1、第五章第五章果实发育的机制果实发育的机制果实的结构和发育过程果实的结构和发育过程（一）、拟南芥长角果结构（一）、拟南芥长角果结构拟南芥的果实是长角果，由雌蕊的四个部分起源而成：柱头、花柱、子房、雌蕊柄。雌蕊由两个心皮组成，以后发育成果夹，两个心皮融合，由一个原基发生。成熟的拟南芥果实结构从外观看由顶部、中部种夹、底部组成，顶部由柱头(stigma)和花柱(style)形成，中部由子房(ovary)形成，包括种荚壁、胎座框（replum)，胎座框是在开裂后连在植物上的中心脊片。瓣边缘（valve margin）与胎座框连接。底部是雌蕊柄(gynophore)，在蜜腺(nectary)和花器官脱落
2、层(abscission zone)上方与子房基部的小节之间。Terminology.(A)Picture of a stage 17 fruit with axes labeled.(B)Cross section of a stage 17 fruit with axes labeled.The scale bar in A represents 1 mmand the scale bar in B represents 100 m.拟南芥果实在立体结构上有三个方向的对称轴，决定了三个方向的极性：沿果实长轴方向的顶部基部极性，在横切面上与中脊（胎座框或隔膜）垂直的侧生轴，和与隔膜平行的中轴
3、，以横切面中心为轴，内侧是近轴端（adaxial），外侧是远轴端(abaxial)。图5.2.野生果实的横切片(A)阶段17野生型果实(Ler)子房切片。隔膜(淡橘色)把果实分成两个室。瓣包括木质化的enb layer(紫色)，胎座框内侧的维管束(mv)和瓣侧面的维管束(lv)也显示 如发育中种子(s).(B)瓣横切面和瓣边缘的近观。瓣边缘包括一木质化层(粉色)和一分离层(蓝)。A 和B图中横杠代表50 m。拟南芥果实种夹壁成熟时通常含有6层细胞。外层称为外果皮(exocarp，ex)，下面三层是中果皮（mesocarp，me）。内部两层形成内果皮（endocarp），一层是含有木质化的en
4、b层，另一层靠内的en a 是薄壁大细胞。种夹壁连接处融合向内形成中脊。融合处的结构与果皮连续，并分化为与en b层连续的木质化层和与en a层连续的薄壁细胞分离层，中间是木质化的胎座框。阶段1可见花原基分化形成。阶段2花原基增大，与花序分生组织分离。阶段3花萼原基形成。阶段4花萼原基部分覆盖花分生组织。可以看到花的离轴(abaxial，ab)和近轴(adaxial，ad)面的分化；阶段5花瓣和雄蕊原基起始。花具有中轴(m)和侧轴(l)的分化。花分生组织雌蕊将要形成相应部位呈平卵圆形。阶段6花以脊围绕一个中心沟的形式开始形成雌蕊(I,m)，花萼包被花芽。阶段7中间的雄蕊基部形成茎，雌蕊形成中空
5、管状。阶段8雌蕊发育的更高更宽，花药形成小室。晚期胎座(Placentas，o)在中间脊(medial ridges，mr)两边形成。阶段9雌蕊可辨别花柱与子房，柱头上有些圆形细胞在雌蕊顶部形成突起；雌蕊内部中脊在中央融合成隔膜（s）。阶段10 雌蕊封闭，顶部有更多柱头突起，转移通道（Transmitting tract，tt）前体形成,指状突起胚珠原基形成。阶段11雌蕊柱头被许多突起覆盖，中部隔膜中小而暗的细胞将形成转移通道（transmitting tract），隔膜边缘大量空气充填在只有几个疏松间隔细胞形成的袋中，en b 层细胞开始背斜向分裂形成长而窄的细胞，胚珠内珠被(inner i
6、ntegument，i)和外珠被(outer integument，箭头)在珠心nucellus(n)和珠柄funiculus(f)之间起始。阶段12雌蕊花柱表皮细胞明显不同于雌蕊其他部分，隔膜中部转移通道染为暗色，胚珠珠被生长开始覆盖珠心，整个阶段12中木质部加厚在果实基部木质部中间带(medial xylem strands，mxs)开始，逐渐向顶进行。然后在花柱木质部(stylar xylem，stx)开始加厚，逐渐向中间维管束的基部进行。阶段12晚期，侧向木质部带(lateral xylem strands，lxs)的加厚在基部开始，向顶部发展。此外，在胚柄(funiculus，fxs
7、)中单独分化一条木质部带。(I)暗视野显微镜下整个雌蕊显示加厚的木质部细胞壁。阶段进展从右上角开始向左连续，弯向第二排，从左到右。阶段13和14，次级(2)维管束组织在瓣中从侧生维管束形成分支，朝雌蕊基部分化。阶段13柱头(stigma，stg)受粉。花柱,果夹瓣(va),胎座框(rep),和雌蕊柄(gynophore，gyn)都已明显可见。具有成熟雌蕊的所有部分，胚珠完成了发育、准备受精。阶段14雄蕊延伸到雌蕊顶部，花粉管通过柱头和转移通道进入胚珠授粉路径。阶段15，雌蕊延长超过雄蕊顶部 阶段16花器官萎蔫 中期阶段17 en a 层已经碎裂 阶段18果实分离层细胞(箭头)已经分离碎解。阶段
8、19果实左边瓣已经同胎座框的瓣边缘分离。阶段20种子和瓣都脱落。(E)Cross-section of the replum region of a stage 18 fruit stained with safranin O and alcian blue.The separation layer cells(arrow)have separated and disintegrated.The replum(r)and the lignified layer(ll)of the valve margin are labeled.(F)Cross-section of a stage 18 f
9、ruit stained with safranin O and alcian blue.(G)Close up of the bottom of a stage 19 fruit where the left valve is separating from the valve margin at the replum.果实成熟时，由于外部薄壁的瓣细胞干化而收缩，造成不可逆刚性的en b和木质化瓣边缘层的张力。（三）、肉果果实的发育（三）、肉果果实的发育肉果果实中果肉部分的生长比重很大。一般经历细胞分化、分裂、伸展、成熟几个阶段，在外观形态、结构、颜色、气味、味道等方面发生变化，成熟过程中变
10、化在生理、生化、器官结构等方面的表现体现在：通过叶绿素、类胡萝卜素、类黄酮的积累改变细胞膨胀压、细胞壁结构或代谢影响营养质量的糖、酸、味道、气味、芳香物改变病原性易感性增加肉果成熟过程有明显呼吸峰和没有呼吸峰两类。番茄、苹果和多数核果属于有呼吸峰类，草莓、葡萄属于无呼吸峰类。而一些瓜类属于两者都有的类型。人们对番茄果实的成熟过程进行了大量研究。受粉前番茄果实的发育 开花后0-14天是细胞分裂高峰期，果实外观表现为有一定生长，开花后7-35天是细胞伸展阶段，果实大小变化较大，开花后35-42天果实大小到达成熟阶段大小。种子成熟，但颜色是绿色，结构较硬。开花后42-56天以后进入成熟阶段，开始出现
11、可见的类胡萝卜素，并开始软化，乙烯峰值出现在这个阶段。开花后56天到63天收获，果实继续变红变软，乙烯峰值持续较高状态。受粉后番茄果实的发育 主要碳代谢流在发育的三个点出现高峰：开花后21天、35天、49天，其中蔗糖合成是主要反应，糖酵解代谢、淀粉、细胞壁、蛋白质合成速率相对较低。有机酸和氨基酸水平在开花后49天出现高峰，蛋白质含量在这个时期出现高峰。淀粉和细胞壁合成、二氧化碳释放在发育过程中一直下降。葡萄糖、果糖在发育过程中一线性形式逐渐积累。开花后56天是成熟的关键点，此刻以后叶绿素含量急剧降低，类胡萝卜素和lecopene含量急剧上升，三羧酸循环中间磷酸产物含量在此处有第二个高峰，与相应
12、酶活性变化一致，体现了叶绿体到有色体转变的变化。发育晚期一些次生产物含量增高，如咖啡因、抗坏血酸、半乳糖醛酸、半乳糖醛酸1，4内酯。细胞壁单糖成分在发育晚期随着果实的软化而减少 。苹果果实发育阶段从开花后0-35天是细胞分裂阶段，开花后25-开花后146天的完全成熟期间一直在进行细胞伸展生长。其中细胞伸展速率高峰在开花后35天到约65天达到高峰。淀粉合成与积累在开花后35天到90天之间进行，此后是淀粉降解阶段。拟南芥果实发育和成熟的分子调控拟南芥果实发育和成熟的分子调控 一、影响心皮特性的调控一、影响心皮特性的调控心皮特性和数目的决定心皮特性和数目的决定心皮的分化由以AGAMOUS为主的C类基
13、因与其他基因的相互作用控制形成。但是心皮在特定条件下也可以不依赖AG发育，发育成不完全心皮，YABBY类CRABSCLAW(CRC)基因在心皮特性上也起着一定作用。心皮的特征是胚珠、柱头组织、花柱组织、瓣细胞、隔膜原基。ap2-2 ag-1双突变体第一轮心皮仍保持多心皮专一组织（图B）。spt-2 ap2-2 pi-1 ag-1四突变体外轮心皮的心皮边缘有属于心皮结构的胚珠突起，但完全缺乏柱头和花柱细胞（图C）。crc-1 spt-2 ap2-2 pi-1 ag-1四突变体花中CRC的移去消去了外轮器官多数其余心皮特性（图D）。心皮可以不依赖AG发育 CLAVATA基因控制心皮数目。野生型具有
14、2个心皮（图A），clv1突变的果实具4个心皮（图B）,clv2-3突变的果实具5个心皮（图C）,雌蕊柄延长。clv3-2突变平均每朵花有6.7个心皮。CLV1类受体激酶（BARELY ANY MERISTEM）bam1、bam2与clv3-2的三突变心皮数减少为4.3，clv2-1 bam1-1 bam2-1三突变心皮数为3.8，bam1-1 bam2-1与 clv1-4、clv1-7、clv1-11三突变的心皮数分别为8.97、7.44、8.65。CLAVATA基因控制心皮数目 SHOOT MERISTEMLESS(STM)编码建立分生组织需要的同源蛋白。stm杂合体植物可以部分抑制clv
15、3增加的心皮数目，它们通过细胞分裂和扩张上作用协同进行器官起始。POLTERGEIST(POL)也可抑制clv表型，使分生组织大小恢复正常，减少额外心皮数目。心皮数目也可以被superman(sup)突变体分配到心皮发育的不同改变花分生组织的比例而改变。Superman突变体中，雄蕊数目的增加以心皮的减少为代价。决定干细胞分化的WUSCHEL(WUS)基因可以通过促进AG的表达影响心皮数目，在花分生组织过量表达WUS与过量表达AG都表现出多心皮现象。STM/WUS/CLV在心皮数目的决定中所起的作用进一步说明三者的协调作用在分生组织的分布和特性决定中起重要作用，也体现了在植物形态建成中的一般性
16、规律。ERECTA(ER)控制果实的形状控制果实的形状 ER 在茎顶端分生组织强表达，在花发育的13阶段在整个花分生组织表达，在阶段4-6，表达限制在雄蕊和雌蕊，阶段6 ER 在整个雌蕊表达(图 D)。到阶段8，表达在整个花中减少。很可能ER做为细胞外信号受体促进细胞分裂和扩张，因此控制果实形状。野生型Columbia(Col)果实没有 er 突变。果实长而狭窄，Landsberg erecta(Ler)果实带有 er 突变，果实短而宽。(图A)。Col果实顶端瓣收缩(图B)，Ler 果实顶端瓣变钝(图 C)ERECTA（ER）编码富含亮氨酸重复序列受体蛋白激酶。内质网蛋白,两个疏水区域形成信
17、号肽和一个跨膜区域。C末端细胞内区域编码假定的丝氨酸/苏氨酸激酶催化区域。细胞外区域含有20个富含亮氨酸重复序列(LRRs)。两个ER类似基因ERECTA-LIKE(ERL)基因ERL1、ERL2与ER具有相似的结构和重叠的功能，它们共同作用，在植物形态上起重要作用。整个 ER家族基因的突变导致严重矮化，心皮延长受到抑制。利用QTL法分析受ER调控的下游基因和事件，揭示MAPK激酶系列磷酸化途径在ER下游起信号传导作用，其中包括MEKK1-MKK2-MPK4和MKK1-MPK4。几个WRKY家族的转录因子是MAPK作用的目标。决定种子散发的瓣边缘特性基因决定种子散发的瓣边缘特性基因SHATTE
18、RPROOF(SHP)决定瓣边缘促进特性，(SHP1和 SHP2)基因对瓣边缘的木质化层和分离层的分化具有重叠的决定作用。shp1 shp2双突变体不能开裂。原因是瓣边缘没有木质化层，所以不能开裂（图B）。SHATTERPROOF基因编码两个关系很近的MADS家族转录因子，87%相同的SHP蛋白功能性重叠，没有一个单突变有异常表型。SHP基因有几乎相同的表达类型。SHP在胚珠发育过程中与SEEDSTICK(STK)MADS-box基因的作用相重叠。AG可以在体外结合到SHP2启动子一个位点，表明AG心皮特性的决定是通过促进SHP基因表达。阶段10，SHP的表达延伸到瓣边缘、胎座框、隔膜和发育中
19、胚珠，弱表达也延伸到瓣边缘（图A）。阶段12，SHP表达专一地限制在瓣边缘(图B)，也在发育中胚珠继续表达。阶段17 SHP继续在瓣边缘表达，但不在胚珠表达(图C)。番茄中SHP的类似基因是Tomato AGAMOUS-LIKE1(TAGL1)，其分子生物学功能与拟南芥的SHP不同，转入拟南芥后不能弥补SHP功能的缺失。但TAGL1在番茄中同样决定果实的扩张和成熟，这种特性是与促进果实的发育和种子繁殖的最终目标是一致的，说明在进化中SHP类基因的功能与种子散发是一致的，随着物种进化其功能也发生变化。在发育过程中，SHP表达分布发生变化。发育早期，SHP基因广泛表达在雌蕊中。ALC影响分离层分化
20、 ALCATRAZ(ALC)基因编码basic helix loop helix(bHLH)转录因子，决定瓣边缘分离层细胞的特性，防止分离层细胞的木质化（图D）。alc突变体木质化桥(lb)将胎座框的维管系统和木质化层连接起来，分离层的发育受到影响,en b层阻止果实的开裂（图D）。alc突变体不开裂表型比shp1 shp2程度轻些。ALC在野生型果实中表达也随发育时期变化，阶段14，ALC在瓣和瓣边缘表达（图A），阶段16，ALC表达专一地限制在瓣边缘表达（图B）,阶段17，ALC在胎座框的外围细胞表达也在瓣边缘表达（图C）。阶段18，ALC在分离层的几层内层细胞表达（图 D）。INDEHI
21、SCENT(IND)编码一个bHLH 转录因子。多数bHLH蛋白碱性区域含有一个关键的谷氨酰胺，与DNA结合位点CA碱基接触,但在野生型IND蛋白中这个谷氨酰胺被丙氨酸替代。酵母中IND可以与ALC作用,这两个蛋白可能通过异质二聚体化特化分离层。IND在瓣边缘专一化中决定木质化层的形成。野生型果实中IND在阶段12到阶段17在瓣边缘区域表达，与同一时期SHP在瓣边缘区域表达分布一致。ind alc shp1 shp2对瓣边缘特性的作用 ind突变整个果实木质化层不能分化(图)。ind alc 双突变果实一样缺乏木质化层。在ind 单突变果实中瓣边缘在顶端和基部不明显。ind shp1 shp2
22、三突变果实瓣边缘轮廓进一步减少，瓣边缘木质化层缺乏，且离胎座框后退几个细胞，说明SHP1和SHP2在瓣边缘发育中也起作用。在ind alc shp1 shp2 四突变体中瓣边缘发育进一步减少，en b层后退几个细胞到瓣，说明ALC在瓣边缘发育中的一些作用独立于IND和SHP。RPL、FUL 对ALC基因表达的调控 RPL、FUL对SHP基因表达的调控 RPL、FUL SHP对IND基因表达的调控 不开裂Canola植物canola(Brassica napus and Brassica rapa)有两个IND类似物,BIND1 和 BIND2,导致canola的不开裂。说明瓣边缘特性的决定机制
23、在植物中具有相似性。除了上述决定瓣边缘木质化层的IND和决定分离层的ALC以及与两者都有关的SHP之外，决定瓣壁特性的FRUITFUL(FUL)和决定脊特性的REPLUMLESS(RPL)基因分别在瓣壁和脊侧限制瓣边缘特性的形成，确定瓣边缘特性的边界。FUL基因与AP1基因同属AP1 或 SQUA家族，AP1与花瓣形成有关，花瓣和心皮都是由叶进化而来，具有结构和功能的相关性。Roeder和Yanofskya提出了转录因子网络调控专一化瓣边缘特性的作用机制解释模型：SHP、IND、和ALC共同形成一个非线性网络特化瓣边缘形成。SHP 正调控IND 和ALC。IND 和 ALC可能通过形成异质二聚
24、体决定分离层特性，而IND 决定木质化层特性。瓣中SHP、IND、ALC都被FUL负调控，不能表达，从而把瓣边缘形成活性限制在瓣的边缘，同样，RPL在胎座框负调控SHP、IND、和ALC，把瓣边缘形成活性限制在胎座框边缘。ind alc shp1shp2 ful四突变体中，在缺乏FUL活性时瓣发育多数方面都能进行，FUL不直接影响瓣发育多数方面。同此相似，shp1 shp2 rpl 三突变体中胎座框发育不受RPL的直接影响。RPL 和FUL主要功能是将瓣边缘的分化精确定位在瓣和胎座框之间的一条带，保证果实的适当打开。决定瓣发育的基因决定瓣发育的基因 除了AG是决定瓣形成的一个基因外，FRUIT
25、FUL(FUL)也是与瓣形成密切相关的基因。FUL是MADS box家族延伸成员，与APETALA1 和 CAULIFLOWER花分生组织特性基因密切相关，ap1 cal ful三突变表现无花表型，具有重叠功能。FLU对瓣边缘特性基因SHP、ALC、IND进行负调控，ful突变体果实不能正确扩展和分化，很小，有的瓣裂开，有的花柱的异常延长，胎座框增大扭曲，瓣细胞小而圆，瓣中没有保卫细胞分化。ful突变体中SHP、ALC、IND三个基因受到的抑制被消除，可以在整个果实表达，导致木质化异常和细胞生长的异常，从而使果实的生长受到抑制（图）。阶段17野生型(Ler)瓣表皮细胞细胞延长，间隔分布有保卫细
26、胞（箭头）（图 A）。ful突变体瓣细胞延长受到抑制，瓣细胞小而圆，细胞分裂活性增加，瓣中没有保卫细胞分化，保卫细胞复合体缺乏，内部中果皮木质化异常高（图B）。消除SHP功能使表皮瓣细胞出现几个保卫细胞（图 C）。消除ALC功能部分恢复瓣细胞的延长，但不形成保卫细胞（图D）。SHP和ALC功能都消除使瓣细胞延长恢复更多一些(图E)。移去IND作用可以在很大程度上恢复ful果实中瓣细胞的延长和保卫细胞的形成（图F）。IND ALC两个基因都失活与ind单基因突变相似（图 FG）,进一步证明IND与ALC在调控上的线性关系。当SHP、ALC、IND作用全部去除，表皮瓣细胞与野生型瓣细胞相似（图 I
27、）。瓣细胞分化在ful突变体中通过移去瓣边缘特性恢复。可见在果实表皮形态建成上FUL、SHP、ALC、IND基因的相互作用。野生型果实瓣边缘(lm)木质化层和内果皮en b(lv)层木质化，但中果皮细胞(m)没有木质化（图A）。决定瓣边缘木质化的基因SHP、ALC、IND的消除使en b层木质化从胎座框缩回几个细胞（图B）。FUL、SHP、ALC、IND功能全部消除en b层不能木质化（图C）。消除FUL，失去对决定木质化基因SHP、ALC、IND的抑制，中果皮异常木质化（图D）。过量表达促进木质化的基因SHP，果实中果皮也异常木质化（图E）。IND活性从ful突变体瓣的移去恢复木质化类型,只
28、有en b层木质化，中果皮没有木质化（图F）。FUL在果皮中除了胎座框以外的地方控制基因表达（图G），当消除了SHP、ALC、IND的作用，FUL在瓣的表达区域从胎座框缩回几个细胞（图H），FUL表达区域的收缩与图B中en b细胞层木质化的收缩相关，这种收缩可能是有脊因子迫使FUL活性区域收缩，说明FUL、IND、ALC、SHP都对en b层木质化有贡献。决定果脊发育的基因决定果脊发育的基因RPL基因决定果脊特性基因决定果脊特性 果脊是开裂后雌蕊同果实保持连接的部位，位于雌蕊中部，每个果脊包含一层外层细胞和中心的维管束结构，果脊同隔膜（septum）连接，将果荚隔为两室。REPLUMLESS(
29、RPL)编码BELL1家族的同源盒蛋白，与KNOX家族的基因在同源盒区域相似，但没有KNOX家族上游的MEINOX、ELK、GSE区域。特定BELL家族蛋白能与特定KNOX家族蛋白结合，起功能调控作用。因为在节间的延长功能和分生组织中的功能，又有PENNYWISE(PNY),BELLRINGER(BLR),和VAAMANA(VAN)的名称。也在胚珠、茎、叶、根、茎端分生组织中表达。RPL位于核中，和KNOX 家族的基因STM、KNAT1、KNAT2和KNAT6相互作用，限制KNAT2和KNAT6的表达，knat6的突变使rpl果脊的表型恢复正常。但与KNAT3、KNAT4、KNAT5无作用。R
30、PL也结合到AG 的调控元件，负调控AG的表达。RPL基因将瓣边缘的发育限制在脊的边缘。rpl 突变体果脊外层细胞失去果脊特性，具有果荚边缘细胞木质化的特性。其他部位不变。RPL基因的表达分布 RPL基因对果脊形成的作用不是必需的。移去SHP的功能使果脊部位恢复正常,进一步说明RPL的功能不是必需，而是抑制其他基因的表达。RPL在果脊中的功能与FUL在果荚中的功能平行，SHP基因决定果荚边缘的特性，开始广泛表达，以后逐渐限于由RPL和FUL控制的果脊和果荚之间的狭窄的带中，保证了边缘带的分化，使果荚开裂能够进行。果荚和果脊中rpl和ful突变能够恢复相应组织的特性，说明这两个基因并不直接决定相
31、应组织的特性，不是相应组织形成的必需基因，而是通过对决定这两个组织边缘带分化特性的SHP基因的负调控，决定边缘带的位置，其上游基因包括了AG 和WUS。果脊的分生组织功能果脊的分生组织功能果脊是由心皮边缘融合而成，是花粉管进入子房生长的基质和通道，是未来胚胎和种子发育的基础，承载着重要的繁殖发育的功能。胎座框和隔膜是果脊发育形成的重要组织。果脊组织胚胎发育的基础胎座以及后来胚胎发育的关键结构胚珠特定组织区域一直具有分生组织特性，包括干细胞和其周围分生区域。在珠心区域表达分布的WUS影响决定珠被发生的基因ANT的空间分布，其信号传导体系控制胚珠发育。CUP-SHAPED COTYLEDONS(C
32、UC)在胎座框和隔膜的形成中起着将器官与相临器官和分生组织分离的作用。cuc1 cuc2双突变体子叶融合在一起，茎分生组织不形成；隔膜不能融合，上半部外果脊组织缺乏，雌蕊发育早期，中部脊组织存在，但后期不能扩张，隔膜不能融合。50%的 cuc-1/+cuc2/cuc2隔膜融合不完全。所以CUC1和CUC2的作用是重叠的。CUC1和 CUC2 编码两个相关的植物专一性的 NAC domain 家族的转录因子，在器官之间的边界表达。在隔膜原基生长过程中，在内脊和隔膜中部表达，直到时期11，12，在果脊中不表达。对果实整体构型的基因网络调控对果实整体构型的基因网络调控在器官极性建成的建立过程中，决定
33、侧生器官极性的Filamentous Flower(FIL)和YABBY3(YAB3)，以及促进侧生器官生长的JAGGED(JAG)通过促进FUL和SHP的表达影响瓣和瓣边缘特性，RPL除了抑制瓣边缘基因SHP、IND、ALC在胎座框（脊）的表达外，也抑制FIL、YAB3、JAG在胎座框（脊）的表达，从而将瓣和瓣边缘特性限制在胎座框以外。FIL和YAB3单突变不影响开裂表型，双突变果实不开裂，顶部瓣边缘区域缺乏木质化细胞，基部瓣边缘区域过度木质化，同时瓣区域enb失去木质化特性。在果实发育中，四种YAB家族蛋白CRC、INO、FIL、YAB3既有不同的作用，也具有共同的作用。柱头、花柱、隔膜和
34、转移通道的融合和形成柱头、花柱、隔膜和转移通道的融合和形成拟南芥有两次融合事件，一是发生在中间组织的心皮融合，包括果脊和隔膜原基。第二次融合是两个中脊融合形成隔膜，及花柱形成实体圆柱。融合后花柱中心和隔膜中间分化出运输管道，LEUNIG(LUG)、TOUSLED(TSL)、STYLISH、SPATULA、CRABS CLAW、AINTEGUMENTA(ANT)参与了柱头、花柱、隔膜、运输管道的形成和雌蕊的融合，其中有基因的相互作用。lug突变在天生的心皮尖部融合和后生的隔膜融合中都是缺陷的。LUG编码一个转录共抑制因子，类似于酵母的TUP1和果蝇的Groucho，带有两个富含谷氨酰胺的区域和7
35、个WD重复，不含DNA结合区域，但位于细胞核，与果蝇和小鼠中LIM结合1/CHIP类似蛋白SRUSS(SEU)共同作用，可能通过组蛋白去乙酰基酶HDA19、介导组分MED14(SWP)、CDK8(HEN3)，抑制RNA聚合酶II的功能，而负调节AG的表达。LUG在心皮果荚中表达很弱，但在维管组织、发育中胎座和胚珠中表达。在花的前两轮，lug突变体顶端有四个未融合的突出。两个是中间的花柱LEUNIG参与心皮的融合(A)lug 果实示柱头(s)上瓣的角样突起(h)。(B)未融合的lug雌蕊顶端近观。有两个内侧柱头表面(s)和两个稍后从瓣突出的角型结构(h)。(C)lug ant 双突变示两个完全未
36、融合的第四轮角型心皮于顶部柱头上的突起，另两个突起是果荚的两个突起，顶端缺陷在早期（时期7）探测到。lug的隔膜向外生长但不融合（D）AINTEGUMENTA(ANT)促进新形成的器官原基的细胞繁殖。ant突变类似于弱的lug突变。lug ant双突变完全不融合，缺乏中间组织，有两个羊角状的果荚，胚珠、胎座、隔膜、果脊完全缺乏，包括侧生维管组织和果荚表皮组织。果荚不受影响，发育正常（图C）。说明lug ant共同影响中间组织的形成。由于lug对其他花器官的同源影响，内侧第一轮花萼也被转变成角型未融合心皮。TOUSLED(TSL)基因编码核丝氨酸苏氨酸蛋白激酶，影响雌蕊顶端组织发育。TSL基因在
37、果实发育阶段11仅在花柱和瓣的上半部表达，到阶段13，表达仅限于花柱（图H、I）。tsl突变顶端分生组织分化减少，花柱和隔膜不能融合，柱头突起减小成为心皮边缘多变的碎片，柱头突起和花柱内细胞数目都减少，心皮数目一到四个，只有花柱碎片和柱头分化（图）。TSL激酶活性在G2/M相和G1相升高，tsl突变引起细胞周期中TSL激酶活性类型异常，有丝分裂周期蛋白CYCB1;1表达水平升高，表明TSL抑制CYCB1;1的表达。TSL还参与核小体组装蛋白ASF1、组蛋白H3、SANT/MYB蛋白TKI1磷酸化过程，揭示TSL在染色质代谢过程中的作用，可能通过染色质修饰调控基因表达。tousled leuni
38、g 双突变顶部组织减少。tsl 和lug在雌蕊数目减少和融合性降低方面的一致性说明它们可能在同一途径中作用。双突变表型加重，表明它们的作用可能重叠。PERIANTHIA(PAN)基因编码一个bZIP转录因子，在野生型拟南芥的顶端分生组织、花分生组织、每一轮花器官原基、胚珠原基表达。perianthia突变花器官数目和花型都改变，雌蕊顶部融合延迟。pan 突变对雌蕊发育影响较小。tousled perianthia 双突变形成未融合的雌蕊。STY决定花柱发育 STY1和 STY2在发育雌蕊顶端表达，在那里形成花柱和柱头，决定柱头和花柱的发育。STY1和 STY2编码 C3HC3H锌指蛋白，与RI
39、NG指相似，参与蛋白蛋白之间的作用，也具有核定位信号和IGGH区域，属于拟南芥一个10基因家族，包括SHORT INTERNODES(SHI)，LATERAL ROOT PRIMORDIUM1(LPR1)。sty1 单突变影响较小，sty2单突变对雌蕊没有影响。双突变中花柱突起朝周围边缘生长，柱头突起朝向各种方向；雌蕊中隔膜顶端减小或不存在，花柱中木质部减少。STY1或STY2的过量表达引起果荚花柱细胞的异常分化。STY1中形成异常表皮脊，在其附近形成维管组织木质部扇。异常花柱阻止果荚开裂，果实打开（图）。STY1作为转录因子调控生长素合成途径中关键基因YUC4的转录表达，从而影响生长素水平和
40、组织的生长。SPT决定传输管道发育 SPATULA(SPT)编码一个碱性bHLH（helix-loop-helix）转录因子，其表达与发育时期和作用部位相一致，从阶段6到阶段11传输管道发育的阶段在相应区域表达(图)，是传输管道发育必需的基因。阶段6雌蕊原基呈球型细胞团。阶段8内部中间区域中脊生长形成隔膜。雌蕊顶部柱头和花柱发育。阶段11形成隔膜，包括发育中传输管道、胚珠原基。阶段13 SPT在除了外果皮细胞以外瓣和阶段17的瓣边界表达。spt突变体中没有传输导管，中间组织异常，隔膜顶部形成传输导管的细胞缺乏。因此花粉管生长受阻，少于1/4的胚珠受精。花柱、柱头、隔膜生长减少，心皮顶端不融合。
41、开花期spt花柱狭窄，柱头顶端突起少。果实生长时由于侧生扩展果实更平坦，成为压舌板状。SPT的表达受生长素反应因子ETTIN的负调控,不受CRC和AG的调控。SPT也在spt突变体的花瓣、雄蕊、胚珠、种子附着位点、幼叶、托叶、茎成熟髓、侧生根冠表达，但未见异常。这表明可能有未知因子与SPT有重叠功能，或bHLH常形成异聚体，可能共同作用。CRC编码具有一个锌指和一个helix-loop-helix的YABBY家族的转录因子。在雌蕊侧面表达，发育期7、8时在表皮和内部表达明显，阶段10时在脊部表达减少。在12期时在外表皮的表达已经检测不到（图）。CRC(35S:CRC)的恒定表达形成实心雌蕊，在
42、萼片边缘形成心皮样结构，表明CRC是心皮特化途径的控制因子。CRC基因突变阻止花柱和胚珠上部融合，简化的花柱每边向内弯曲，形成螃蟹爪样结构，蜜腺缺乏，果实更短更宽。胚珠偶尔从脊向外伸出，表明突变体缺乏离轴-近轴极性。CRC的转录表达受BC类花决定基因以及SEP的共同控制，在蜜腺和心皮处表达。在A类突变背景下SHP1/2基因可促进CRC的表达。在被子植物中CRC类似基因的功能较为保守。spt crc双突变雌蕊几乎完全不融合，只有基部融合。边缘组织包括柱头突起、花柱、胚珠、隔膜减小，只有果荚正常.SPT的表达不受crc突变影响，而spt突变增加 CRC的表达。二、果实中极性轴的决定二、果实中极性轴
43、的决定近轴近轴-远轴极性的决定远轴极性的决定 GYMNOS（GYM）也称为PICKLE(PKL)，编码一个依赖CHD3/4 DNA的ATP酶，是SWI2/SNF2基因家族染色质重修饰酶，GYM蛋白结构中有一个PHD指和一个MYB DNA结合区域。GYM同果蝇Mi-2 相关，该基因产物与组蛋白去乙酰基酶结合，抑制目标基因的表达，是染色质修饰蛋白。PKL抑制胚发育激活因子LEC1的表达，在拟南芥萌发和整个植株中抑制胚特性。GYM在未分化的组织中表达，包括胚、分生组织、器官原基。在雌蕊发育5-7时期的雌蕊各处表达，但在时期8限于中间的脊和胚珠原基中，最后只在胚珠中表达。gym单突变近轴-远轴特性未变
44、，crc和gym单突变中都没有异常胚珠在雌蕊外部发育。crc gym双突变造成了雌蕊外部胚珠原基的形成，即近轴-远轴极性的改变。在crc gym中异常胚珠沿着隔膜发育。Eshed 等人假设CRC除了建立心皮特性、促进花柱形成外，决定雌蕊的离轴细胞特性。GYM促进未分化特性基因的抑制。gym突变延长了未分化特性基因表达的时间。crc gym突变轴向反化被限制在中间区域。果荚中其他基因可能影响crc gym的性状，与CRC的功能重叠,如FIL、YAB2、YAB3表达在离轴区而不在中间区。内部外翻kanadi(kan)gynoecia突变基因 KAN1 和KAN2的突变几乎使整个植物的近轴远轴极性丧
45、失，kan1kan2双突变的雌蕊外部布满了胚珠，代替了所有离轴组织。也缺乏中间侧面极性，果脊向外长出组织（图）kan1加强crc近轴远轴极性丧失，脊部向外生长，在外部形成包括传输管道的隔膜和两排胚珠。心皮在基部形成。KANADI 基因编码 GARP家族的转录因子，GARP家族有五十多个基因，KAN1促进远轴特性的形成，在幼叶远轴端和开花器官表达，雌蕊中表达在远轴端。KANADI控制生长素反应因子ARF3和4的转录表达，也通过影响生长素运出载体PIN1的分布影响生长素流动，还可直接抑制非对称基因ASYMMETRIC LEAVES2(AS2)的转录控制近轴远轴极性。同源盒亮氨酸锌指拉链(HD-ZI
46、P)家族类型III的三个成员PHABULOSA(PHB)、PHAVOLUTA(PHV)和REVOLUTA(REV)促进近轴命运。PHB、PHV、REV都是与蛋白作用的蛋白，在胚发生中与AP2类转录因子DORNRSCHEN(DRN，又名ENHANCER OF SHOOT REGENERATION1;ESR1)和DRN-LIKE(DRNL;又名ESR2)形成异源聚合体，影响生长素运输和反应。PHB、PHV、REV封闭一个microRNA-结合位点，干扰转录产物积累的中间环节，PHB过量表达使整个发育中叶子表达产物，野生型只限于近轴表达。PHB、PHV、REV也可能接受分生组织近轴位置信号受到表达调
47、节。果实顶端基部轴的形成果实顶端基部轴的形成PIN-FORMED(PIN)是生长素运出的载体，极性动态分布在植物的一侧细胞，控制生长素梯度的建立。PIN1编码一个跨膜蛋白，有8-12个跨膜区域，围绕一个被假定为跨膜载体的亲水核。PIN1在子叶、成簇的叶、幼苗、花序、角果中表达，组织学研究表明在木质部薄壁细胞和形成层表达。PIN1定位于细胞的一侧，与P糖蛋白(P-glycoprotein,PGP)相互作用，调控生长素极性运出。PIN1在茎中细胞基部膜侧的分布，与生长素的向基性运输一致。pin1突变干扰生长素极性运输和雌蕊的顶端基部形成,导致生长素极性运输降到15%，突变体起始时只有光秃的雌蕊柄，
48、后来花成簇形成。花萼和花瓣的数目倾向于增加，花瓣在基部融合，雄蕊数目减少。花器官心皮化。花序顶部倾向形成多雌蕊，其表型范围较广。雄蕊不形成花粉，雌蕊中胚珠不发育，pin突变体不育。PINOID（PID）编码一个丝氨酸苏氨酸蛋白激酶，在体外自动磷酸化，在维管组织瞬时表达。PID启动子含有一个AuxRE，受生长素诱导表达。PID控制PIN在细胞中的极性分布，调节生长素的极性运输。pid突变体同样形成光秃的针样柄，中心子房缺乏雌蕊群，在形成的少量的花中，雌蕊被花柱和柱头覆盖，其表型与pin相似，与ett相似但与ett不同的是其近轴远轴极性不受影响。35S:PID过量表达PID，使PIN位于顶部，低水
49、平表达PID使PIN位于基部。SPT可能是介导生长素极性运输的因子，施加NPA后spt突变造成的雌蕊顶端裂缝复原。由于NPA抑制生长素运输，生长素积累在顶端，促进顶端生长，使spt突变造成的生长减少得以修复。ETTIN编码生长素反应因子（ARF3），含有一个与生长素反应因子相似的DNA结合区域。ARFs 结合到生长素调节基因的生长素反应元件AuxREs上，控制它们的表达。ETT有一个核定位序列和2个富含丝氨酸的区域。在雌蕊中起着介导生长素反应的作用。野生型雌蕊中的表达在早期分布在果皮内侧。ETTIN 负调控SPT表达，形成瓣，清除雌蕊的过度生长和外翻的传输通道。SPT含有几个类似AuxRE元件
50、，ETT有可能通过直接结合SPT的启动子发生作用。ETTIN 同时与TOUSLED相互作用。ett tsl 双突变体的雌蕊茎上只有胎座和胚珠，缺乏果荚、柱头组织、花柱。TSL表达范围在ett突变体中延伸到花柱的中间组织和果荚。野生型则只在顶端表达。所以ETT将TSL的表达限制在雌蕊的顶端区域表达，建立顶端极性。ETTIN(ETT)沿着顶端基部轴向建立界限。ETTIN(ETT)突变中间的子房缩短，雌蕊柄、花柱和柱头延长，胎座和隔膜也减小；雌蕊传输导管组织外翻，柱头和花柱分裂，维管组织受到影响（图）。界限假说解释了生长素和ETT的作用：子房顶部和基部各有一个界限。生长素运输抑制剂处理加大生长素梯度
