植物花药花粉特异性基因的调控序列

植物的花药发育和花粉成熟过程中,有大量的基因表达,肯许多是花药和花粉组织特异性的,本文介绍了几种已知的花药和花粉特异笥基因及其上游调控序列,并简单地介绍了花粉特异性的启动子在植物基因工程中的应用。     

棉花洞A雄性不育系花药发育的mRNA差别显示

应用cDNA-AFLP(Amplified fragment length polymorphism）技术,分析了棉花洞A雄性不育和可育材料在花药发育过程中花粉发育相关基因表达的差异。结果表明：在花药发育的相同时期,不育和可育花粉cDNA-AFLP的谱带在单核期的差异大于减数分裂期。在花粉发育过程中,花粉发育相关基因的表达具有时空特异性。共回收了64条差异cDNA片段,随机选择3个片段标记为探针,RNA斑点杂交分析表明,GHA27具有花器官组织特异性,仅在花器官中表达;GHA28、GHA47则具有花药组织特异性且仅在可育花药中表达。序列相关性比较表明：GHA27与植物ADP-ribosylation factor(ARF）基因有较高的相似性,而GHA28、GHA47与已知序列的相似性很低。     

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...     

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。     

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。     

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(Arabidopsisthaliana)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。     

植物雄性不育基因工程的研究及应用(综述)

本文基于植物花粉花药的发育分子生物学研究成果,介绍了几种创造基因工程核雄性不育系和胞质雄性不育系的途径,保持与恢复基因工程雄性不育系的途径和雄性不育基因工程应用中亟待解决的问题.     

枸杞胼胝质酶基因克隆及在雄性不育材料中的表达分析

以雄性不育枸杞‘宁杞5号’和正常可育枸杞‘宁杞1号’为材料,提取不同发育时期枸杞花蕾RNA,反转录合成cDNA,利用胼胝质酶的β-1,3-葡聚糖酶属性进行同源克隆和半定量RT-PCR分析.结果表明:(1)所克隆的胼胝质酶基因(LG1)属于植物糖基水解酶第17家族基因,编码344个氨基酸,有5个氨基酸保守区在4种植物的花药β-1,3-葡聚糖酶基因中都存在.(2)LG1在正常可育枸杞花药中高量表达,在雄性不育枸杞花药中表达沉默,但基因序列并没有发生突变.(3)经苯胺蓝染色观察,雄性不育枸杞花药四分体分解受阻与LG1基因表达沉默同步.研究结果提示,LG1基因是受不育基因调控的下游基因,参与了枸杞花粉的败育过程,LG1基因沉默是雄性不育枸杞花粉败育的一个重要原因.     

枸杞脂肪酰基还原酶基因的克隆及表达分析

脂肪酰基还原酶基因广泛参与植物的脂类代谢过程,影响植物雄配子体花药发育以及表皮蜡酯合成等。本研究利用RACE方法从宁夏枸杞(宁杞1号)花药中克隆脂肪酰基还原酶LbMS2-2基因,开放阅读框全长1800bp,编码599个氨基酸,等电点为9.00。生物信息学分析表明,LbMS2-2蛋白定位于叶绿体中,该蛋白序列与茄科植物甜辣椒、烟草和马铃薯中的脂肪酰基还原酶表现出较高的序列相似性;实时荧光定量PCR显示,LbMS2-2基因在枸杞花器官中表达,且在枸杞花药发育的四分体时期、单核花粉时期和双核花粉时期表达量较高。原位杂交结果证实该基因只在花药绒毡层和小孢子中表达。亚细胞定位结果进一步验证LbMS2-2基因的叶绿体定位。以上结果表明,枸杞脂肪酰基还原酶基因是枸杞花器官发育过程中的重要基因。     

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。     

恢复基因增强了植物雄性不育系统

比利时Plant Genetic Systems(PGS)研究人员发现了一种恢复基因,它能中和PGS前期发现的雄性不育基因的效应.与雄性不育基因一样,这种恢复基因在能产生花粉的花药中表达.当雄性不育基因表达时,植物不产生花粉,因而不能受精.该基因系统在杂种种子产业中有巨大潜力.利用这种雄性不育基因可降低一些作物,如杂种玉米的生产成     

白菜核雄性不育两用系可育和不育花药ATPase的分布

对白菜核雄性不育两用系可育花药和不育花药的ATPase做了定位分析。可育花药的花粉母细胞核中积累了大量的ATPase反应颗粒,而细胞质中ATPase反应颗粒较少,但在线粒体中特异地聚集了一些大的ATPase反应颗粒。减数分裂后,小孢子细胞质中ATPase反应颗粒明显增加。随着小孢子发育,其细胞质中ATPase反应颗粒逐渐减少,但在线粒体中又特异性地聚集了较多的AT-Pase反应颗粒。当花药发育到二胞花粉时期,花粉和绒毡层细胞中的ATPase反应颗粒已很少了。不育花药的花粉母细胞中呈现较多的ATPase,然而在线粒体中很少。异常四分体小孢子细胞质中虽然有较多的ATPase反应颗粒,但还是通过细胞质收缩和质壁分离方式退化。对可育花药的花粉母细胞线粒体中特异出现的簇状ATPase分布现象进行了分析,讨论了不育花药中花粉母细胞线粒体ATPase的异常与花粉败育的可能关系。     

枸杞花药发育基因LbMS2的克隆及表达分析

MS2(Male sterily2)类基因编码脂肪酰基还原酶,参与了花药绒毡层中脂类代谢过程。该研究以宁夏枸杞(‘宁杞1号’)为试验材料,采用RACE方法从枸杞花药cDNA中获得枸杞LbMS2基因。结果显示,LbMS2基因开放阅读框为1 782bp,编码593个氨基酸,等电点为8.98;生物信息学分析显示,LbMS2蛋白定位于叶绿体;LbMS2蛋白序列与茄科植物矮牵牛、茸毛烟草、马铃薯、番茄以及甜辣椒中的MS2蛋白表现出较高的序列相似性;实时荧光定量PCR结果显示,LbMS2基因具有器官表达特异性,只在枸杞花器官中表达,并且在枸杞花药发育的四分体时期以及单核花粉时期表达量最高。研究表明,LbMS2基因是枸杞花器官发育过程中的重要基因。     

枸杞花药发育过程中钙的分布

在枸杞花药发育过程中,用焦锑酸钾沉淀的钙颗粒显示出了一个与花药发育事件有关的分布特征：在孢原细胞时期的花药中钙颗粒很少。在造孢细胞到小孢子母细胞时期,花药中钙颗粒增加。当花粉母细胞进行减数分裂时,花药中的钙颗粒进一步增加,尤其是在小孢子母细胞的胼胝质壁中。在小孢子发育早期,花药药隔部位的绒毡层细胞质中钙颗粒也明显增加并特异性地分布在其内切向壁上。当小孢子被释放出后,钙颗粒开始特异性积累在正在形成的花粉外壁中,尤其在萌发孔的部位聚集了大量的钙颗粒。当小孢子形成大液泡时,其细胞质中的钙颗粒明显减少。在小孢子分裂形成二胞花粉后,在二胞花粉的大液泡中又特异性地出现许多细小钙颗粒。随着二胞花粉的大液泡完全消失,其细胞质中又出现了许多钙颗粒。接近开花时的成熟花粉粒细胞质中,细小的钙颗粒主要分布在营养细胞和生殖细胞中。枸杞花药发育过程中钙的分布特征反映了其参与调控花粉发育过程。     

低温诱导蛋白在拟南芥花药晚期的转录组分析

本研究以对照(22℃)和冷胁迫(4℃)处理24 h的拟南芥9~14期花药为材料,分别构建两个c DNA文库并使用Illumina技术进行了转录组测序。获得了拟南芥9~14期花药的25 349个unigene(c DNA序列),其中低温诱导上调基因1 804个,下调基因1 550个。通过Gene Ontology(GO)功能和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)代谢途径网络分析显示低温诱导上调基因主要富集在刺激应答通路,低温诱导下调基因主要富集在离子运输通路。同时发现拟南芥9~14期花药在低温处理后有1 708个基因被诱导,796个基因被完全抑制,低温诱导基因主要与植物的胁迫应答和脂代谢途径相关,低温抑制基因主要与蛋白质代谢相关,其中有些基因参与了植物的生殖发育。植物低温应答反应是一个涉及多基因、多信号途径的复杂过程,低温对花药的调控有其特异性,这些结果可为研究花药在冷胁迫环境下的刺激应答提供了一定的参考依据。     

小麦(Triticum aestivum)花粉的二型性及其与花药培养中花粉胚形成的关系

在两个小麦杂种材料的活体花药中,发现相当数量的不正常花粉,频率分别为2.61%和6.81%。这表明在小麦的活体花药中也存在花粉二型性现象。对活体花药中不正常花粉的发育和花药培养中花粉胚形成的早期阶段进行了细胞学对比研究,结果表明,此二者在细胞学上具有明显的一致性。因此在小麦中也如同在其他植物中一样,花粉胚可能起源于不正常花粉。作者认为活体中不正常花粉的出现和频率可能表示植物小孢子发育对内外各种因素变化的敏感性。讨论了这种敏感性对于小麦花药培养中花粉胚形成的意义。     

温度胁迫对植物花粉发育的影响

温度是影响开花植物有性繁殖的重要环境因子之一,在雌雄配子的发育过程中,温度胁迫常导致花粉败育。该文总结了目前研究已知的温度胁迫对植物花粉发育的影响,包括花粉发育对温度胁迫的最敏感时期、温度胁迫引起的花药绒毡层、糖代谢、激素水平的变化,并对低温与高温胁迫对花粉发育的影响进行了比较讨论。文章同时还概述了花粉响应温度胁迫的分子机理研究进展,重点介绍了目前已知的6个参与花粉响应低温胁迫的基因的功能,并总结了此研究领域中存在的不足及展望了今后研究重点,以期为进一步解析花粉响应温度胁迫的机制提供参考。     

苹果花粉F-box基因MdSLFB9克隆与鉴定

根据茄科、蔷薇科及玄参科植物中多个花粉特异性表达的F-box基因同源序列设计兼并引物,从苹果品种'红玉'花粉cDNA中克隆得到了3个全长基因序列Jt1、Jt2和Jt3.序列比对结果显示,3个基因在N-端都有保守的F-box基序,表明其为F-box蛋白基因家族成员.RT-PCR组织特异性、单元型特异性及连锁遗传分析结果发现,3个基因均在'红玉'花粉中特异性表达,Jt1具有单元型多态性,并在'澳洲青苹'×'红玉'杂交后代中与S9-RNase基因连锁遗传,推测认为Jt1是苹果自交不亲和性S9-单元型特异性表达的花粉S-决定子候选基因,命名为MdSLFB9(GenBank登录号为FJ610153).Jt2和Jt3与花粉S-决定子F-box基因序列相似度较高,但不具有单元型特异性表达,为苹果花粉SLFB-like基因,分别命名为MdSLFB-like1和MdSLFB-like2(GenBank登录号分别为FJ610154和FJ610155).     

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...     

水稻非花粉型细胞质雄性不育系及其保持系花药发育过程中Ca2+的分布变化

钙在高等植物中被称为第二信使,与植物的有性生殖有关。为了研究水稻（Oryza sativa L.）花药中钙的定位与花粉败育的关系,利用焦锑酸钾沉淀法研究了非花粉型细胞质雄性不育系G37A及其保持系G37B花药的发育过程及其细胞中Ca^2＋ 的分布变化。研究发现,在2个材料间花药中钙的分布存在大量差异。G37B的可育花药在花粉母细胞时期及二分体时期,很少看到有Ca^2＋的沉积;而在单核花粉时期,Ca^2＋沉积急速地增加,主要定位在绒毡层细胞、花粉外壁外层及乌氏体的表面;随后花药壁上沉积的Ca^2＋减少而花粉的外壁外层仍然有很多Ca^2＋沉积物。相反,G37A的不育花药在花粉母细胞时期和二分体时期有大量的Ca^2＋沉积在小孢子母细胞和花药壁,中间层和绒毡层特别多。在二分体时期之后,不育花药的Ca^2＋沉积减少,特别是绒毡层内切向质膜附近的Ca^2＋几乎消失。但是同时期的可育花药中,有大量的Ca^2＋沉积在绒毡层。不育花药的Ca^2＋沉积在开花几天后消失。根据研究结果推测在不育花药发育早期中更多的钙离子与花粉败育有一定的关系。