花发育分子生物学模板优秀PPT.ppt

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1、 植物花发育的分子生物学植物花发育的分子生物学一、花发育特点：一、花发育特点：花发育分为开花诱导、花的发端和花器官花发育分为开花诱导、花的发端和花器官发育发育3 个阶段个阶段,是由多种基因参与的特别困难是由多种基因参与的特别困难的调控过程。的调控过程。首先首先,在外部环境和植物体内信号的作用在外部环境和植物体内信号的作用下下,植物顶端分生组织从养分生长向生殖生长植物顶端分生组织从养分生长向生殖生长转变转变,这一过程主要受光周期促进、自发促进、这一过程主要受光周期促进、自发促进、开花抑制、春化促进和赤霉素诱导等多条途开花抑制、春化促进和赤霉素诱导等多条途径共同限制。然后径共同限制。然后,这些途径

2、综合作用于花这些途径综合作用于花/花序分生组织特异基因花序分生组织特异基因,致使茎端分生组织向致使茎端分生组织向花序花序(花花)分生组织转化分生组织转化;接着接着,花花/花序分生花序分生组织向成花转变组织向成花转变,激活花器官特性基因的表达激活花器官特性基因的表达,最终形成花器官。最终形成花器官。近年来,通过对拟南芥、金鱼草和矮牵牛等模式植物花发育的探讨,分别鉴定了一大批与植物花发育相关的基因,为阐明植物花发育的分子机理奠定了坚实的基础,同时,也促进了多年生植物花发育分子机理的探讨。二、开花诱导及其基因调控开花诱导及其基因调控 植物顶端分生组织从养分生长向生殖生长转变受控于外界环境和植物体内在

3、的信号,这一过程称为开花诱导，也叫开花确定。不同植物进化过程中演化出不同的生殖策略：一些植物的开花时间受光照、温度、水分、养分等环境因子的影响，以使植物能在最适条件下开花结果。另一些植物对环境变更不敏感，由养分生长的积累量等内部信号引起开花。缺乏养分和干旱等胁迫也可引起开花。中文名称中文名称 拉丁学名拉丁学名 科属科属 童期长度童期长度月季月季 Rosahybrida 蔷薇科蔷薇属蔷薇科蔷薇属 2030天天葡萄葡萄 Vitis spp.葡萄科葡萄属葡萄科葡萄属 1年年兰花兰花（草本）（草本）Cattleya,Cymbidium,Oncidium 兰科兰科 47年年苹果苹果 Malus sylv

4、estris 蔷薇科海棠属蔷薇科海棠属 48年年柑橘柑橘 Citrus sinensis 芸香科柑橘属芸香科柑橘属 58年年洋常春藤洋常春藤 Hedera helix 五加科常春藤属五加科常春藤属 510年年北美红杉北美红杉 Sequoia sempervirens 杉科北美红杉属杉科北美红杉属 515年年欧亚槭欧亚槭 Acer pseudoplatanus 槭树科槭树属槭树科槭树属 1520年年英国栎英国栎 Quercus robur 壳斗科栎属壳斗科栎属 2530年年欧洲山毛榉欧洲山毛榉 Fagus sylvatica 壳斗科水青冈属壳斗科水青冈属 3040年年不同木本园艺植物童期长度不同

5、木本园艺植物童期长度中文名称中文名称 拉丁学名拉丁学名 品种名品种名 科属科属 成年期需具备的叶片数成年期需具备的叶片数(枚枚)耧斗菜耧斗菜 Aquilegiahybrida Mckanas Giant 12 Fairyland毛茛科耧斗菜属毛茛科耧斗菜属 15蒲包草蒲包草 Calceolaria herbeohybrida 玄参科蒲包花属玄参科蒲包花属 5翠菊翠菊 Callistephus chinensis 菊科翠菊属菊科翠菊属 4大花金鸡菊大花金鸡菊 Coreopsis grandiflora Sunray 菊科金鸡菊属菊科金鸡菊属 8天人菊天人菊 Gaillardiagrandiflo

6、ra Goblin 菊科天人菊属菊科天人菊属 16红花矾根红花矾根 Heuchera sanguinea Bressingham 虎耳草科矾根属虎耳草科矾根属 19薰衣草薰衣草 Lavandula angustifolia Munstead 唇形科薰衣草属唇形科薰衣草属 18金光菊金光菊 Rudbeckia fulgida Goldsturm 菊科金光菊属菊科金光菊属 10不同草本园艺植物童期的长度不同草本园艺植物童期的长度 开花诱导是植物生殖生长启动的第开花诱导是植物生殖生长启动的第1 阶段阶段,目前已证明开花是受光目前已证明开花是受光周期促进、春化促进、自发促进、赤霉素诱导、开花抑制、和碳

7、水化合周期促进、春化促进、自发促进、赤霉素诱导、开花抑制、和碳水化合物诱导等多条途径限制。这些途径通过调控一些开花途径共同限制的整物诱导等多条途径限制。这些途径通过调控一些开花途径共同限制的整合基因合基因,如如FLOWERING LOCUS T(FT)、LEAFY(LFY)、SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1(SOC1)和和FLOWERING LOCUS C(FLC)等等,实现对植物开花时间的调控。其中实现对植物开花时间的调控。其中LFY 也在花也在花/花序分生组织形成中起作用。花序分生组织形成中起作用。图花发育基因之间的遗传模式图花发育基因之间

8、的遗传模式 1.光周期诱导途径光周期诱导途径2.在光周期途径中在光周期途径中,感受光诱导的部位是植物的叶感受光诱导的部位是植物的叶片片,感受光的物质是光受体。光受体大致可分为感受光的物质是光受体。光受体大致可分为3类类,即即光敏色素光敏色素(phytochromes)、隐花色素、隐花色素(cryptochrome)和和紫外线紫外线B类受体类受体(ultraviolet B)。远红光、蓝光通过促。远红光、蓝光通过促进进PHYA和和CRY1/2促进开花，红光通过促进开花，红光通过PHYB/D/E抑抑制开花。制开花。3.光受体感受日长和夜长光受体感受日长和夜长,产生昼夜节律产生昼夜节律(circad

9、ian rhythm)。这时间受体本身。这时间受体本身(或与其有关的一些物质之间或与其有关的一些物质之间)会形成某种平衡会形成某种平衡;当昼夜节律发生变更时当昼夜节律发生变更时,这种平衡就这种平衡就会被打破会被打破,促进促进(或抑制或抑制)一些基因表达一些基因表达,从而启动从而启动(或抑或抑制制)开花进程。开花进程。模式植物拟南芥在长日照条件下模式植物拟南芥在长日照条件下,昼夜节律平衡被打破昼夜节律平衡被打破,CO基因在叶基因在叶中的表达量上升中的表达量上升,CO基因的表达积累到确定阈值会诱导基因的表达积累到确定阈值会诱导FT基因的表达基因的表达。目前。目前FT 基因的基因的mRNA(或蛋白或

10、蛋白)被认为是促进开花的关键因子。被认为是促进开花的关键因子。FT基基因在叶中表达因在叶中表达,其表达产物被运输至顶端分生组织与其表达产物被运输至顶端分生组织与FD蛋白结合蛋白结合,从而从而激活花分生组织确定基因激活花分生组织确定基因LFY和和AP1的表达的表达,启动开花进程。启动开花进程。LFY基因基因是花序分生组织转变为花分生组织过程中的一个关键因子是花序分生组织转变为花分生组织过程中的一个关键因子,它能够促进它能够促进AP1、AP3、AG和和PI的表达。的表达。2.春化途径春化途径 春化作用与蛋白质和核酸代谢的关系亲密。春化作用与蛋白质和核酸代谢的关系亲密。也有学者认为也有学者认为,春化

11、作用参与调整发育过程春化作用参与调整发育过程的化学本质是的化学本质是DNA的甲基化作用。的甲基化作用。FLC基因基因在拟南芥的春化过程中起着关键作用在拟南芥的春化过程中起着关键作用,AP1-like基因则在其它也须要春化作用的非十字基因则在其它也须要春化作用的非十字花科植物中起类似作用。目花科植物中起类似作用。目前分别到的与春化作用相关的基因有前分别到的与春化作用相关的基因有FLC、VRN2、VRN1、VIN3、VER2、PIE1、HP1、TFL2和和ELF等。等。中文名称中文名称 拉丁学名拉丁学名 光周期诱导光周期诱导 春化诱导春化诱导 赤霉素诱导赤霉素诱导金盏菊金盏菊 Calendula

12、officinalis 兼性长日照植物兼性长日照植物 05C处理处理1045天天 100 mgL1 GA3喷施喷施提前提前18天开花天开花唐菖蒲唐菖蒲 Gladiolus gandavensis 日中性植物日中性植物 25C处理处理8周周 20 mgL1GA3浸球促进开花浸球促进开花仙客来仙客来 Cyclamen persicum 日中性植物日中性植物 04C处理处理1015天天 20 mgL1GA3处理花期提前处理花期提前紫罗兰紫罗兰 Matthiola incana 日中性植物日中性植物 510C处理处理20天左右天左右 GA3(25105 kgL1)喷雾处喷雾处理可促进开花理可促进开花菊

13、花菊花 Chrysanthemum morifolium 短日照植物短日照植物 05C苗期越冬苗期越冬 GA3 在在0200 mgL1，随浓度，随浓度增加开花加快增加开花加快杜鹃杜鹃 Rhododendron simsii 专性短日照植物专性短日照植物 10C处理处理46周周 5002 000106 kgL1 GA3花期提前花期提前德国鸢尾德国鸢尾 Iris germanica 长日照植物长日照植物 可耐可耐15C低温低温,入秋后摆在室外至上冻低温顺入秋后摆在室外至上冻低温顺GA3处处理可使花期提前理可使花期提前八仙花八仙花 Hydrangea macrophylla 长日照植物长日照植物 0

14、C处理处理46周周 GA3 0250 mgL1可促进开花，可促进开花，浓浓 度高开花早度高开花早百合百合 Lilium spp.兼性长日照植物兼性长日照植物013C处理处理30110天天 100500 mgL1GA3处处理花期提前理花期提前兼性方式诱导成花的部分欣赏植物兼性方式诱导成花的部分欣赏植物3.赤霉素赤霉素(GA)途径途径 GA途径中途径中,GA介导的介导的DELLA蛋白降解的蛋白降解的分子机制目前探讨得比较清晰。分子机制目前探讨得比较清晰。DELLA是是C端端保守保守,N端存在端存在DELLA和和VHYNY 2个保守酸性个保守酸性结构域的一类蛋白的总称结构域的一类蛋白的总称,属于属于

15、GRAS(GAI、RGA和和SCR)蛋白家族。蛋白家族。DELLA蛋白位于细胞蛋白位于细胞核中核中,在没有在没有GA的状况下的状况下,它阻遏植物的发育它阻遏植物的发育;但当但当DELLA蛋白上的蛋白上的GA信号感知区接收到信号感知区接收到GA信号后信号后,这种蛋白的阻遏作用便被解除。植这种蛋白的阻遏作用便被解除。植株表现出正常的株表现出正常的GA反应和生长发育。假如变反应和生长发育。假如变更更DELLA蛋白的结构蛋白的结构,植物就不能感知植物就不能感知GA信信号。在拟南芥中号。在拟南芥中,GA通过促进整合子基因通过促进整合子基因SOC1、LFY和和FT的表达促进开花。的表达促进开花。4.自主途

16、径自主途径 自主途径是一条独立的成花诱导途径自主途径是一条独立的成花诱导途径,现现已克隆的与之相关的基因主要有已克隆的与之相关的基因主要有FLD、FCA、FPA、FY、FVE和和LD。FCA和和FPA编码编码RNA结合蛋白结合蛋白;FY编码与编码与mRNA 3端加工端加工相关的蛋白相关的蛋白;LD编码含有核定位信号的蛋白编码含有核定位信号的蛋白,与植物的与植物的DNA-结合结构域有比较高的同源结合结构域有比较高的同源性性;FLD编码一个与人的组蛋白去乙酰化酶编码一个与人的组蛋白去乙酰化酶复合体同源的蛋白复合体同源的蛋白,FLD突变后使突变后使FLC染色染色质组蛋白乙酰化质组蛋白乙酰化,FLC表

17、达量上升表达量上升,进而抑进而抑制开花。制开花。自主途径和春化途径通过一个自主途径和春化途径通过一个MADS盒盒类转录因子类转录因子FLOWERING LOCUS C(FLC)调控调控LFY和和AP1等基因的表达等基因的表达,限制限制成花过程。成花过程。在拟南芥中主要通过变更FLC染色体结构来限制成花进程。遗传学试验证明,自主途径是由一些通过RNA加工修饰的蛋白和表观遗传学修饰的蛋白来抑制FLC表达;但并不是全部自主途径的突变体都会使FLC发生组蛋白乙酰化,在自主途径中还有其它抑制FLC表达的方式。春化作用主要使FLC启动子和第1个外显子的染色质组蛋白H3-K9和H3-K27的双甲基化程度上升

18、,从而造成FLC的表达量变更。此外,在光周期的刺激下,通过上调GA20X1基因的表达,能够使很多长日照植物的叶片中GA的合成量增加;在拟南芥中,低温处理可提高AtGA20ox1、AtGA20ox2、AtGA3ox1和AtGA3ox2的表达量,进而提高GA的浓度。三、花的发端三、花的发端 植物顶端分生组织向花分生组织转变，植物顶端分生组织向花分生组织转变，由花分生组织特异基因的限制，这类基因在由花分生组织特异基因的限制，这类基因在成花转变中被激活，又限制着下游花器官特成花转变中被激活，又限制着下游花器官特性基因和级联基因的表达。性基因和级联基因的表达。植物开花途径整合基因的表达激活花植物开花途径

19、整合基因的表达激活花/花花序分生组织特异基因序分生组织特异基因,如如FRUITFUL(FUL)、CAULIFLOWR(CAL)、LFY 和和APETALA1(AP1)等等,导致茎端分生组织向导致茎端分生组织向花序花序(花花)分生组织转化分生组织转化,形成花序形成花序(花花)分生分生组织组织,这一过程称为花的发端。其中这一过程称为花的发端。其中AP1 在在花器官发育中还限制萼片和花瓣的发育。花器官发育中还限制萼片和花瓣的发育。LFY基因是限制茎向花转变的一个主要基因，其强突变体基基因是限制茎向花转变的一个主要基因，其强突变体基部花完全转变为叶芽，顶部花表现为部分花的特性。即使部花完全转变为叶芽，

20、顶部花表现为部分花的特性。即使LFY基基因失活，最终仍能开花，表明还有其他基因促进花序向花的转因失活，最终仍能开花，表明还有其他基因促进花序向花的转变。变。AP1的功能与的功能与LFY部分冗余，其表达晚于部分冗余，其表达晚于FLY，二者具有加，二者具有加性效应，能相互促进。组成型表达性效应，能相互促进。组成型表达FLY和和AP1能提早开花。能提早开花。CAL、AP2、UFO等基因也属于花分生组织特异基因，协助等基因也属于花分生组织特异基因，协助LFY、AP1促进花分生组织的形态建成。促进花分生组织的形态建成。TFL1保持花序分生组织的不终止性，抑制花原基的分化，其保持花序分生组织的不终止性，抑

21、制花原基的分化，其突变体花期提前，无限花序以单花终止，侧枝发育成单花。突变体花期提前，无限花序以单花终止，侧枝发育成单花。AG基因除限制生殖器官的发育外，也参与花分生组织的发育，限基因除限制生殖器官的发育外，也参与花分生组织的发育，限制其终止性。制其终止性。四、花器官发育相关基因四、花器官发育相关基因 植物成花转变中,由于花/花序分生组织特异基因的表达,激活了花器官特异基因,从而形成花器官。花器官发育由器官特异性基因限制，该类基因又称为同源异型基因（homeotic genes），确定一系列重复单位的特性，如花的轮，其时间和空间表达模式特别精确，在某一细胞中特定的基因组合即确定其发育形态。通过

22、对拟南芥和金鱼草花的同源异型突变体的探讨，Coen和Meyerowitz(1991)提出花器官发育的ABC 模型，该模型是20世纪90年头植物发育生物学探讨重要的里程碑。它使人们能够通过变更ABC三类基因的表达而限制花的结构。之后,随着花特异基因的不断发觉,后人对该模型进行了补充,形成了目前的被子植物花发育的ABC(DE)模型。（一）（一）ABC模型模型 拟南芥的花代表了大多数被子植物花的结构，它由4轮同心花器官组成，由外向内分别为：花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊。器官特异性基因分为A、B、C三类，每类基因分别限制相邻两轮花器官的发育，即第1轮花萼的发育由A类基因限制，第2轮花瓣由A、B共同限制，第3

23、轮雄蕊由B、C共同限制，第4轮雌蕊由C基因单独限制。此外，A、C两类基因相互拮抗，即A类基因能够抑制C类基因在1-2轮的表达，C反过来也能抑制A在3-4轮的表达。被子植物花器官的结构被子植物花器官的结构 ABC三类基因空间表达特异性主要在转录水平上调整。除AP2外，其余基因均在相邻两轮转录，AP2在四轮均转录，但只在1-2轮表达。后来又发觉FBP7/11限制矮牵牛胚珠和胎座发育，Angenent 和Colombo 1996年提出将ABC模型延长为ABCD模型，将限制胚珠发育的基因列为D基因。除AP2外，ABC三类基因均包含一个高度保守的结构域，即MADS domain。具有该保守区的基因属于M

24、ADS box基因家族，编码转录因子，参与花发育的级联反应，植物中的MADS box基因结构相像，具有高度保守的MADS区（M），中度保守的K区（K），M区和K区间的插入中间区（I）和C末端区（C）。一些基因具有N末端（N），M区的N端能够和特定的DNA序列结合，C端参与二聚体及多聚体的形成，K区位于M区下游，对于选择性的形成二聚体具有重要作用，I区不保守，长度各异。1.A功能基因功能基因2.3.在拟南芥中在拟南芥中,A 类基因包括类基因包括APETALA1(AP1)和和AP2。A 类、类、B 类类(AP3 和和PI)和和E 类基因类基因(SEP)一起限制花一起限制花瓣的发育瓣的发育(Thei

25、ssen,2001)。AP1 功能功能缺失突变体的花器官向养分器官转变缺失突变体的花器官向养分器官转变,转转AP1基因植株开花时间提前。基因植株开花时间提前。2.B功能基因功能基因 拟南芥的拟南芥的B 类基因只有类基因只有APETALA3(AP3)和和PISTILLATA(PI)2 个。个。B 类基因在花瓣和雄蕊中表达。类基因在花瓣和雄蕊中表达。B 类基因与类基因与AP1 和和SEP 基因一起基因一起,共同限制花瓣共同限制花瓣的发育的发育,与与AG 和和SEP 基因一起共同限制雄蕊基因一起共同限制雄蕊的发育。的发育。3.C功能基因功能基因 拟南芥中拟南芥中C 类基因仅有类基因仅有AGAMOUS

26、(AG)1 个。个。AG 在第在第3、4 轮花器官中的表达轮花器官中的表达抑制抑制A 类基因类基因AP1 的表达的表达,AG 与与B 类基因类基因AP3 和和PI,以及以及E 类基因类基因SEP 一起共同限制一起共同限制雄蕊的发育雄蕊的发育,与与SEP 基因一起限制心皮的形基因一起限制心皮的形成。拟南芥成。拟南芥AG 突变体的雄蕊转变成花瓣和突变体的雄蕊转变成花瓣和心皮心皮,并以萼片、花瓣和花瓣的模式多次重并以萼片、花瓣和花瓣的模式多次重复复,成为重瓣花。成为重瓣花。4.D功能基因功能基因 拟南芥中还有一些基因拟南芥中还有一些基因与与C 类基因同源性较高类基因同源性较高,但功能却与但功能却与C

27、类基因有所不同类基因有所不同,如如SHATTERPROOF1(SHP1)和和 SHP2(也称为也称为AGL1 和和AGL5)。SHP1 和和SHP2 功能冗余功能冗余,在心皮和果实中特异在心皮和果实中特异表达表达,其双基因突变体由于角果裂开区不能木质化而不能开裂。其双基因突变体由于角果裂开区不能木质化而不能开裂。SHP1 和和SHP2 与在胚珠中特异表达的与在胚珠中特异表达的AGL11和和AGL13基因一起基因一起,被归为被归为D 类基因。类基因。5.E功能基因功能基因 在拟南芥中在拟南芥中,SEP1、SEP2 和和SEP3 等等SEP 类基因被称为类基因被称为E 类基类基因因。SE P 类基

28、因可与类基因可与A 类、类、B 类和类和C 类类MADS-box 基因相互作用基因相互作用,如如SEP3 与与AG、AP1 以及以及PI/AP3二聚体结合二聚体结合,在不同花器官中起在不同花器官中起作用。作用。SEP1 和和SEP2在在4 轮花器官形成层中均有表达轮花器官形成层中均有表达,当花器官形当花器官形成后表达量降低。成后表达量降低。SEP1 也在胚珠未成熟胚和种皮内高表达也在胚珠未成熟胚和种皮内高表达,SEP3 主要在花瓣雄蕊和心皮中表达。主要在花瓣雄蕊和心皮中表达。（二）花对称性模型（二）花对称性模型 金鱼草的花为背腹不对称，通过对其突变体金鱼草的花为背腹不对称，通过对其突变体的探讨

29、，发觉的探讨，发觉CYC、RAD、DICH、DIV等基因等基因与不对称结构有关。前三个限制背部特征，与不对称结构有关。前三个限制背部特征，DIV限制腹部特征。限制腹部特征。金鱼草花的形态（金鱼草花的形态（Stubbe，1966）（A，金鱼草花的正面观；，金鱼草花的正面观；B金鱼草花的侧面观；金鱼草花的侧面观；d，背部花瓣；，背部花瓣；l，侧部花瓣；，侧部花瓣；v，腹部花瓣）腹部花瓣）依据 Endress 对花型的分类方法,将高等植物花型划分为3 种:多对称性(polysymmetric)花：有多个对称面的花,如:辐射对称的拟南芥花 单对称性(monosymmetric)花：仅有一个对称面的花,

30、如两侧对称的百脉根花。不对称(asymmetric)花：无任何对称面的花。高等植物各种形态的花和三种基本花型（高等植物各种形态的花和三种基本花型（Endress，2001；Jabbour et al，2009）系统进化的观点认为，不同的物种的两侧对称花型是由原始辐射对称系统进化的观点认为，不同的物种的两侧对称花型是由原始辐射对称花型经过不同的祖先多次反复独立进化而来，其目的是为了适应传粉者的花型经过不同的祖先多次反复独立进化而来，其目的是为了适应传粉者的需求，因为沿背腹轴向上花器官的特化在爱护花内轮的雌性器官或雄性器需求，因为沿背腹轴向上花器官的特化在爱护花内轮的雌性器官或雄性器官以及在吸引昆

31、虫传粉方面起着重要作用。官以及在吸引昆虫传粉方面起着重要作用。英国英国John Innes探讨中心的探讨中心的Coen 试验室第一次在模式植物金鱼草试验室第一次在模式植物金鱼草(Antirrhinum majus)中揭示了确定花对称性发育的分子机理中揭示了确定花对称性发育的分子机理,利用突变体利用突变体克隆了与花对称性发育有关的克隆了与花对称性发育有关的CYCLOIDEA(CYC)和和DICHOTAMA(DICH)基因基因(Luo 等等1996,1999)。从今揭开了，对限制花对称性的基因的。从今揭开了，对限制花对称性的基因的探讨序幕。探讨序幕。金鱼草野生型、金鱼草野生型、cyc和和cyc/d

32、ich双突变双突变表型（表型（Luo et al 1996）(d，背部花瓣；，背部花瓣；l，侧部花瓣；，侧部花瓣；v，腹部花，腹部花瓣瓣)金鱼草野生型（金鱼草野生型（A、B）和）和dich(C、D)单单突变体表型突变体表型（Luo et al，1996）CYC和和DICH共同限制了金鱼草的背部花瓣属性，这两个基因同属于一类共同限制了金鱼草的背部花瓣属性，这两个基因同属于一类植物特有的植物特有的TCP家族转录因子。家族转录因子。cyc突变体主要表现为花其次、三轮花器官的变更：侧部花瓣呈现腹部花突变体主要表现为花其次、三轮花器官的变更：侧部花瓣呈现腹部花瓣的特征，而背部花瓣表现为背部与侧部花瓣相结

33、合的特征，有的花的器官瓣的特征，而背部花瓣表现为背部与侧部花瓣相结合的特征，有的花的器官数目增多，有数目增多，有6枚花瓣。而金鱼草中的另外一个枚花瓣。而金鱼草中的另外一个CYC同源基因同源基因DICH突变后，突变后，背部花瓣变宽而且变得内部对称。背部花瓣变宽而且变得内部对称。cyc/dich双突变体的表型更为明显：全部双突变体的表型更为明显：全部的花瓣均呈现腹部花瓣的特征，花型由两侧对称变成辐射对称。的花瓣均呈现腹部花瓣的特征，花型由两侧对称变成辐射对称。CYC虽然只虽然只在背部花瓣表达，但是其突变体的侧部花瓣发育也受到影响，这说明该基因在背部花瓣表达，但是其突变体的侧部花瓣发育也受到影响，这

34、说明该基因在侧部花瓣以非细胞自主性行使功能。在侧部花瓣以非细胞自主性行使功能。DIV确定了腹部花瓣的属性。DIV编码含有两个MYB保守域的MYB转录因子。在CYC、DICH、DIV均突变的状况下，全部5枚花瓣均呈侧部属性，这说明在CYC和DICH功能缺失的背景下，DIV能够确定全部花瓣为腹部属性。在cyc和dich突变体中DIV的转录水平没有变更，表明CYC和DICH对于DIV的调控是发生在转录后水平的。在野生型金鱼草中，DIV的转录存在于全部的花瓣中，但在花发育的后期，DIV在腹部区域的表达会略有上升。RAD编码一个只有93个氨基酸的MYB转录因子，这个蛋白只有一个MYB保守域。CYC和DI

35、CH在背部区域的表达激活了RAD，因此RAD基因也同样限制了背部属性。由于RAD和DIV蛋白的同源性，RAD很可能通过与DIV的目标序列结合从而起到竞争的作用，或者干脆与DIV结合从而抑制DIV在花原基背部及侧部的功能。五、花色相关基因五、花色相关基因 植物的花色主要由三大类色素确定植物的花色主要由三大类色素确定:类黄酮类黄酮(包括花青素包括花青素)、类胡萝卜素和甜菜色素。花青、类胡萝卜素和甜菜色素。花青素是类黄酮家族中的主要呈色物质。通过对花素是类黄酮家族中的主要呈色物质。通过对花青素合成分支途径的关键节点基因进行调控青素合成分支途径的关键节点基因进行调控,人人们成功地获得了一些花色改良的欣

36、赏植物新品们成功地获得了一些花色改良的欣赏植物新品种。种。Van der Krol等等(1988)首次将花青素合成途首次将花青素合成途径上游的径上游的CHS基因反义导入矮牵牛基因反义导入矮牵牛(Petunia hybrid),抑制生成花青素苷的前体柚皮素等的合抑制生成花青素苷的前体柚皮素等的合成成,引起矮牵牛花色变更引起矮牵牛花色变更,为分子育种改良花色为分子育种改良花色带来希望。带来希望。导入单个外源基因使花色发生变更的尝试导入单个外源基因使花色发生变更的尝试,近年来有很多成功的案例近年来有很多成功的案例,尤其是在缺乏蓝色系尤其是在缺乏蓝色系的物种中导入有的物种中导入有“蓝色基因蓝色基因”之

37、称的之称的F35H基因基因,开启了蓝色花育种的大门。开启了蓝色花育种的大门。受体植物受体植物 分子设计分子设计 性状变更性状变更 参考文献参考文献矮牵牛矮牵牛(Petunia hybrid)抑制内源抑制内源CHS表达表达 粉色变为白色粉色变为白色 Van der Krol et al.,1988 抑制内源抑制内源F35H表达表达 蓝色、紫色变为浅蓝色、浅粉色蓝色、紫色变为浅蓝色、浅粉色 Shimada et al.,2001 过表达长春花过表达长春花F35H 红色变为深红色红色变为深红色,紫色花斑紫色花斑 Mori et al.,2004 抑制内源抑制内源F3H表达表达+过表达月季过表达月季D

38、FR 红色变为橙色红色变为橙色 Tsuda et al.,2004 过表达过表达PH5 紫色变为红色紫色变为红色 Verweij et al.,2008龙胆龙胆(Gentiana sp.)通过通过RNAi抑制抑制CHS表达表达 蓝色变为白蓝蓝色变为白蓝-白白 Nakatsuka et al.,2008 通过通过RNAi抑制抑制F35H和和A5/3AT表达表达 蓝色变为淡紫蓝色变为淡紫-白蓝白蓝 Nakatsuka et al.,2010仙客来仙客来(Cyclamen persicum)通过通过RNAi抑制抑制F35H表达表达 紫色变为红紫色变为红-粉粉 Boase et al.,2010蝴蝶兰

39、蝴蝶兰(Phalaenopsis amabilis)通过通过RNAi抑制抑制PeUFGT3表达表达 红色变为白色红色变为白色 Chen et al.,2011b月季月季(Rosa chinensis)过表达三色堇过表达三色堇F35H+鸢尾鸢尾DFR+月季月季DFR RNAi 红红-白青变为浅蓝色白青变为浅蓝色 Katsumoto et al.,2007 月季月季CHS启动子启动子+三色堇三色堇F35H+菊花菊花F3H RNAi 粉色变为蓝色粉色变为蓝色 Brugliera et al.,2013菊花菊花(Chrysanthemummorifolium)特异型特异型F3H启动子启动子+风铃草风铃

40、草F35H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶5UTR区作为增加子区作为增加子 红红-紫变为蓝紫色紫变为蓝紫色 Noda et al.,2013 通过通过RNAi抑制抑制CmCCD4a表达表达 白色变为黄色白色变为黄色 Ohmiya et al.,2006烟草烟草(Nicotiana tabacum)抑制内源抑制内源F3H和和FLS+过表达非洲菊过表达非洲菊DFR 粉色变为红色粉色变为红色 Nakatsuka et al.,2007 过表达瓜叶菊过表达瓜叶菊F35H 粉色变为紫色粉色变为紫色 Sun et al.,2013a蓝目菊蓝目菊(Arctotis stoechadifolia)F35H RNAi+过

41、表达非洲菊过表达非洲菊DFR 洋红色变为浅红色洋红色变为浅红色 Seitz et al.,2007郁金香郁金香(Tulipa gesneriana)TgVIT1+TgFER RNAi 紫色变为深蓝色紫色变为深蓝色 Shoji et al.,2010夏堇夏堇(Torenia fournieri)抑制内源抑制内源F3H和和F35H+过表达月季过表达月季DFR 蓝紫色变为粉色蓝紫色变为粉色 Nakamura et al.,2010琴叶榕琴叶榕(Ficus lyrata)过表达葡萄过表达葡萄VvMybA1基因基因 绿色变为紫色绿色变为紫色 Zhao et al.,2013欣赏植物花色改良分子育种一览表

42、欣赏植物花色改良分子育种一览表Fig.Flower color changes due to delphinidin accumulation in ray florets of transgenic chrysanthemum 94-765 and Taihei.Accumulation ofdelphinidin over 90%leads to a dramatic flower color alteration toward bluish in chrysanthemum line 94-765(F)and Taihei(H).(A,G)Hostchrysanthemum:(A)94-

43、765,(G)Taihei.(BF)Transgenic line:(B)WT(left)and 1339-1 expressing the NtADH-5UTR-fused pansy flavonoid3,5-hydroxylase(F35H;delphinidin content:27%,right);(C)WT(left)and 1334-16 expressing NtADH-5UTR-cineraria F35H(36%,right);(D)1429-10 expressing AtADH-50UTR-Campanula F35H(51%);(E)1348-5 expressing NtADH-50UTR-Campanula F35H(88%);(F)1429-32 expressingAtADH-5UTR-Campanula F3050H(92%);(H)1408-9 expressing NtADH-5UTR-Campanula F35H(95%).2014年年12月月10日日