花同源异型MADS-box 基因在被子植物中的功能保守性和多样性

MADS-box基因家族成员作为转录调控因子在被子植物花发育调控中发挥关键作用。本文以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana) 和水稻 (Oryza sativa)为例, 综述了近10年来对被子植物(又称有花植物)两大主要类群——核心真 双子叶植物和单子叶植物花同源异型MADS-box基因的研究成果, 分析MADS-box基因在被子植物中的功能保守性和多样性,同时探讨双子叶植物花发育的ABCDE模型在多大程度上适用于单子叶植物。     

MADS-box基因家族基因重复及其功能的多样性

基因的重复(duplication)及其功能的多样性(diversification)为生物体新的形态进化提供了原材料。MADS-box基因在植物(特别是被子植物)的进化过程中发生了大规模的基因重复事件而形成一个多基因家族。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,在调控开花时间、决定花分生组织和花器官特征以及调控根、叶、胚珠及果实的发育中起着广泛的作用。探讨MADS-box基因家族的进化历史有助于深入了解基因重复及随后其功能分化的过程和机制。本文综述了MADS-box基因家族基因重复及其功能分化式样的研究进展。     

MADS-box 基因家族基因重复及其功能的多样性

基因的重复(duplication)及其功能的多样性(diversification)为生物体新的形态进化提供了原材料。MADS-box基因在植物(特别是被子植物)的进化过程中发生了大规模的基因重复事件而形成一个多基因家族。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, 在调控开花时间、决定花分生组织和花器官特征以及调控根、叶、胚珠及果实的发育中起着广泛的作用。探讨MADS-box基因家族的进化历史有助于深入了解基因重复及随后其功能分化的过程和机制。本文综述了MADS-box基因家族基因重复及其功能分化式样的研究进展。     

MADS-box基因在植物发育中的功能

MADS-box基因是一类序列特异的调节基因家族,是同源异型基因。它编码的蛋白质是一类转录因子,在植物的发育尤其在花器官的发育调控中起作用。文章介绍MADS-box基因调控植物开花的作用模式、MADS-box基因间的相互调控以及MADS-box基因功能的研究进展。     

同源异型基因在花发育和进化中的作用

该文对植物发育和进化中同源异型基因的调控作用进行了综述,并介绍了金鱼草和拟南芥菜中几个同源异型基因对花器官变异的调控。     

棉花MADS-box蛋白基因(GhMADS-13)的克隆和表达分析

一组具有MADS-box结构域的转录因子在控制花器官的诱导与发育中起着重要作,以中棉所36(CCRI)均一化全长cDNA文库为基础,结合EST测序分析,分离获得一个棉花的MADS-box基因全长cDNA.该基因cDNA全长1 079 bp,包含一个732 bp的完整的开放阅读框,编码234个氨基酸,具有典型的MADS-box结构域和完整的K区,命名为GhMADS-13(GenBank:FJ409870).与拟南芥、葡萄等植物的AGL6类基因具有高度的同源性.实时定量RT-PCR分析表明,GhMADS-13在CCR136的花器官发育中早期表达量逐步增加,后期有下降趋势.推测GhMADS-13可能在开花诱导和花器官发育过程中起着重要作用.     

调控花发育的同源异型基因

对形态发生突变体进行遗传学和分子生物学分析,是揭示发育的分子调控机制的最有效的途径。最近,世界上若干开创性的研究小组正致力于用这种分子遗传学手段研究植物花发育的调控机制,并取得了令人瞩目的进展。     

阿拉伯半乳糖蛋白在被子植物中的功能

阿拉伯半乳糖蛋白(arabinogalactan proteins,AGPs)是一类富含羟脯氨酸/脯氨酸的高度糖基化的蛋白分子,在高等植物的细胞壁、质膜和胞外基质中广泛存在。AGPs是一类重要的糖蛋白,它在被子植物营养生长和生殖发育的各个环节都可能发挥作用,涉及体细胞胚胎发生、细胞增殖、细胞膨大、细胞程序性死亡、损伤防御、根形态建成、花粉管生长以及植物激素信号传导等。植物结构基因组学及功能基因组学的快速发展,使得人们对AGPs的表达模式和功能特点有了更深入的认识。本文首先就AGPs的分子结构和分类,然后重点就利用基因组序列信息分析以及正、反向遗传学等手段进行的AGPs在植物营养生长、生殖发育、细胞程序性死亡,以及分子互作和信号传导等方面的作用的研究进行了综述。     

拟南芥和琴叶拟南芥中MADS-box基因的比较进化分析

MADS-box基因编码一类转录因子。在被子植物中,MADS-box基因对于营养生长和生殖发育都有重要的调控作用,是植物体(特别是花序、花和果实)的正常发育所不可或缺的。为了理解近缘物种在遗传基础上的异同,我们对拟南芥(Arabidopsis thaliana)和琴叶拟南芥(A.lyrata)基因组中MADS-box基因的拷贝数目和进化式样进行了比较分析。通过搜索公共数据库,我们在拟南芥和琴叶拟南芥中分别鉴定出了106和115个基因。系统发育分析的结果表明,这些基因属于I型和II型MADS-box基因。在两个物种分化之后,II型基因的拷贝数目变化不大,I型基因则经历了多次独立的基因丢失和获得事件。通过比较这些基因在染色体上的排列,我们不但鉴定出了存在微共线性的基因组区段,而且发现新基因产生的主要机制是串联重复和散在重复。分子进化的研究进一步表明,I型和II型基因在进化式样上存在着显著差异:II型基因在进化中一般都受到了较强的选择压力,而I型基因大多受到的选择压力较弱。本研究将为深入理解近缘物种在基因和基因组层面上的异同、探讨物种分化和生物多样性形成的机制等问题提供新思路。     

CYC类基因在被子植物花发育中的研究进展

CYCLOIDEA(CYC)类基因属于TCP基因家族成员,在花发育过程中具有重要作用。CYC类基因在被子植物进化过程中发生基因复制事件,形成CYC1、CYC2和CYC3三大分支,其中CYC2分支成员在花对称性形成方面具有主要调控作用。CYC1和CYC3分支成员开展研究较少。综述了国内外CYC类基因的研究现状及其存在问题,并对CYC类基因的研究前景做了展望。     

蜻蜓凤梨花发育相关B类MADS-box基因克隆及表达分析

为探索MADS-box基因在凤梨花发育过程中的调控机制,通过设计简并引物,利用RACE技术,从蜻蜓凤梨花蕾中分离得到2个花发育相关B类MADS-box基因,分别命名为AfAP3和AfPI;AfAP3cDNA全长957bp,编码区编码226个氨基酸;AfPI cDNA全长808bp,编码区编码198个氨基酸,二者均具有典型的植物MADS-box蛋白结构.RT-PCR分析结果表明,AfAP3和AfPI基因主要在花器官中表达,在根系中也有微量表达;乙烯诱导后7d,AfPI基因在茎尖处开始有表达,表明此时蜻蜓凤梨花芽分化可能已经完成,AfAP3基因表达晚于AfPI.     

被子植物花对称性的遗传控制

简要评述了被子植物花对称性遗传控制研究的最新进展。金鱼草中控制花背腹轴不对称性基因Cy cloidea(Cyc)和Dichotama(Dich)的克隆 ,为研究单对称花的遗传控制机理和进化历程提供了可能。在唇形目(Lamialess .l.)中的研究表明 ,在与金鱼草 (Antirrhinummajus)近缘的物种中 ,Cyc基因的同源基因可以采用相似的机制控制背腹轴上花器官的不对称性发育。最新的研究结果显示 ,在同金鱼草远缘的豆科植物 (Legu minosae)中 ,不仅存在Cyc基因的同源基因 ,而且它们也参与花背腹轴上不对称性的形成。参与花对称性控制的基因属于植物中一个新发现的基因家族———TCP结构域基因     

Relaxed Selection Among Duplicate Floral Regulatory Genes in Lamiales

Polyploidization is a prevalent mode of genome diversification within plants. Most gene duplicates arising from polyploidization (paralogs) are typically lost, although a subset may be maintained under selection due to dosage, partitioning of gene function, or acquisition of novel functions. Because they experience selection in the presence of other duplicate loci across the genome, interactions among genes may also play a significant role in the maintenance of paralogs resulting from polyploidization. Previously, we identified duplicates of the genes LFY/FLO and AP3/DEF that directly interact in a floral regulatory pathway and are thought to be the result of ancient polyploidization in the Lamiales (> 50 mya). Although duplicates of MADS box genes including AP3/DEF are common throughout the angiosperm lineage, LFY/FLO duplicates in Lamiales are the first reported outside of tetraploid taxa. In order to explore hypotheses for the joint preservation of these interacting floral regulatory genes including novel LFY/FLO paralogs, here we clone FLO and DEF duplicates from additional Lamiales taxa and apply codon substitution models to test how selection acts on both genes following duplication. We find acceleration in the ratio of nonsynonymous-to-synonymous nucleotide substitutions for one (FLO) or both (DEF) paralogs that appears to be due to relaxed purifying selection as opposed to positive selection and shows a different pattern among functional domains of these genes. Several mechanisms are discussed that might be responsible for preservation of co-orthologs of FLO and DEF in Lamiales, including interactions among the genes of this regulatory pathway. Electronic Supplementary Material Electronic Supplementary material is available for this article at and accessible for authorised users. [Reviewing Editor: Dr. Yves Van de Peer]     

大豆蛋白编码基因起源与进化

物种基因组成是一个高度动态的进化过程, 其中相对较近起源的种系和物种特异性基因会持续整合到包含古老基因的原始基因网络中。新基因在塑造基因组结构中发挥重要作用, 能提高物种适应性。基因复制和新基因的从头起源是产生新基因及改变基因家族大小的2种方式。目前, 大豆(Glycine max)基因起源时间与进化模式的相互联系很大程度上还未被探索。该研究选择19种具有代表性的被子植物基因组, 分析基因含量动态性与大豆基因起源之间的潜在联系。采用基因出现法, 研究显示约58.7%的大豆基因能追溯到大约1.5亿年前, 同时有21.7%的基因为最近起源的orphan基因。研究结果表明, 与新基因相比, 古老基因受到更强的负选择压并且更加保守。此外, 古老基因的表达水平更高且更可能发生选择性剪切。此外, 具有不同拷贝数的基因在上述特征中也具有明显差异。研究结果有助于认识不同年龄基因的进化模式。     

大豆蛋白编码基因起源与进化

物种基因组成是一个高度动态的进化过程, 其中相对较近起源的种系和物种特异性基因会持续整合到包含古老基因的原始基因网络中。新基因在塑造基因组结构中发挥重要作用, 能提高物种适应性。基因复制和新基因的从头起源是产生新基因及改变基因家族大小的2种方式。目前, 大豆(Glycine max)基因起源时间与进化模式的相互联系很大程度上还未被探索。该研究选择19种具有代表性的被子植物基因组, 分析基因含量动态性与大豆基因起源之间的潜在联系。采用基因出现法, 研究显示约58.7%的大豆基因能追溯到大约1.5亿年前, 同时有21.7%的基因为最近起源的orphan基因。研究结果表明, 与新基因相比, 古老基因受到更强的负选择压并且更加保守。此外, 古老基因的表达水平更高且更可能发生选择性剪切。此外, 具有不同拷贝数的基因在上述特征中也具有明显差异。研究结果有助于认识不同年龄基因的进化模式。