拟南芥花药绒毡层细胞中具有基因簇特征的基因进化和功能分析

在植物基因组中, 除了同源基因成簇现象外, 近年来还发现一些具有共表达特性的异源基因也能够以基因簇形式存在, 但这些异源基因簇的进化和生物学功能尚不清楚。花药发育和花粉形成是植物进化出的特有的生殖生物学过程, 同时产生了一些在花药绒毡层中特异表达和特定功能的基因簇基因。该研究通过筛选和分析花药绒毡层中基因簇基因的分子特性、表达调控、基因年龄和基因重复进化等信息, 探讨花药基因簇基因与植物开花功能进化之间的关系。结果表明, 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中共筛选到84个(13个基因簇)花药绒毡层特异高表达的基因簇基因, 它们主要产生于串联重复事件, 76%的基因出现在开花植物分化后的阶段, 主要参与生殖发育、花粉鞘组成和脂代谢等生物学过程。研究初步解析了拟南芥花药绒毡层中基因簇基因的基本特征、生物学功能和基因进化机制, 为深入揭示植物基因簇基因的遗传学功能奠定了基础。     

植物花粉发育的分子生物学研究进展

植物花粉发育的分子生物学研究进展＊李胜国刘玉乐＃田波（中国科学院微生物研究所）一、植物花粉发育的分子生物学（一）花粉发育相关基因尽管在花粉发育过程中,涉及近万种特异表达的基因,但是迄今所发现的特异基因也不过几十种（表１,表２）。表１植物花药花粉特异基因基因来源特异性空间时间推测功能Ｌｅｃ百合花粉母细胞减数分裂似热激蛋白ｔａｐ２金鱼草绒毡层？－有丝分裂？ＴＡ１３,２９烟草绒毡层减数分裂－有丝分...     

植物细胞核雄性不育基因研究进展

植物雄性不育既是研究植物生殖生物学重要的植物学性状也是研究作物杂种优势利用重要的农艺性状,在遗传和分子生物学中具有重要地位。以模式植物拟南芥和水稻为主,对植物雄性不育的控制基因和相关分子机理已有众多进展,按照花药发育时期和雄性败育的表现形式可以归纳为减数分裂异常、胼胝质代谢异常、绒毡层发育异常、花粉壁发育异常、花药开裂异常,以及其它类型的雄性不育。在不育相关基因中,导致胼胝质代谢异常、绒毡层发育异常和花粉壁发育异常的基因往往表现一因多效,一个相关基因的突变会产生复合表型。关于植物雄性不育相关基因的研究表明,雄性器官和小孢子形成过程中的任何相关基因的改变,均可导致雄性不育的产生。本文总结了植物核基因雄性不育的研究进展,以期促进不同物种间雄性不育基因的比较分析,使植物雄性不育研究更加深入。     

iaaM基因在烟草花粉中的表达及其在花粉发育中的作用

试验利用花粉特异表达的启动子（Lat52)和绒毡层特异表达的启动子（TA29）引导外源生长素合成代谢基因（iaaM)在烟草花粉中表达以研究生长素在花粉发育中的作用。转Lat52-iaaM基因或转TA29－iaaM基因烟草在形态上表现出变异,如从茎上形成不定根,叶呈卷曲状等典型的生长素表达的性状。另外,与对照相比,转基因烟草花药中IAA水平显著增加,且植株矮化,开花期推迟,有的转基因烟草未能开花。上述现象表明：Lat52和TA29启动子的表达并不仅限于花粉或绒毡层,或者说这两个启动子的表达有些泄漏。转基因烟草的花药形状有较大的变异,早期的每个花药中花粉数明显减少,但这些花粉可被醋酸－洋红染色。所有能开花的转基因烟草均可收到种子,但收自某些转基因株系的种子不能萌发。所有这些结果表明生长素在花粉发育过程中起重要作用,过量的生长素会导致花粉发育的异常。     

iaaM基因在烟草花粉中的表达及其在花粉发育中的作用

试验利用花粉特异表达的启动子(Lat52)和绒毡层特异表达的启动子(TA29)引导外源生长素合成代谢基因(iaaM)在烟草花粉中表达以研究生长素在花粉发育中的作用。转Lat52-iaaM基因或转TA29-iaaM基因烟草在形态上表现出变异,如从茎上形成不定根,叶呈卷曲状等典型的生长素过量表达的性状。另外,与对照相比,转基因烟草花药中IAA水平显著增加,且植株矮化,开花期推迟,有的转基因烟草未能开花。上述现象表明:Lat52和TA29启动子的表达并不仅限于花粉或绒毡层,或者说这两个启动子的表达有些泄漏。转基因烟草的花药形状有较大的变异,早期的每个花药中花粉数明显减少,但这些花粉可被醋酸一洋红染色。所有能开花的转基因烟草均可收到种子,但收自某些转基因株系的种子不能萌发。所有这些结果表明生长素在花粉发育过程中起重要作用,过量的生长素会导致花粉发育的异常。     

ST273是拟南芥绒毡层和小孢子发育的必需基因

绒毡层在拟南芥花药花粉发育过程中具有重要作用,包括分泌降解胼胝质的胼胝质酶、为花粉壁的形成提供原料以及为小孢子发育提供营养物质.本文通过对拟南芥雄性不育突变体st273的分析,研究了ST273基因在花药花粉发育过程中的功能.st273是通过T-DNA插入诱变野生型拟南芥得到的一株突变体,遗传分析表明st273是单隐性核基因控制的.利用图位克隆的方法对不育基因ST273进行了定位,结果表明ST273基因与拟南芥第三条染色体上分子标记CIW11连锁.生物信息学分析发现该分子标记附近有一个调控花粉发育的基因TDF1.测序分析结果表明在st273突变体中,TDF1基因第三个外显子上459位的碱基发生了由G459变成了A459的单碱基变化,导致ST273基因该位点提前终止突变.等位分析结果表明st273与tdf1是等位突变体.st273突变体营养生长期发育正常,但生殖生长发育出现异常.亚历山大染色结果显示st273突变体花药中没有花粉.组织切片观察结果表明,突变体花药绒毡层异常肥大且空泡化,四分体不能正常释放小孢子,最终无法形成花粉.这些结果揭示了ST273蛋白质参与调控了绒毡层和小孢子发育过程.     

MYB类转录因子对花药和花粉发育的调控途径

花药发育和花粉形成的各个步骤由众多基因控制,一些转录因子通过调控花药发育相关基因的表达,是功能性花粉形成的关键因子。MYB类转录因子作为植物中最大的转录因子家族,是其中非常重要的一类转录因子。该文结合近年来国内外有关被子植物花粉发育相关MYB转录因子在花药发育和花粉形成的调控途径,包括绒毡层发育、胼胝质的沉积和降解、光合产物的运输、花药的开裂以及雄配子体形成过程中所起的重要作用等方面的研究进展,重点对MYB类转录因子通过形成对绒毡层发育、同化物分配、苯丙烷物质代谢等相关靶位基因的控制网络,转录调控植物花粉发育和花药开裂过程等研究进行综述讨论。     

ANAC092参与调控花药发育的功能初探

NAC家族转录因子是高等植物特有的一类转录因子, 功能广泛, 这类蛋白在植物次生生长、细胞分裂、植物衰老、尤其在激素和信号途径起关键调控作用。ANAC092已报道参与侧根发育, 并与衰老相关。为研究ANAC092基因在花药发育过程中的功能, 文章构建了拟南芥ANAC092启动子的GUS载体, 结合原位杂交分析结果表明, ANAC092在花药发育过程中时序性表达, 在花药发育的8~11期绒毡层表达, 其中在9~10期的表达量达到最高值, 与AMS(Aborted microspores)的表达时期有重合。构建ANAC092过表达体系, 筛选出转基因纯合株系。与野生型相比, 过表达ANAC092转基因植株中花粉数量减少, 花粉粒的长度增加。qRT-PCR结果表明, 过表达株系中与花粉发育相关的基因SPL、EMS1、DYT1、AMS的表达量上调。结合生物信息学分析表明, ANAC092启动子序列中有7个AMS的结合位点, 因此推测ANAC092可能位于AMS的下游而参与花药发育过程。     

调控拟南芥花粉发育突变体zy1511的基因定位及特征分析

为了进一步研究花药花粉发育过程,我们通过EMS诱变,筛选到拟南芥雄性不育突变体zy1511。遗传分析表明,zy1511为隐性单位点突变。细胞学观察表明．突变体花药中小孢子从四分体释放出后绒毡层并没有开始退化,花药发育后期绒毡层依然部分存在。说明突变体花药绒毡层退化比野生型的要迟,因此,小孢子不能发育成正常花粉粒。利用图位克隆的方法将zv1511定位于第一条染色体上分子标记F25P12和T8L23之间134．kb的区间内。本项工作为zy1511基因的克隆及对花粉发育功能分析奠定了基础。目前尚未见到该区间内雄性不育基因的报道。因此,zy1511是控制花粉发育的尚未发现的关键基因。     

拟南芥和水稻非特异脂质转运蛋白的分子进化、表达模式以及在花药发育中的功能分析

植物非特异脂质转运蛋白(non-specific lipid transfer proteins,ns LTPs)是一类小分子碱性蛋白,该蛋白家族在植物的角质蜡质形成、信号转导以及生殖发育等方面发挥了重要的功能。目前植物中已经克隆出几十个ns LTPs基因并对它们开展了初步的功能研究,但对该基因家族在拟南芥和水稻中的基本信息、分子进化、表达模式和功能预测方面进行系统对比的数据仍很欠缺。本研究尝试利用生物信息学的方法,通过对比分析45个拟南芥和49个水稻ns LTPs基因的亚家族分类、基因复制、蛋白结构、表达模式和功能预测等信息,初步阐明ns LTPs基因家族在单双子叶中可能存在的进化、表达模式和功能上的差异。同时以花药发育过程为例,细致分析了ns LTPs不同亚家族基因在花药发育过程中表达水平的变化,从而推测各个亚家族蛋白在花药发育不同时期的功能。本研究以期为ns LTPs将来在植物育种和遗传学中的应用研究提供理论基础。     

iaaL基因在烟草绒毡层中的特异表达对花粉胚胎发生的影响

来源于丁香假单孢杆菌的吲哚乙酰胺赖氨酸酯合成酶(indoleacetic acid-ly-sine synthetase)基因(iaaL)与来自烟草的在花药绒毡层特异表达(tapetal-specific)的启动子TA29融合后导入烟草,在转基因烟草中研究了这种嵌合基因的表达特性,并测定了各器官内源生长素水平.结果表明:TA29启动子只能启动iaaL基因在转基因植株的花药中特异表达,并导致转基因植株花药内源IAA含量的下降,但在完整植株上并没有对花药的正常发育造成明显的影响.当转基因植株的花药在不附加任何激素的改良Nistch H(NH)培养基上培养时,花粉胚胎发生频率下降至11%(对照在50%以上);当在NH培养基上补加0.2mg/L IAA时,转基因植株的花粉胚胎发生频率恢复到与对照相当(达55.7%),由此说明花药绒毡层细胞中IAA的代谢对花药培养中花粉胚的发育具有重要的意义.     

TA29—Barnase嵌合基因导入对烟草花药绒毡层及花粉发育的影响

比较研究了烟草(Nicotiana tabacum L.)TA29-Barnase转基因不育植株和正常植株的花药绒毡层及花粉发育的全过程。研究表明,外源基因在花药中特异表达导致绒毡层细胞的提前降解,这种降解一般在减数分裂早期开始,至四分体时期完成,而正常花药绒毡层的降解发生在二细胞雄配子体初期,至花粉发育的后期方才完成。转基因植株花药绒毡层的降解在细胞结构上表现为:最初发生细胞的液泡化,然后细胞核凝聚,最后整个细胞溃解。转基因植株的花粉母细胞则在减数分裂过程中逐渐降解、退化,只有少数花粉母细胞能够顺利完成减数分裂发育成小孢子。观察结果还表明外源基因在花药中的表达是不均一的。对转基因不育和自然败育在细胞结构上的不同表现进行了讨论。     

天冬氨酸蛋白酶在拟南芥和水稻中的分子进化、表达模式以及在花药发育中的功能分析

天冬氨酸蛋白酶(aspartic proteases,APs)是一类功能多样化的酶,参与了植物大部分生理和发育过程,但其基因家族在植物中的系统分类、分子进化以及功能方面研究仍很欠缺。本研究收集整理了拟南芥和水稻中APs基因序列、分类、基因结构和染色体定位等信息,对比分析该基因家族在拟南芥和水稻中分子进化方面的差异;利用转录组数据阐明该家族基因在不同组织部位和不同发育时期的表达差异和功能分化。此外,本文还围绕花药发育的过程,细致分析了各亚家族APs基因的表达变化,推测APs在花药发育过程中的可能功能。     

水稻OsMS2基因在花药发育中的功能分析

拟南芥MS2(MALE STERILITY 2)是一个调控花药花粉发育的关键基因。水稻OsMS2(Os03g07140)基因与拟南芥MS2的序列具有高度同源性。利用RNA干扰技术研究OsMS2基因在水稻花药发育过程中的功能。与野生型水稻相比, 转基因 植株营养生长阶段正常, 但雄性育性降低。转基因植株雄性育性降低与RNA干扰引起的OsMS2基因表达水平降低有关。进一步对转基因植株花药进行细胞学观察, 结果表明OsMS2基因表达水平的降低导致绒毡层细胞退化延迟, 小孢子壁的形成出现异常。扫描电镜观察结果显示, 小孢子壁光滑, 不能形成正常的外壁。以上结果表明OsMS2基因在水稻花药发育过程中起重要作用。     

水稻DsMS2基因在花药发育中的功能分析

拟南芥MS2（MALE STERILITY2）是一个调控花药花粉发育的关键基因。水稻OsMS2（Os03g07140）基因与拟南芥MS2的序列具有高度同源性。利用RNA干扰技术研究OsMS2基因在水稻花药发育过程中的功能。与野生型水稻相比,转基因植株营养生长阶段正常,但雄性育性降低。转基因植株雄性育性降低与RNA干扰引起的OsMS2基因表达水平降低有关。进一步对转基因植株花药进行细胞学观察,结果表明OsMS2基因表达水平的降低导致绒毡层细胞退化延迟,小孢子壁的形成出现异常。扫描电镜观察结果显示,小孢子壁光滑,不能形成正常的外壁。以上结果表明OsMS2基因在水稻花药发育过程中起重要作用。     

水稻OsMS2基因在花药发育中的功能分析

拟南芥MS2（MALE STERILITY2）是一个调控花药花粉发育的关键基因。水稻OsMS2（Os03g07140）基因与拟南芥MS2的序列具有高度同源性。利用RNA干扰技术研究OsMS2基因在水稻花药发育过程中的功能。与野生型水稻相比,转基因植株营养生长阶段正常,但雄性育性降低。转基因植株雄性育性降低与RNA干扰引起的OsMS2基因表达水平降低有关。进一步对转基因植株花药进行细胞学观察,结果表明OsMS2基因表达水平的降低导致绒毡层细胞退化延迟,小孢子壁的形成出现异常。扫描电镜观察结果显示,小孢子壁光滑,不能形成正常的外壁。以上结果表明OsMS2基因在水稻花药发育过程中起重要作用。     

植物的生殖讲座（四）：花药的发育和雄配子体的形成

植物的生殖讲座（四）──花药的发育和雄配子体的形成王景林（首都师范大学生物学系１０００３７）被子植物开花时,花粉从花药中散出进行传粉和受精。花药是产生花粉的地方,我们若要了解小抱子的形成和雄配子体的发育,就要从花药的发育谈起。花药是一朵花雄蕊的主要组...     

植物HSP70蛋白家族分子进化特征及其表达模式分析

植物热激蛋白HSP70(heat shock protein 70)与植物抗逆性具有密切的关系,对其深入研究将有助于揭示植物的抗逆生理过程,从而为生产上降低逆境对植物的伤害提供重要的实践指导意义。目前,在模式植物拟南芥和水稻中,HSP70蛋白家族的遗传学和生化功能研究被广泛关注,但该基因家族植物中的系统分子进化、表达模式以及功能预测方面的研究仍不完善。本研究通过收集和整理拟南芥和水稻中所有的HSP70基因序列、基因结构和染色体定位等信息,对比分析了拟南芥和水稻中HSP70家族在分子进化方面的差异;同时,从转录水平上初步分析和阐明该家族基因在植物不同组织部位和不同发育时期的表达差异和功能分化。此外,本研究还围绕花药发育的过程,细致分析了HSP70家族基因的表达变化,推测该家族在花药不同时期可能所扮演的角色。本研究为全面理解HSP70家族在单子叶和双子叶植物中的功能异同分化、以及其参与植物生殖发育过程的功能研究提供重要的科学依据。     

四环素诱导组织特异性表达系统的构建

如果获得一种可以特异调控基因表达的系统,对于研究某一基因在各个不同发育时期的功能会有很大的帮助.为了控制外源基因在特定的时间和组织内在转基因植物中表达,将四环素诱导元件和花药绒毡层特异表达启动子TA29结合,构建了一个新的系统.通过基因枪将该系统转入烟草(Nicotiana tabacum L. cv.Wisconsin 38)组织,GUS瞬时表达结果表明,四环素诱导前,没有任何烟草组织染上蓝色,表明该系统不表达;而四环素诱导仅30min后,花药就染上明显蓝色,而且集中在花药绒毡层.其对照子房在四环素诱导前和诱导后均未染上蓝色.这些结果表明,该系统既是四环素诱导又是花药绒毡层特异表达的.     

蒺藜苜蓿花器官特异基因的表达分析

蒺藜苜蓿(Medicago truncatula G)花器官特异表达基因是参与其花器官形成与发育的重要基因。筛选蒺藜苜蓿的花器官特异表达基因,寻找这类基因在其他模式植物中的直系同源基因,并将其表达模式在不同植物间进行比较,有利于深入的理解这类基因在蒺藜苜蓿花器官发育中的功能。根据蒺藜苜蓿表达谱,并以其PISTILLAZA(PI)基因为模板,文章筛选了97个蒺藜苜蓿花器官特异表达基因(Ratio≥10,且Z≥7.9).通过同源比对,确定了这类基因在拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)、大豆(Glycinemax L.)、百脉根(Lotusjaponicus L.)和水稻(Oryzasativa L.)中的直系同源基因。对这类基因在5种植物中的表达量、表达部位和功能进行比较,发现进化关系较近的植物,直系同源基因的表达变异较小,而进化关系较远的植物,直系同源基因的表达变异较大。进一步对表达分化较大的直系同源基因进行启动子分析,发现不同植物中直系同源基因表达模式的变化与启动子中调控元件的特性有关。