1、被子植物花器官發(fā)育的分子機制花發(fā)育是被子植物生命周期中一個重要的綜合發(fā)育過程，涉及無限生長向有限生長及不 同發(fā)育方式的轉換，包括開花誘導、信號傳遞、屬性決定、器官發(fā)生，既受環(huán)境因子(如光 周期、溫度等)的誘導，又受到自身內部因素的調節(jié)，經過一系列信號轉導過程，啟動成花 決定過程中的控制基因。在復雜的基因互作網絡調控下，營養(yǎng)莖端分生組織(vegetative meristem，VM)轉變?yōu)榛ㄐ蚍稚M織(inflorescence meristem, IM)，然后在IM 的側翼形成 花分生組織(floral meristem，FM)，分化出花器官。截至目前，從擬南芥(Arabidopsis tha

2、liana)中共有180多個參與調控開花的基因被鑒 定出，并確定其中存在有6條調控開花的信號途徑：即光周期途徑(photoperiod pathway) 春化途徑(vernalization pathway) 自 主途徑(autonomous pathway) 赤霉素途徑(gibberellin pathway)、溫敏途徑(thermosensory pathway)和年齡途徑(aging pathway)o 表觀遺傳是開 花信號通路中的重要機制，對開花及花器官發(fā)育產生關鍵調控作用。miRNAs的表觀遺傳調 控機制是植物分子發(fā)育生物研究的重要領域，例如miR172、miR156、miR159參

3、與了開花 誘導的信號轉導途徑，共同開啟花的發(fā)育過程。本文綜述了被子植物花器官發(fā)育的格式形成與分子調控機制。Repression of Floral InhibitorsCM圖1溫度、光照和依賴赤霉素等途徑通過抑制花形成抑制物產生和激活花的分生組織識別基因參與花發(fā)育過程1花器官發(fā)育的ABCDE模型通過對擬南芥和金魚草突變體研究而提出的多種發(fā)育模型，成功地解釋了被子植物花 器官突變現象。其中，最著名的是由Bowman等及Coen和Meyerowitz提出的“ABC模型”。 該模型指出，花器官的形成和發(fā)育由A、B和C三類功能基因決定;A類基因的表達決定了 第一輪萼片的形成，包括 APETALA1 (

4、AP1)和 APETALA2 (AP2)基因等；B 類APETALA3 (AP3)和 PISTILLATA(PI)基因和A類基因的組合表達決定了第二輪花瓣的發(fā)育；C類 AGAMOUS 06)基因和B類基因的組合表達決定了第三輪雄蕊的形成;C類基因的表達決 定了第四輪雌蕊的發(fā)育。同時,A類和C類基因在功能上彼此抑制，較好地解釋了花器官的 同源異型轉變現象。矮牽牛(Petunia hybrida) D 類基因 FLORAL BINDING PROTEIN 7 (FBP7和 FBP11 決定 了 胚珠的形成和發(fā)育。擬南芥 D 類 SEEDSTICK (STK)、SHATTERPROOF1(SHP1)

5、和 SHP2 三基因突變體的胚珠變成了心皮結構和葉結構。這些研究將花發(fā)育 “ABC模型”拓展為 “ABCD模型”。隨后，研究發(fā)現SEPALLATA (SEP基因能與其他類型的花器官特征決定基因 發(fā)生結合，維持四輪花器官的正常發(fā)育，定義為“E類基因”。因此，花發(fā)育模型進一步擴展為“ABCDE”模型(圖2): A類+E類基因組合調控第一輪萼片的形成和發(fā)育,A類+B類+E類 基因組合決定第二輪花瓣的形成和發(fā)育;B類+C類+E類基因組合調控第三輪雄蕊的形成和 發(fā)育；C類+E類基因組合決定第四輪雌蕊的形成和發(fā)育；C類+D類+E類基因組合調控胚珠的形成和發(fā)育。已W 吵相 rmrinl圖2擬南芥中花發(fā)育AB

6、CDE模型和四聚體模型圖3 ABC基因任一突變均能影響花發(fā)育后的最終結構螺環(huán)內的字母表示活躍的基因。當A的功能喪失時，C的作用擴展到第一、第二輪；當B基因活性喪失時，最外兩螺旋將具有A的功能；失去了C的功能，A擴展至兩個內旋。2花器官發(fā)育的四聚體模型金魚草 GLOBOSA (GLO)、DEFICIENS (DEF)和 SQUAMOSA (SQUA)蛋白形成多聚體 復合物的酵母三雜交和電泳遷移率實驗表明：多聚體復合物比二聚體具有更強的結合DNA 能力。隨著這些同源異型蛋白相互作用研究的積累,Theissen和Saedler提出了一個更全面的 花發(fā)育四聚體模型(圖2):花同源異型蛋白通過形成四聚體

7、復合物調控花器官的形成。該模 型成功地揭示了模式植物花器官的各種突變類型很快得到了廣泛認同。在擬南芥花器官的形成過程中，蛋白四聚體AP3-PI/SEP-SEP和AP3-PI/AG-SEP分別調 控花瓣和雄蕊的形成。隨后，擬南芥SEP基因丟失部分功能后的表型與STK、SHP1和SHP2 基因三突變體的表型相同；并且酵母三雜交顯示D類蛋白能與SEP3蛋白形成多聚體復合 物。因此，花發(fā)育四聚體模型包含了 D類和E類蛋白相互作用，調控胚珠的形成和發(fā)育（圖 2）。同時，不同開花植物菊花、西紅柿和水稻等的蛋白互作實驗顯示，花的同源異型蛋白均 能形成多聚體。植物體外和體內的多種實驗手段均表明花發(fā)育四聚體模型

8、在花器官發(fā)育過程 中扮演重要角色。3核小體擬態(tài)模型The迅en等（2016）根據花同源蛋白四聚體復合物（FQC，Floral quartet-like complex） 與核小體具有高度相似性，進一步提出了核小體擬態(tài)模型。在該模型中，花發(fā)育四聚體復合 物代表類核小體性能且序列特異的轉錄因子，并在包含CArG元件的啟動子上通過允許或抑 制染色質修飾，進而替代不活躍染色質靠近轉錄起始位點的核小體，最終導致染色質處于一 種平衡狀態(tài)。核小體擬態(tài)模型為花同源四聚體復合物的功能預測提供了線索。核小體是由組 蛋白構成的八聚物,是靜態(tài)系統，但是染色質會發(fā)生頻繁重組?？拷D錄起始位置的核小體是 不穩(wěn)定的，特別是

9、基因5端的動態(tài)核小體可能增加轉錄起始位點的可接觸性?；ㄍ吹鞍姿?聚體能招募組蛋白修飾因子，并可替代轉錄因子起始位點上游的標準核小體。Non-m nun c-a I nudnciiiBMIKC-lylM、臆的mnHiEbPiQ-mDrirlyng譜 IrarinijCiE machiwfY圖4核小體擬態(tài)模型示意在擬南芥花發(fā)育過程中,AP1和SEP3蛋白會較早的結合，隨后改變染色質可接觸性。研 究表明SEP3蛋白扮演著先鋒轉錄因子的角色，通過修飾染色質的可接觸性，促使其侵入難 接觸的核小體關聯DNA位點，進而創(chuàng)造一個開放的染色質環(huán)境，并允許非先鋒轉錄因子結 合到可接觸位點。當轉錄因子與DNA結合

10、時，能有效驅除核小體，空出結合位點，且結合位 點的距離非常接近CArG-box序列距離。雖然核小體擬態(tài)模型很好地解釋了花同源蛋白四聚 體復合物調控目標靶基因的分子機理，但有待于進一步的驗證。4調控花器官發(fā)育的MIKC型MADS-box轉錄因子結構和基因重復目前,ABCDE類基因，除了 AP2基因外，均屬于MADS-box基因家族成員中的MIKC 型MADS-box基因。MIKC型MADS-box基因編碼的蛋白從N端到C端依次包含1個 MADS(M)結構域、1個介于中間的I結構域、1個角質蛋白同源的K結構域和1個C末端 結構域(圖4)。其中,M結構域是一個由約60個氨基酸組成的高度保守的DNA結

11、合域，對 MADS轉錄因子的核酸定位和二聚化均具有重要作用。I結構域由約35個氨基酸組成，其 保守性相對較弱，對結合DNA二聚體的形成具有選擇性。K結構域由約6570個氨基酸組 成，包含疏水性和帶電殘基，具有保守性，形成兩性分子的螺旋線，涉及蛋白二聚體和多聚 體復合物的形成。C結構域由約30個氨基酸組成，保守性最差，其氨基酸序列十分多變，涉 及轉錄激活和多聚體復合物的形成。MADS蛋白通過二聚體結合DNA序列的CArG元件; 根據花發(fā)育的四聚體模型,2個蛋白二聚體各自識別不同的CArG元件，在DNA形成環(huán)狀后, 這2個二聚體相互靠近，形成蛋白四聚體，進而調控花器官的形成和發(fā)育。N MADS I

12、 KC圖5 MADS-box基因編碼蛋白示意MIKC型MADS-box基因通過復制產生了 SQUA (A類)、DEF/GLO (B類)、AG (C類和 D類)、AGL2 (E類)四個亞家族。SQUA亞家族是一類決定花序/花分生組織和花被特征的基 因，在核心真雙子葉植物起源之前，發(fā)生2次基因重復產生euAP1、euFUL和AGL79三個 進化系。DEF/GLO亞家族產生于被子植物共同祖先的2次基因復制，第一次基因復制發(fā)生 在被子植物起源之前，產生paleoAP3和PI進化分支;paleoAP3基因又經過第二次基因復制, 分化出TM6和euAP3兩類旁系同源的進化分支。AG亞家族基因隨著被子植物的

13、演化也發(fā) 生了 2次主要基因重復，第一次發(fā)生在被子植物起源之前，通過基因重復形成了調控心皮與 雄蕊發(fā)育的C類進化系和調控胚珠發(fā)育的D類進化系；C類進化系在核心真雙子葉植物起 源之前又發(fā)生了 1次基因重復，形成euAG和PLENA (PLE)兩個進化系。AGL2亞家族基因 主要參與調控花器官和花分生組織的形態(tài)分化，通過基因重復產生了 AGL2、AGL3、AGL4 和AGL9四個進化系。5被子植物花器官形態(tài)多樣性的分子機制一些大的被子植物類群花器官形態(tài)多樣化與MIKC型MADS-box基因重復密切相關。 核心真雙子葉植物起源之后，花被有明顯的花瓣和萼片區(qū)分以及花器官的排列方式等特征 的進化均與A類

14、和E類基因重復相關。單子葉植物水稻(。以羽sativa )的內外稃和漿片形成 與其A類基因的進化相關。被子植物花被形態(tài)多樣化與B類基因重復導致的功能分化密切 相關。在被子植物的基部類群和基部真雙子葉植物電B類基因往往通過一些小尺度的基因 重復，調控花瓣的形態(tài)分化。在基部真雙子葉植物三葉木通(Akebia trifoliata)中，AP3同源基 因通過2次小尺度的基因重復產生了 3個paleoAP3型基因AktAP3_1、AktAP3_2和AktAP3_3, 其中AktAP3_3基因主要參與調控花被花瓣化。文心蘭屬(Oncidium )植物通過基因重復產生 3個paleoAP3型基因OMADS3

15、、OMADS5和OMADS9,其中OMADS3在四輪花器官中均 有表達,OMADS5基因主要在萼片和花瓣中表達，而OMADS9基因主要在花瓣和唇瓣中表 達；這些轉錄因子可能通過PI型OMADS8形成不同的異源二聚體，進而導致萼片、花瓣、 唇瓣的形態(tài)差異。菊類植物的花瓣和雄蕊形態(tài)多樣化與PI旁系同源基因的表達模式密切相 關。矮牽牛的2個B類旁系同源基因(FBP1和PMADS2)在調控花瓣和雄蕊發(fā)育上是冗余的, 但是FBP1基因對于雄蕊花絲和花瓣管的融合又是必需的。樓斗菜(Aguilegia vulgaris )的退 化雄蕊形成需要B類基因的參與。在單子葉植物中，水稻和玉米(Zea mays )的

16、PI旁系同源 基因由于基因重復產生了表達模式的分歧。MIKC型基因表達區(qū)域或模式的改變，會引起花器官的變化。B類或C類基因表達模式 的改變會引起生殖器官缺失,形成單性花。鴨跖草科(Commelinaceae )等單子葉植物的最外 輪花器官中AP3同源基因轉錄活性喪失或表達量很低時，花被表現出明顯的萼片和花瓣之 分。楸樹(Catalpa bungei) CabuPI基因在重瓣花形成和發(fā)育的關鍵時期，其表達量明顯上調。 唐松草葉銀蓮花(Thalictrum thalictroides ) ThtAGl基因的選擇性拼接導致其蛋白K區(qū)丟失, 形成重瓣花。櫻花(Prunus lannesiana ) P

17、rseAG基因的外顯子跳躍導致Presag-1蛋白C末端 的AG基序I和II丟失，引起雄蕊轉變成花瓣，雌蕊轉變成葉狀器官。在基部被子植物星花 木蘭(Magnolia stellate )中，MastAG基因發(fā)生選擇性拼接，形成I區(qū)和K區(qū)缺失的mastag_2 蛋白和K區(qū)和C區(qū)缺失的mastag_3蛋白，導致星花木蘭的花瓣數目增加。6 miRNAs參與被子植物花器官發(fā)育的調控闕莊部轉運 irnnspcirl年Agmj pathway赤毒琳途徑 Gihbcrulliii p?ilhtvpiy花左生組織Klnral muriHlern與墻孫生凱統廠始ii羯商格3holopciiind puhiiva

18、y：植物miRNA通過與靶基因互補位點結合，抑制或降解靶基因mRNA的翻譯；其中, miRNA159、miRNA160、miRNA167、miRNA169、miRNA172 和 miRNA319 等在參與調控 植物花器官發(fā)育方面發(fā)揮著關鍵作用。擬南芥miRNA159在赤霉素途徑中起著重要作用， 通過降解其靶基因GAMYB,進而抑制LEAFY基因轉錄和花藥發(fā)育；進一步研究發(fā)現, miRNA159作為調控開關，在營養(yǎng)器官抑制其靶基因 MYB33和 MYB65的表達，并將 MYB33和MYB65基因限制在花藥中表達。水稻miRNA159通過降解其靶基因OsGAMYB, 導致花藥和花粉敗育。在擬南芥中

19、,miRNA160的3,調控區(qū)插入1個Ds轉座子形成的突變體, 表現出花型不規(guī)則和花粉育性降低。擬南芥miRNA167通過降解靶基因ARF6和ARF8的 轉錄，導致胚珠珠被生長停止、花藥異常和花粉敗育。矮牽牛 BLIND (BL)基因和金魚草 FISTULATA(FIS)基因編碼的miRNA169，通過降解靶基因NF-YA后，進而抑制C類基因在 外兩輪花器官中的活性。在開花早期，miRNA172通過降解擬南芥內兩輪花器官中 AP2 mRNA,進而調控擬南芥開花時間，此外 miRNA172是一個應答環(huán)境溫度的 miRNA。 miRNA172自身也受到 miRNA156的調控，miRNA156主要

20、調控植物幼年期的生長。 miRNA319通過調控TCP轉錄因子，進而調控花瓣和雄蕊的發(fā)育；同時miRNA319突變體 擬南芥花瓣變得窄小，雄蕊的花藥出現缺陷。葉一I u.ll圖6擬南芥miRNAs調控成花轉換的分子機制7花發(fā)育的轉錄組學研究隨著基因組測序技術的不斷發(fā)展，全基因組范圍的基因表達檢測水平日益提高，極大地 推動了多年生木本植物花發(fā)育分子機理的研究。大量的被子植物花發(fā)育轉錄組分析表明，不 同發(fā)育階段間差異表達基因的鑒定及其表達模式的確定為綜合理解復雜的分子調控網絡途 徑提供了基礎。荔枝(Litchi chinensis)花器官發(fā)育的轉錄組分析表明,MADS-box和激素合成 相關基因在

21、花發(fā)育過程起重要作用。Liu等通過茶樹(Camellia sinensis )花發(fā)育的轉錄組研究， 發(fā)現花器官發(fā)育過程中WRKY、ERF、bHLH、MYB和MADS-box等轉錄因子基因家族顯 著上調(Liu等，2017)。杜鵑紅山茶(Camellia azalea)花發(fā)育的轉錄組分析揭示了花器官發(fā) 育過程中MADS-box基因家族中的SVP和AGL24-like基因顯示出特異的表達模式。番荔枝 (Annona squamosa )花發(fā)育的轉錄組研究表明，一些關鍵基因FT、SOC1、CO和MADS-box 等在花器官發(fā)育中扮演著重要角色。毛竹(Phyllostachys edulis )花形成

22、和發(fā)育的轉錄組分析 表明,MADS-box基因的表達顯著上調。8展望被子植物花器官發(fā)育模型多樣性的研究主要源于三個不同目的：一是更好地理解多變 的花器官突變現象；二是揭示被子植物花器官發(fā)育過程的共同特點；三是目前的模型均無 法概括所有被子植物花器官發(fā)育過程。隨著大量花發(fā)育過程相關基因調控研究的積累，花發(fā) 育模型也在不斷補充和發(fā)展。基于這些花同源異型突變體研究提出的多種發(fā)育模型，成功解 釋了植物花突變現象。但是，花器官發(fā)育的四聚體復合物激活或抑制特異目標基因的機制有 待于進一步的揭示和驗證。MIKC型MADS-box基因重復導致不同進化系中基因的C區(qū)產生新的基序，產生功能 分化的新基因；新基因通

23、過改變與其他基因的結合能力，形成不同類型蛋白四聚體或新的表 達區(qū)域，參與花器官形態(tài)分化。因此，被子植物一些大類群的形態(tài)創(chuàng)新時間與MADS基因發(fā) 生基因重復時間高度一致。但是,MIKC型蛋白作為轉錄因子，其調控的特異靶基因依然難 以確定。主要體現在兩方面：一是擬南芥基因組上存在大量與CArG-box序列相似的DNA 序列元件，幾乎每一個基因都擁有一個結合MIKC型轉錄因子的位點，導致難以判斷MIKC 型蛋白對應的特異目標基因的CArG-box基序；二是擬南芥基因組上至少有45種不同MIKC 型蛋白存在高度保守的DNA結合M結構域，并且很多蛋白的DNA特異結合域非常相似。 但是，不同花同源異型蛋白

24、的特異靶基因序列差異很大，導致不同花同源異型基因的突變表 型明顯不同；靶基因的CArG-box序列、結構特性和轉錄輔助因子在花同源蛋白四聚體復合 物的靶基因識別過程中均扮演重要角色。miRNA通過調控其靶基因，進而對被子植物花器官的發(fā)育產生影響。這些miRNAs在 調控花器官發(fā)育的同時，也會影響到其他器官形成和發(fā)育。例如 擬南芥miRNA159除通過 其靶基因調控花藥發(fā)育外，還參與糊粉層的發(fā)育和細胞程序化死亡，并對種子萌發(fā)產生影響。 在擬南芥中,miRNA160還參與調控葉形對稱、花序形成、莖和根的生長等發(fā)育進程。目前， 調控花器官發(fā)育的miRNA研究主要集中在擬南芥、水稻、金魚草和矮牽牛等模式植物未 來應拓寬到其他被子植物花器官發(fā)育研究領域。模式植物花器官發(fā)育基因的功能解析，揭示了被子植物花器官發(fā)育的機理，但是多年生 被子植物花發(fā)育的研究依然缺乏。利用同源基因克隆和表達分析的研究手段均參考了模式植 物的研究成果，因而限制了多年生植物特異基因的挖掘。高通量轉錄組測序極大地推動了多 年生被子植物花器官