植物成花轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制

植物成花轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制

有水生植物。它是植物界上的最高類型，是物種最多、分布最廣的類群，約35萬物種。植物開花過程是個復(fù)合的多步驟過程,適當(dāng)?shù)拈_花時間對植物的成功繁殖很重要。植物開花時間和花器官發(fā)育受到眾多基因的復(fù)雜調(diào)控,其中包括花器官特征基因、開花整合因子和一些進(jìn)化保守的microRNAs(miRNAs)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展,人們已經(jīng)從眾多模式植物如擬南芥(Arabidopsisthaliana)、玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)、矮牽牛(Petuniahybrida)、金魚草(Antirrhinummajus)等分離并鑒定了包括miRNAs在內(nèi)的許多影響植物開花時間和花器官發(fā)育的基因與調(diào)控因子。表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是指DNA序列未發(fā)生變化,但是基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變。不僅是基因組序列包含遺傳信息,其修飾也可以記載遺傳信息。表觀遺傳現(xiàn)象包括DNA甲基化、RNA干擾、組蛋白修飾等。近年來在開花基因座C(FLOWERINGLOCUSC,FLC)表觀遺傳調(diào)控過程中發(fā)現(xiàn)兩個長鏈非編碼RNA(longnon-codingRNA,lncRNA),即冷誘導(dǎo)的長鏈基因內(nèi)反義RNA(coldinducedlongantisenseintragenicRNA,COOLAIR)和冷輔助內(nèi)含子非編碼RNA(coldassistedintronicnoncodingRNA,COLDAIR),二者通過寒冷誘導(dǎo),促進(jìn)春化過程的發(fā)生。這兩個IncRNAs的研究為春化作用調(diào)控機(jī)制提供了新思路。目前發(fā)現(xiàn)非編碼RNA在表觀遺傳學(xué)的調(diào)控中也起到重要作用。同時,作為開花負(fù)調(diào)控因子,FLC是調(diào)控植物開花時間的關(guān)鍵基因,通過FLC染色質(zhì)修飾而實現(xiàn)對其調(diào)控作用。表觀遺傳是被子植物開花信號通路中的重要機(jī)制,對開花及花器官發(fā)育產(chǎn)生關(guān)鍵調(diào)控作用,深入解析表觀遺傳調(diào)控開花的機(jī)理,將為通過表觀遺傳途徑調(diào)控花發(fā)育奠定理論基礎(chǔ)。本文中主要綜述了染色體重塑、組蛋白甲基化和miRNA(包括miRNA172、miRNA156、miRNA159、miRNA169、miRNA319及miRNA167/160)對被子植物開花時間及花器官發(fā)育調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展。1冷處理對flc基因表達(dá)的調(diào)控在真核生物中,染色質(zhì)是由DNA和組蛋白一起被壓縮成的一個高度有序的結(jié)構(gòu)。核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位,其核心是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子所組成的組蛋白八聚體,每一個核小體中都有146bp的DNA纏繞在組蛋白八聚體上,核小體之間由組蛋白H1和DNA結(jié)合。染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling)就是基因表達(dá)調(diào)控過程中出現(xiàn)的一系列染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的總稱。春化作用(vernalization)為低溫(一般4℃,14~15d)誘導(dǎo)開花,它只是誘導(dǎo)植物開花的必要條件,而不是充分條件,經(jīng)過春化處理的幼苗在常溫下不會立即開花,需要數(shù)周以后才能開花,低溫誘導(dǎo)和開花之間這種明顯的時間間隔表明植物細(xì)胞有記憶功能——經(jīng)春化處理的植物回到常溫后,FLCmRNA水平仍然很低,這種低水平不會因有絲分裂而改變。在春化之前FLC位點的染色質(zhì)是有強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性的,在冷處理之前FLC的表達(dá)水平和激活型組蛋白修飾H3K4三甲基化水平很高。催化H3K4甲基化的甲基轉(zhuǎn)移酶Set1/COMPASS(complexofproteinsassociatedwithSet1)復(fù)合體與啟動子和轉(zhuǎn)錄早期的RNA聚合酶復(fù)合物結(jié)合,給FLC染色體打上“活性”標(biāo)簽,而且這個標(biāo)簽會被RNA聚合酶Ⅱ相關(guān)因子1(RNA-polymeraseⅡassociatedfactor1,PAF1)識別進(jìn)行激活轉(zhuǎn)錄。在寒冷環(huán)境下,FLC染色質(zhì)從“激活”到“抑制”狀態(tài)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變,并伴隨著抑制型組蛋白的修飾H3K9和H3K27甲基化的增加。在這個過程中有3個重要因子VERNALIZATIONINSENSITIVE3(VIN3)、VERNALIZATION1(VRN1)和VRN2起作用(Gendalletal.,2001;Levyetal.,2002;Sung&Amasino,2004),并推測VRN1、VRN2和VIN3對FLC基因表達(dá)調(diào)控是通過調(diào)節(jié)FLC基因染色質(zhì)中組蛋白不同化學(xué)修飾狀態(tài)實現(xiàn)的。人們普遍認(rèn)為植物同源結(jié)構(gòu)域(planthomeodomain,PHD)參與蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用,常見于染色質(zhì)重塑復(fù)合體各個成員的分子結(jié)構(gòu)中(Sung&Amasino,2004)。VIN3編碼的PHD結(jié)構(gòu)域蛋白與染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)(Sung&Amasino,2004)。在vin3突變體中FLC含量沒有下降,證明了VIN3在形成FLC染色質(zhì)抑制狀態(tài)起到了重要作用。VRN1和VRN2蛋白通過維持由VIN3引起的H3K9和H3K27甲基化來維持FLC的抑制狀態(tài)。VRN2編碼鋅指結(jié)構(gòu)蛋白,通過對組蛋白氨基端特異氨基酸脫乙?；图谆揎検谷旧|(zhì)保持沉默狀態(tài)。VRN1編碼一種植物特有的DNA結(jié)合蛋白(Levyetal.,2002),改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)。春化過程中,FLC的表達(dá)活性逐漸減弱,植物同源域多梳蛋白抑制復(fù)合體2(planthomeodomainpolycombrepressivecomplex2,PHD-PRC2)結(jié)合到FLC上。最近的研究表明,PRC2作為一種組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶,主要促進(jìn)H3K27三甲基化。除了PRC2的核心部分,PHD-PRC2還含有植物特異性組分,可以提高PRC2組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性。同時在冷處理過程中,FLC位點的H3K27me3水平不斷上升。雖然H3K27me3對于維持FLC沉默是必要的,但是還不夠,在vernalization1(vrn1)突變體中,春化結(jié)束后FLC活性得到恢復(fù),即使高甲基化水平的H3K27仍然存在(Bastowetal.,2004)。H3K27me3不能直接引起染色體的壓縮或者抑制轉(zhuǎn)錄,但是可以抑制起始FLC轉(zhuǎn)錄的蛋白因子對FLC啟動子序列的識別。PRC2自身結(jié)合H3K27me3,可以對未修飾的新合成蛋白質(zhì)進(jìn)行甲基化處理,從而使這個標(biāo)記在整個細(xì)胞分裂過程中穩(wěn)定遺傳。但是,PcG(polycombgroup)蛋白復(fù)合體缺乏與DNA結(jié)合的能力,那么它們是如何結(jié)合到FLC這樣的靶基因上的?大量試驗證明,兩個非編碼的RNA參與了春化誘導(dǎo)的PHD-PRC2與FLC結(jié)合。調(diào)節(jié)FLC表觀沉默的lncRNACOLDAIR,其轉(zhuǎn)錄本長1.1kb,由FLC正義鏈第1個內(nèi)含子形成,具有5′帽子結(jié)構(gòu),但是缺少3′多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)。研究顯示PHD-PRC2復(fù)合體的催化亞基卷葉蛋白(CURLYLEAF,CLF)可以結(jié)合到COLDAIRRNA上(Heo&Sung,2011)。這個過程可以幫助PHD-PRC2與FLC結(jié)合。對COLDAIR進(jìn)行RNA干涉會減少CLF與FLC的結(jié)合,最終損害冷處理后FLC沉默的維持。第2個非編碼RNA即COOLAIR,也來自于FLC(Swiezewskietal.,2009),由RNA聚合酶Ⅱ(RNApolymeraseⅡ,PolⅡ)轉(zhuǎn)錄,是植物體內(nèi)天然存在的FLC反向轉(zhuǎn)錄本,具有典型的5′帽子結(jié)構(gòu)和3′polyA結(jié)構(gòu)。像COLDAIR一樣,COOLAIR的表達(dá)也會在冷處理后顯著上調(diào)。在春化過程中,FLC編碼區(qū)3′端下游啟動子啟動COOLAIR表達(dá)。根據(jù)剪切方式的不同,COOLAIR分為近端和遠(yuǎn)端兩種類型。COOLAIR轉(zhuǎn)錄本在近端和遠(yuǎn)端分別有兩個多聚腺苷酸化位點。在COOLAIR遠(yuǎn)3′端的聚腺苷酸化與FLC的高豐度表達(dá)相關(guān)。在近3′端與FLC的低豐度表達(dá)相關(guān)。兩個自主途徑基因FCA和FPA編碼RNA結(jié)合蛋白,促進(jìn)了COOLAIR轉(zhuǎn)錄本近多聚腺苷酸化位點3′端的形成,清除了激活型組蛋白修飾(FLC的H3K4me3)(Hornyiketal.,2010;Liuetal.,2010a),最終引起FLC轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)促進(jìn)開花。2mirna控制植物的開花時間2.1mirna調(diào)控花的作用miRNA是由內(nèi)源基因編碼、長度約21~23nt的非編碼小RNA分子,作為負(fù)調(diào)控因子主要在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)節(jié)基因的活性(Hüttenhoferetal.,2002),通過與靶基因的互補(bǔ)位點結(jié)合而降解或抑制靶mRNA的翻譯。植物存在大量的miRNAs家族,miRNA在調(diào)控植物發(fā)育方面發(fā)揮著廣泛的作用。從成花誘導(dǎo)到花器官特征屬性的形成,miRNA在整個花發(fā)育過程均發(fā)揮著關(guān)鍵作用(Llaveetal.,2002;Parketal.,2002;Reinhartetal.,2002)。miRNA通常由獨立的轉(zhuǎn)錄單位編碼,由核酸內(nèi)切酶Dicer加工而成,Dicer酶特異性的對具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的70~90nt的雙鏈RNA前體(pre-miRNA)進(jìn)行剪切,產(chǎn)生miRNA/miRNA*二聚體,而后miRNA選擇性的整合到AGO(argonaute)等蛋白質(zhì)上而形成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RNAinducedsilencingcomplex,RISC)。此時miRNA*從AGO復(fù)合物中脫離,RISC通過抑制靶基因的翻譯或者對靶基因進(jìn)行切割,從而調(diào)控基因的表達(dá)。在擬南芥中的10個AGO家族蛋白,其中AGO1是miRNA合成途徑中最重要的因子。2.2ap2家族蛋白非編轉(zhuǎn)導(dǎo)體的正常優(yōu)化擬南芥MIR172基因組包含5類:MIR172a、MIR172b、MIR172c、MIR172d和MIR172e?；趍iR172對開花調(diào)控機(jī)理的研究,miR172已成為翻譯抑制最好的例子(Chen,2004)。最近的研究顯示miR172可以通過降解靶基因mRNA(Jungetal.,2007;Wollmannetal.,2011)來進(jìn)行調(diào)控。在擬南芥中,miR172調(diào)控具有miR172結(jié)合位點的APETALA2(AP2)類轉(zhuǎn)錄因子基因,包括AP2、TARGETOFEAT1(TOE1)、TOE2、TOE3、SCHLAFMUTZE(SMZ)和SCHNARCHZAPFEN(SNZ)。Aukerman和Sakai(2003)首次發(fā)現(xiàn)miR172對于開花時間的調(diào)控作用。miR172b過表達(dá)突變體植株(eat-D)是早花突變體。與35S::miR172早花表型相比,miR172的靶基因TOE1過表達(dá)導(dǎo)致了晚花表型。這個觀察證明了TOE1是控制開花時間的抑制因子。與此相同,toe1的缺失突變體導(dǎo)致開花稍微提前,這個表型在TOE2基因的缺失突變體中加強(qiáng)了。然而toe1toe2雙突變體開花時間仍然比miR172過表達(dá)突變體晚,意味著除了TOE1和TOE2還有其他因子抑制開花。最近的研究表明SMZ和SNZ過表達(dá)突變體開花比野生型晚,雖然smzsnz雙突變體的開花時間沒有受到顯著影響(Mathieuetal.,2009),但是toe1toe2smzsnz四突變體開花比toe1toe2雙突變體早很多。但是四突變體開花卻比35S::miR172株系晚,證明除了AP2家族,仍然有其他基因起到抑制作用。AP2家族基因通過編碼轉(zhuǎn)錄抑制子來控制開花時間。AP2可以直接結(jié)合到開花途徑的整合因子SUPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCO1(SOC1)和花分生組織決定基因APETALA1(AP1)啟動子上(Yantetal.,2010)。染色質(zhì)免疫沉淀—測序(chromatinimmunoprecipitation-sequencing,ChIP-Seq)分析發(fā)現(xiàn)AP2蛋白也結(jié)合到TOE3啟動子上(Yantetal.,2010),證明在AP2家族基因之間存在反饋調(diào)節(jié)環(huán)。另一個AP2家族蛋白SMZ直接結(jié)合到光周期途徑開花時間調(diào)控因子FLOWERINGLOCUST(FT)下游1.5kb處,并抑制其轉(zhuǎn)錄。在莖尖分生組織中,除了SOC1和FT,SMZ也直接結(jié)合到AP1上(Mathieuetal.,2009)。由于在toe1toe2雙突變體中FT的表達(dá)上調(diào),所以FT被認(rèn)為是TOE1和TOE2蛋白的靶基因(Jungetal.,2007)。除了TOE3,AP2家族基因的轉(zhuǎn)錄水平隨著種子萌發(fā)不斷下降(Aukerman&Sakai,2003;Jungetal.,2007;Mathieuetal.,2009)。這種時空表達(dá)模式可能是由于miR172活性的增加。miR172隨著植物生長其表達(dá)量不斷增加,主要受到SBP(SQUAMOSApromoterbindingprotein)盒轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,而且miR172自身也受到miR156的調(diào)控(Wuetal.,2009)。通過抑制AP2家族基因的活性,SBP轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控MIR172b的轉(zhuǎn)錄促使植物開花。Jung等(2007)研究表明日照長度也可以影響擬南芥中miR172的表達(dá)水平。在長日照(longday,LD)條件下,miR172的積累比短日照(shortday,SD)條件下多。相比光周期途徑constans(co)突變體中miR172水平在gigantea(gi)突變體中有所下降。雖然GI作用在CO上游,但是miR172積累量的減少不依賴于CO作用。這個事實表明CO可能通過獨立于miR172的作用途徑調(diào)控開花時間。溫度是另一個影響開花時間的重要環(huán)境因素,同時也影響miR172的表達(dá)水平。Lee等(2010)檢測植物16℃時miRNA水平,發(fā)現(xiàn)miR172是一個應(yīng)答環(huán)境溫度的miRNA。最近的報道顯示,擬南芥的RNA結(jié)合蛋白FCA對環(huán)境溫度產(chǎn)生應(yīng)答并促進(jìn)pre-miR172的加工過程從而大量合成miR172,合成的miR172進(jìn)而作用于開花調(diào)節(jié)因子FT誘導(dǎo)開花(Jungetal.,2012b)。FCA-miR172調(diào)節(jié)子為植物提供了一個在變動的環(huán)境溫度條件下對開花時間進(jìn)行微調(diào)的自適應(yīng)策略。2.3spl基因?qū)φ軐W(xué)王的調(diào)控植物的生長發(fā)育分為兩個階段:營養(yǎng)生長時期和生殖生長時期。營養(yǎng)生長時期主要是葉片的產(chǎn)生,生殖生長時期主要是開花和結(jié)果。營養(yǎng)生長時期又包括幼年期和成年期。miR156是植物生長周期轉(zhuǎn)變的主要調(diào)控基因,控制營養(yǎng)生長期到生殖生長期、幼年期到成年期的轉(zhuǎn)變。在擬南芥和玉米中,miR156被證明是最為保守的miRNA,主要調(diào)控植物幼年期的生長。在擬南芥基因組中,有10個等位基因編碼miR156,包括最新發(fā)現(xiàn)的MIR156i和MIR156j(Breakfieldetal.,2012)。miR156直接抑制轉(zhuǎn)錄因子SQUAMOSAPROMOTERBINDINGPROTEINLIKE(SPL)家族成員的表達(dá)。Klein等(1996)首次在金魚草中發(fā)現(xiàn)了這些植物中特有轉(zhuǎn)錄因子,隨后證實這類蛋白均含有一個對結(jié)合DNA所必需的高度保守結(jié)構(gòu)域(SBP-box)。幾乎所有的植物都含有SBP-box,其中有些含有miR156靶作用位點,這表明植物界中miR156和SBP-box靶基因?qū)I養(yǎng)器的生長周期轉(zhuǎn)變起著重要的調(diào)控作用。擬南芥中17個家族成員SPL1到SPL16(包括兩個編碼相同蛋白的基因SPL13A和SPL13B),其中11個基因含有miR156的靶作用位點。SPL3過表達(dá)突變體的早花表型是第一個證據(jù),證明了SPL基因參與開花時間調(diào)控(Cardonetal.,1999)。隨著植物的生長,SPL3表達(dá)水平在不斷上升(Cardonetal.,1999)。此外,Schmid等(2003)證明光誘導(dǎo)引起了SPL基因的上調(diào)。miR156的表達(dá)量在胚胎和幼苗早期很高(Wu&Poethig,2006;Nodine&Bartel,2010),隨著植物的生長而表達(dá)量逐漸下降(Schmidetal.,2003;Wu&Poethig,2006;Wangetal.,2009;Wuetal.,2009)。到目前為止,在幾個具有開花表型的突變體和轉(zhuǎn)基因植株中均檢測到miR156的表達(dá)(Wangetal.,2009)。然而在這些突變體中miR156的表達(dá)量都沒有受到影響,而且赤霉素和生長素也沒有影響miR156的表達(dá)(Wangetal.,2009)。這些研究結(jié)果表明,miR156的表達(dá)水平并不受影響植物開花時間的因子調(diào)控,miR156的表達(dá)水平主要依賴于植物的年齡。長日照條件下,miR156的過量表達(dá)會引起幼年期的延長,延遲成年期的起始,同時下調(diào)SPL基因家族的表達(dá)(Kleinetal.,1996)。大多數(shù)miR156靶基因SPL的表達(dá)量隨著植物的生長逐漸增加(Cardonetal.,1999;Schmidetal.,2003;Wu&Poethig,2006;Wangetal.,2009;Wuetal.,2009;Yamaguchietal.,2009),當(dāng)靶基因的表達(dá)量積累到一定豐度就會啟動下游基因表達(dá),從而誘導(dǎo)開花。這種表達(dá)模式反映了miR156對于植物的正常生長尤其是對開花時間很重要。當(dāng)miR156的調(diào)控受到SPL基因上miR156靶位點突變的干擾,植物可以提早開花,同時SPL大量表達(dá)(Wu&Poethig,2006;Wangetal.,2009)。SPL3的過表達(dá)可以促使植物提前開花,同時SPL3mRNA在向開花轉(zhuǎn)變的過程中上升(Cardonetal.,2002)。SPL3有兩個同源基因SPL4和SPL5,SPL3過表達(dá)沒有導(dǎo)致花序分生組織基因LEAFY(LFY),APETALA1(AP1)和FRUITFULL(FUL)表達(dá)的上調(diào),但是SPL4或者SPL5過表達(dá)導(dǎo)致了這3個基因表達(dá)量的增加。說明雖然SPL3、SPL4、SPL5基因序列相似,均調(diào)控花分生組織形成基因,但是作用是不一致的(Yamaguchietal.,2009)。SPL9的表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SPL3,SPL9促進(jìn)了成年期的形態(tài)特征形成。SPL10也調(diào)控營養(yǎng)生長階段的變化,但是其過表達(dá)的表現(xiàn)型與SPL9不同,因此可能與SPL9有不同的功能。miR156/SPL模型以兩種不同方式調(diào)控開花時間:一是通過miR172調(diào)控消除AP2家族基因產(chǎn)生的開花抑制;二是通過直接促進(jìn)開花整合因子和分生組織形成調(diào)控因子。SPL9直接結(jié)合到MIR172b的調(diào)控區(qū)域并誘導(dǎo)MIR172b表達(dá)(Wuetal.,2009)。miR172抑制AP2家族轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),使植物應(yīng)答適當(dāng)?shù)拇碳亩T導(dǎo)開花。除了miR172,開花整合因子SOC1和它的同源基因AGAMOUS-LIKE24(AGL24)也是SPL9的直接靶基因(Wangetal.,2009)。雖然FUL調(diào)節(jié)開花時間的作用還不明確,但是FUL受到SPL9和SPL3的調(diào)控,也是SPL9和SPL3過表達(dá)突變體產(chǎn)生早花表型的原因(Wangetal.,2009;Yamaguchietal.,2009)。最近也發(fā)現(xiàn)FT啟動子與SPL3之間的聯(lián)系,染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)證明了SPL3蛋白可以直接結(jié)合到FT啟動子的GTAC基序上(Kimetal.,2012)。因為pri-miR156a的表達(dá)量隨著植物的發(fā)育而逐漸下降(Wangetal.,2009),所以miR156積累水平的下降是由于其轉(zhuǎn)錄水平下降引起的。如果把已經(jīng)形成的葉片去掉,miR156的水平反而上升(Yangetal.,2011)。證明葉原基是調(diào)控miR156積累量的信號之源。此外,環(huán)境溫度會影響miR156和miR172的積累量(Leeetal.,2010;Kimetal.,2012),證明環(huán)境因子通過影響這兩個miRNAs的積累量進(jìn)而調(diào)節(jié)植物生長。SPL積累的時空模式對于理解年齡途徑及植物生長與環(huán)境因子之間的復(fù)雜關(guān)系很重要。通過提高光周期途徑因子CO或FT活性從而促進(jìn)SPL基因的表達(dá),與miR156對SPL的調(diào)控途徑不同(Schmidetal.,2003;Wangetal.,2009)。這種作用模式可能直接受到花開整合因子SOC1和FT的調(diào)控(Jungetal.,2012a)。在長日照條件下,FT和轉(zhuǎn)錄因子FD一起直接或通過SOC1調(diào)控SPL基因的表達(dá),促進(jìn)光周期途徑誘導(dǎo)植物開花。在短日照條件下,SOC1通過結(jié)合到SPL基因啟動子上,促進(jìn)赤霉素途徑誘導(dǎo)植物開花(Jungetal.,2012a)。作為對環(huán)境溫度的應(yīng)答,miR156-SPL3相互作用模塊和FT基因共同調(diào)控溫敏植物的開花時間(Kimetal.,2012)。因此,miR156對于開花植物的階段轉(zhuǎn)變、開花時機(jī)、花的形成起著重要的調(diào)節(jié)作用,同時也可以調(diào)控miR172等其他miRNA。2.4ga促進(jìn)開口時間的研究第3類小RNAmiR159在赤霉素途徑中起著重要作用。擬南芥中,由于在長日照條件下的GibberellicAcid(GA)缺失突變體ga1沒有表現(xiàn)出顯著的開花表型,所以GA對于開花時間的影響一直被人們忽略了。但是在短日照條件下,ga1缺失突變體卻需要GA來促進(jìn)開花(Wilsonetal.,1992)。GA受體GIBBERELLICINSENSITIVEDWARF1(GID1)的發(fā)現(xiàn),引起了研究者對GA影響開花時間的重視。在長日照條件下,3個GID1受體功能冗余拷貝的三突變體表現(xiàn)出晚花表型(Griffithsetal.,2006;Willigeetal.,2007),證明GA是長日照條件下調(diào)控開花時間的重要線索?；ㄐ蚍稚M織基因LFY參與赤霉素途徑。GA信號受到LFY啟動子上GAMYB結(jié)合因子的調(diào)控,在短日照條件下GA提高了LFY啟動子活性(Blazquezetal.,1998;Blazquez&Weigel,2000)。在擬南芥GAMYBs家族中,MYB33結(jié)合到LFY啟動子的GAMYB結(jié)合域上,MYB33的表達(dá)可以導(dǎo)致GA外源性或內(nèi)源性水平的增加,證明了GAMYBs對于GA調(diào)控的開花促進(jìn)起到重要的作用(Gocaletal.,2001)。在擬南芥中,MIR159a、MIR159b和MIR159c構(gòu)成了miR159家族。這些miRNAs主要作用于GAMYB類轉(zhuǎn)錄因子,包括MYB33、MYB65和MYB101。在植物分生組織中MYB33表達(dá)受到miR159強(qiáng)烈的抑制(Alonso-Peraletal.,2010)。短日照條件下,miR159過表達(dá),植物開花延遲,而且MYB33和LFY水平降低(Achardetal.,2004)。這些觀察至少證明有一部分miR159通過赤霉素途徑調(diào)控開花時間。但是miR159表達(dá)量和GA之間的關(guān)系還不是很明確,需要進(jìn)一步研究miR159與GA之間的調(diào)控模式。3mirna控制花器的形成3.1現(xiàn)代科學(xué)和藥物制約gami129e,突出了單一突變體的作用和表達(dá)被子植物中對于花藥的調(diào)控是保守的。在擬南芥、水稻和大麥(Hordeumvulgare)中,MIR159及其靶基因GAMYB-相關(guān)的基因?qū)τ诨ㄋ幍恼ＩL是必須的(Achardetal.,2004)。GAMYB首次在大麥糊粉細(xì)胞中作為種子發(fā)育階段GA信號途徑的正調(diào)節(jié)因子被發(fā)現(xiàn)(Gubleretal.,1999)。隨后的研究揭示了GAMYB也作用在花發(fā)育階段(Murrayetal.,2003)。在大麥中,HvGAMYB的過表達(dá)導(dǎo)致花藥長度的減少,并引起雄性不育(Murrayetal.,2003)。GAMYB基因也在其它物種中被發(fā)現(xiàn),例如擬南芥、水稻、燕麥(Avenasativa)等(Woodgeretal.,2003;Achardetal.,2004;Tsujietal.,2006),其作用和表達(dá)是高度保守的,而且都有保守的miR159–結(jié)合位點。擬南芥MYB33和MYB65都屬于GAMYB–家族。AtMYB33的表達(dá)限制在小的花藥中。擬南芥中myb33/myb65雙突變體導(dǎo)致絨氈層肥大和花粉不育。miR159過表達(dá)減少了AtMYB33的表達(dá)量,引起花藥敗育,雄性不育并延遲了開花時間(Achardetal.,2004;Schwabetal.,2005)。Alonso-Peral等(2010)發(fā)現(xiàn)miR159作為一個分子開關(guān)可以限制MYB33和MYB65在花藥中表達(dá)。在水稻中,OsGAMYB表達(dá)也具有花藥特異性,并與miR159表達(dá)呈負(fù)相關(guān)(Tsujietal.,2006;Ayaetal.,2009)。OsGAMYB的缺失突變體引起花藥和花粉的敗育(Kanekoetal.,2004)。OsGAMYB也可以直接調(diào)控小孢子的發(fā)育(Ayaetal.,2009)。最近的研究發(fā)現(xiàn)了miR159與GAMYB在草莓(Fragaria×ananassa)中的作用(Csukasietal.,2012),兩類草莓的miR159家族成員Fa-miR159a和Fa-miR159b與Fa-GAMYB基因在果托的生長中相互作用,共同應(yīng)答GA內(nèi)源水平的變化。3.2s149和mir339在花發(fā)育中的作用miR319基因家族是由3個成員(miR319a、miR319b和miR319c)組成。Li等(2011)發(fā)現(xiàn),擬南芥miR159與miR319有17個相同的核苷酸,而且這兩個miRNA是由一個共同的祖先基因進(jìn)化而來。然而,miR159和miR319有不同的表達(dá)模式并且作用于不同的基因,所以有不同的作用。miR159作用于幾個調(diào)控開花和花藥生長的GAMYB轉(zhuǎn)錄因子,但是miR319作用于調(diào)控葉片和花生長的TCP轉(zhuǎn)錄因子(Palatniketal.,2007;Nagetal.,2009)。在花序中過量表達(dá)和沉默miR319a基因,TCP(TEOSINTEBRANCHED/CYCLOIDEA/PCF)類轉(zhuǎn)錄因子的mRNA水平相對于野生型花序中的mRNA水平表現(xiàn)為下調(diào)表達(dá)和上調(diào)表達(dá),表明miR319a可能通過結(jié)合并調(diào)節(jié)TCP類轉(zhuǎn)錄因子而在花發(fā)育過程中起作用。其中miR319a功能缺失突變體的花瓣寬度變小,花瓣和雄蕊長度減小(Koyamaetal.,2007;Nagetal.,2009;Sarvepalli&Nath,2011)。3.3mia165對花粉的生長和變異生長素應(yīng)答因子ARF(AUXINRESPONSEFACTORS)通過結(jié)合到植物激素應(yīng)答元件的啟動子上從而調(diào)控大量激素應(yīng)答基因(Mockaitis&Estelle,2008)。一些ARF蛋白已經(jīng)被證明調(diào)控花器官的形成,受到miRNAs的調(diào)控(Malloryetal.,2005;Wu&Poethig,2006;Wuetal.,2006;Chapman&Estelle,2009)。在已知的ARF基因中,ARF6和ARF8是miR167的靶基因,ARF10、ARF16和ARF17是miR160的靶基因(Malloryetal.,2005;Wuetal.,2006)。ARF6和ARF8對胚珠和花藥的生長是必要的(Nagpaletal.,2005;Wu&Poethig,2006;Wuetal.,2006)。arf6arf8雙缺失突變體導(dǎo)致了花藥和雌蕊的敗育,如雄蕊變短,花藥不開裂和胚珠珠被敗育。miR167的過表達(dá)導(dǎo)致ARF6和ARF8轉(zhuǎn)錄本水平下降,出現(xiàn)與arf6/arf8雙突變體相似的表型,花藥不開裂,不能釋放花粉。說明生長素應(yīng)答因子ARF6和ARF8基因是miR167的直接靶點,miR167下調(diào)ARF6/ARF8對花粉發(fā)育很重要。水稻中,在花藥生長的晚期miR167含量達(dá)到很高水平,證明miR167調(diào)控花藥生長是保守的(Fujiokaetal.,2008)。miR167界定ARF6和ARF8在雄蕊和胚珠中的正確表達(dá)區(qū)域(Wuetal.,2006),確保萼片、花瓣、花藥、雌蕊和胚珠的正常發(fā)育,包括其外在形狀、內(nèi)部細(xì)胞大小、花粉粒萌發(fā)率以及柱頭、胚軸的長短等性狀(Ruetal.,2006)。試驗證明miR160負(fù)調(diào)控ARF10、ARF16和ARF17(Malloryetal.,2005;Liuetal.,2010b)。一個Ds轉(zhuǎn)座子插入在miR160的3′調(diào)控區(qū)域的心皮缺失突變體(floralorgansincarpels,foc)導(dǎo)致形成不規(guī)則形狀的花,育性下降(Malloryetal.,2005;Liuetal.,2010b)。在foc突變體中,由于miR160表達(dá)水平下降,導(dǎo)致ARF1、ARF16和ARF17轉(zhuǎn)錄水平比野生型高。3.4mia129調(diào)控nf-y轉(zhuǎn)錄因子基因被子植物花器官發(fā)育的ABCE模型指出,C功能基因在第3、4輪中表達(dá),分別決定雄蕊和心皮的特征屬性。C功能基因的表達(dá)活性受到miR169的抑制。Cartolano等(2007)的研究發(fā)現(xiàn),金魚草的FISTULATA(FIS)基因和矮牽牛的BLIND(BL)基因編碼miR169。FIS和BL將C類基因的活性限制在內(nèi)兩輪花器官而調(diào)控雄蕊和心皮的發(fā)育。FIS和BL的缺失突變體導(dǎo)致在第2輪花器官中出現(xiàn)雄蕊化的花瓣。miR169調(diào)控NF-YA轉(zhuǎn)錄因子基因家族(Jones-Rhoades&Bartel,2004)。由于NF-YA轉(zhuǎn)錄因子可以促進(jìn)C類基因的表達(dá),miR169被認(rèn)為是通過對NF-YA轉(zhuǎn)錄后抑制從而抑制C類基因的活性。此外,Zhang等(2011)發(fā)現(xiàn)miR169的過表達(dá)轉(zhuǎn)基因番茄植株Sly-miR169c的氣孔開張度減少,降低葉片水分流失,從而增強(qiáng)抗旱性。miR169的靶基因是NF-YA類轉(zhuǎn)錄因子家族成員(此類轉(zhuǎn)錄因子與C功能基因PLE/pMADS3的CCAAT盒結(jié)合)(Cartolanoetal.,2007)。在擬南芥中,盡管miR169也調(diào)控NFYA5基因,卻不能進(jìn)一步抑制C功能基因的活性。由此推測,miR169主要在金魚草和矮牽牛中通過抑制C功能基因活性維持花的正常發(fā)育。4mirn393基因調(diào)控花分生片的調(diào)節(jié)植物發(fā)育表觀遺傳機(jī)制是表觀遺傳學(xué)的一個重要分支,近些年來發(fā)展迅速,成為當(dāng)前植物學(xué)研究領(lǐng)域的一個熱點,主要是指在DNA序列未發(fā)生改變的情況下,DNA甲基化、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)、非編碼RNA等因素的改變,使基因功能發(fā)生可遺傳的變化,并最終導(dǎo)致表型變異的遺傳現(xiàn)象。染色質(zhì)的修飾作用對于獲得穩(wěn)定的基因表達(dá),進(jìn)而形成長期的分子記憶很關(guān)鍵。春化途徑對植物開花時間的調(diào)節(jié)