现代生物基础 3

现代分子生物学（第6版）ModernMolecularBiology《现代分子生物学（第6版）》配套教学课件第9章基因与发育《现代分子生物学（第6版）》配套教学课件本章内容9.1发育的遗传控制9.2果蝇的发育与调控9.3高等植物花发育的基因调控9.4控制植物开花时间的分子机制9.1发育的遗传控制基因调节在人类胚胎从受精卵发育至胚胎的过程中起核心作用。在发育过程中，基因按预定程序表达，以确保受精卵反复分裂，并确保产生的细胞被有条不紊地特化，最终形成完全分化的器官。基因型不仅决定在发育过程中的事件类型，而且决定这些事件发生的时间顺序。研究发育的遗传学方法常利用导致发育异常的突变进行分析。这些突变打断发育过程，使人们有可能鉴定到控制发育的因子，并研究这些因子之间的相互作用。发育的核心是模式形成（patternformation），即受精卵通过细胞分裂和分化形成不同类型的细胞，并分别进一步形成不同的组织和器官，形成有序的空间结构。遗传背景相同的细胞主要采取以下三种策略以实现基因表达的不同。mRNA定位使得两个相同遗传背景的细胞具有不同特性的策略是在细胞分裂过程中不等量地分配关键的mRNA，使子细胞得到不同量的mRNA，从而经历不同的发育过程。定位后的mRNA能在相同遗传背景的细胞中建立差异化基因表达。发育胚胎中的细胞可通过遗传的被定位的mRNA被牵引至特定发育途径。2.细胞-细胞接触一个细胞可以通过向细胞外分泌信号蛋白的方式来影响相邻细胞的基因表达。相邻细胞的表面受体接收到邻近细胞分泌的蛋白质信号后，启动相应的基因表达变化。3.信号分子扩散传导细胞在胚胎中的位置对其发育分化有着重要的影响。定位在果蝇胚胎前端的细胞将发育成果蝇的头部，而不会发育成尾部。这种位置信息的形成依赖信号分子浓度梯度。分泌蛋白的浓度梯度直接导致了相应细胞的基因差异化表达。这种可以控制位置信号的信号分子被称为形态发生素（morphogen）。9.2果蝇的发育与调控果蝇是一种双翅目昆虫，个体小、生命周期快、易繁殖。在25℃下9～14天为一个发育周期，第一天为胚胎发育期，幼虫经历三个阶段，到第四天蜕皮分化后蛹化，在蛹中经过5天的变态，发育为成虫。图9-1

果蝇的发育时期9.2.1卵子发育与卵裂果蝇卵在卵巢管中形成，卵巢管被横向的管壁分成许多小室。卵原细胞经过4次有丝分裂成为16个细胞，称为并合体的这些细胞通过胞质桥构成内部连接，其中一个细胞以后将发育成为卵母细胞，其余15个姐妹细胞将发育成为抚育细胞。图9-2

果蝇卵子形成过程示意图卵母细胞为双倍体，完成减数分裂后成为单倍体。抚育细胞由于反复进行DNA复制而成为多倍体。果蝇的胚胎发育在产卵后立即开始，并在一天内孵化成幼虫。整个发育过程包括合胞体时期和细胞胚盘期。图9-3

果蝇的卵裂过程简图细胞核以每9min一次的频率复制，直至达到约有6000个核为止。在这段时间，卵子发育成为一个合胞体。当出现256个以上的细胞核时，这些细胞核开始向卵外周移动，并定居到皮层组织。细胞质膜沿核间内陷，细胞质环绕每个核封闭成小室(细胞产生)，这就是细胞胚盘期。胚盘腹部构成生殖带，产生胚胎固着层。在果蝇细胞胚盘产生以后，其身体发育和形成从生殖带腹部开始，并发展到卵背侧，发育过程涉及中胚层的形成、神经索和脑的形成过程。9.2.2胚胎发育果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体具有明确的前-后轴和背-腹轴。果蝇形体模式的形成按前-后轴和背-腹轴进行。果蝇胚胎和幼虫均沿前-后轴显示规律性分节，分属3个解剖区，从前到后分别被称为头节、3个胸节及8个腹节。果蝇幼虫的前后端又特化产生原头和尾节。图9-4书馆果蝇1龄幼虫形体结构模式母源效应基因特指影响胚胎模式形成和早期发育的母源基因，其表达产物依据空间分布的浓度梯度激活受精卵中的相关基因表达并决定细胞分化方向，最终建立胚胎体轴极性。20世纪初，胚胎学家就已注意到很多动物受精卵中特定部位的细胞质定位与胚胎发育直接相关。如果使果蝇卵前端少量的细胞质流失，该卵发育成的胚胎就会缺失头部和胸部。

1.母源效应基因与前-后轴极性形成这种缺失突变体与后来发现的bicoid突变体的表型相似。果蝇胚胎发育过程中的合胞体胚盘相当于一个多核共质体系，mRNA、蛋白质等物质可以在某些因子作用下通过扩散、运输、合成、降解等机制，在这个细胞内形成浓度不对称分布。已发现4组母源效应基因与果蝇胚轴形成有关。在卵细胞受精之前，bicoidmRNA、nanosmRNA由抚育细胞分泌进入卵母细胞，bicoidmRNA与RNA结合蛋白结合后在微管作用下被铆定在卵细胞前端。nanosmRNA则与RNA结合蛋白结合后在微管作用下被运送到后端。这一mRNA分子的浓度梯度，bicoid蛋白在果蝇的胚胎发育阶段产生由前向后的梯度性递减，而nanos蛋白则呈梯度性递增分布。果蝇胚胎、幼虫和成虫的前-后极性均源于卵子期发生的极性。bicoid和hunchback调控胚胎前端结构的形成，nanos和caudal调控胚胎后端结构的形成。bicoid蛋白是含有同源域，兼具DNA及RNA结合能力的转录因子，其转录激活作用存在显著的阈值效应。图9-5bicoid蛋白作用机制示意图(a)bicoid蛋白、rthodenticlemRNA、hunchbackmRNA及caudal蛋白浓度梯度示意图；(b)bicoid蛋白转录调控作用；(c)bicoid蛋白的翻译抑制机制。bicoid蛋白在转录水平的激活或抑制作用使间隙基因在胚胎中形成梯度分布。bicoid蛋白可结合到caudalmRNA的3′UTR，与mRNA上的5′帽子结合蛋白eIF4E发生相互作用，阻碍eIF4E与eIF4G的识别，进而阻碍核糖体大、小亚基在5′UTR的组装，抑制caudalmRNA的翻译。caudal蛋白主要分布在bicoid蛋白水平较低的胚胎后端。研究发现，nanos蛋白可能抑制hunchbackmRNA

的翻译，使hunchback蛋白含量在果蝇的胚胎发育过程中由前向后端逐渐降低，而caudal蛋白的含量则相反，由前向后渐次增高。图9-6bicoid蛋白作用机制示意图2.分节基因果蝇躯体分解是分步发生的。母源效应基因表达后，首先激活间隙基因表达，间隙基因再激活成对控制基因，成对控制基因激活体节极性基因表达。间隙基因、成对控制基因及体节极性基因产物与同源域基因上游调控区发生互作，调节同源域基因表达，最终决定每个体节的命运。图9-7

果蝇胚胎模式建立过程中关键基因的表达顺序在合胞体囊胚层中，胚胎细胞开始转录和表达自身基因产物，其中有许多是转录调控因子。这些因子在果蝇身体内并不沿身体呈均匀分布，而是在空间上被限制在某些被称为表达区的区域内并形成特殊的表达模式。目前已克隆了大约25个参与体节精细结构形成的基因。①间隙基因这类基因包括hunchback(hb)、krüppel和Knirps(kni)等。这些基因的表达很有特点，最初在整个胚胎中都表达很弱，以后随着卵裂的进行而逐渐转变成一些不连续的表达区带。图9-8

参与胚胎发育早期体节分化基因的表达谱分析间隙基因(a)间隙基因(Krüppel,Kr)

(b)成对控制基因(eve)

(c)本节极化基因(engrailed,en)②成对控制基因一般以两个体节为单位相互间隔一个副体节表达，其分布具有周期性。成对控制基因的功能是把间隙基因确定的区域进一步分化成体节。成对控制基因的表达是胚胎出现分节的最早标志之一，它们的表达模式较为独特，沿前-后轴形成一系列斑马纹状的条带分布，正好把胚胎分为预定的体节。③体节极性基因发育到细胞囊胚期时，体节极性基因把不同体节进一步划分成更小条纹。当果蝇体节极性基因发生突变时，每个体节都会缺失一个特定的区域。en和wg基因是两个最重要的体节极性基因。en基因在每一副体节最前端的一列细胞中表达，而wg基因的表达区域恰好位于en基因表达带之前。图9-9果蝇的体节特征(左)与用ENGRAILED抗体检测的该基因的表达(右)相吻合en和wg基因表达的起始受含有同源异型框的成对控制基因eve和ftz等编码转录调节因子的制约。en基因在基因产物FTZ和EVE的浓度达到一定阈值以后时才能被激活，但wg基因的活化浓度显著低于这一阈值。9.2.3果蝇末端系统及背-腹极性基因与发育调控如果控制前端和后端系统的基因都发生突变，果蝇胚胎仍可产生某些前-后模式，并发育成具有两个尾节的胚胎，暗示还存在第三个前-后轴确定系统，即末端系统。末端系统包括约9个母源效应基因。这些基因缺失会导致胚胎的前端原头区和后端尾节缺失。在这个系统中发挥关键作用的是torso(tor)基因。tor基因编码一种跨膜酪氨酸激酶受体，其N端序列位于细胞膜外，C端位于膜内。在卵子发育中，tor基因在整个合胞体胚胎的表面表达。受精后配体被释放出来并穿过卵黄膜进入围卵隙。只有当胚胎前、后末端细胞外存在配体时，才能使tor特异性活化，导致胚胎前后末端细胞特化。图9-10tor基因在控制果蝇胚胎末端的分化中的作用母源性tollmRNA产物是卵细胞的跨膜受体，其作用是感知外部信号并提示胚胎在何处产生腹侧。

toll受体与调控果蝇腹侧发育的外部信号可能是由一种蛋白酶从锚定复合体中释放出并定位于卵细胞周围外卵黄膜上或附近的母源效应基因spatzl的表达产物。图9-11果蝇背-腹轴形态发生过程中DORSAL蛋白的分布示意图因为只有在腹侧的受体能找到配基，所以，spatzl前体定位于卵子的腹侧而不是背侧。被配基占据的受体能使DORSAL蛋白磷酸化从而引起DORSAL蛋白重新分布，保证胚胎腹侧的细胞核中DORSAL蛋白浓度较高。当胚胎中DORSAL基因发生缺失时，胚胎不能产生腹侧结构，整个个体呈现背侧外观。该胚胎被称为背部化胚胎。9.2.4果蝇的同源异形基因

同源异形基因最终决定躯体体节命运。躯体的部分最终是发育成为无翅的前胸还是有翅的中胸，是有平衡器的后胸还是腹部的体节，都是由同源异形基因决定的。在果蝇中同源异形基因统称HOM复合体(HOM-C)。大多数同源异形基因位于第三号染色体上，排成两簇。一簇称为触角复合体(Antp-C)；另一簇称为双胸复合体(BX-C)。同源异形基因的发现是通过一系列的突变而得以证实。果蝇的Antennapedia突变是一个典型的例证。这种突变使果蝇的触角转变为足。图9-12

果蝇触角足复合物基因簇突变，引起同源异形转换典型的同源异形基因不参与基本躯干的建成，也不参与体节和肢芽的完善，只保证体节或肢芽的最终典型特征。若将调控形成头胸体节的5个Antp-C基因或参与胸腹体节形成的3个BX-C基因突变，使头结构部分转变成胸体节。9.3高等植物花发育的基因调控

20世纪初有关碳/氮比对开花迟早影响的学说，30年代关于开花素的学说和春化的概念，70年代提出的关于植物由营养生长过渡到生殖生长前的感受状态理论。主要着重于植物的形态、生理学以及环境的影响等方面。从遗传学角度对植物的开花提出了一些新的概念，并根据分生组织的形态特征，将植物从营养生长到生殖生长的转变分为3个阶段，即营养分生组织阶段、花序分生组织发生阶段和花分生组织发生阶段。随着克隆技术和诱变技术等分子生物学技术的出现，分离克隆到许多控制植物开花的基因，为进一步认识植物开花的内在控制机制及与外界环境因素的相互作用奠定了基础。9.3.1植物的花器官结构种子植物的花由枝条变态产生，而花器官由叶片变态产生。一般认为种子植物的成年花器官由花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊（心皮）等4轮结构所组成。图9-13拟南芥花的构成成年花器官是从顶端分生组织发育而来的，营养分生组织产生花序分生组织，花序分生组织产生花分生组织，花分生组织可被进一步分为早期花分组织和晚期花分生组织。早期花分生组织有点类似于营养分生组织，具有无限生长的特点。花分生组织产生花器官原基，最后产生花器官。9.3.2调控花器官发育的主要基因

花分生组织决定基因促进从花序分生组织产生花分生组织并进一步分化产生花器官原基，但产生何种花器官则由同源异形基因所控制。花分生组织决定基因可在一定程度上激活同源异形基因。金鱼草、拟南芥等植物的花都由4种类型的花器官组成，花器官排列成向心的圆环形，称作轮性。拟南芥的花由4个花萼组成最外的第一轮、依次向内为4个花瓣组成第二轮，6个雄蕊组成第三轮，两个融合的心皮组成第四轮。1.同源异形基因与花器官发育在研究金鱼草花形态突变体时发现，花器官的同源异形突变包含3大类型：类型I为第一轮和第二轮器官受影响，产生心皮状的花萼和雄蕊状的花瓣。类型Ⅱ为第二轮和第三轮器官受影响，产生花萼状的花瓣和心皮状的雄蕊。类型Ⅲ为第三轮和第四轮器官受影响，产生花瓣状的雄蕊和花萼状的心皮，而且最内两轮器官的数量和轮数也发生了改变。

类型Ⅳ中4轮结构全部受影响。植物的器官发生与动物的器官发生一样，都受同源异形基因控制。图9-14由3组同源异形基因决定4轮花器官特征的“ABC”模型2.同源异形基因的分离科学家最早在1990年利用转座子突变的方法从金鱼草中分离并克隆出同源异形基因DEFA。研究发现，该基因编码的蛋白质与两个已知的转录因子，哺乳动物中SRF和酵母中MCM1的一个保守区域的同源性较高，这一区域参与二聚化并与DNA结合。此后，科学家们用DEFA的这一保守区域作探针，从金鱼草的cDNA库中筛选出了8个独立的基因，它们在蛋白质水平上与DEFA的DNA结合区有很高的相似性（65%～90%）。此外，又从拟南芥中克隆数个涉及花发育的同源异形基因，例如AGAMOUS（AG）、PISTILLATA（PI）、APETALA3（AP3）等，它们编码的蛋白质同样与DEFA转录因子具有一定的序列相似性。表9-1已经克隆的植物花器官特征决定基因及其可能的功能分析上述结果表明，在金鱼草和拟南芥中可能存在着一个参与花器官发育和分化的基因家族，该家族的成员可能参与不同的花分化过程。由于这些新的家族(MCM1、AG、DEFA

和SRF)均含有一个保守的区域，根据这几个基因名称的第一个字母，将该基因家族命名为MADS-box基因（MADS-boxgene）。9.3.3花器官发育的“ABCE”模型E.Myerowitz首先提出了控制花形态发生的“ABC”模型：正常花的四轮结构的形成是由3组基因共同作用而完成的。每一轮花器官特征的决定分别依赖于A、B、C三组基因中的一组或两组基因的正常表达。A基因包括AP1和AP2，在第一、二轮花器官中表达；B基因为AP3和PI，在第二、三轮花器官中表达；C基因为AG，在第三、四轮花器官中表达。A基因本身足以决定萼片，A和B基因共同决定花瓣，B与C基因共同决定雄蕊，C基因决定心皮。此外，A基因与C基因相互拮抗，相互排斥对方在各自的区域表达。A、B、C基因作为MADS-box家族成员均以转录调控因子起作用。其中，AP2属于EREBPS（ethylene-responsiveelementbindingproteins）类转录因子。在第一、二轮花器官中，AP2蛋白可结合到AG基因启动子区，抑制AG基因的表达。此外，AP1蛋白可与其他蛋白质共结合到AG基因的第二个内含子区，进而抑制AG基因表达。通过上述方式使得AG基因被限制在第三、四轮花器官中表达。在第三、四轮花器官中，AG蛋白可结合到AP1基因启动子区，抑制后者的表达，所以AP1基因只能在第一、二轮花器官中表达。AP2基因则有所不同，其mRNA在4轮花器官中都有表达，但其在第三、四轮花瓣中的翻译水平受到miRNA的抑制，使得AP2蛋白只在第一、二轮花器官中生成，这一就将A基因的功能限制在了第一、二轮花器官中。当A基因突变后（如ap1、ap2），导致AG基因在第一、二轮花器官中表达，使得第一轮花器官中的花萼突变为心皮，第二轮花器官中的花瓣突变为雄蕊。B基因突变后，花萼替代了第二轮花器官中的花瓣，第三轮花器官中的雄蕊变为心皮。若C基因失活（如ag突变体），则A基因在第三、四轮花器官中表达，使得雄蕊转变为花瓣，第四轮花器官中的心皮也转变为花萼。科学家在研究MADS-box家族基因对花器官发育的影响时发现，AGL2（AGAMOUS-LIKE2）、AGL4、AGL9也是调控花器官特征的重要基因。AGL2、AGL4在4轮花器官中有表达，而AGL9只在里面的3轮花器官中表达。agl2/agl4/agl9的三重突变体表型类似于B/C类突变体且有非常多的花萼，充分显示AGL2、AGL4、AGL9这类基因在花器官发育中的重要性。现已将这3个基因分别重新命名为SEP1（SEPALLATA1）、SEP2和SEP3。按习惯，人们将SEP1、SEP2和SEP3称为E类基因。当以PI/AP3作为诱饵进行酵母双杂交、三杂交实验，发现植物中存在PI/AP3-AP1，PI/AP3-SEP3，AP1-SEP3和AG-SEP3这样一类蛋白质-蛋白质的相互作用，而SEP3可介导A基因与B基因、B基因与C基因的互作，使这些蛋白质形成一个大的复合物。因此，E类基因编码的MADS结构域蛋白可能像“胶水”一样将ABC基因产物以不同的四聚体形式组合起来行使转录调节功能，进而控制花器官的特性。图9-15花形态建成的ABCE模型9.3.4启动花发生的分生组织决定基因除了ABCE被发现参与了花器官的形成，从拟南芥中还克隆到许多决定花序或花发生的基因（即花分生组织决定基因）。最早分离到的花器官分生组织决定基因是LEAFY(LFY)基因。拟南芥lfy突变体比野生型产生更多的花序分枝，其花呈绿色，由类似花萼和心皮样的器官构成。过量表达LFY基因导致转基因植物提前开花并将茎尖转变成花，证明LFY基因不仅决定花分生组织的特性，且影响开花时间。TERMINAIFLOWER1(TFLI)是影响拟南芥分生组织特性的另一个非常重要的花分生组织决定基因。

tf1突变体开花提前，初级花序分枝转变成末端花，缺少侧枝，花的数量也大大减少。TFL1在分生组织中表达，但不在幼花原基中表达。tf1突变体和lfy突变体的表型恰好相反，说明两个基因可能是相互拮抗的。除了决定花器官的轮性外，AP1、AP2还参与决定花器官的发生。LFY蛋白开启AP1基因的表达，AP1蛋白同样能促进LFY基因的表达，形成正反馈调控，并促进花原基的形成。LFY、AP1和AP2基因的表达模式与它们在早期花分生组织中的作用相吻合。在花器官原基发育之前，LFY和AP1在营养生长过程中表达量很低，在GA或光周期处理诱导开花过程中，LFY表达量会迅速提高。AP1在花原基中没有表达，直到花诱导开始1～2天后才开始表达。AP2基因在植物整个生活史中持续表达，花器官分生组织确定期该基因表达量显著上升。图9-16

花分生组织决定基因在营养生长和成花枝顶端的表达模式分析9.4控制植物开花时间的分子机制植物从营养生长向生殖生长的转变使植物发育周期中的一个重要过程，使决定植物开花的重要环节。目前为止，人们对植物开花时间调控机制的了解主要通过对拟南芥的分子遗传学研究获得的。拟南芥的开花时间受许多因素的影响，其中光照和温度是主要的外部因素，自主途径因子和赤霉素是主要的内部因素。拟南芥的开花诱导调控途径分为4种：光周期途径、春化途径、自主途径和赤霉素途径。下面将以拟南芥为例重点阐述光周期途径和春化途径。9.4.1光周期途径光周期指一日之内昼夜长度的相对变化，也即日长。植物通过感受昼夜长短变化而控制开花的现象称为光周期现象。光周期现象是美国园艺学家Garner和Allard于1919年在烟草中首次提出的。烟草品种‘MarylandMammoth’，在夏季生长时，株高达3～5m时仍不开花；但在冬季转入温室栽培后，其株高不足1m就可开花。发现日照长度是影响烟草开花的关键因素。只有当日照短于14h时，烟草才开花，否则就不开花。后来又发现许多植物开花都需要一定的日照长度，这就是光周期现象的发现。图9-17夏天温室生长的烟草“MarylandMammoth”

突变体(左)与野生型(右)根据对光周期的反应，一般可将植物分为3种：对长日照敏感而开花的长日照植物，如实验室常用的拟南芥生态型Col、Ws、Ler等；对短日照敏感而开花的短日照植物，如水稻、烟草等；对日照长度不敏感的日中性植物，如印度甘蔗等。临界日长是区别长日照或短日照的日照长度的标准，指昼夜周期中能诱导植物开花所需的最低或最高的极限日照长度。短日照植物要求的日照时数必须等于或短于临界日长，而长日照植物要求的日照时数必须等于或长于临界日长。否则就延迟开花或不能开花。图9-18

长日和短日植物的光周期反应在解剖上最早看到的光周期诱导的成花过程是顶端开始分化花芽，但是否分化成花芽取决于叶片是否处于适当的光周期条件下。感受光周期的部位是叶片而非顶端，接受光周期的叶片，又必须把光周期诱导的信号传递给顶端分生组织。1.光周期的感受及传导图9-19

诱导叶产生的开花素可经维管组织进行长距离的运输，在顶端分生组织诱导植物开花通过维管组织将多株植物嫁接在一起，仅诱导处理一株植物的其中一个叶片，发现嫁接在一起的所有植物都能开花。20世纪30年代，苏联植物生理学家MikhailChailakhyan基于上述嫁接实验提出，当植物叶片感受到适当的日照长度，会形成一种物质，该物质可进行长距离运输，传导到顶芽分生组织后引起开花，这种物质被其称为开花素。1936年，Bünning首次提出externalcoincidencemodel来解释植物如何度量日长。植物存在一个昼夜节律钟，24h的昼夜分为光敏期和暗敏期。在植物的光敏期，如果昼夜节律钟调节因子的表达在光下达到阈值，会导致长日照植物开花，抑制短日照植物开花，表明测量日长的基础是外在光信号与昼夜节律之间的相互作用。2.光周期模型光周期刺激是由叶片中的光受体感受的。拟南芥中共发现5类光敏色素PhyA(phytochromeA)、PhyB、PhyC、PhyD、PhyE和2种隐花色素Cry1(Cryptochrome1)和Cry2，它们能够感受昼夜长短和光的强弱，既可以通过产生昼夜节律，也可通过激发信号转导途径来调控植物开花进程。3.植物如何度量日长①CONATANS(CO)基因受昼夜节律钟的转录调控。CO是拟南芥中第一个被发现的受昼夜节律调控的开花基因，可编码一个锌指类转录因子，位于节律钟的输出途径。能够激活下游开花素基因FLOWERINGLOUST(FT)的表达。COmRNA的表达在昼夜交替的一天内呈现为节律性变化。在长日照条件下COmRNA在白天表达量较低，到了傍晚出现峰值且整个夜晚持续表达。在短日照条件下COmRNA白天表达量较低，从傍晚开始大量表达，夜晚时达到顶峰。在持续光照条件下，COmRNA的表达仍呈现为节律性变化，表明该基因在转录水平上受昼夜节律调控。研究表明，DOF转录因子1（cyclingDoftranscriptionfactor1，CDF1）及其同源蛋白CDF2/3/5是CO的转录抑制因子，其稳定性受生物钟调控的FKF1（FLAVIN-BINDING、KELCHREEAT、FBOX1）编码的F-box蛋白的调控。在长日照条件下，FKF1在傍晚前达到高峰，并被蓝光激活后介导CDFs通过蛋白酶体降解途径降解，从而解除CDFs对CO基因的转录抑制作用，使COmRNA在傍晚达到高峰。②CO在转录后水平受光调控。缺失Phya和Cry2中的任一基因都会导致拟南芥在长日照条件下推迟开花，缺失Phyb基因则使拟南芥提前开花。在Cry2功能缺失的突变体中，COmRNA在一天中的积累模式并没有发生改变，但FT的表达量降低，暗示光可能在转录后水平调控了CO的蛋白量。CO蛋白在一天存在动态变化的表达模式，且这种动态表达与光受体密切相关。PhyB在白天活性最高，而PhyA和Cry在傍晚活性最高。在傍晚，PhyA和Cry具有较高的活性，抑制了蛋白酶体介导的CO蛋白降解，导致CO蛋白水平升高；而在早晨，PhyB被激活后削弱了PhyA和Cry对CO蛋白降解的抑制作用，因此CO蛋白水平降低。Ring-typeE3ligaseCOP1（CONSTITUTIVELYPHOTOMORPHOGENIC1）是介导CO降解的主要因子。COP1在晚上主要定位于细胞核中，COP1与CO发生相互作用，导致CO被泛素化并被降解。在短日照下的黑暗期，CO具有高水平的转录量，其蛋白量仍较低。当CO转录量在傍晚达到最高时，白天光活化的Cry介导COP1从细胞核转移到细胞质中，CO蛋白积累，激活FT转录，启动开花。因此，拟南芥通过对CO基因转录丰度和CO蛋白稳定性的调节将光信号与昼夜节律钟统一起来，最终决定植物能否开花的核心因素是CO蛋白丰度。图9-20光受体和昼夜节律钟共同调控细胞内CO蛋白量1865年，提出成花物质由叶片运送到叶芽中，导致开花；1936年根据嫁接实验提出开花素概念；2005年，通过在拟南芥叶片中热击诱导FT表达，然后检测茎端FTmRNA，证明叶片中的FTmRNA可转运到茎端而诱导开花。该项研究被Science评为当年十大科学发现之一。4.开花素的历史2006年，发现在西红柿植株顶端分生组织并不能检测到转基因SFT(拟南芥FT同源基因)mRNA的存在，暗示FTmRNA并不是人们一直以来寻找的开花素。2007年两个小组分别在Science上发表文章称可移动的开花信号是FT蛋白。利用在维管组织而不在顶端分生组织特异表达的SUC2启动子驱动FT-GFP融合蛋白在ft突变体中表达，原位杂交发现顶端分生组织检测不到FTmRNA表达，但能检测到GFP荧光，同样在嫁接后的受体植株中也仅能检测到GFP荧光而检测不到FTmRNA的表达，证明在拟南芥中FT蛋白是开花素。图9-21FT蛋白是开花素在长日照条件下，CO蛋白较稳定，能在叶中诱导FTmRNA表达后翻译成FT蛋白，经维管组织运输至顶端分生组织(SAM)，并与FD锌指类转录因子相互作用，激活花器官决定基因APETALA1(AP1)表达，诱导拟南芥开花。9.4.2春化作用低温处理可促使植物开花的现象称为春化作用。根据是否需要春化来完成生活周期，把拟南芥分为夏季生态型和冬季生态型两种。大多数拟南芥为冬季生态型，在越冬前主要进行营养生长，经过冬季低温后在第二年春季适宜条件下迅速开花。夏季生态型不需要经过低温过程就能直接开花。目前在实验室条件下最常用的拟南芥生态型Col、Ws、Ler等都属于夏季生态型。分析夏季生态型和冬季生态型的遗传差异发现显性位点FRIGIDA(FRI)在春化需求方面起主要作用，而夏季生态型是由于FRI位点在进化过程发生突变或缺失进化而来。编码MADSbox转录因子FLOWERLOCUSC(FLC)，通过与开花时间基因SOC1、FT的CArGboxes相互作用抑制这些基因的表达，从而削弱了光周期途径对这些基因的活化效应。FLC和FRI都为春化所必需。1.FRI促进FLC的表达抑制开花FRI为编码植物特异的一个脚手架蛋白，是决定植物开花时间自然变异的一个主要决定因子。通过遗传筛选已鉴定到许多依赖FRI途径控制FLC基因激活途径的蛋白组分。这些蛋白质功能的缺失抑制FLC的表达，植物出现早花表型。RNA聚合酶Ⅱ相关因子复合物是与FRI功能相关的一个组分，其在酵母、植物和人中都较为保守。拟南芥的PAF1c复合物功能异常，如其组成成分ELF7和ELF8缺失会导致FLC

染色体上H3K4位点的甲基化水平减弱，进而抑制FLC

的表达，使突变体表现为早花的表型。在酵母中，PAF1c能招募H3K4甲基转移酶COMPASS复合物促进基因的H3K4位点的三甲基化。在拟南芥中，COMPASS包含4个保守的核心亚基，分别是包含一个SET区域的H3K4甲基转移酶以及3个结构上的核心组分WDR5a、RBL，以及ASH2R。这些组分形成一个稳定的核心亚基复合物，为H3K4位点甲基化提供了一个平台，而过表达ASH2R会导致FLC位点H3K4三甲基化程度增加，并激活FLC的表达。图9-22依赖FRI途径的FLC

激活模式图除了H3K4位点的三甲基化，FRI还能与组蛋白H3K36甲基转移酶EFS互作，促进FLC

位点的H3K36的三甲基化，并激活FLC

的表达。FRI调控FLC

的表达还依赖于HBU-UBC介导的组蛋白H2B的单泛素化（H2Bub1）。HUB-UBC复合物包含E3泛素化连接酶HUB1和HUB2以及E2泛素结合酶UBC1和UBC2，该复合物参与包含FLC

位点在内的全基因组水平的H2B单泛素化。目前已知，H2Bub1能降低核小体的稳定性，并招募FACT（facilitates chromatin transcription）复合物结合到染色质上，并进一步促进PolⅡ的转录。FACT组分中SPT16和SSRP1发生突变后，会抑制FLC

基因的表达，因此推测基因体上H2Bub1有可能和