植物发育生物学：雄蕊分化与花瓣形成的关键基因探索

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：突变的lfy基因引起AP3基因表达的下调。一个弱的ufo突变体ufo-11可以造成轮2花瓣不能形成，但是轮3雄蕊正常，说明UFO在轮2花瓣形成中的作用。一个弱的ag突变体ag-4是无限花，具有花萼-花瓣-雄蕊重复分布类型。

根据新补充的花发育的ABC模型，雄蕊原基特性由B类基因AP3和PI（拟南芥）、DEF（deficiens）和GLO（globosa）（金鱼草）、C类基因AG以及E类基因SEP共同决定。这些花器官决定基因分别在其作用的区域被激活。

1.B类基因AP3/PI的启动

B类基因（PI、AP3）的激活是在AP1、LFY、UFO等基因的共同作用下完成的（图4.1）。LFY基因产物与AP3基因的启动子结合，正向调控AP3的合成。突变的lfy基因引起AP3基因表达的下调。然而LFY结合位点的突变并不改变LFY激活AP3的功能，因为LFY基因的作用是通过UFO（UNUSUAL FLORAL ORGANS）基因的共同作用实现的，ufo和lfy的双突变是致死突变（Jack，2004）。体内与体外实验均表明，LFY与UFO蛋白存在物理互作，UFO的结合加强了LFY行使转录调节的功能（Chae et al.，2008）。

UFO编码一个含有F-box的蛋白。在哺乳动物、酵母、植物中F-box类蛋白是SKP1-cullin-F-box（SCF）复合体的组成成分，该复合体选择泛素介导的蛋白质降解的底物。UFO功能的丧失使所有四轮花器官形成异常，影响最大的是B类基因所在的花瓣和雄蕊，那里AP3和PI的表达减少。在与LFY共表达的部位，无论是营养器官还是花器官，UFO的过量表达都能引起相应部位AP3和PI的异常表达。而异源启动子控制的AP3和PI的共表达也能部分缓解ufo突变造成的异常（Levin and Meyerowitz，1995；Lee et al，1997；Parcy et al，1998；Krizek and Meyerowitz，1996.）。

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图4.1　花类型形成的基因调控网络（Wellmer et al.2006）

UFO RNA在各不同时期的瞬时表达具有特定的功能。在花发育的第一阶段，即刚由花序茎端分化的花原基中没有可探测的UFO RNA，其表达被抑制；阶段2表达限制中心区域，在轮3和轮4的前体细胞部位UFO RNA有少量表达，这时还没有任何花器官原基的分化；阶段3和4，花萼原基出现时，UFO RNA在轮2和轮3花瓣和雄蕊前体细胞中有表达，在心皮前体细胞中没有表达，即表达以冠状类型分布在花原基上；到了阶段5，表达限制在花瓣，这时期是轮2轮3器官起始的时期，AP3和PI的表达类型在阶段3已经建立，所以UFO的表达与AP3和PI表达类型的建立有关（Jack，2004；Durfee et al.，2003）。

ASK1（Arabidopsis Skp1-like）与UFO一起参与Skp1-CUL1-F-box protein（SCF）复合体的功能。Zhao等人证明ASK1、UFO与LFY共同作用调控B类基因表达（Zhao et a，.2001），他们推测ASK1、UFO与LFY的抑制因子结合，使其通过SCF复合体降解，释放对LFY的抑制，从而促进对AP3和PI表达的激活（Zhao et al.，2001）。

UFO的功能还与花瓣的形成有关。一个弱的ufo突变体ufo-11可以造成轮2花瓣不能形成，但是轮3雄蕊正常，说明UFO在轮2花瓣形成中的作用。ag和ufo-11的双突变体花瓣又成为正常，然而在ufo-11的突变体轮2没有探测到AG RNA，说明轮3和轮4表达的AG可能通过细胞信号传导影响轮2花瓣的分化（Jack，2004）。

AP1基因激活UFO和B类基因，通过UFO促进花瓣形成。UFO RNA在花瓣基部的积累需要AP1活性，ap1突变体中轮2花瓣基部探测不到UFO转录产物，花器官的发育也受到抑制。VP16是一个强的活化区域，AP1：VP16融合基因在ap1突变体中表达，使轮1成为花瓣样器官，而AP1：VP16：ufo的突变体却不能形成花瓣，说明AP1是通过UFO作用的（Jack，2004）。

花诱导还有许多问题没有解决，如AP3在ap1lfy双突变体中一小群细胞中的表达表明存在独立于AP1/LFY的激活途径。(www.chuimin.cn)

2.C类基因AG的起始活化

C类基因和B类基因共同作用影响雄蕊原基的形成。C类基因产物AG的结构从N端到C端分为N、M、I、K、C五个区域，N区域是抑制蛋白作用区域，MI两个区域是DNA结合和二聚体形成的区域。有N区域并有完整DNA结合和二聚体形成的区域的植株表现为ag突变体，有C区域、没有N区域并有完整DNA结合和二聚体形成的区域表现为ap2突变体表型（图4.2，Mizukami et al.，1996）。

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AG基因的3′增强子区域对于早期AG的激活和在心皮中的表达更为重要，而5′增强子区域在晚期雄蕊中的表达更为重要（Deyholos and Sieburth，2000）。3′增强子区域含有两对相邻的LFY和WUS结合位点（LBS和WBS），5′增强子区域含有一对假定的LBS和WBS位点，这些LBS和WBS位点对功能的实现都是必需的。在5′增强子区域还有第四个多变的LBS位点，与WBS不在一起，但其功能更重要（Busch et al.，1999；Lohmann et al，2001；Hong et al.，2003）。

C类基因AG的第二个内含子是LFY和WUS激活的作用位点，也是LUG和AP2抑制的作用位点（Deyholos and Sieburth，2000）。一个弱的ag突变体ag-4是无限花，具有花萼-花瓣-雄蕊重复分布类型。强的ag突变体ag-3是花萼-花瓣-花瓣重复类型。两个增强基因hua1和hua2的双突变可以导致ag-4的增强，产生类似于ag3的表型。HUA1编码具有6个CCCH锌指结构的核RNA结合蛋白，HUA2编码的蛋白与已知的RNA代谢酶类具有一定的相似性，参与了AG转录后的加工过程（Jack，2004）。在hua的突变体中，存在部分加工的AG mRNA，含有外显子1、外显子2、内含子2和紧随其后的多聚腺苷酸末端，但是缺乏内含子1和外显子3到7（Jack，2004）。

HEN1、HEN2和HEN4是hua1hua2的增强基因。HEN2编码DexH-box RNA解旋酶，HEN4编码含KH区域的蛋白，已经知道KH区域具有结合单链RNA的活性，HUA1、HUA2、HEN2和HEN4作用于AG mRNA的处理过程。HUA1和HEN4之间发生蛋白质之间的作用，它们以复合体的形式发挥功能。HEN4的核定位依赖于HUA1（Jack，2004）。

AP2基因是A类基因，可以抑制C类基因的表达。AP2事实上在四轮花器官中均有表达，但是在1、2和3轮的表达量要高于第4轮（Wollmann et al.，2010）。而AG主要在3轮和4轮花器官中表达，因此在第三轮花器官中，AG和AP2表达区域是重叠的。但是AP2在第三轮中并没有抑制AG的表达，这主要是因为存在miRNA172对AP2的调节作用。miRNA172表达模式正好与AP2相反，在第三和第四轮花器官中高表达，在第二轮花器官中少量表达，在第一轮花器官中表达更少。因此，在第三轮花器官中，AP2由于受到miRNA172调节，表达下降，不足以抑制AG的表达，表现出雄蕊特性。miRNA172对AP2的表达调控可以通过降解其mRNA，也可以阻止其翻译的进行（Jack，2004；Nathanael and Thomas，2014）。而HEN1基因通过作用于AP2的互补mi172RNA而调节AG的表达。

AG基因还受CURLY LEAF（CLF）、STERILE APETALA（SAP）、AINTEGUMENTA（ANT）的负调控，决定花瓣的特性（Krizek et al.，2000）。

植物发育生物学：雄蕊分化与花瓣形成的关键基因探索

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