CO基因在植物中的研究进展.doc

精品文档植物中CO基因的研究进展摘 要： CO(CONSTANS) 基因是植物开花时间光周期调控途径中的一个重要基因。目前从拟南芥、水稻、油菜、马铃薯等多个物种中都已经克隆到 CO 同源基因。CO 基因在不同物种中具有保守的锌指结构和核定位区域，但是不同植物中的作用机理并不完全相同。如在拟南芥和水稻中， CO 基因位于生物钟的输出途径，是生物钟和开花时间基因之间监测日照长度的重要元件，它可以整合光信号和生物钟信号，节律性地激活表达，从而诱导开花。本文在阅读相关对该基因的研究的文献中发现，目前已从 30 余个物种中克隆到 CO 同源基因并对其序列特征、表达模式和功能特性进行了研究。序列分析表明该基因在被子植物与裸子植物之间、双子叶植物与单子叶植物之间以及不同科、属的植物之间均有明显分化，说明 CO 基因可能在植物进化中起到了重要作用。此外，本文综述了近年来有关植物 CO 基因的研究进展，并对其在物种中的进化进行分析，为 CO 基因进一步研究提供参考。关键词： CO 基因；植物开花；光周期；概 述：高等植物生活周期包括种子萌发、营养生长、开花受精、胚胎发育种子形成等一系列发育阶段，其中由营养生长向生殖生长转换的过程称为成花转变，这一过程不仅关系着物种延续，且与人类生活息息相关。植物在恰当时间开花可以保证植物授粉以及种子充分发育成熟，因此它与作物产量和品质密切相关，是作物生产的关键所在，也成为发育生物学研究的重点问题。成花转变过程由植物自身遗传因子和外界环境因素两方面共同决定，并受错综复杂的网络信号传导途径调控由营养生长阶段向生殖生长阶段转换是植物生命活动中的一个重要过程，这种转换的时间一般称为开花时间。众所周知，植物的开花时间是受外在因素和内在因素共同调控的。外在因素包括光周期(日照长度)、光质(光的光谱组成)、光照强度(光子流密度)、温度(低温，如拟南芥和冬小麦的春化作用)、群体密度和营养条件等，而内在因素是指激素(赤霉素等)和控制植物发育阶段的各种基因调控机制。近年来利用模式植物拟南芥，通过创造早花和晚花突变体，克隆了一系列与拟南芥开花时间有关的基因，认为控制植物开花时间存在光周期途径、春化途径、自主途径和赤霉素途径等 4 种途径，这几个途径组成一个复杂的基因网络共同调控植物开花时间1。在调控植物开花时间的 4 个途径中，光周期调控途径已经比较明确，参与这个途径的基因如 TOC1(timing of cab ex pression 1)、ELF4(earlyflow ering 4)、LHY (lateelongated hy poco tyl) 和CCA1( circadianclock associated 1)、GI( gigantea)、CO( constans)、FT( f low ering lo cus) 等已经得到克隆，其中 CO是植物光周期信号传导途径中至关重要的一个基因。 CO 基因受生物钟调控，表达量在一天之内呈节律性变化，它能够促进拟南芥在长日照条件下开花，但是在短日照条件下 CO基因对拟南芥开花时间的作用不大。随后，利用图位克隆和同源克隆等技术，水稻、油菜、牵牛、大麦等多个物种中的 CO 同源基因也得到克隆，研究表明这些物种中的 CO 同源基因也具有调控植物开花时间的作用，但是不同植物中的 CO 同源基因作用机理存在一定差异。本文介绍目前有关植物 CO 基因的研究进展，同时对已经克隆的 CO 基因在这些物种中的进化关系进行分析，以期为该基因的进一步研究提供参考。近年来利用分子遗传学方法对拟南芥开花突变体进行研究。中光周期途径是目前为止研究得较为清楚的一条途径。在实际生产中，人们通过调整光照时间长短调节光周期敏感的栽培植物的开花时间，从而进行周年生产，满足消费者的周年需求#随着分子遗传学及分子生物学的快速发展，许多与光周期途径开花相关的基因已经被发现并克隆。1. 植物中 CO 同源基因的分离Putterill 通过图位克隆的方法首先在拟南芥开花延迟突变体中分离到 CO 基因2。随后，人们又在拟南芥中分离到 16 个 CONSTANS-LIKE (COL) 基因，这些基因组成一个 CO 基因家族。分析表明 CO 基因在根和叶中表达，在长日照下 CO 促使拟南芥开花，但是短日照条件下不起作用。进一步研究发现 CO基因位于生物钟的下游，并受其它一些基因所调控。后来，Yano 针对控制水稻抽穗期的一个重要克隆到了一个抽穗期基因 HD1 ，序列分析表明 HD1 和拟南芥的 CO 基因同源， HD1 突变后水稻对光周期的敏感性降低。后来研究发现水稻中存在一个与拟南芥相似的开花时间信号传导途径， HD1 与 CO 在该传导途径中具有相似的功能和作用。利用模式植物拟南芥的 CO 基因和水稻中的HD1 基因序列，通过同源克隆的方法，目前已经在小麦、美洲黑杨、马铃薯、番茄、牵牛、醉蝶花、萝卜、豌豆和多年生黑麦草等多个不同科属的物种中克隆到了 CO 同源基因。2. 植物中 CO 同源基因的结构拟南芥中的 CO 基因编码 1 个 1122 bp 的ORF，基因组序列包含 2 个外显子和 1 个内含子。 CO 编码蛋白的 N 末端包含 2 个含半胱氨酸的锌指结构，该结构与动物转录因子的B-box 具有较高的同源性，可能在蛋白-蛋白间互作时起作用。 CO 蛋白的 C 末端有 1 个CCT 区域，是核定位信号区域。对18种植物 (包括裸子和被子植物) 中已经克隆的 CO 同源基因编码的蛋白进行比对，在 CO 基因编码蛋白的 C 端都有保守的核定位区域，该区域在进化过程中非常保守。而在 N 端的锌指结构中，第一个 B-box 完全保守，第二个 B-bo x 的保守性较低。整体而言，锌指结构区域的保守性要低于核定位信号区域。实际上， CO 基因在植物基因组中并不是只有1个拷贝，而是一个存在多个拷贝的基因家族。在拟南芥中，这个基因家族共有 17 个成员，每个成员都具有 CO 基因的特征区域： N 末端的锌指结构和 C 末端的 CCT 区域。 CO 基因家族之间在 C 末端的核定位信号区域差异不大，但是在 N 末端的锌指结构域差异较大。根据 N 末端的结构特征，可以把这个多拷贝的基因家族分为三类：第一类是在 N 末端具有 2 个锌指结构；第二类是在 N 末端只有 1 个锌指结构；第三类是在 N 末端有 1 个正常的锌指结构和 1 个二级结构改变的锌指结构。基因家族是指基因组内一个祖先基因经过基因重复和变异所产生的一组同源基因的现象，目前的研究结果表明：拟南芥中这个基因家族共有17个成员，水稻中这个基因家族共有16个成员，利用同源分析的方法在其它物种中也鉴定出这个基因家族存在多个成员，如大麦中存在 9 个成员，小麦中存在 3 个成员，番茄中存在 3 个成员。这些例子表明在植物中， CO 基因往往存在多个拷贝，这些拷贝在基因结构上存在差异，对这些拷贝存在的机理及每个拷贝的功能还需进一步研究。3. 植物中 CO 同源基因的功能 CO 是植物光周期途径中的重要基因，与其它基因一起组成一个复杂的开花时间调控网络。 CO 基因整合光受体和生物钟接受的环境信号并通过激活下游基因的表达促进植株开花，拟南芥 CO 突变体植株在诱导的长日照条件下开花延迟，在短日照条件下开花时间与野生型植株一致。组成型表达 CO 基因使拟南芥对日长反应不敏感，无论日照长短均提前开花。Takase等将构建的 CONSTANS-EAR 基序抑制基因 (CO-Rep) 转入拟南芥植株后发现，33% 的 T1 代植株株型变矮，44% 的 T2 代植株形态发生了改变：如须根增多、初生根很少或几乎没有初生根，仅有一个子叶或两个子叶大小不一致或没有子叶，而形态正常的植株茎生叶和莲座叶在诱导条件下增多、花期延迟，表明 CO-Rep 在正确的时间$正确的空间表达即韧皮部中表达才可以避免转基因植株形态异常而使 CO 功能得以正常发挥。水稻中 CO 基因的同源基因Hd1在短日照条件下促进开花，长日照条件下抑制开花。短日照条件下过表达水稻的一个 COL 基因 OsCO3 特异性地延迟水稻开花时间。番茄中的 SlCO2 基因似乎与调控开花时间无关，但其在拟南芥中过量表达可以使拟南芥花期延迟，而牵牛花的基因 PnCO 则可以弥补拟南芥 CO 突变体的晚花表型并使其比野生型拟南芥开花期提前。马铃薯一个亚种为日中性植物，其开花时间不受日照长短影响，组成型表达拟南芥 CO 基因的马铃薯在任何光周期条件下均延迟开花， CO 表达水平越高，开花时间越迟，施加外源激素仅能使其茎间延长，但对开花时间没有影响.长日照条件抑制马铃薯块茎形成，短日照条件促进马铃薯块茎的形成，组成型表达拟南芥 CO 基因的马铃薯在短日照条件下的块茎形成受到严重抑制，说明 CO 基因可能通过影响自主途径而非光周期途径控制马铃薯块茎的形成。这与MATERINS得出的 CO 基因通过影响光周期途径影响马铃薯块茎形成的结论不一致。此外， CO 调控元件还可以调控温带地区多年生树木的休眠和芽生长。双子叶植物的 CO 基因如油菜 BoCO1 基因可以互补拟南芥 CO-2 突变体的晚花表型。牵牛花 PnCO 基因可以互补拟南芥突变体的晚花表型，说明 CO 基因在调控单子叶植物和双子叶植物成花方面具有保守性。4. CO 基因与其它基因的互作作为日长信号感受器的生物钟通过生物钟输出成分 GI 输出信号，从而诱导下游基因 CO 表达，GI 基因的表达高峰比 CO 基因的表达高峰早大约 3-6h ，无论长日照条件还是短日照条件，过表达 CO 基因均可恢复 gi 突变体的晚花表型， 表明 CO 基因作用于 GI 基因的下游。 FT 基因和 SOCI 基因可以恢复 CO 突变体的晚花表型，表明 CO 基因作用于 FT 和 SOCL 的上游。其它一些昼夜节律类基因，如 ELF3、TOC1、FKF1、ZTL 等等感受昼夜变化并最终激活 CO 基因在叶片中表达。 CO 蛋白在蓝光和远红光条件下稳定，在红光和黑暗条件下不稳定，因此 CO 蛋白仅在长日照条件下才能积累达到最大值，当 CO 蛋白含量超过临界阈值时就可以激活 FT 的表达进而促进拟南芥植株在长日照条件下开花。5. 植物 CO 同源基因与植物进化 CO 基因存在于多个物种中，对 18 个物种的 CO 同源基因编码的氨基酸序列进行了分析。结果表明各物种间在锌指结构和核定位信号 2 个区域的同源性很高，其它区段 CO 基因的同源性较低。进化过程中亲缘关系近的物种之间 CO 基因的同源性较高，亲缘关系远的物种之间， CO 基因的同源性较低。如小麦、大麦和水稻同属于禾本科，但是小麦、大麦的 CO 相似性为 0.94。而小麦和大麦与水稻间的相似性分别为 0.51、0.56 。不同科 (属) 的植物之间的相似性一般都低于 0.50 。在所分析的 18 个物种中，辐射松和挪威云杉同属于裸子植物的松科，其它植物都属于被子植物，这 2 种植物和其它物种间的亲缘关系最远，而它们与其他物种中的平均相似性只有 0.33 和 0.28 ，在所有物种中也是最低。利用 MEGA 软件对不同物种 CO 同源基因编码的氨基酸序列进行 Neighbo r-joining 聚类分析，结果显示植物 CO 基因编码蛋白间的相似性基本上反映了这些物种间的亲缘关系。 CO 基因不仅在裸子植物和被子植物间存在分化,而且在双子叶植物与单子叶植物，以及不同科、属的植物中也存在分化。由此可见在植物进化过程中， CO 基因也在不断发生变化。 CO 作为一个重要的植物开花时间调控基因，可能在植物进化过程中起到了极其重要的作用。6. 展望植物在适宜的时间和适宜的地点开始从营养生长进入生殖生长并开花结实是能否适应外界环境而生存的关键。光周期是影响植物开花时间的重要环境因子，而 CO 是光周期遗传调控途径中的关键基因，光通过生物钟产生的信号主要由 CO 来输出，为此植物对 CO 蛋白的代谢过程进行了精细调控，以确保光周期途径的准确作用。目前，在许多作物中都克隆到 CO 的同源基因，而拟南芥 CO 基因调控和功能方面的研究结果和研究思路，将为其他作物中 CO 同源基因的研究提供一定的参考依据。拟南芥 CO 蛋白的功能域包括 N 端的 B-box 和 C 端的 CCT 。根据功能域的结构和序列信息，编码这些基序的基因几乎存在于所有的被子植物中。进化树分析显示在拟南芥中存在17个COL基因，目前的结果显示第3组的 COL9 抑制了 CO 的转录并降低了FT的表达量进而导致晚花，和 CO 同属第一组且具有67%同源性的 COL1 和 COL2 不影响开花时间， COL3 则影响光信号的传导和根的生长，而 COL5 参与 FT 的诱导表达，因为 COL5 的过量表达提高FT的表达并在短日照下使拟南芥提前开花且不影响 CO 的表达模式。此外，水稻、大麦、甜菜、小麦中存在 COL 基因家族，但这些基因家族各个成员的功能不明确，深入研究它们的功能将有助于全面认识 COL 家族在光周期调控途径中的作用机理。光周期敏感是影响植物生态适应性的重要因素，它影响作物的种植区域和时间，限制育种种质资源的引进。 CO 基因是光周期途径中的关键基因，自然进化和人工驯化使植物存在着丰富的变异， Takahash 等的研究显示，水稻的 CO 基因（Hd1）在自然品种中存在着各种变异，其中一些品种的 CO 基因没有功能，而且 Hd1 蛋白的差异和 FT （Hd3a）启动子的改变决定了水稻品种的开花时间和自然分布，因此对这些基因的有效利用将大大提高水稻的适应性和育种效率，这也将为其他作物的育种和光周期敏感研究提供了一个有效途径。现有的研究在 CO 同源基因编码区结构和功能方面已取得了一定进展，这为利用基因工程进行植物的花期改良工作奠定了良好的基础，但这些基因的上游调控序列和下游调控区域还不清楚，因此，有必要对各个物种基因调控网络中的各个基因进行分离与功能验证，这将为从整体上揭开各个植物的开花之谜奠定良好基础。.1 Johnson CH, Kyriacou P. 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