花发育分子生物学模板.ppt

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 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 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功能缺失突变体的花器官向营养器官转变 转AP1基因植株开花时间提前 2 B功能基因拟南芥的B类基因只有APETALA3 AP3 和PISTILLATA PI 2个 B类基因在花瓣和雄蕊中表达 B类基因与AP1和SEP基因一起 共同控制花瓣的发育 与AG和SEP基因一起共同控制雄蕊的发育 3 C功能基因拟南芥中C类基因仅有AGAMOUS AG 1个 AG在第3 4轮花器官中的表达抑制A类基因AP1的表达 AG与B类基因AP3和PI 以及E类基因SEP一起共同控制雄蕊的发育 与SEP基因一起控制心皮的形成 拟南芥AG突变体的雄蕊转变成花瓣和心皮 并以萼片 花瓣和花瓣的模式多次重复 成为重瓣花 4 D功能基因拟南芥中还有一些基因与C类基因同源性较高 但功能却与C类基因有所不同 如SHATTERPROOF1 SHP1 和SHP2 也称为AGL1和AGL5 SHP1和SHP2功能冗余 在心皮和果实中特异表达 其双基因突变体由于角果裂开区不能木质化而不能开裂 SHP1和SHP2与在胚珠中特异表达的AGL11和AGL13基因一起 被归为D类基因 5 E功能基因在拟南芥中 SEP1 SEP2和SEP3等SEP类基因被称为E类基因 SEP类基因可与A类 B类和C类MADS box基因相互作用 如SEP3与AG AP1以及PI AP3二聚体结合 在不同花器官中起作用 SEP1和SEP2在4轮花器官形成层中均有表达 当花器官形成后表达量降低 SEP1也在胚珠未成熟胚和种皮内高表达 SEP3主要在花瓣雄蕊和心皮中表达 二 花对称性模型金鱼草的花为背腹不对称 通过对其突变体的研究 发现CYC RAD DICH DIV等基因与不对称结构有关 前三个控制背部特征 DIV控制腹部特征 金鱼草花的形态 Stubbe 1966 A 金鱼草花的正面观 B金鱼草花的侧面观 d 背部花瓣 l 侧部花瓣 v 腹部花瓣 根据Endress对花型的分类方法 将高等植物花型划分为3种 多对称性 polysymmetric 花 有多个对称面的花 如 辐射对称的拟南芥花单对称性 monosymmetric 花 仅有一个对称面的花 如两侧对称的百脉根花 不对称 asymmetric 花 无任何对称面的花 高等植物各种形态的花和三种基本花型 Endress 2001 Jabbouretal 2009 系统进化的观点认为 不同的物种的两侧对称花型是由原始辐射对称花型经过不同的祖先多次反复独立进化而来 其目的是为了适应传粉者的需求 因为沿背腹轴向上花器官的特化在保护花内轮的雌性器官或雄性器官以及在吸引昆虫传粉方面起着重要作用 英国JohnInnes研究中心的Coen实验室第一次在模式植物金鱼草 Antirrhinummajus 中揭示了决定花对称性发育的分子机理 利用突变体克隆了与花对称性发育有关的CYCLOIDEA CYC 和DICHOTAMA DICH 基因 Luo等1996 1999 从此揭开了 对控制花对称性的基因的研究序幕 金鱼草野生型 cyc和cyc dich双突变表型 Luoetal1996 d 背部花瓣 l 侧部花瓣 v 腹部花瓣 金鱼草野生型 A B 和dich C D 单突变体表型 Luoetal 1996 CYC和DICH共同控制了金鱼草的背部花瓣属性 这两个基因同属于一类植物特有的TCP家族转录因子 cyc突变体主要表现为花第二 三轮花器官的变化 侧部花瓣呈现腹部花瓣的特征 而背部花瓣表现为背部与侧部花瓣相结合的特征 有的花的器官数目增多 有6枚花瓣 而金鱼草中的另外一个CYC同源基因DICH突变后 背部花瓣变宽而且变得内部对称 cyc dich双突变体的表型更为明显 所有的花瓣均呈现腹部花瓣的特征 花型由两侧对称变成辐射对称 CYC虽然只在背部花瓣表达 但是其突变体的侧部花瓣发育也受到影响 这说明该基因在侧部花瓣以非细胞自主性行使功能 DIV决定了腹部花瓣的属性 DIV编码含有两个MYB保守域的MYB转录因子 在CYC DICH DIV均突变的情况下 所有5枚花瓣均呈侧部属性 这说明在CYC和DICH功能缺失的背景下 DIV能够决定所有花瓣为腹部属性 在cyc和dich突变体中DIV的转录水平没有变化 表明CYC和DICH对于DIV的调控是发生在转录后水平的 在野生型金鱼草中 DIV的转录存在于所有的花瓣中 但在花发育的后期 DIV在腹部区域的表达会略有升高 RAD编码一个只有93个氨基酸的MYB转录因子 这个蛋白只有一个MYB保守域 CYC和DICH在背部区域的表达激活了RAD 因此RAD基因也同样控制了背部属性 由于RAD和DIV蛋白的同源性 RAD很可能通过与DIV的目标序列结合从而起到竞争的作用 或者直接与DIV结合从而抑制DIV在花原基背部及侧部的功能 五 花色相关基因植物的花色主要由三大类色素决定 类黄酮 包括花青素 类胡萝卜素和甜菜色素 花青素是类黄酮家族中的主要呈色物质 通过对花青素合成分支途径的关键节点基因进行调控 人们成功地获得了一些花色改良的观赏植物新品种 VanderKrol等 1988 首次将花青素合成途径上游的CHS基因反义导入矮牵牛 Petuniahybrid 抑制生成花青素苷的前体柚皮素等的合成 引起矮牵牛花色改变 为分子育种改良花色带来希望 导入单个外源基因使花色发生改变的尝试 近年来有许多成功的案例 尤其是在缺乏蓝色系的物种中导入有 蓝色基因 之称的F3 5 H基因 开启了蓝色花育种的大门 受体植物分子设计性状变化参考文献矮牵牛 Petuniahybrid 抑制内源CHS表达粉色变为白色VanderKroletal 1988抑制内源F3 5 H表达蓝色 紫色变为浅蓝色 浅粉色Shimadaetal 2001过表达长春花F3 5 H红色变为深红色 紫色花斑Morietal 2004抑制内源F3 H表达 过表达月季DFR红色变为橙色Tsudaetal 2004过表达PH5紫色变为红色Verweijetal 2008龙胆 Gentianasp 通过RNAi抑制CHS表达蓝色变为白蓝 白Nakatsukaetal 2008通过RNAi抑制F3 5 H和A5 3 AT表达蓝色变为淡紫 白蓝Nakatsukaetal 2010仙客来 Cyclamenpersicum 通过RNAi抑制F3 5 H表达紫色变为红 粉Boaseetal 2010蝴蝶兰 Phalaenopsisamabilis 通过RNAi抑制PeUFGT3表达红色变为白色Chenetal 2011b月季 Rosachinensis 过表达三色堇F3 5 H 鸢尾DFR 月季DFRRNAi红 白青变为浅蓝色Katsumotoetal 2007月季CHS启动子 三色堇F3 5 H 菊花F3 HRNAi粉色变为蓝色Bruglieraetal 2013菊花 Chrysanthemummorifolium 特异型F3H启动子 风铃草F3 5 H 乙醇脱氢酶5 UTR区作为增强子红 紫变为蓝紫色Nodaetal 2013通过RNAi抑制CmCCD4a表达白色变为黄色Ohmiyaetal 2006烟草 Nicotianatabacum 抑制内源F3 H和FLS 过表达非洲菊DFR粉色变为红色Nakatsukaetal 2007过表达瓜叶菊F3 5 H粉色变为紫色Sunetal 2013a蓝目菊 Arctotisstoechadifolia F3 5 HRNAi