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。     

非洲紫罗兰两侧与辐射对称花中两个CYC类完整基因的分离和序列分析

在已知GCYC基因部分序列基础上, 通过改进的mTAIL-PCR方法克隆非洲紫罗兰Saintpaulia ionantha两侧对称栽培种中CYC类基因的5′未知序列, 并进而从两侧与辐射对称栽培种中分离得到苦苣苔科Gesneriaceae中第一组完整基因: SiCYC1A与SiCYC1B。对以上基因的核酸和氨基酸序列比较发现, SiCYC1A与SiCYC1B序列同源性很高, 均含有完整的功能调控区域(即TCP domain和R domain)并与模式植物金鱼草Antirrhinum majus中CYC基因同源。因此, 这两个基因应具有正常功能, 是功能上互补的冗余基因。令人意外的是在辐射对称花栽培品种中的这两个基因和两侧对称花栽培品种中对应基因的序列完全相同。经过对金鱼草以及相关类群辐射对称花突变体中CYC类基因序列的比较分析, 推论在非洲紫罗兰中, SiCYC1A与SiCYC1B基因可能受上游未知的共同调控因子调控, 该调控因子的改变是导致栽培品种中花对称性发生变化的主要原因。另外, 对改进后的TAIL-PCR(mTAIL-PCR)的方法和过程进行了详细叙述, 并对其技术特征和优势开展了简单的论述。     

百脉根BIO和豌豆突变位点ELE2的比较基因组定位(英文)

豆科两侧对称花的花瓣具有背腹(DV)的分化以及可变的器官内部(IN)非对称性,在大小与形状上显示出不同的发育特征;因而花瓣的发育为克隆决定植物器官的形状与大小的关键基因提供了很好的实验系统。本研究对百脉根中BIO基因进行研究。百脉根bio突变体具有多效性,既影响花器官内部的对称性也影响器官的大小和育性,豌豆ele突变体的表型与bio相似。定位结果表明BIO和ELE2位于豆科基因组的共线性区段,提示BIO和ELE2可能是同源基因突变所致。本研究利用比较基因组定位方法,将BIO和ELE2候选基因锚定在豆科模式植物百脉根和蒺藜苜蓿基因组含有11个同源基因的BAC重叠群上。BIO和ELE2基因的克隆将有助于揭示豆科花瓣形态和大小调控的分子机理,进而为豆科作物遗传改良提供分子理论基础。     

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。     

水稻基因组MADS盒DNA的克隆和分析

利用来自金鱼草Squamosa基因的MADS盒序列作为异源探针 ,从水稻基因组Cosmid文库中筛选获得了 1个含MADS盒保守序列的DNA片段(RgMADS1 ) ,对RgMADS1进行的结构及功能研究表明 :RgMADS1中含有与已报道的MADS盒基因高度同源的区段 ;水稻基因组中存在多拷贝的含MADS盒的基因族 ;将RgMADS1与 35S启动子构成嵌合基因 ,转化拟南芥 ,转基因植株表型异常 ,主要是花型结构改变、花数目减少和花着生部位异常 .由以上分析初步认为 ,RgMADS1可能是水稻MADS盒基因家族中的一员 ,它们可能参与了花形态建成和发育过程中的功能调控     

金鱼草AmPDS基因克隆及调节类胡萝卜素合成功能分析

八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase,PDS)是类胡萝卜素进行生物合成途径中的关键酶。为了深入探究金鱼草PDS基因的功能,该研究以‘马里兰’金鱼草(Antirrhinum majus‘Maryland True Pink’)为材料,对其PDS基因(AmPDS)全长序列及蛋白结构进行分析,并克隆了AmPDS基因片段;采用qRT-PCR技术检测AmPDS基因在不同时期及部位的相对表达水平,利用VIGS技术验证AmPDS基因功能,用紫外分光法测定叶片中各类色素含量。结果显示:(1)成功克隆AmPDS基因片段(500 bp);AmPDS基因cDNA全长1743 bp,编码580个氨基酸;其蛋白分子量为64.75 kD,理论等电点6.66;同源比对分析显示AmPDS基因与芝麻(Sesamum indicum)的序列相似性最高。(2)qRT-PCR分析表明,AmPDS基因在全株均有表达,且在全盛期花朵的上瓣和叶片中表达量最高。(3)构建pTRV2-AmPDS载体,建立了金鱼草的VIGS沉默体系,AmPDS基因沉默效率约为53%,与阴性对照相比叶片中各类色素含量均显著降低。研究认为,AmPDS基因是金鱼草类胡萝卜素生物合成途径中的关键基因,可作为金鱼草VIGS沉默体系的指示基因,为后续研究金鱼草其他基因功能奠定基础。     

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。     

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。     

金鱼草RADIALIS-like 1基因克隆与功能研究

MYB是植物中最大的转录因子家族之一，其中R3-MYB转录因子RADIALIS(RAD)在金鱼草(Antirrhinum majus)花发育过程中具有十分重要的作用。本研究对金鱼草基因组进行分析，发现1个与RAD结构相似的R3-MYB基因，将其命名为AmRADIALIS-like 1(AmRADL1)。进一步通过生物信息学预测基因功能，利用qRT-PCR分析AmRADL1在野生型金鱼草不同组织器官中的相对表达量，对过表达AmRADL1的转基因金鱼草进行形态学观察和组织学染色分析。结果表明，AmRADL1基因开放阅读框(open reading frame,ORF)长度为306 bp，编码101个氨基酸，具有典型的SANT结构域，C末端含有CREBmotif，与番茄(Solanum lycopersicum)SlFSM1同源性较高。qRT-PCR结果表明，AmRADL1在根、茎、叶和花中均有表达，其中在花中表达量较高；进一步分析其在不同花器官中的表达量差异，发现AmRADL1在心皮中表达最高。转基因金鱼草植株的组织学染色分析结果显示，与野生型相比，转基因植株的心皮细胞大小没有明显的变化，...     

AP2功能基因在植物花发育中的重要作用

AP2基因作为调控植物花发育的功能基因,参与花分生特性建立、花器官的特性特化以及形成调控。所编码的AP2/EREBP转录因子的主要特征是都至少含有一个由60到70个左右的氨基酸组成高度保守的DNA结合区,称作AP2结合域。按其所含的AP2结构域的数目分为3个亚族,即AP2亚家族、EREBP亚家族和RAV亚家族,每个亚家族都有各自的作用。AP2基因不但自身调控着花、胚珠的发育,而且与其他因子相互协作,参与到复杂的花发育调控网络。将对AP2基因的特征和分类及其在花发育中的作用进行概述。     

Diversification and co-option of RAD-like genes in the evolution of floral asymmetry

To understand how changes in gene regulatory networks lead to novel morphologies, we have analysed the evolution of a key target gene, RAD, controlling floral asymmetry. In Antirrhinum, flower asymmetry depends on activation of RAD in dorsal regions of the floral meristem by the upstream regulators CYC and DICH. We show that Arabidopsis, a species with radially symmetric flowers, contains six RAD-like genes, reflecting at least three duplications since the divergence of Antirrhinum and Arabidopsis. Unlike the situation in Antirrhinum, none of the Arabidopsis RAD-like genes are activated in dorsal regions of the flower meristem. Rather, the RAD-like genes are expressed in distinctive domains along radial or ab-adaxial axes, consistent with a range of developmental roles. Introduction of a RAD genomic clone from Antirrhinum into Arabidopsis leads to a novel expression pattern that is distinct from the expression pattern of RAD in Antirrhinum and from the endogenous RAD-like genes of Arabidopsis. Nevertheless, RAD is able to influence developmental targets in Arabidopsis, as ectopic expression of RAD has developmental effects in this species. Taken together, our results suggest that duplication and divergence of RAD-like genes has involved a range of cis- and trans-regulatory changes. It is possible that such changes led to the coupling of RAD to CYC regulation in the Antirrhinum lineage and hence the co-option of RAD had a role in the generation of flower dorsoventral asymmetry.     

苦苣苔科大叶石上莲CYC类基因RT-PCR表达模式研究

CYC类基因的分子系统学研究已经在苦苣苔科Gesneriaceae中展开,但是还缺乏对这些基因表达和功能的研究。因此,我们选择苦苣苔科大叶石上莲Oreocharis benthamii作为实验材料,分离出了CYC类基因的两个拷贝,经过分子系统学分析这两个基因分别属于苦苣苔科GCYC1和GCYC2两个分支,故命名为ObCYC1和ObCYC2。分区的RT-PCR实验结果显示这两个基因拥有不同的时间空间表达模式。ObCYC1与模式植物金鱼草Antirrhinum majus中的CYC基因类似,集中在花冠背部区域表达,这与它们拥有保守的功能区TCP和R相一致。但是,ObCYC1与CYC表达模式仍有区别,即,和CYC相比ObCYC1在花冠背部区域的表达提前减弱。这可能和大叶石上莲花冠微弱的两侧对称性相关。另外,由于大叶石上莲的背部花瓣较两侧和腹部花瓣小,因此,在功能上ObCYC1可能起抑制背部花瓣生长作用而CYC基因则促进背部花瓣生长。与ObCYC1不同,ObCYC2的保守功能区有更多的氨基酸位点变化,而且在RT-PCR实验中也没有检测到它的表达。因此,需要开展更深入的实验研究分析ObCYC2的基本功能,这将有助于了解GCYC2类基因在苦苣苔科及其近缘科中的功能和进化途径。