植物SVP基因的研究进展

SHORT VEGETATIVE PHASE(SVP)是重要开花抑制基因,主要在营养阶段表达。SVP基因参与花分生组织的形成,并调节开花途径中的整合因子FLOWERING LOCUS T(FT)、SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1(SOC1)和FLOWERING LOCUS C(FLC)的表达,从而调控开花时间。SVP的表达受光照、温度等因素的影响。就国内外对SVP基因及同源基因的一些研究进展进行综述,并探讨其未来的研究方向。     

Polycomb Group蛋白复合体与植物春化作用

Polycomb Group(PcG)蛋白能形成Polycomb Repressive Complex 1(PRC1)和PRC2等复合体,通过一个保守且表观遗传的机制调节基因表达并控制动植物的发育。拟南芥中由VERNALIZATION2参与形成的PRC2复合体(VRN2-PRC2)在春化过程中能对主要开花抑制基因FLOWER LOCUS C(FLC)的染色质进行组蛋白甲基化修饰,形成H3K27me3(组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化)等转录抑制标记,从而抑制FLC转录,促进开花。虽然麦类作物的春化机理与拟南芥有较大差异,但最近的研究表明麦类作物春化过程也受PcG蛋白调控。文章对拟南芥PcG蛋白介导的春化调节机制进行综述,期望能对植物尤其是麦类作物的春化机理研究提供资料。     

伴胞细胞中表达的组蛋白脱甲基化酶感受发育信号调控开花时间

开花是高等植物发育过程中一个非常重要的转化过程,它能够保证植物的正常发育和后代的延续,并且有重要的农业价值和观赏价值[1]．开花时间的调控是一个非常复杂的过程,受到自身发育信号和外部环境因素的共同影响[2-3]．FLC是拟南芥开花调节过程中的中心抑制因子,其在拟南芥顶端分生组织和叶片维管束的伴胞细胞中均有表达,并且这两个部位的FLC对开花时间都有重要的调节作用[4]．目前已知的多数影响开花的通路都通过调节顶端FLC的表达来调控植物开花时间,关于伴胞细胞中的FLC如何被调控的研究还非常少[1, 3]． 在动植物中都存在一类具有JmjC结构域的蛋白质,是一类保守的组蛋白脱甲基化酶[5]．我们实验室最近的工作表明,JMJ18是一个受植物自身发育调节的H3K4脱甲基化酶,JMJ18主要在伴胞细胞中表达,通过特异调节伴胞细胞中的FLC调控植物开花时间[6]． Yang等[6]实验证实在体外全长的JMJ18可以特异性地以H3K4m3的多肽为底物,脱掉其上一个甲基生成H3K4m2．在拟南芥中,JMJ18主要在伴胞细胞中表达,并且表达水平受到植物自身发育进程的调控[4]．JMJ18功能缺失突变体呈现弱的晚花表型,而JMJ18的超表达植株呈现明显的早花表型,说明JMJ18参与了拟南芥开花时间的调控[4].尽管多个具有JmjC结构域的组蛋白脱甲基化酶,如 JMJ14、ELF6/JMJ11、REF6/JMJ12等都参与了拟南芥开花时间的调节,但是机制都不太清楚[5, 7],并且目前没有发现可以直接调控FLC的JmjC蛋白．Yang等的实验证实JMJ18可以结合到FLC的染色质上,通过降低FLC的染色质H3K4m3和H3K4m2修饰抑制FLC表达．FLC表达水平的降低导致FT表达的释放,促进FT在伴胞细胞中积累．积累的FT从伴胞细胞进入筛管组织,进而运输到顶端分生组织,与顶端分生组织特异性表达的bZIP转录因子FD直接相互作用,通过调节下游基因SOC1和AP1调控植物开花进程(图1)． 最近的研究发现,植物开花时间除了受到春化作用、自主途径、光周期途径、GA途径等调控以外,还可以通过自身年龄衡量因子miR156和其靶基因SQUAMOSA PROMOTER BINDING-LIKE (SPLs)调节开花进程[8]．Yang等实验证实：JMJ18主要在韧皮部的伴胞细胞表达．并且同miR156类似,在植物营养生长时期,JMJ18随着发育进程的深入表达水平逐渐升高．SUC2启动子驱动JMJ18在维管伴胞细胞中表达时也出现早花表型并且依赖于FT．这些研究结果表明,同miR156类似,JMJ18受植物自身发育调节,也可能作为自身年龄衡量因子调控植物开花时间,不同点是JMJ18是通过组蛋白修饰直接调节FLC表达调控开花时间的自身年龄衡量因子．即可能有两条感受自身年龄的途径：miR156-SPLs和JMJ18-FLC/MAFs途径,让人感兴趣的是两个因子都是表观遗传调控因子,而且在每个途径中均是前者负调控后者,而且后者均为一个转录因子基因家族,这两个途径最后都调控FT表达．这两个途径之间的关系也是一个有待于研究的科学问题,这可能会对于我们理解自身年龄衡量因子在植物开花进程中的作用有一定的启示．     

FLC基因表达在植物春化过程中的作用

在对以往有关不同开花途径研究简要总结的基础上综述了FLC基因在春化过程中的作用。近期以拟南芥不同生态型和突变体为模式的研究结果表明基因FLC可能是春化反应的关键基因。研究发现 ,FLC的表达水平与植株低温处理的时间呈数量关系 ,低温处理时间越长 ,FLC的表达越弱 ,去甲基化也可能对FLC起负调控的作用。同时FLC也存在于自主开花途径中 ,与其他基因共同作用以调节植株开花时间。而FLC的表达对开花起抑制作用。一系列研究表明 ,春化的低温作用可能在于相关基因的去甲基化 ,消除了FLC对开花的抑制作用 ,从而解除赤霉素合成途径的封锁最终导致植株在一定时期开花。     

FLC基因表达在植物春化过程中的作用

在对以往有关不同开花途径研究简要总结的基础上综述了FLC基因在春化过程中 的作用。近期以拟南芥不同生态型和突变体为模式的研究结果表明基因FLC可能是春化反应的关键基因。研究发现,FLC的表达水平与植株低温处理的时间呈数量关系,低温处理时间越长,FLC的表达越弱,去甲基化也可能对FLC起负调控的作用。同时FLC也存在于自主开花途径中,与其他基因共同作用以调节植株开花时间。而FLC的表达对开花起抑制作用。一系列研究表明,春化的低温作用可能在于相关基因的去甲基化,消除了FLC对开花的抑制作用,从而解除赤霉素合成途径的封锁最终导致植株在一定时期开花。     

小黑杨FLC基因的克隆及功能解析

MADS-box家族蛋白是一类重要的调控开花的转录因子,FLC是其家族成员的编码基因之一。FLC在调节开花过程,其功能的发挥受多个途径的调控。本研究利用RT-PCR方法在小黑杨雄花芽中克隆出FLC基因的全长c DNA序列Pn FLC。该基因的开放读码框为726 bp,编码241个氨基酸残基组成的分子量为27.559 k D的蛋白质,蛋白质的等电点为9.37。实时定量荧光PCR结果显示,春化能够使Pn FLC在小黑杨根、茎、叶各组织中表达量下调57.9%~84%;启动子GUS染色结果表明,Pn FLC启动子在分裂活跃的组织中活性较高。拟南芥的遗传转化结果显示,Pn FLC可以调控At AP1、At SOC1和At FT基因的表达,同时延迟拟南芥的开花时间。     

植物如何消除春化的记忆——ELF6阻止春化状态遗传给下一代

<正>植物能够感知周围环境,控制和协调自身的发育,使其在合适的时间开花结果。春化过程就是一个很好的例子,植物通过感受冬天连续的低温环境,逐渐抑制开花抑制因子的表达,并且能够在冬季之后保持该基因的抑制状态,即植物通过表观修饰可以在随后的发育过程中记住基因的表达状态,从而促进开花。春化对于许多冬性作物(如小麦、大麦)的高产、稳产也具有重要作用。模式植物拟南芥和作物通过不同的开花抑制因子(例如:拟南芥中FLC和小麦及大麦中VRN2)响应春化过程,但研究认为它们具有类似的调节机制。认识拟南芥中FLC的调节对     

拟南芥SUA41基因的表达和功能分析

植物的开花受多条途径的控制, 其中包括光周期途径、春化途径、赤霉素途径、自主途径和温敏途径。SUA41(SUMO substrate in Arabidopsis 41)是本实验室筛选到的、SUMO(Small ubiquitin modifier)的潜在底物, 并且前人的研究发现它参与自主途径的开花调节, 但其对开花时间的调节机制没有详细报道。文章对SUA41基因的表达、sua41突变体对不同环境条件的反应以及SUA41对开花时间调节的可能机制进行初步分析。结果显示, 与野生型相比, sua41突变体在常温或低温、长日或者短日条件下均为早花, 并且在低温和常温下的开花时间没有太大差别。过表达SUA41能够恢复sua41突变体的早花表型。SUA41基因在拟南芥的幼苗、根、茎、叶和花以及各个植物发育阶段都有表达, 说明SUA41基因是一个组成型表达基因。SUA41基因的表达与GA处理无关, 长日低温条件能够诱导SUA41基因的表达, 且在温敏途径突变体fve和fca中SUA41基因的表达量减少。与野生型比较, sua41突变体中CO基因的mRNA表达量没有明显变化, FT和SOC1基因表达量增加且FT增加幅度更大, FLC的mRNA表达量减少。结果表明SUA41基因虽然在自主途径中起作用, 但主要在温敏途径中参与拟南芥开花时间调节。     

“先驱”转录因子LEC1在早期胚胎重置春化状态的机制

开花是植物由营养生长阶段向生殖生长阶段转变的重要过程,长时间低温处理即春化对开花起到非常重要的促进作用。春化控制的拟南芥(Arabidopsis thaliana)开花中,阻抑型转录因子FLC是重要的关节点,春化记忆依赖于对该基因的控制。何跃辉研究组之前对拟南芥的研究揭示了转录因子VAL1或VAL2可以识别负调控开花的关键基因FLC成核区的顺式DNA元件,协同PRC2复合体在春化过程中沉默FLC基因的表达,并在随后的常温下继续维持FLC基因沉默直至受精结束,使植物产生春化记忆。但在下一代中如何擦除这种记忆功能,使FLC重新被激活,以防止植物在过冬前或过冬时开花,相关机制目前并不清楚。近期,该研究组揭示了在植物胚胎发育早期一个种子特有的"先驱"转录因子参与擦除春化记忆,重新激活FLC基因的分子机制,并解析了胚胎中的基因激活传递到后胚胎发育(营养生长期)的表观遗传机理。该研究是开花领域的重要突破,为作物开花调控的生产应用提供了新思路。     

水稻SDG736抑制拟南芥FLC表达调控开花时间

130～150个氨基酸组成SET (Su (var) 3-9, Enhancer-of-zeste, Trithorax)结构域构成了组蛋白赖氨酸甲基转移酶特异性催化位点。SET结构域蛋白在进化上高度保守,广泛调控植物的生长发育。进化分析结果显示水稻SET结构域家族成员可分为7个不同的亚家族(KMT1, KMT2, KMT3, KMT6, KMT7, S-ET和RMT)。KMT3亚家族可能涉及开花调控或花的发育,其中包含5个拟南芥基因和5个水稻同源基因。拟南芥SDG4通过H3K4/K36甲基化的活性调控花发育,结果表明水稻同源基因SDG736超量表达,可促进拟南芥开花。对拟南芥开花途径相关的基因进行定量分析显示,超量表达的SDG736拟南芥植株中FLC基因表达量降低,而SCO1基因的表达量增加。