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：花发育分为花发育分为开花诱导、花的发端和花器官开花诱导、花的发端和花器官发育发育3 个阶段个阶段,是由是由多种基因参与的十分复杂的调控过程。多种基因参与的十分复杂的调控过程。首先首先,在外部环境和植物体内信号的作用下在外部环境和植物体内信号的作用下,植物顶端分生组植物顶端分生组织从营养生长向生殖生长转变织从营养生长向生殖生长转变,这一过程主要受这一过程主要受光周期促进、自光周期促进、自发促进、开花抑制、春化促进和赤霉素诱导发促进、开花抑制、春化促进和赤霉素诱导等多条途径共同控等多条途径共同控制。然后制。然后,这些途径
2、综合作用于这些途径综合作用于花花/花序分生组织特异基因花序分生组织特异基因,致使致使茎端分生组织向花序茎端分生组织向花序(花花)分生组织转化分生组织转化;接着接着,花花/花序分生组织花序分生组织向成花转变向成花转变,激活激活花器官特性基因的表达花器官特性基因的表达,最后形成花器官最后形成花器官。近年来近年来,通过对拟南芥、金鱼草和矮牵牛等模式植物花发通过对拟南芥、金鱼草和矮牵牛等模式植物花发育的研究育的研究,分离鉴定了一大批与植物花发育相关的基因分离鉴定了一大批与植物花发育相关的基因,为阐为阐明植物花发育的分子机理奠定了坚实的基础明植物花发育的分子机理奠定了坚实的基础,同时同时,也促进了也促进
3、了多年生植物花发育分子机理的研究。多年生植物花发育分子机理的研究。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植物顶端分生组织从营养生长营养生长向向生殖生长生殖生长转变受控转变受控于于外界环境外界环境和和植物体内植物体内在的信号在的信号,这一过程称为开花诱这一过程称为开花诱导，也叫导，也叫开花决定开花决定。不同植物进化过程中演化出不同的生殖策略：一些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植物的开花时间受光照、温度、水分、营养等环境因子光照、温度、水分、营养等环境因子的影响，以使植物能在最适条件下开花结果。另一些植的影响，以使植物能在最适条件下开花结果。
4、另一些植物对环境变化不敏感，由物对环境变化不敏感，由营养生长的积累量等内部信号营养生长的积累量等内部信号引起开花。缺乏营养和干旱等胁迫也可引起开花。引起开花。缺乏营养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 sylvestris 蔷薇科海棠属蔷薇科海棠属 48年年柑橘柑橘 Citrus sinens
5、is 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
6、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 Gaillardiagrandiflora Goblin 菊科天人菊属菊科天人菊属 16红花矾根红花矾根 Heuchera
7、 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 开花诱导开花诱导是植物生殖生长启动的第是植物生殖生长启动的第1 阶段阶段,目前已证明开花目前已证明开花是受是受光周期促进、春化促进、自发促进、赤霉素诱导、开花抑制、光周期促进、春化促进、自发促进、赤霉素诱导、开花抑制、和碳水化合物诱导和碳水化合物诱导等多
8、条途径控制。这些途径通过调控一些开花等多条途径控制。这些途径通过调控一些开花途径共同控制的整合基因途径共同控制的整合基因,如如FLOWERING LOCUS T(FT)、LEAFY(LFY)、SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1(SOC1)和和FLOWERING LOCUS C(FLC)等等,实现对实现对植物开花时间的调控。其中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花序分生组织形成中起作用。作用。图花发育基因之间的遗传模式图花发育基因之间的遗传模式 1.光周期诱导途径光周期诱导途径 在光周期途径中在光周期途径中,感受光诱
9、导的部位是植物的叶片感受光诱导的部位是植物的叶片,感受光的物感受光的物质是质是光受体光受体。光受体大致可分为。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)和紫外线和紫外线B类受体类受体(ultraviolet B)。远红光、。远红光、蓝光通过促进蓝光通过促进PHYA和和CRY1/2促进开花，红光通过促进开花，红光通过PHYB/D/E抑制抑制开花。开花。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(circadian rhythm)。这时。这时光受体本身光受体本身(或与其有关的一些物质之间或与其有关的
10、一些物质之间)会形成某种平衡会形成某种平衡;当昼夜节当昼夜节律发生变化时律发生变化时,这种平衡就会被打破这种平衡就会被打破,促进促进(或抑制或抑制)一些基因表达一些基因表达,从从而启动而启动(或抑制或抑制)开花进程。开花进程。模式植物拟南芥在模式植物拟南芥在长日照条件下长日照条件下,昼夜节律平衡被打破昼夜节律平衡被打破,CO基基因在叶中的表达量上升因在叶中的表达量上升,CO基因的表达积累到一定阈值会诱导基因的表达积累到一定阈值会诱导FT基因的表达基因的表达。目前。目前FT 基因的基因的mRNA(或蛋白或蛋白)被认为是促进开被认为是促进开花的关键因子。花的关键因子。FT基因在叶中表达基因在叶中表
11、达,其表达产物被运输至顶端分其表达产物被运输至顶端分生组织与生组织与FD蛋白结合蛋白结合,从而激活花分生组织决定基因从而激活花分生组织决定基因LFY和和AP1的表达的表达,启动开花进程启动开花进程。LFY基因是花序分生组织转变为花分生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的的表达。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密切。也有学者认为春化作用与蛋白质和核酸代谢的关系密切。也有学者认为,春化作用春化作用参与调节发育过程的化学本质是参与调节发育过程的化学本质是DNA的甲基化作用的甲基化
12、作用。FLC基因在拟南芥的春化过程中起着关键作用基因在拟南芥的春化过程中起着关键作用,AP1-like基因则基因则在其它也需要春化作用的非十字花科植物中起类似作用。目在其它也需要春化作用的非十字花科植物中起类似作用。目前分离到的与春化作用相关的基因有前分离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 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
13、 GA3喷施提前喷施提前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)喷雾处理可促进开花喷雾处理可促进开花菊花菊花 Chrysanthemum morifolium 短日照植物短日照植物 05C苗期越冬苗期
14、越冬 GA3 在在0200 mgL1，随浓度增加开花加快，随浓度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和入秋后摆在室外至上冻低温和GA3处理可使花期提处理可使花期提前前八仙花八仙花 Hydrangea macrophylla 长日照植物长日照植物 0C处理处理46周周 GA3 0250 mgL1可促进开花，浓可促进开花，浓 度高开花早度高开花早百
15、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处理花期提前处理花期提前兼性方式诱导成花的部分观赏植物兼性方式诱导成花的部分观赏植物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蛋白降解蛋白降解的分子机制目前研究的分子机制目前研究得比较清楚。得比较清楚。DELLA是是C端保守端保守,N端存在端存在DELLA和和VHYNY 2个个保守酸性结构域的一类蛋白的总称保守酸性结构域的一类蛋白的总称,属于属于GRAS(GAI、RGA和和SCR)蛋白家族。蛋白家族。DELLA蛋白位于细胞核中蛋白位于细胞核中
16、,在没有在没有GA的情况下的情况下,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这种蛋白的阻遏作用便被解除。植株表现出正常的。植株表现出正常的GA反应和生长发育。如果改变反应和生长发育。如果改变DELLA蛋白的结构蛋白的结构,植物就不能植物就不能感知感知GA信号。在拟南芥中信号。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,现已克隆的与之相关现
17、已克隆的与之相关的基因主要有的基因主要有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端加工相关的蛋端加工相关的蛋白白;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-结合结构结合结构域有比较高的同源性域有比较高的同源性;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染色质组蛋白乙酰化染色质组蛋白乙酰化,FLC表达量上升表达量上升,进而抑制开花进而抑制开花。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
18、MADS盒类转录因子盒类转录因子FLOWERING LOCUS C(FLC)调控调控LFY和和AP1等基因的表达等基因的表达,控制成花过程。控制成花过程。在拟南芥中主要通过改变在拟南芥中主要通过改变FLC染色体结构染色体结构来控制成花进程。来控制成花进程。遗传学实验证明遗传学实验证明,自主途径是由一些通过自主途径是由一些通过RNA加工修饰的蛋白和加工修饰的蛋白和表观遗传学修饰的蛋白来抑制表观遗传学修饰的蛋白来抑制FLC表达表达;但并不是所有自主途径的但并不是所有自主途径的突变体都会使突变体都会使FLC发生组蛋白乙酰化发生组蛋白乙酰化,在自主途径中还有其它抑制在自主途径中还有其它抑制FLC表达的
19、方式。表达的方式。春化作用主要使春化作用主要使FLC启动子和第启动子和第1个外显子的染色质组蛋白个外显子的染色质组蛋白H3-K9和和H3-K27的双甲基化程度升高的双甲基化程度升高,从而造成从而造成FLC的表达量改变的表达量改变。此外此外,在光周期的刺激下在光周期的刺激下,通过通过上调上调GA20X1基因的表达基因的表达,能够使许能够使许多长日照植物的叶片中多长日照植物的叶片中GA的合成量增加的合成量增加;在拟南芥中在拟南芥中,低温处理可低温处理可提高提高AtGA20ox1、AtGA20ox2、AtGA3ox1和和AtGA3ox2的表达量的表达量,进而提高进而提高GA的浓度。的浓度。三、花的发
20、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，由花分生组织特异由花分生组织特异基因基因的控制，这类基因在成花转变中被激活，又控制着的控制，这类基因在成花转变中被激活，又控制着下游下游花器官特性基因和级联基因的表达花器官特性基因和级联基因的表达。植物开花途径整合基因的表达植物开花途径整合基因的表达激活花激活花/花序分生组织特异基花序分生组织特异基因因,如如FRUITFUL(FUL)、CAULIFLOWR(CAL)、LFY 和和APETALA1(AP1)等等,导致茎端分生组织向花序导致茎端分生组织向花序(花花)分生组织转分生组织转化化,形成花序形成花序(花花)
21、分生组织分生组织,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 在花器官发育中还控制萼片和花瓣的发育。在花器官发育中还控制萼片和花瓣的发育。LFY基因是控制基因是控制茎向花茎向花转变的一个主要基因，其强突变体基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，顶部花表现为部分花的特性。即使LFY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变。转变。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，二者具有加性效应，能相互促进。组
22、成型表达加性效应，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，辅助等基因也属于花分生组织特异基因，辅助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基因除控制生殖器官的发育外，也参与花分生组织的发育，控基因除控制生殖器官的发育外，也参与花分生组织的发育，控制其终止性。制其终止性。四、花器官发育相
23、关基因四、花器官发育相关基因 植物成花转变中植物成花转变中,由于由于花花/花序分生组织特异基因的表达花序分生组织特异基因的表达,激活激活了花器官特异基因了花器官特异基因,从而形成花器官。从而形成花器官。花器官发育由器官特异性基因控制，该类基因又称为花器官发育由器官特异性基因控制，该类基因又称为同源异型同源异型基因基因（homeotic genes），决定一系列重复单位的特性，如花的轮，），决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十分精确，在某一细胞中特定的基因组合其时间和空间表达模式十分精确，在某一细胞中特定的基因组合即决定其发育形态。即决定其发育形态。通过对拟南芥和金鱼草花的
24、同源异型突变体的研究，通过对拟南芥和金鱼草花的同源异型突变体的研究，Coen和和Meyerowitz(1991)提出花器官发育的提出花器官发育的ABC 模型，模型，该模型是该模型是20世纪世纪90年代植物发育生物学研究重要的里程年代植物发育生物学研究重要的里程碑。它使人们能够通过改变碑。它使人们能够通过改变ABC三类基因的表达而控制三类基因的表达而控制花的结构。之后花的结构。之后,随着花特异基因的不断发现随着花特异基因的不断发现,后人对该后人对该模型进行了补充模型进行了补充,形成了目前的被子植物花发育的形成了目前的被子植物花发育的ABC(DE)模型。模型。（一）（一）ABC模型模型 拟南芥的花
25、代表了大多数被子植物花的结构，它由拟南芥的花代表了大多数被子植物花的结构，它由4轮同心轮同心花器官组成，由外向内分别为：花器官组成，由外向内分别为：花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊。器官。器官特异性基因分为特异性基因分为A、B、C三类，每类基因分别控制相邻两轮花器三类，每类基因分别控制相邻两轮花器官的发育，即官的发育，即第第1轮轮花萼的发育由花萼的发育由A类基因类基因控制，控制，第第2轮轮花瓣由花瓣由A、B共同控制，共同控制，第第3轮轮雄蕊由雄蕊由B、C共同控制，共同控制，第第4轮轮雌蕊由雌蕊由C基因单基因单独控制。此外，独控制。此外，A、C两类基因相互拮抗，即两类基因相互拮抗，即
26、A类基因能够抑制类基因能够抑制C类基因在类基因在1-2轮的表达，轮的表达，C反过来也能抑制反过来也能抑制A在在3-4轮的表达。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节。除三类基因空间表达特异性主要在转录水平上调节。除AP2外，其余基因均在外，其余基因均在相邻两轮转录相邻两轮转录，AP2在四轮均转录，但在四轮均转录，但只在只在1-2轮表达轮表达。后来又发现。后来又发现FBP7/11控制矮牵牛胚珠和胎座控制矮牵牛胚珠和胎座发育，发育，Angenent 和和Colombo 1996年提出将年提出将ABC模型延伸为模型延伸为ABCD模型，将模
27、型，将控制胚珠发育的基因列为控制胚珠发育的基因列为D基因基因。除除AP2外，外，ABC三类基因均包含一个高度保守的结构域，即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。具有该保守区的基因属于MADS box基因家族，基因家族，编码转录因子，参与花发育的级联反应，植物中的编码转录因子，参与花发育的级联反应，植物中的MADS box基因结构相似，具有高度保守的基因结构相似，具有高度保守的MADS区（区（M），中度保守的），中度保守的K区（区（K），），M区和区和K区间的插入中间区区间的插入中间区（I）和和C末端区末端区（C）。一些基因具有一些基因具有N末端
28、末端（N），M区的区的N端能够和特定的端能够和特定的DNA序列序列结合，结合，C端参与二聚体及多聚体的形成，端参与二聚体及多聚体的形成，K区位于区位于M区下游，对区下游，对于选择性的形成二聚体具有重要作用，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。区不保守，长度各异。1.A功能基因功能基因 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)一起控制花瓣的发一起控制花瓣的发育育(Theissen,2001)。AP1 功能缺失突变体的花器官向营功能缺失突变体的花器官向营养器官转变养
29、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,共同控制花瓣的发育共同控制花瓣的发育,与与AG 和和SEP 基因一起共同基因一起共同控制雄蕊的发育。控制雄蕊的发育。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(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
30、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 一起共同控制雄蕊的发育一起共同控制雄蕊的发育,与与SEP 基因一起控制心皮的形成基因一起控制心皮的形成。拟南芥。拟南芥AG 突变体的雄蕊转突变体的雄蕊转变成花瓣和心皮变成花瓣和心皮,并以萼片、花瓣和花瓣的模式多次重复并以萼片、花瓣和花瓣的模式多次重复,成成为重瓣花。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类基因有所不同类基因有所不同,如如SHATTERPROOF1(SHP1)和和 SHP2(也称为
31、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
32、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，通过对其突变体的研究，发现金鱼草的花为背腹不对称，通过对其突变体的研究，发现CYC、RAD、DICH、DIV等基因与不对称结构有关。前三个控制背部特等基
33、因与不对称结构有关。前三个控制背部特征，征，DIV控制腹部特征。控制腹部特征。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）根据根据 Endress 对花型的分类方法对花型的分类方法,将高等植物花型划分为将高等植物花型划分为3 种种:多对称性多对称性(polysymmetric)花花：有多个对称面的花：有多个对称面的花,如如:辐射对称的拟辐射对称的拟南芥花南芥花 单对称性单对称性(monosymmetric)花花：仅有一个对称面
34、的花：仅有一个对称面的花,如两侧对称的如两侧对称的百脉根花。百脉根花。不对称不对称(asymmetric)花花：无任何对称面的花：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，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，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保护花内轮适应传粉者的需求，因为沿背腹轴向上
35、花器官的特化在保护花内轮的雌性器官或雄性器官以及在吸引昆虫传粉方面起着重要作用。的雌性器官或雄性器官以及在吸引昆虫传粉方面起着重要作用。英国英国John Innes研究中心的研究中心的Coen 实验室第一次在实验室第一次在模式植物金模式植物金鱼草鱼草(Antirrhinum majus)中揭示了决定花对称性发育的分子机理中揭示了决定花对称性发育的分子机理,利用利用突变体克隆了与花对称性发育有关的突变体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)。从此揭开了，对控。从此揭开了，对控制花对称性的基因的研究序幕。制
36、花对称性的基因的研究序幕。金鱼草野生型、金鱼草野生型、cyc和和cyc/dich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共同控制了金鱼草的共同控制了金鱼草的背部花瓣背部花瓣属性，这两个基因同属于一类属性，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第二、三轮花器官的变化：突变体主要表现为花第二、三轮花器官的变化：侧部花
37、瓣呈现腹部花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合的特征，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，有的花的器官有的花的器官数目增多，有数目增多，有6枚花瓣。枚花瓣。而金鱼草中的另外一个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：所有双突变体的表型更为明显：所有的花瓣均呈现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在背部花瓣表达，但是其突变体的侧部花瓣
38、发育也受到影响，这说明该基因，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决定了腹部花瓣的属性。决定了腹部花瓣的属性。DIV编码含有两个编码含有两个MYB保守域的保守域的MYB转录因子。转录因子。在在CYC、DICH、DIV均突变的情况下，所有均突变的情况下，所有5枚花瓣均呈侧部属性，枚花瓣均呈侧部属性，这说明在这说明在CYC和和DICH功能缺失的背景下，功能缺失的背景下，DIV能够决定所有花瓣为腹部属性。在能够决定所有花瓣为腹部属性。在cyc和和dich突变体中突变体中DIV的转录水平没有变化，表明的转录水平没有
39、变化，表明CYC和和DICH对于对于DIV的调控是发的调控是发生在转录后水平的。在野生型金鱼草中，生在转录后水平的。在野生型金鱼草中，DIV的转录存在于所有的花瓣中，但的转录存在于所有的花瓣中，但在花发育的后期，在花发育的后期，DIV在腹部区域的表达会略有升高。在腹部区域的表达会略有升高。RAD编码一个只有编码一个只有93个氨基酸的个氨基酸的MYB转录因子，这个蛋白只有一个转录因子，这个蛋白只有一个MYB保守域。保守域。CYC和和DICH在背部区域的表达激活了在背部区域的表达激活了RAD，因此因此RAD基因也同样基因也同样控制了背部属性。控制了背部属性。由于由于RAD和和DIV蛋白的同源性，蛋
40、白的同源性，RAD很可能通过与很可能通过与DIV的的目标序列结合从而起到竞争的作用，或者直接与目标序列结合从而起到竞争的作用，或者直接与DIV结合从而抑制结合从而抑制DIV在花原在花原基背部及侧部的功能。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决定植物的花色主要由三大类色素决定:类黄酮类黄酮(包括花青素包括花青素)、类胡、类胡萝卜素和甜菜色素萝卜素和甜菜色素。花青素花青素是类黄酮家族中的主要呈色物质。通过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对花青素合成分支途径的关键节点基因进行调控,人们成功地获得人们成功地获得了一
41、些花色改良的观赏植物新品种。了一些花色改良的观赏植物新品种。Van der Krol等等(1988)首次将首次将花青素合成途径上游的花青素合成途径上游的CHS基因反义导入基因反义导入矮牵牛矮牵牛(Petunia hybrid),抑制生成花青素苷的前体柚皮素等的合成抑制生成花青素苷的前体柚皮素等的合成,引起矮牵牛花色改变引起矮牵牛花色改变,为为分子育种改良花色带来希望。分子育种改良花色带来希望。导入单个外源基因使花色发生改变的尝试导入单个外源基因使花色发生改变的尝试,近年来有许多成功近年来有许多成功的案例的案例,尤其是在缺乏蓝色系的物种中导入有尤其是在缺乏蓝色系的物种中导入有“蓝色基因蓝色基因”
42、之称的之称的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 性状变化性状变化 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
43、DFR 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
44、兰蝴蝶兰(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
45、铃草F35H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶5UTR区作为增强子区作为增强子 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+
46、过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观赏植物花色改良分子育种一览
47、表观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
48、-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
