被子植物花器官发育的模型演变和分子调控

基于模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)和金鱼草(Antirrhinum majus)花器官突变体研究提出的四聚体模型揭示了花同源异型蛋白的相互作用方式;进一步提出的核小体拟态模型,解释了花同源蛋白四聚体调控目标靶基因的分子机理。被子植物花器官形态多样化与MADS-box基因的表达模式和功能分化密切相关。多年生被子植物花发育的高通量转录组分析表明,多种基因参与调控花器官发育过程。本文重点综述了被子植物花器官发育的模型演变、MADS-box基因结构和基因重复、miRNA调控以及相关转录组分析的最新研究成果,并对花器官发育的研究前景进行了展望。     

胚珠发育的分子机理

胚珠是研究器官形态发生和模式建成遗传分子机理的一个理想系统。近年来, 关于胚珠特征的决定、模式建成、珠被形态建成和胚囊形成等发育事件分子机理的研究取得了重要进展, 初步建立了胚珠发育的基因调控模型。同时, 离体花器官再生系统为研究激素调控胚珠发育的机理提供了有效途径。本文对拟南芥(Arabidopsis thaliana)胚珠发育的分子调控机制进行了综述。     

胚珠发育的分子机理

胚珠是研究器官形态发生和模式建成遗传分子机理的一个理想系统.近年来,关于胚珠特征的决定、模式建成、珠被形态建成和胚囊形成等发育事件分子机理的研究取得了重要进展,初步建立了胚珠发育的基因调控模型.同时,离体花器官再生系统为研究激素调控胚珠发育的机理提供了有效途径.本文对拟南芥(Arabidopsis thaliana)胚珠发育的分子调控机制进行了综述.     

基于MADS-box诱饵与蛋白质相互作用的拟南芥花瓣发育分子网络拓展

阐明花器官发育调控机理具重要的进化、发育和生态学意义。该文以拟南芥(Arabidopsis thaliana)花瓣发育为例, 整合蛋白质互作、亚细胞定位、基因芯片和基因功能注释等数据库, 通过组建蛋白质互作可信预测模型, 获得拟南芥花瓣蛋白质互作网络, 以含有MADS-box结构域蛋白为诱饵在网络中进行一级拓展, 得到含38个蛋白质和67对互作的拓展网络。基于拓展网络, DAVID基因功能注释表明, 多数蛋白质涉及的生物学过程与花发育调控相关; 提取到19个候选四元互作, 涉及ABCDE模型基因之外的8个基因, 其中含MADS-box结构域的AGL16可能是B类基因新成员或其冗余; SEU、LUH、CHR4、CHR11、CHR17和AT3G04960为拟南芥花瓣AP1-AP3-PI-SEP四聚体的候选靶标基因。研究结果为深入解析拟南芥花瓣发育分子调控网络奠定了基础。     

水稻花器官特征决定以及数量控制的分子机制

继双子叶模式植物拟南芥之后, 单子叶模式植物水稻的生殖发育研究受到广泛的重视。随着水稻正向和反向遗传学研究的不断深入, 人们发现了一些调控水稻花器官特征以及花器官数量的重要基因, 使得对水稻花器官发育的调控机制有了更多的了解。本文着重概述和讨论水稻花器官特征决定以及花器官数量控制分子机理研究的最新进展。     

水稻花器官特征决定以及数量控制的分子机制

继双子叶模式植物拟南芥之后,单子叶模式植物水稻的生殖发育研究受到广泛的重视。随着水稻正向和反向遗传学研究的不断深入,人们发现了一些调控水稻花器官特征以及花器官数量的重要基因,使得对水稻花器官发育的调控机制有了更多的了解。本文着重概述和讨论水稻花器官特征决定以及花器官数量控制分子机理研究的最新进展。     

植物MADS-box 基因FRUITFULL(FUL)研究进展

植物MADS-box基因家族的不同成员在植物生长发育过程中起着非常重要的作用。拟南芥MADS-box 基因FRUITFULL(FUL) 在控制拟南芥开花时间、花分生组织分化、茎生叶形态以及心皮和果实的发育中起到重要作用。其他植物中,FUL的同源基因也在调控花发育,果实发育以及叶片发育等方面各自起到重要作用。本文综述了FUL基因及其同源基因的表达模式和功能,并就其在农作物及果树育种上的潜在应用价值进行了讨论。     

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PISTILLATA(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(Glycine max L.)、百脉根(Lotus japonicus L.)和水稻(Oryza sativa 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。     

百脉根类LATERAL ORGAN BOUNDARIES基因的分离及表达方式

植物顶端分生组织可分为中央区,周缘区和肋区。在植物胚后发育中,侧生器官产生于顶端分生组织的周缘区。顶端分生组织和侧生器官之间的边界的建立和维持是一个非常重要的发育过程,许多调节子参与控制这个过程。拟南芥的LATERAL ORGAN BOUNDARIES（LOB）基因具有独特的表达模式,其表达的范围与上述的边界区域重合。LOB基因隶属于一个大的基因家族一,OB结构域基因家族。该家族编码的蛋白在N端具有一个保守的LOB结构域,该家族LOB基因以外的成员也参与拟南芥不同的发育过程。为了探讨在与拟南芥亲缘关系较远的豆科中LOB同源基因的功能,我们在豆科模式植物百脉根中分离了3个LOB同源基因,命名为LjLOB基因,并用RNA原位杂交方法研究了这3个基因的表达模式。研究结果显示,LjLOB1和LjLOB3都强烈地在小叶原基的基部表达,这种表达模式可能与小叶原基和复叶原基之间的边界相关。而LjLOB4则在发育中的花芽不同轮之间的边界上表达。百脉根中这3个基因具有不同的表达模式,强烈地提示它们的功能发生了分歧：LjLOB1和LjLDB3可能在复叶发育中具有重要功能;而LjLOB4则可能参与了花的发育。     

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。     

花器官发育的分子机制研究进展

经典的ABC模型成功地解释了模式植物拟南芥和金鱼草因同源异型基因突变而引起的植物花器官的变异。随后,大量花器官特征基因和新突变体的研究不断完善和发展了ABC模型。该文综述了近年来花器官发育分子模型及花器官同源基因的调控机理等方面的最新研究成果,并对未来的研究方向进行了展望,以期为深入了解花发育的分子机理和遗传机制奠定基础。     

水稻单C2H2型锌指基因ZOS2-01的表达与功能分析

拟南芥超雄基因(SUPERMAN,SUP)是一个单C2H2锌指基因.该基因突变后会造成雌蕊同源转化为雄蕊,正常的心皮发育受阻,因此SUP在控制花第3/4轮边界的建立和胚珠的发育中起重要作用.为了探知水稻中的SUP同源基因是否也存在类似的功能,我们根据拟南芥SUP的功能结构域,从水稻中克隆了一个与SUP类似基因,命名为ZOS2-01,并对其表达和功能进行了分析.结果表明,ZOS2-01与拟南芥的SUP和矮牵牛的PhSUP1在系统进化树上处于同一分支且与SUP的功能结构域完全相同.定量PCR和GUS表达分析表明,除胚乳外,ZOS2-01几乎在所有组织和器官中表达,但在幼穗中的表达量最高,暗示它可能参与了水稻的营养生长和花器官发育的调节.然而,采用RNA干扰和过量表达的方法减少和增加ZOS2-01的表达并没有明显影响水稻的生长发育,转基因水稻的营养生长正常,花器官发育也没有明显异常且结实正常.这些结果表明,尽管水稻ZOS2-01与拟南芥SUP具有相同的功能结构域,但它们的表达和功能可能已出现了分化,或者水稻中存在多个功能冗余的SUP类似基因.     

花器官大小调控机制的研究进展

自然界中植物花的大小受到遗传因素和环境因素的双重调节。传粉者、天敌和逆境胁迫等多种因素相互制约,作为选择压力共同影响花器官形态和繁殖能力,通过选择适合的基因型,推动花器官大小的进化。近年来,对花器官大小调控机制的研究又有新的进展,已在模式植物拟南芥中分离出大量参与花器官大小调控的基因,并证实它们主要在细胞水平影响花器官的增殖和生长。本文介绍花器官大小的进化及其生物学意义,并综述了拟南芥花器官大小调控机制的研究进展。     

毛白杨PtSEP3-1基因启动子的克隆分析及其表达载体构建

SEP(SEPALLATA)类基因属于花器官发育ABCDE模型中的E类基因,拟南芥中的研究表明该类基因可能具有控制花器官形态发育以及激活其它类型基因的功能,是一类花发育过程中的关键基因。因此,研究杨树SEP类基因启动子表达特性对于杨树的开花调控研究具有重要意义。本文根据毛白杨SEP3基因和毛果杨基因组序列设计引物,通过PCR获得了PtSEP3-1基因上游2000bp的序列。序列分析结果表明该序列具有启动子的基本元件TATA-box和CAAT-box,还包含大量光响应元件ACE、Box I和Box4等,此外还有脱落酸响应元件ABRE,赤霉素响应元件GARE-motif以及胁迫响应元件HSE、TC-richrepeats等。进一步构建了一个以PtSEP3-1启动子驱动GUS基因的植物表达载体pPtSEP3-1protest,为该启动子的功能鉴定奠定了基础。     

APETALA1启动子驱动AtIPT4在转基因拟南芥中表达导致花和花器官发育异常

细胞分裂素对拟南芥（Arabidopsis thaliana）花分生组织细胞的分裂和分化具有重要作用。本研究利用APETALA1（AP1）特异启动子在花分生组织和第1、2轮花器官中表达细胞分裂素合成酶（isopentyl transferase,IPT）基因IPT4,研究细胞分裂素对花和花器官发育的影响。在pAP1∷IPT4转基因植株中出现了花密集和花器官数目增多等现象。原位杂交和GUS组织染色结果发现,在pAP1∷IPT4转基因植株中,花分生组织特征决定基因LEAFY（LFY）与花器官特征决定基因AP1、PISTILLATA（PI）和AGAMOUS（AG）的表达量均有不同程度的提高。研究结果表明在拟南芥中表达pAP1∷IPT4影响其花和花器官的正常发育。     

APETALA1启动子驱动AtlPT4在转基因拟南芥中表达导致花和花器官发育异常

细胞分裂素对拟南芥（Arabidopsis thaliana）花分生组织细胞的分裂和分化具有重要作用。本研究利用APETALA1（AP1）特异启动子在花分生组织和第1、2轮花器官中表达细胞分裂素合成酶（isopentyl transferase,IPT）基因IPT4,研究细胞分裂素对花和花器官发育的影响。在pAP1∷IPT4转基因植株中出现了花密集和花器官数目增多等现象。原位杂交和GUS组织染色结果发现,在pAP1∷IPT4转基因植株中,花分生组织特征决定基因LEAFY（LFY）与花器官特征决定基因AP1、PISTILLATA（PI）和AGAMOUS（AG）的表达量均有不同程度的提高。研究结果表明在拟南芥中表达pAP1∷IPT4影响其花和花器官的正常发育。     

拟南芥FRUITFULL(FUL)基因的表达调控模式

FRUITFULL(FUL)基因是一类MADS box基因,在控制开花时间、花分生组织分化、茎生叶形态以及心皮和果实的发育中发挥重要作用。为了阐明FUL的表达调控模式,克隆了拟南芥Arabidopsis thaliana FUL启动子区(-2148bp~+96bp)及其第一内含子,并构建一系列启动子分段缺失表达载体及含FUL第一内含子的融合载体。并进一步构建了各顺式作用元件融合拟南芥TUBULIN和ACTIN启动子的表达载体。转基因拟南芥分析结果表明,FUL启动子的上游存在2个抑制其表达的顺式作用元件,其中一个很可能与转录因子AP1的结合有关;2个存在于上游调控区的CArG-box对FUL基因表达起到重要的调控作用;FUL基因第一内含子参与拟南芥心皮和雄蕊的发育调控,而且有增强基因表达的作用。     

林木花发育的基因调控

花发育是林木生长发育过程中的重要阶段。林木的花发育分为开花诱导、花的发端和花器官发育3个阶段, 是由多种基因参与的十分复杂的调控过程。本文对林木在花发育过程中的基因调控进行了综述, 并对林木花发育领域的研究前景进行了展望。     

林木花发育的基因调控

花发育是林木生长发育过程中的重要阶段。林木的花发育分为开花诱导、花的发端和花器官发育3个阶段,是由多种基因参与的十分复杂的调控过程。本文对林木在花发育过程中的基因调控进行了综述,并对林木花发育领域的研究前景进行了展望。     

棉花MADS框蛋白基因(GhMADS1)的克隆

作为转录因子,MADS框蛋白基因在植物花器官发育中有着重要的功能。为研究棉花花器官发育的分子机理,以棉花花器官突变体CHV1(cotton homeotic variant)和徐州142正常植株为材料,利用棉花EST数据库资料,通过EST序列整合,从陆地棉徐州142花蕾中克隆出一个MADS框蛋白的编码区段,GenBank登录号为AF538965。该片段(GhMADS1)长713bp,包含一个711bp的开放阅读框,推导的氨基酸序列(236个氨基酸)与葡萄、烟草、矮牵牛、拟南芥和金鱼草等的AGL2组MADS框蛋白有很高的序列相似性。系统进化分析同样将GhMADS1基因归人AGt2组MADS框蛋白。RT-PCR分析显示,该基因在陆地棉的花瓣、雄蕊、胚珠和纤维中表达,特别是在花瓣中表达量最高,而在根、茎、叶等营养器官和棉花同源异型突变体CHV1(所有花器官均变为苞叶状叶性器官)的变异花蕾中不表达。这些结果说明GhMADS1基因可能在棉花花器官发育中有着重要的功能。