at e m p o r a r ya r r e s to fm e r i s t e ma c t i v i t y , i sa l la d a p t a t i o no ft e m p e r a t e p e r e n n i a l st h a te x p e r i e n c es e v e r ew i n t e rc o n d i t i o n si nr e s p o n s et o e n v i r o n m e n t a l s i g n a l s i nan u m b e ro f p e r e n n i a l s ，e s p e c i a l l yt h o s eo ft e m p e r a t eo r i g i n s ，t h e r ee x i s t sa d e l a yb e t w e e nf l o r a li n i t i a t i o na n df l o w e rd e v e l o p m e n t t y p i c a l l yf l o r a li n d u c t i o ni s i n i t i a t e di nt h ef i r s tg r o w t hs e a s o n , f o l l o w e db yg r o w t hc e s s a t i o na n dd o r m a n c y d u r i n gt h ew i n t e r i nt h es e c o n dg r o w t hs e a s o n , t h er e l e a s eo fd o r m a n c ya n dg r o w t h r e a c t i v a t i o ni s p r o m o t e d i nf a v o r a b l ec o n d i t i o n s e n d o g e n o u sa n de n v i r o n m e n t a l f a c t o r si n t e r a c tt or e g u l a t et h ee s t a b l i s h m e n t , m a i n t e n a n c ea n dr e l e a s eo ft h ed o r m a n t s t a t ei nm e r i s t e m s u n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s m sc o n t r o l l i n gp l a n td o r m a n c yi s c r u c i a lt os o l v em a n yp r o b l e m si na g r i c u l t u r es u c ha st h er e p r o d u c t i o no fp e r e n n i a l p l a n t sa n dt h es t o r a g eo rd i s t r i b u t i o no fs t a p l ec r o p s t a i h a n g i ar u p e s t r i si sac h i n a - s p e c i f i ct e m p e r a t ep e r e n n i a lp o l y c a r p i ch e r bi n r o s a c e a ef a m i l ya n dg r o w si nt h et e m p e r a t em o u n t a i n o u sa r e aa ta na l t i m d eo f10 0 0 t o12 0 0m e t e r t a i h a n g i ai si n f l o r e s c e n c ef l o w e r i n ga n di t sf l o w e r i n gp r o c e s se x t e n d s t w oc o n s e c u t i v eg r o w i n gs e a s o n s d u r i n gt h ef i r s ts e a s o n , i n f l o r e s c e n c e , a r ef o r m e d i nt h ea x i l so fc u r r e n ty e a r sl e a v e sf r o ml a t e r a lm 嘶s t e m sa n de n t e rd o r m a n c yi nt h e l a t ea u t u m n d o r m a n ti n f l o r e s c e n c e sa r ee n c l o s e di nt h eb a s a lp a r to fl e a fp e t i o l e s n e a rt h es o i ls u r f a c ed u r i n gt h ew i n t e r t h en e x ts p r i n g , i n f l o r e s c e n c e ss p r o u tf l o w e r s w h e ne n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa r ep e r m i s s i v e t a i h a n g i ac o n t r o l si t sf l o w e r i n gb y a b s t r a c t r e g u l a t i n gd o r m a n c yr e l e a s e , w h i c h i sd i f f e f e n tf r o m a r a b i d o p s i s , a l la n n u a ls p e c i e s am a d s - b o xg e n ew a si s o l a t e df r o mt h eo v e r w i n t e r i n gi n f l o r e s c e n c 燧o ft a i h a n g i a a n dn a m e d 勰t r m a d s 3 w ei n v e s t i g a t e dt h es e q u e n c es t l l l 曲】r 岛e x p r e s s i o np a t t e r n , p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i pa n df u n c t i o no ft r m a d s 3 t h em a i nr e s u l t sa r es h o w na s f o l l o w s ： 1 t r m a d s 3e n c o d e sam i k cs t r u c t u r em a d s d o m a i np r o t e i n ap h y l o g e n e t i et r e e m a d eb yt h en e i g h b o r - j o i n i n gm e t h o du s i n gt h em r e g i o n so ft h ea m i n oa c i d s e q u e n c e so ft r m a d s 3a n dt h er e p r e s e n t a t i v eg e n e sf r o ma r a b i d o p s i s ，p e t u n i aa n d t h es u g a rb e e ts h o w st h a tt r m a d s 3b e l o n g st ot h ef l ce l a d e t h ect e r m i n a lo f t r m a d s 3s h o w s 锄a s p a r t a t ea n dg l u t a m a t e - r i c hs t r e t c hw i t hl i t t l es i m i l a r i t yt oo t h e r f l c - l i k ep r o t e i n sa n di sh i g h l yh y d r o p h i l i c 2 t h et r m a d s 3 t r a n s c r i p t sr e m a i na tah i g hl e v e la n da r ee x t e n s i v e l yd i s t r i b u t e di n i n f l o r e s c e n c e s ，r o o t sa n dl e a v e sd u r i n gw i n t e rd o r m a n c y i nc o n t r o l l e dc o n d i t i o n s ，t h e t r m a d s 3e x p r e s s i o ni n c r e a s e si nr e s p o n s et ol o wt e m p e r a t u r ea n da t t a i n sah i g h l e v e la f t e rat w o w e e kc o l de x p o s u r e t h ee x p r e s s i o nl e v e lr e m a i n sh i l g hf o ra p e r i o d o ft i m ei nt h eg r o w i n gc o n d i t i o n sa f t e rc o l dt r e a t m e n t t h et r m a d s 3e x p r e s s i o n l e v e ld o e sn o tc h a n g eu n d e r s h o r t - d a yp h o t o p e r i o d ，d e h y d r a t i o n , h i 曲s a l i n i t yo ra b a ( a b s c i s i ca c i d ) t r e a t m e n t s 3 t r m a d s 3i s h i g h l ye x p r e s s e di nt h o s ec o l d - t r e a t e dt i s s u e st h a ta r er a p i d l y p r o l i f e r a t i n gb e f o r ec o l de x p o s u r el i k et h es h o o ta p i c a lm e r i s t e m , l e a fp r i m o r d i a , l a t e r a lm e r i s t e m s ，f l o w e rp r i m o r d i aa n df l o r a lo r g a np r i m o r d i a i nt h em o r em a t u r e t i s s u e s ，i t se x p r e s s i o nb e c o m e sr e s t r i c t e d f o ry o u n gl e a v e s ，t h et r m a d s 3t r a n s c r i p t s a c c u m u l a t ei nt h em a r g i n a lc e l l sa n df o rf l o w e r sa r ed e t e c t e dh i g h l yi nt h ei n n e rt w o w h o r l sw h e nt h ef o u r - w h o r lo r g a n sh a v e b e e nf o r m e d 4 e c o t o p i ce x p r e s s i o no ft r m a d s 3i na r a b i d o p s i sd o e sn o td e l a yf l o w e r i n gt i m eb u t i v 太行花t r m a d s 3 基冈的结构、功能和进化研冗 ! , i i i ii i i l u nnl1lll, i i i ii io j , , 1 1 皇篁量鼍鼍量 p r o m o t e ss e e dg e r m i n a t i o nu n d e r 继g hs a l i n i t yo rd e h y d r a t i o ns t r e s sc o m p a r i n gt o w i l dt y p e 5 。e s t a b l i s h m e n to ft i s s u ec u l t u r es y s t e mf o rt h et r a n s f o r m a t i o no ft a i h a n g i a a l lt h e s ed a t ar e v e a lt h a tt r m a d s 3m a yb ei n v o l v e di nf l o w e rd e v e l o p m e n ta n d v e g e t a t i v eg r o w t hd u r i n gd o r m a n c yi nr e s p o n s et oc o l ds i g n a l i nw i n t e ra n n u a l so r b i e n n i a l st h ee x p r e s s i o no ft h ef l c - l i k eg e n e si sr e s t r i c t e dt ov e g e t a t i v et i s s u e s , c o r r e s p o n d i n gt ot h ef l o r a lt r a n s i t i o na f t e rv e r n a l i z a t i o na n df l o w e r i n go n l yo n c ei n t h e i rl i f ec y c l e 弧et r m a d s 3t r a n s c r i p t sa r ea b u n d a n ti nt h ev e g e t a t i v ea n d r e p r o d u c t i v em e r i s t 缀n s ，i nl i n ew i t hb o t hv e g e t a t i v ea n dr e p r o d u c t i v ed o r m a n c yi n t a i h a n g i ao v e rt h ew i n t e r t b i 8d i v e r g e n c eo fe x p r e s s i o np a t t e r n sb e t w e e nt r m a d s 3 a n dt h eo t h e r 脱( l i k eg e n e sw e l lc h a r a c t e r i z e ds u g g e s t st h a tt h em e c h a n i s m r e g u l a t i n gd o r m a n c yi nt a i h a n g i a , t h ep e r e n n i a lh e r b ，m a yb ed i f f e r e n tf i n o mt h a t 遗 w i n t e ra n n u a l sa n db i e n n i a l s k e yw o r d s ：t a i h a n g i af l cd o r m a n c yt r m a d s 3f u n c t i o n a ld i v e r g e n c e v 6 - b a a m p b c 糟 b s a h y g c 秘惦 d e p c d i g d n a s e d c d n a d t t 琰暾 g a g u s 礤豫 k a n m 瞪s m s n a a n 瓣 o d p o l y a 太行花t r m a d s 3 基因的结构、功能和进化研究 符号说明 6 b e n z y la m i n o p u r i n e 6 - 苄氨基嗫呤 a m p i c i l l i n 氨苄青霉素钠 5 - b r o m o - 4 - c h l o r o - 3 - i n d o l y l - p h o s p h a t e 5 溴4 氯- 3 一孵l 哚攮酸盐 b o v i n es e r u ma l b u m e n 牛盎清岛蛋白 c e t y tt r i e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e 十六烷基三甲萋溴讫铵 d i g o x i g e n i n 地商辛 d e o x y r i b o n u c l c a s e 脱氧孩糖核酸酶 d o u b l es t r a n dd e o x y r i b o n u c l e i ca c i d双链互补d n a d i t h i o t h r e i t o l 二硫苏糖醇 e t h y l e n ed i a m i n et e t r a c e t i c a c i d z i 二胺匿乙酸 g - i b b e r e l l i n s 赤霉素 1 3 - g l u c u r o n i d a s e少葡糖营酸酶 i s o p r o p y l ，1 3 - d - t h i o g a l a c t o p y r a n o s i d e 异秀基零d 硫代半巍藉瞢 k a n a m y c i ns u l f a t e 卡那霉素 c d t l 3 0 n 4 s 2 - ( n 。吗璃 琳) 乙磺酸 m u r a s h i g ea n ds k o o gm e d i a m u r a s h i g ea n ds k o o g 培养基 a - n a p h t h a l e n ea c e t i ca c i d a 萘乙酸 4 - n i t r ob l u et e t m z o l i u mc h l o r i d e氮蘸匿睦 o p t i c a ld e n s i t y 光密度 p o l y a d e n y l i ca d d多聚腺苷酸 i x 符号说明 r a c e r a p i da m p l i f i c a t i o no f c d n a e n d s c d n a 末端快速扩增 p d f r i f a m p i c i n 利福平 s s cs t a n d a r ds a l i n ec i t r a t e标准柠檬酸钠盐 s a s t r c p t a v i d i n 硫酸链霉素 t r i z o l t r i p u r ei s o l a t i o nr e g e n t x - g a l5 - b r o m o - 4 - c h l o r o - 3 - i n d o l y l p - d g m a c m s i d e 5 一溴4 氯一3 一吲哚一p - d - 半乳糖 苷 y e py e a s te x t r a c t p h o s p h a t em e d i a y e a s te x t r a c t - p h o s p h a t e 培养基 x 学位论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院植物研究所有关保留、使用学位论文的 规定，即：植物研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅 和借阅：学校可以提供目录检索以及公布论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 学位论文作者签名：卡娩肚 2 。口7 年6 月叶日 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：如i 晚知 沙7 年月叶e l 太行花t r m a d s 3 基因的结构、功能和进化研究 第一章前言 1 1 植物休眠调控机制 一般来说，植物只能在固定的地方生长发育。因此，植物的生长和发育必 须要能够适应当地环境的变化。植物生命过程中关键的步骤就是开花结果。为 了能够成功繁衍( r e p r o d u c t i v es u c c e s s ) ，植物必须选择最合适的时机开花。从分 子水平上讲，植物必须有一套精细的调控机制来响应环境的变化并对此做出相 应的调整，从而调节其开花时间( f l o w e r i n gt i m e ) 。许多环境因子影响植物开花 时间( b e r n i e ra n dp e r i l l e u x ，2 0 0 5 ) ，如光照长度、光照强度、温度等( p o l l o c ka n d e a g l e s ，1 9 8 8 ；s e a r l ea n dc o u p l a n d ，2 0 0 4 ) 。这些因子随季节的变化而变化。在不同 地域( 纬度、海拔变化) 这些因子也随之改变。环境因子变化可分为短期和长 期两种( s h o r to rl o n gr a n g e s ) 。研究表明，无论短期变化还是长期变化，植物都 能感应( 短期变化如感受昼夜温差，长期变化如春化作用等) ，这正说明了植物 感应环境变化调控自身生长发育的分子机制是相当复杂的( h e g g i ea n dh a u i d a y , 2 0 0 5 ) 。 不同植物生长习性不一样，对环境的响应也不同。根据植物生长周期( 1 i f e c y c l e ) 的长短可以将植物分为一年生，两年生和多年生。通常我们把在一年内 就完成整个生长周期的植物叫一年生植物( a n n u a lp l a n t s ) ，需要两年才能完成生 长周期的植物叫两年生植物( b i e n n i a l s ) ，能够多年生长的植物叫多年生植物 ( p e r e n n i a l s ) 。多年生植物又可分为一次结实( m o n o c a r p i c ) 和多次结实 ( p o l y c a r p i c ) 两个类型。一次结实植物一生中只开一次花，如竹等；多次结实 植物成熟之后每年可开一次花，如苹果、梨等。 高等植物的成花过程包括成花诱导( f l o r a li n i t i a t i o n ) 和花芽分化( f l o r a l d e v e l o p m e n t ) 两个过程。成花诱导是指营养分生组织转为生殖分生组织的过程。 第一章前言 对于一年生植物来说，花芽诱导后紧接着花发育，在同一个生长季节内完成这 两个过程。因此，环境选择压力主要作用于花芽诱导过程( a u s i nc ta 1 ，2 0 0 5 ) 。为 了确保开花结果都能在适宜的条件下完成，一年生植物通过感应光周期，温度 以及其他环境因子的变化来调节花芽诱导的时间。从进化上看，这是适应环境 的结果。例如起源于热带地区的禾谷类植物( 如水稻，高粱，玉米) 属于短日 照开花植物。高粱在雨季结束时的短日照条件下抽薹( b u n t i n ga n dp i c k c r s g i l l ， 1 9 9 6 ；c u r t i s ，1 9 6 8 ) 。起源于温带地区的禾谷类植物( 如小麦、大麦、黑麦等) 是 典型的长日照开花植物，这些植物在春季或夏初抽薹。同时它们还有春化作用 的要求，需要一段较长时间的冷处理才能在春季抽薹。 一年生的生长习性被认为是从多年生进化而来的( c o r n e r , 1 9 6 4 ) 。毒麦 ( l o l i u mt e m u l e n t u m ) 被认为是由一种需要春化作用的多年生祖先植物进化而 来，在环境选择压力下成为禾谷田里的一种稗草( o a ya n dt h o m a s ，1 9 9 5 ) 。这两种 生长习性在进化过程中相互转化f f h o m a se ta 1 ，2 0 0 0 ) 。在有些植物中发现这两种 生长习性都存在。两年生植物如甜菜、毛地黄、胡萝卜代表了介于一年生和多 年生之间的生长习性。如果抑制其花芽诱导过程，它们能进行多年营养生长 ( h a r p e r , 1 9 7 7 ) 。 与一、二年生植物不同，对于许多起源于温带地区的多年生乔木( 如松树 和一些果树) ，研究者发现它们的花芽诱导和花发育之间有一段较长的间歇期 ( s e d g l e ya n dg r i f f i n , 1 9 8 9 ) 。一些多年生草本如野草莓( f r a g a r i av e s c a ) 、太行花 还有一些球茎植物也是如此。进一步研究表明环境对这些植物花芽诱导的影响 并不像对一年生植物那样明显。因为这些植物的成花诱导发生在第一个生长季 节，缺少环境压力的选择。随着秋冬季的来临，光周期变短，气温下降，花芽 和植株进入生长停滞状态并度过寒冷冬季，在来年的生长季节植株重新开始生 长，花芽继续发育，进而开花结果。可见对这些植物来说，花芽诱导与花发育 之间这段间歇期对于植物的生长和繁衍非常关键( b a t t e y , 2 0 0 0 ) 。研究者将这段间 2 太行花t r m a d s 3 基因的结构、功能和进化研究 歇期叫做多年生植物的休眠期( p e r r y , 1 9 7 1 ) ( 图1 1 ) 。对生长在温带地区的多年 生植物，处于休眠期植株的形态和生理特征一般表现为无明显生长迹象且有很 强的抵御冻害的能力。 p e r e n n i a l s 黜菡掣 他删靶黟矾 v e g e t a t i v eg r o w t h f l o r a li n i t i a t i o n t ( d a y l c n g t h , 垃弼p e 穗啪 岫触删c o - l a i ( w m t c x ) l 匪麓豳隧圈囊琵缢錾溘掰勰黝醯懿弛盔黼翻蕊盈蕊翟融出翮譬 1 鸭舒髓厅代磬硼 f l o w e re m e r g e n c e p 咀b u r a ) 图1 1 一、二年生与多年生植物开花进程的对比 休眠从形态学上可观察到休眠芽的形成，休眠芽中包含叶原基或花原基， 外面包裹着鳞片( s c a l e s ) 。根有可能没有休眠现象，但低温能够抑制根的生长。 植物休眠的产生和解除受到外源因子和内源因子的共同作用，不同物种，对于 休眠的调节也不一样。如何判断植物处于休眠状态? l a n g 等( l a n gc ta 1 ，1 9 8 7 ) 对休眠的定义目前已被普遍接受。他们认为休眠是任何含有分生组织的植物器 官处于的生长停滞的状态( “at e m p o r a r ys u s p e n s i o no fv i s i b l eg r o w t ho fa n yp l a n t s t r u c t u r ec o n t a i n i n g a m e r i s t e m ) 。由于外源或内源的因子都能够影响到植物器官 每嚣 啤=；嚣 瓣 第一章前言 的休眠状态，所以根据植物对不同因子的响应将休眠分为三种类型：相对休眠 ( p a r a d o r m a n c y ) 、内生休眠( e n d o d o r m a n c y ) 和生态休眠( e c o d o r m a n c y ) ( h o r v a t h e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 相对休眠是指某部分植物器官的休眠状态受到该植物上的其他器官的影 响。相对休眠研究得比较清楚。在大多数情况下相对休眠即指顶端优势。这种 休眠有利于植物把养分集中供给繁殖器官或控制株型。水仙和郁金香的鳞茎的 休眠由顶端优势造成，属相对休眠。 内生休眠又称自然休眠或真休眠，是指在外界环境因子的诱导下，休眠器 官内部发生一系列生理变化，即使给予其适宜的生长条件，仍然不能萌芽生长， 必须要经过一定的低温才能打破休眠恢复生长。内生休眠控制植物不会由于季 节交替时的气候变化而出现反季节生长。光和温度是促进内生休眠诱导和释放 的重要环境因子。对大多数木本多年生植物来说，光周期变化发挥关键作用。 逐渐变短的日照长度诱导项芽产生鳞片( o k u b a , 2 0 0 0 ) 。短光照还能诱导白桦树和 杨树的顶端分生组织产生抗冷性( c o l dh a r d i n e s s ) 、停止细胞分裂、启动休眠( l i ， 2 0 0 3 ) 。长期的冷、冻处理可打破内生休眠。某些化学物质也有类似效果，如 h y d r o g e nc y a n a m i d e ( h c ) ( h e n z e l l ，1 9 9 1 ) 。h c 如何打破休眠的分子机制并不清 楚，但有研究证明一种s n f - l i k e 蛋白激酶参与作用( 0 r ，2 0 0 0 ) 。 生态休眠是由于环境逆境( 如低温或干旱) 而造成的生长停滞状态。但同 时造成生态休眠的低温又有利于植物内生休眠的解除。关于生态休眠的分子机 制目前也不清楚。低温和干旱胁迫下的信号转导过程参与生长抑制的调控。a b a 一直被认为是参与胁迫反应的植物激素，既然a b a 已经被证明能调节i c k i 表 达( g i l m o u ra n dt h o m a s h o w , 1 9 9 1 ) ，有理由认为生态休眠有可能是因为a b a 的积 累而启动i c k l 的表达从而抑制生长。 相对休眠和生态休眠属于被迫体眠。相对休眠主要是由顶端优势控制；生 态休眠是由于不利的外界环境条件造成。当这些不利因素解除后，芽立刻萌发 4 太行花t r m 3 d s 3 基因的结构、功能和进化研究 生长。这种对休眠的细分也实用于多年生的草本植物尤其是温带地区或地中 海地区生长的多年生革本( v o l a i r ea n dn o r t o n ，2 0 0 6 ) 。 芽休眠有一定的进程( 图12 ) 。在第一十生长季节期间，芽原基在叶腋处 ，- 锄b 蟠”o f 篇尝黧怒 。警：掣 杀w “l n l 。6耆条”。 - 一一w wb r b “目 舔燃举燃 番“”番” m b “i c s p h e 4 0 er 目f 5 脚12 信号、季节变化对应不同类型的体眠 休眠通常定义为任何具有分生组织的植物器官进 暂时的生长抑制状态。 l d n g e ta l ( 1 9 8 7 ) 进一步将休眠分为相对体眠、内生体眠和生态体眠三个 类型。上图表明t - - 种休眠类型随季节变他而循环变化，以及这三种体眠 各自响应的信号。适j j ；i 于多年生草本、木本( 灌木和乔术) 、块茎芽( 西 红柿、马铃薯) 的体眠( 引自h o r v a t be t m ，2 0 0 3 ) 。 形成。芽被包裹在鳞片中或叶柄基都。只要没有外界刺激( 如修枝或落叶) ，芽 不会萌动。这样的生理状态叫做预休眠( p r e d o r m a n e y ) 或相对体眠或平行休眠 ( r e l a t i v ed o r m a n c yo rp a r a d o r m a n c y ) 。造成早期芽生长停滞的原因可能是顶端 第一章前言 优势，或芽本身的发育还不成熟。由于这些因素造成的休眠可随着这些因素的 消失而解除，所以被归类为可调控型休眠。随着生长季节从夏季转为秋季，光 周期变短，芽休眠状态从相对休眠诱导进入内生休眠( 又叫真休眠) 。此时，芽 即使被给予适宜的生长环境也不能萌发，必须要经过一定时期的低温处理，所 以这种休眠属于不可调控的休眠。不同的植物对于冷的需求量是不同的。冬季 寒冷的高纬度地区，低温充足，芽的真休眠可以很快解除，但低温同时也抑制 植物的生长和芽的萌动( 生态休眠) ，只有当外界温度回升到生长温度后，休眠 才能解除，所以生态休眠又叫被迫休眠( i m p o s e dd o r m a n c y ) ，也是一种可调控 的休i l i a ( f a u s te ta 1 ，1 9 9 7 ；s a u t e , 1 9 8 5 ) 。 芽的休眠与植物激素的变化密不可分：春季芽萌动的过程可以检测到生长 素和赤霉素的增加。冬季休眠期a b a 的浓度很高。 花芽被诱导产生后进入休眠状态。光周期变化能够明显促进休眠f r h o m a s a n dv m c ep i n e , 1 9 9 7 ；v a a r t a j a , 1 9 5 9 ；w a r e i n g , 1 9 5 6 ) 。其他环境因子，如养分胁迫， 低光照强度等，也参与作用。低温也有可能与光周期相互作用促进休眠( h c i d e ， 1 9 7 4 ) 。但是对一些果树的休眠研究发现，像苹果，梨，樱桃，它们的内生休眠 完全由内源因子引起( t h o m a sa n dv m c ep i n e , 1 9 9 7 ) 。因此需要注意的是，对有些 植物而言环境因子有可能不是休眠产生的原因，而只是促进体眠产生的速率。 研究表明北温带地区的树木在适宜的温度下，光周期长度也并未达到休眠域值 的时候就停止了生长并产生休眠芽( n o o d e na n dw e b e r , 19 7 8 ) 。 1 2m a o s d o m a i n 蛋白的结构和功能 m a d s - b o x 基因编码一个大家族的转录因子，广泛参与植物各个发育过程， 发挥重要功能。“m a d s ”的名称由m c m l ( m i n i c h r o m o s o m em a i n t e n a n c eg e n e ， 来自于酵母) ( p a s s m o r ee ta 1 ，1 9 8 8 ) ，a g ( a g a m o u s ，来自于拟南芥) ( y a n o f s k y e ta 1 ，1 9 9 0 ) ，d e f ( d e f i c i e n s ，来自于金鱼草) ( s c h w a r z - s o m m e rc ta 1 ，1 9 9 2 ； 6 太行花t r m j d s 3 基因的结构、功能和进化研究 s o m m e re ta 1 ，19 9 0 ) 和s r f ( s e r u mr e s p o n s ef a c t o r ，来自于人) ( n o r m a ne ta 1 ，19 8 8 ) 这四个最早分离得到的该家族基因的第一个字母构成。m a d s - b o x 基因存在于动 物、植物和真菌中。所有m a d s - b o x 基因都拥有一个高度保守的，长度大约为 1 8 0 b p 的核苷酸序列，它们所编码的蛋白质序列称为m a d s 结构域 ( m a d s - d o m a i n ) 。因此m a d s - b o x 基因所编码的蛋白质称为m a d s - d o m a i n 蛋 白。 根据m a d s 域的序列特征，将该基因家族的成员分为两种类型：t y p ei 和 t y p ei i ( a l v a r e z b u y l l ae ta 1 ，2 0 0 0 ) 。其中t y p ei i 基因由动物、真菌的m e f 2 一l i k e 基因和植物的m i k c - t y p e 基因组成。在植物中，绝大多数已知功能的 m a d s - d o m a i n 蛋白主要属于t y p ei i 类型。它们除了具有保守的m a d s 结构域 外，还拥有另外一个相对保守的k 结构域( k e r a t i n - l i k