花發(fā)育分子生物學(xué)課件

植物花發(fā)育的分子生物學(xué)一、花發(fā)育特點(diǎn)：

花發(fā)育分為開花誘導(dǎo)、花的發(fā)端和花器官發(fā)育3個階段,是由多種基因參與的十分復(fù)雜的調(diào)控過程。首先,在外部環(huán)境和植物體內(nèi)信號的作用下,植物頂端分生組織從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變,這一過程主要受光周期促進(jìn)、自發(fā)促進(jìn)、開花抑制、春化促進(jìn)和赤霉素誘導(dǎo)等多條途徑共同控制。然后,這些途徑綜合作用于花/花序分生組織特異基因,致使莖端分生組織向花序(花)分生組織轉(zhuǎn)化;接著,花/花序分生組織向成花轉(zhuǎn)變,激活花器官特性基因的表達(dá),最后形成花器官。二、開花誘導(dǎo)及其基因調(diào)控

植物頂端分生組織從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變受控于外界環(huán)境和植物體內(nèi)在的信號,這一過程稱為開花誘導(dǎo)，也叫開花決定。不同植物進(jìn)化過程中演化出不同的生殖策略：一些植物的開花時間受光照、溫度、水分、營養(yǎng)等環(huán)境因子的影響，以使植物能在最適條件下開花結(jié)果。另一些植物對環(huán)境變化不敏感，由營養(yǎng)生長的積累量等內(nèi)部信號引起開花。缺乏營養(yǎng)和干旱等脅迫也可引起開花。

中文名稱拉丁學(xué)名科屬童期長度月季Rosa×hybrida薔薇科薔薇屬20–30天葡萄Vitisspp.葡萄科葡萄屬1年蘭花（草本）Cattleya,Cymbidium,Oncidium蘭科4–7年蘋果Malussylvestris薔薇科海棠屬4–8年柑橘Citrussinensis蕓香科柑橘屬5–8年洋常春藤Hederahelix五加科常春藤屬5–10年北美紅杉Sequoiasempervirens杉科北美紅杉屬5–15年歐亞槭Acerpseudoplatanus槭樹科槭樹屬15–20年英國櫟Quercusrobur殼斗科櫟屬25–30年歐洲山毛櫸Fagussylvatica殼斗科水青岡屬30–40年不同木本園藝植物童期長度中文名稱拉丁學(xué)名品種名科屬成年期需具備的葉片數(shù)(枚)耬斗菜Aquilegia×hybridaMckana’sGiant12Fairyland毛茛科耬斗菜屬15蒲包草Calceolariaherbeohybrida玄參科蒲包花屬5翠菊Callistephuschinensis菊科翠菊屬4大花金雞菊CoreopsisgrandifloraSunray菊科金雞菊屬8天人菊Gaillardia×grandifloraGoblin菊科天人菊屬16紅花礬根HeucherasanguineaBressingham虎耳草科礬根屬19薰衣草LavandulaangustifoliaMunstead唇形科薰衣草屬18金光菊RudbeckiafulgidaGoldsturm菊科金光菊屬10不同草本園藝植物童期的長度

開花誘導(dǎo)是植物生殖生長啟動的第1階段,目前已證明開花是受光周期促進(jìn)、春化促進(jìn)、自發(fā)促進(jìn)、赤霉素誘導(dǎo)、開花抑制、和碳水化合物誘導(dǎo)等多條途徑控制。這些途徑通過調(diào)控一些開花途徑共同控制的整合基因,如FLOWERINGLOCUST(FT)、LEAFY(LFY)、SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANS1(SOC1)和FLOWERINGLOCUSC(FLC)等,實(shí)現(xiàn)對植物開花時間的調(diào)控。其中LFY也在花/花序分生組織形成中起作用。

圖花發(fā)育基因之間的遺傳模式

光周期誘導(dǎo)途徑

在光周期途徑中,感受光誘導(dǎo)的部位是植物的葉片,感受光的物質(zhì)是光受體。光受體大致可分為3類,即光敏色素(phytochromes)、隱花色素(cryptochrome)和紫外線B類受體(ultravioletB)。遠(yuǎn)紅光、藍(lán)光通過促進(jìn)PHYA和CRY1/2促進(jìn)開花，紅光通過PHYB/D/E抑制開花。光受體感受日長和夜長,產(chǎn)生晝夜節(jié)律(circadianrhythm)。這時光受體本身(或與其有關(guān)的一些物質(zhì)之間)會形成某種平衡;當(dāng)晝夜節(jié)律發(fā)生變化時,這種平衡就會被打破,促進(jìn)(或抑制)一些基因表達(dá),從而啟動(或抑制)開花進(jìn)程。2.春化途徑

春化作用與蛋白質(zhì)和核酸代謝的關(guān)系密切。也有學(xué)者認(rèn)為,春化作用參與調(diào)節(jié)發(fā)育過程的化學(xué)本質(zhì)是DNA的甲基化作用。FLC基因在擬南芥的春化過程中起著關(guān)鍵作用,AP1-like基因則在其它也需要春化作用的非十字花科植物中起類似作用。目前分離到的與春化作用相關(guān)的基因有FLC、VRN2、VRN1、VIN3、VER2、PIE1、HP1、TFL2和ELF等。中文名稱拉丁學(xué)名光周期誘導(dǎo)春化誘導(dǎo)赤霉素誘導(dǎo)金盞菊Calendulaofficinalis兼性長日照植物0–5°C處理10–45天100mg·L–1GA3噴施提前18天開花唐菖蒲Gladiolusgandavensis日中性植物2–5°C處理8周20mg·L–1GA3浸球促進(jìn)開花仙客來Cyclamenpersicum日中性植物0–4°C處理10–15天20mg·L–1GA3處理花期提前紫羅蘭Matthiolaincana日中性植物5–10°C處理20天左右GA3(25×10–5kg·L–1)噴霧處理可促進(jìn)開花菊花Chrysanthemummorifolium短日照植物0–5°C苗期越冬GA3在0–200mg·L–1，隨濃度增加開花加快杜鵑Rhododendronsimsii專性短日照植物–10°C處理4–6周500–2000×10–6kg·L–1GA3花期提前德國鳶尾Irisgermanica長日照植物可耐–15°C低溫,入秋后擺在室外至上凍低溫和GA3處理可使花期提前八仙花Hydrangeamacrophylla長日照植物0°C處理4–6周GA30–250mg·L–1可促進(jìn)開花，濃度高開花早百合Liliumspp.兼性長日照植物0–13°C處理30–110天100–500mg·L–1GA3處理花期提前兼性方式誘導(dǎo)成花的部分觀賞植物3.赤霉素(GA)途徑GA途徑中,GA介導(dǎo)的DELLA蛋白降解的分子機(jī)制目前研究得比較清楚。DELLA是C端保守,N端存在DELLA和VHYNY2個保守酸性結(jié)構(gòu)域的一類蛋白的總稱,屬于GRAS(GAI、RGA和SCR)蛋白家族。DELLA蛋白位于細(xì)胞核中,在沒有GA的情況下,它阻遏植物的發(fā)育;但當(dāng)DELLA蛋白上的GA信號感知區(qū)接收到GA信號后,這種蛋白的阻遏作用便被解除。植株表現(xiàn)出正常的GA反應(yīng)和生長發(fā)育。如果改變DELLA蛋白的結(jié)構(gòu),植物就不能感知GA信號。在擬南芥中,GA通過促進(jìn)整合子基因SOC1、LFY和FT的表達(dá)促進(jìn)開花。4.自主途徑

自主途徑是一條獨(dú)立的成花誘導(dǎo)途徑,現(xiàn)已克隆的與之相關(guān)的基因主要有FLD、FCA、FPA、FY、FVE和LD。FCA和FPA編碼RNA結(jié)合蛋白;FY編碼與mRNA3'端加工相關(guān)的蛋白;LD編碼含有核定位信號的蛋白,與植物的DNA-結(jié)合結(jié)構(gòu)域有比較高的同源性;FLD編碼一個與人的組蛋白去乙酰化酶復(fù)合體同源的蛋白,FLD突變后使FLC染色質(zhì)組蛋白乙?；?FLC表達(dá)量上升,進(jìn)而抑制開花。自主途徑和春化途徑通過一個MADS盒類轉(zhuǎn)錄因子——FLOWERINGLOCUSC(FLC)調(diào)控LFY和AP1等基因的表達(dá),控制成花過程。

在擬南芥中主要通過改變FLC染色體結(jié)構(gòu)來控制成花進(jìn)程。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明,自主途徑是由一些通過RNA加工修飾的蛋白和表觀遺傳學(xué)修飾的蛋白來抑制FLC表達(dá);但并不是所有自主途徑的突變體都會使FLC發(fā)生組蛋白乙酰化,在自主途徑中還有其它抑制FLC表達(dá)的方式。春化作用主要使FLC啟動子和第1個外顯子的染色質(zhì)組蛋白H3-K9和H3-K27的雙甲基化程度升高,從而造成FLC的表達(dá)量改變。此外,在光周期的刺激下,通過上調(diào)GA20X1基因的表達(dá),能夠使許多長日照植物的葉片中GA的合成量增加;在擬南芥中,低溫處理可提高AtGA20ox1、AtGA20ox2、AtGA3ox1和AtGA3ox2的表達(dá)量,進(jìn)而提高GA的濃度。

LFY基因是控制莖向花轉(zhuǎn)變的一個主要基因，其強(qiáng)突變體基部花完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿~芽，頂部花表現(xiàn)為部分花的特性。即使LFY基因失活，最終仍能開花，表明還有其他基因促進(jìn)花序向花的轉(zhuǎn)變。AP1的功能與LFY部分冗余，其表達(dá)晚于FLY，二者具有加性效應(yīng)，能相互促進(jìn)。組成型表達(dá)FLY和AP1能提早開花。

CAL、AP2、UFO等基因也屬于花分生組織特異基因，輔助LFY、AP1促進(jìn)花分生組織的形態(tài)建成。

TFL1保持花序分生組織的不終止性，抑制花原基的分化，其突變體花期提前，無限花序以單花終止，側(cè)枝發(fā)育成單花。AG基因除控制生殖器官的發(fā)育外，也參與花分生組織的發(fā)育，控制其終止性。四、花器官發(fā)育相關(guān)基因

植物成花轉(zhuǎn)變中,由于花/花序分生組織特異基因的表達(dá),

激活了花器官特異基因,從而形成花器官?；ㄆ鞴侔l(fā)育由器官特異性基因控制，該類基因又稱為同源異型基因（homeoticgenes），決定一系列重復(fù)單位的特性，如花的輪，其時間和空間表達(dá)模式十分精確，在某一細(xì)胞中特定的基因組合即決定其發(fā)育形態(tài)。被子植物花器官的結(jié)構(gòu)

除AP2外，ABC三類基因均包含一個高度保守的結(jié)構(gòu)域，即MADSdomain。具有該保守區(qū)的基因?qū)儆贛ADSbox基因家族，編碼轉(zhuǎn)錄因子，參與花發(fā)育的級聯(lián)反應(yīng)，植物中的MADSbox基因結(jié)構(gòu)相似，具有高度保守的MADS區(qū)（M），中度保守的K區(qū)（K），M區(qū)和K區(qū)間的插入中間區(qū)（I）和C末端區(qū)（C）。一些基因具有N末端（N），M區(qū)的N端能夠和特定的DNA序列結(jié)合，C端參與二聚體及多聚體的形成，K區(qū)位于M區(qū)下游，對于選擇性的形成二聚體具有重要作用，I區(qū)不保守，長度各異。A功能基因

在擬南芥中,A類基因包括APETALA1(AP1)

和AP2。A類、B類(AP3和PI)和E類基因(SEP)一起控制花瓣的發(fā)育(Theissen,2001)。AP1功能缺失突變體的花器官向營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)AP1基因植株開花時間提前。2.B功能基因

擬南芥的B類基因只有APETALA3(AP3)和PISTILLATA(PI)2個。B類基因在花瓣和雄蕊中表達(dá)。B類基因與AP1和SEP基因一起,共同控制花瓣的發(fā)育,與AG和SEP基因一起共同控制雄蕊的發(fā)育。3.C功能基因

擬南芥中C類基因僅有AGAMOUS(AG)1個。AG在第3、4輪花器官中的表達(dá)抑制A類基因AP1

的表達(dá),AG與B類基因AP3和PI,以及E類基因SEP一起共同控制雄蕊的發(fā)育,與SEP基因一起控制心皮的形成。擬南芥AG突變體的雄蕊轉(zhuǎn)變成花瓣和心皮,并以萼片、花瓣和花瓣的模式多次重復(fù),成為重瓣花。4.D功能基因

擬南芥中還有一些基因與C類基因同源性較高,但功能卻與C類基因有所不同,如SHATTERPROOF1

(SHP1)和SHP2(也稱為AGL1和AGL5)。SHP1和SHP2功能冗余,在心皮和果實(shí)中特異表達(dá),其雙基因突變體由于角果裂開區(qū)不能木質(zhì)化而不能開裂。SHP1和SHP2與在胚珠中特異表達(dá)的AGL11和AGL13基因一起,被歸為D類基因。5.E功能基因

在擬南芥中,SEP1、SEP2和SEP3等SEP類基因被稱為E類基因。SEP類基因可與A類、B類和C類MADS-box基因相互作用,如SEP3與AG、AP1以及PI/AP3二聚體結(jié)合,在不同花器官中起作用。SEP1和SEP2在4輪花器官形成層中均有表達(dá),當(dāng)花器官形成后表達(dá)量降低。SEP1也在胚珠未成熟胚和種皮內(nèi)高表達(dá),

SEP3主要在花瓣雄蕊和心皮中表達(dá)。（二）花對稱性模型

金魚草的花為背腹不對稱，通過對其突變體的研究，發(fā)現(xiàn)CYC、RAD、DICH、DIV等基因與不對稱結(jié)構(gòu)有關(guān)。前三個控制背部特征，DIV控制腹部特征。

金魚草花的形態(tài)（Stubbe，1966）（A，金魚草花的正面觀；B金魚草花的側(cè)面觀；d，背部花瓣；l，側(cè)部花瓣；v，腹部花瓣）

根據(jù)Endress對花型的分類方法,將高等植物花型劃分為3種:

多對稱性(polysymmetric)花：有多個對稱面的花,如:輻射對稱的擬南芥花

單對稱性(monosymmetric)花：僅有一個對稱面的花,如兩側(cè)對稱的百脈根花。

不對稱(asymmetric)花：無任何對稱面的花。

高等植物各種形態(tài)的花和三種基本花型（Endress，2001；Jabbouretal，2009）

系統(tǒng)進(jìn)化的觀點(diǎn)認(rèn)為，不同的物種的兩側(cè)對稱花型是由原始輻射對稱花型經(jīng)過不同的祖先多次反復(fù)獨(dú)立進(jìn)化而來，其目的是為了適應(yīng)傳粉者的需求，因?yàn)檠乇掣馆S向上花器官的特化在保護(hù)花內(nèi)輪的雌性器官或雄性器官以及在吸引昆蟲傳粉方面起著重要作用。英國JohnInnes研究中心的Coen實(shí)驗(yàn)室第一次在模式植物金魚草(Antirrhinummajus)中揭示了決定花對稱性發(fā)育的分子機(jī)理,利用突變體克隆了與花對稱性發(fā)育有關(guān)的CYCLOIDEA(CYC)和DICHOTAMA(DICH)基因(Luo等1996,1999)。從此揭開了，對控制花對稱性的基因的研究序幕。金魚草野生型、cyc和cyc/dich雙突變表型（Luoetal1996）(d，背部花瓣；l，側(cè)部花瓣；v，腹部花瓣)金魚草野生型（A、B）和dich(C、D)單突變體表型（Luoetal，1996）

CYC和DICH共同控制了金魚草的背部花瓣屬性，這兩個基因同屬于一類植物特有的TCP家族轉(zhuǎn)錄因子。

cyc突變體主要表現(xiàn)為花第二、三輪花器官的變化：側(cè)部花瓣呈現(xiàn)腹部花瓣的特征，而背部花瓣表現(xiàn)為背部與側(cè)部花瓣相結(jié)合的特征，有的花的器官數(shù)目增多，有6枚花瓣。而金魚草中的另外一個CYC同源基因DICH突變后，背部花瓣變寬而且變得內(nèi)部對稱。cyc/dich雙突變體的表型更為明顯：所有的花瓣均呈現(xiàn)腹部花瓣的特征，花型由兩側(cè)對稱變成輻射對稱。CYC雖然只在背部花瓣表達(dá)，但是其突變體的側(cè)部花瓣發(fā)育也受到影響，這說明該基因在側(cè)部花瓣以非細(xì)胞自主性行使功能。

DIV決定了腹部花瓣的屬性。DIV編碼含有兩個MYB保守域的MYB轉(zhuǎn)錄因子。在CYC、DICH、DIV均突變的情況下，所有5枚花瓣均呈側(cè)部屬性，這說明在CYC和DICH功能缺失的背景下，DIV能夠決定所有花瓣為腹部屬性。在cyc和dich突變體中DIV的轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有變化，表明CYC和DICH對于DIV的調(diào)控是發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平的。在野生型金魚草中，DIV的轉(zhuǎn)錄存在于所有的花瓣中，但在花發(fā)育的后期，DIV在腹部區(qū)域的表達(dá)會略有升高。

RAD編碼一個只有93個氨基酸的MYB轉(zhuǎn)錄因子，這個蛋白只有一個MYB保守域。CYC和DICH在背部區(qū)域的表達(dá)激活了RAD，因此RAD基因也同樣控制了背部屬性。由于RAD和DIV蛋白的同源性，RAD很可能通過與DIV的目標(biāo)序列結(jié)合從而起到競爭的作用，或者直接與DIV結(jié)合從而抑制DIV在花原基背部及側(cè)部的功能。五、花色相關(guān)基因

植物的花色主要由三大類色素決定:類黃酮(包括花青素)、類胡蘿卜素和甜菜色素?；ㄇ嗨厥穷慄S酮家族中的主要呈色物質(zhì)。通過對花青素合成分支途徑的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因進(jìn)行調(diào)控,人們成功地獲得了一些花色改良的觀賞植物新品種。VanderKrol等(1988)首次將花青素合成途徑上游的CHS基因反義導(dǎo)入矮牽牛(Petuniahybrid),抑制生成花青素苷的前體柚皮素等的合成,引起矮牽牛花色改變,為分子育種改良花色帶來希望。導(dǎo)入單個外源基因使花色發(fā)生改變的嘗試,近年來有許多成功的案例,尤其是在缺乏藍(lán)色系的物種中導(dǎo)入有“藍(lán)色基因”之稱的F3'5'H基因,開啟了藍(lán)色花育種的大門。受體植物分子設(shè)計性狀變化參考文獻(xiàn)矮牽牛(Petuniahybrid)抑制內(nèi)源CHS表達(dá)粉色變?yōu)榘咨玍anderKroletal.,1988抑制內(nèi)源F3‘5’H表達(dá)藍(lán)色、紫色變?yōu)闇\藍(lán)色、淺粉色Shimadaetal.,2001過表達(dá)長春花F3‘5’H紅色變?yōu)樯罴t色,紫色花斑M(jìn)orietal.,2004抑制內(nèi)源F3‘H表達(dá)+過表達(dá)月季DFR紅色變?yōu)槌壬玊sudaetal.,2004過表達(dá)PH5紫色變?yōu)榧t色Verweijetal.,2008龍膽(Gentianasp.)通過RNAi抑制CHS表達(dá)藍(lán)色變?yōu)榘姿{(lán)-白Nakatsukaetal.,2008通過RNAi抑制F3‘5’H和A5/3‘AT表達(dá)藍(lán)色變?yōu)榈?白藍(lán)Nakatsukaetal.,2010仙客來(Cyclamenpersicum)通過RNAi抑制F3‘5’H表達(dá)紫色變?yōu)榧t-粉Boaseetal.,2010蝴蝶蘭(Phalaenopsisamabilis)通過RNAi抑制PeUFGT3表達(dá)紅色變?yōu)榘咨獵henetal.,2011b月季(Rosachinensis)過表達(dá)三色堇F3‘5’H+鳶尾DFR+月季DFRRNAi紅-白青變?yōu)闇\藍(lán)色Katsumotoetal.,2007月季CHS啟動子+三色堇F3‘5’H+菊花F3‘HRNAi粉色變?yōu)樗{(lán)色Bruglieraetal.,2013菊花(Chrysanthemummorifolium)特異型F3H啟動子+風(fēng)鈴草F3‘5’H+乙醇脫氫酶5‘UTR區(qū)作為增強(qiáng)子紅-紫變?yōu)樗{(lán)紫色Nodaetal.,2013通過RNAi抑制CmCCD4a表達(dá)白色變?yōu)辄S色Ohmiyaetal.,2006煙草(Nicotianatabacum)抑制內(nèi)源F3‘H和FLS+過表達(dá)非洲菊DFR粉色變?yōu)榧t色Nakatsukaetal.,2007過表達(dá)瓜葉菊F3‘5’H粉色變?yōu)樽仙玈unetal.,2013a藍(lán)目菊(Arctotisstoechadifolia)F3‘5’HRNAi+過表達(dá)非洲菊DFR洋紅色變?yōu)闇\紅色