拟南芥成花时间调控.docx

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1、拟南芥成花时间调控REGULATION OF TIME TO FLOWER IN ARABIDOPSISTHALIANA朱克明学号：D06064导师：梁建生摘要：调控开花时间是大多数植物由营养生长向生殖生长转化的一个重要生长发育过程。影响拟南芥开花时间的因 素有很多，其中光照和温度是两个主要的外部因素，而赤霉素(GA)和一些自主性因子是主要的内部因素。目前，一 般按照对以上因素的反应将晚花突变体归于四条开花调控途径：光周期途径、春化途径、自主途径和GA途径。在不 断变化的外部环境条件和内部生理条件下，这些途径通过一些主要的整合基因如SOC1、FT、LFY等实现了对拟南芥 开花时间的精确调控。关

2、键词：拟南芥，开花时间，整合途径Abstract: The timing of the floral transition has significant consequences for reproductive success in plants. There are many factors affecting the flowering time of Arabidopsis. The photoperiod and temperature are the major external factors, and the GA and autonomous factors are the

3、 major internal factors. Genetic analysis of Arabidopsis thaliana has identified numerous pathways that control the timing of the floral transition: photoperiod pathway, vernalization pathway, autonomous pathway and GA pathway. Depending on abiotic (photoperiod, temperature, nutrients) and biotic (c

4、ompetition, pollinators, herbivores) conditions, these processes are integrated by the function of the genes LHY, SOC1, and FT at the integration pathway. The integrated signal of the floral induction is transmitted to the floral meristem identity genes , and floral morphogenesis is performed.Key wo

5、rds: Arabidopsis, flowering time, integration pathway开花是植物由营养生长向生殖生长转型的最重要的一个过程，在合适的时间完成这个转型是植 物实现生殖发育所必需的。通过对开花时间的调控，植物才能实现种间同步杂交并产生尽可能多的 种子，这是植物在长期进化过程中形成的对环境条件的一种适应。最近十余年来，利用拟南芥为模 式植物，对高等植物开花时间调控机理与信号转导途径的研究取得了长足的进步。目前我们对植物 开花时间调控机制的了解主要是通过对拟南芥的遗传学研究获得的。拟南芥的开花时间受许多因素的影响，其中光照(光质、光强、日照长度)和温度是主要的外部

6、因素，自主途径因子和赤霉素(GA)是主要的内部因素。此外，植物的生理状况(如年龄、植株大小)、 胁迫条件(如干旱、营养匮乏、拥挤、病害、极点温度、植物激素、水杨酸、碳水化合物、维生秉、 谷胱甘肽、过氧化氢、Ca2+浓度、micro RNA等也对开花时间产生一定的影响。通常这多种信号汇 集在一起调控顶端分生组织(shoot apical meristem； SAM)的发育过程，这种随着内在生理条件和外界 环境条件的变化而对开花时间所进行的精细调控，是拟南芥在长期进化过程中形成的一种适应性的 选择优势。拟南芥对开花时间的调控是通过多个不同的遗传位点来实现的。现在已发现拟南芥中有80多个 位点影响开

7、花时间，其中20多个位点与晚花有关。目前对开花时间的研究主要集中于筛选开花时间 改变的突变体及这些突变基因的克隆和功能研究。根据开花突变体在不同环境条件下(主要指光照、 温度)的表型和遗传上位性实验，通常将晚花突变体分为四条开花促进途径：光周期途径 (photoperiodpathway)、自主途径(autonomous pathway)、春化途径(vernalization pathway)和赤霉素途 径(GApathway)。本文主要对最近几年拟南芥开花时间调控的研究进展作一小结并对部分重要结果进 行简单的讨论。1拟南芥的开花促进途径1.1光周期途径日照长度(即光周期)是影响开花时间的主要

8、因素之一。拟南芥是一种兼性的(facultative )长日照植 物，长日照条件能促进拟南芥开花转型，而短日照条件则促进其营养生长。目前发现，在光周期途 径中的主要调控基因有CONSTANS (CO)、CRY2/FHA、GIGANTEA(GI)、FT和FWA。它们的突变体 在长日照(LD)条件下延迟开花，但在短日照(SD)条件下开花时间与野生型相似。阪0以外，其他基 因还参与其他途径。其中FWA和FT位于CO的下游而GI和CRY2位于CO上游。CO编码具有两个B-box类型锌指结构的GATA转录因子，其C端有CCT域。其中CCT域是 GFP:C O核定位所必需的，而B-box与蛋白质之间的互相

9、作用有关。由于没有任何突变能完全抑制 35S:CO的早花表型，说明CO能激活几条平行的开花途径。此外，CO位于生物钟的输出途径，因而 也是生物钟和开花时间途径之间监测日照长度的重要元件。FT与TFL1相似，是一个Raf-like激酶抑 制蛋白。除熨。调节促进开花以外，在拟南芥中最新发现的温度感知途径和光质途径也是通过调节 FT的表达调节开花时间。GI是具有6个跨膜域的核蛋白，其突变表型及下游基因的表达方式说映【 与光信号输入生物钟有关。FWA编码一个具有同源域(homeodomain)的转录因子。在fwa突变体中， FWA编码区的核酸序列并没有发生变化，造成功能获得性突变的原因是FWA启动子上

10、两个正向重复 序列的甲基化水平下降，使FWA异位表达。一些控制DNA甲基化的突变体，例如ddm1(decreased DNA methylation 1)和ddm2 (decreasedDNA methylation 2)均可以使FWA启动子上的DNA甲基化丢失，造成 FWA过量表达和晚花的表型 最近Kinoshita等发现，FWA甲基化调控“印迹(imprint)的建立是通过 特异的母配子来源的DME DNA糖基化酶活性实现的。光对开花时间的调节一般是通过下列过程实现的：不同波长的光被其受体接收后，由光信号传 导分子将光信号传递到内源的控时器“生物钟(circadian clock) ”。通

11、过信号输出途径，生物钟 将检测的日照长度信号传输给主要信号分子CO,进而诱导其靶位基因FT的表达，从而实现了日照长 度对开花时间的调控。CO位于生物钟输出途径，在生物钟和开花时间之间起着纽带作用。在此过程 中，任何影响光信号检测(如光受体)、生物钟组分和光信号输入、输出生物钟途径的突变都会影响拟 南芥的开花时间。生物钟对开花时间的调控已有许多报道，这里不展开讨论。不同的植物对光周期反应采用不同的机制。拟南芥是一种长日植物，而水稻、马铃薯、烟草、 牵牛花等短日照植物中也发现了一些拟南芥开花基因的同源基因，它们通过与拟南芥类似或截然不 同的方式调控开花时间。水稻的OsGI、Hd1(Se1)和Hd3

12、a基因分别是拟南芥GI、CO和FT的同源基因。 在SD和LD条件下水稻的Hd1能分别促进和抑制Hd3a的转录从而控制开花转型，这与拟南芥的CO基 因在LD下促进FT的表达相反。水稻OsGI激活Hd1(Se1)的机制与拟南芥很相似，但在LD下Hd1(Se1) 抑制Hd3a的表达，导致水稻延迟开花。小麦中也发现了三个-AtCO的同源基因，TaHd1、TaHd2和 TaHd3，其中TaHd1-1能互补水稻Hd1的功能。这说明，为了适应环境，一个重要的进化过程能通过 同一组基因的不同调控方式而产生多样性。另外，牵牛花中CO的同源基因PnCO在LD或SD下过量表 达都能促进拟南芥co突变体开花，这也表明

13、SD和LD植物中的这些同源基因在结构和功能上都很相 似。1.2春化途径当物种传播时，环境的选择压力使得开花时间改变的植物对新的环境具有一定选择优势，不同 生态型的拟南芥采用了不同策略适应环境。大多数拟南芥生态型为晚花生态型，即冬季生态型 (winter-annual)，它们在越冬前主要进行营养生长，经过冬季低温后在翌年春季适宜条件下迅速开花。 而夏季生态型(summer-annual)不需要经过低温过程就能直接开花。目前在实验室条件下最常用的Columbia (Col)、Wassilewskija (WS)、Landbergerecta (Ler)等都属于夏季生态型。冬季生态型的晚花 表型主要

14、由两个显性位点FRIGIDA (FRI)和FLOWER LOCUS C (FLC)共同控制。FRI编码一个植物特异的未知蛋白，而FLC编码一个含MADS结构域的转录因子。FRI能促进FLC mRNA的高水平表达， 从而导致了冬季生态型的晚花表型。春化低温能拮抗FRI的作用降低并保持FLC的这种低水平表达状 态，从而促进了冬季生态型在春天合适的条件下开花。FRI和FLC的二者之中任一个发生突变都能削 弱或克服晚花表型，夏季生态型就是通过FRI功能缺失性突变或FLC等位基因的自发突变进化而来。 最近还发现，FRIGIDA LIKE1(FRL1 )特异地在FRI促进FLC表达方面起作用，并且FRI、

15、FRL1、FRL2 都是维持拟南芥冬季生态型的习性所必需的。此外，由Nc功能缺失性突变体还能对春化作用作出 反应，因此除了依赖于FLC的春化途径以外，还存在一条不依赖于FLC的春化途径，但这条途径的作 用机制还不清楚。春化反应是拟南芥冬季生态型对环境条件的一种适应。春化作用分二个阶段，首先响应春化低 温起始抑制FLC mRNA的表达，然后保持这种FLC低水平表达状态。VIN3 (vernalization-insensitive 3) 和VRN1 (vernalization 1)、VRN2 (vernalization 2)分别在这两个阶段起主要作用。VIN3编码一个PHD finger (

16、与蛋白质之间的相互作用有关)蛋白，许多染色质重建(remodeling)复合体的组分中含有PHD fingero VRN2是果蝇Polycomb-Group (PcG)发育调节因子Su (Z)12的同源基因，在果蝇中Su(Z)12能通 过修饰染色质结构调节基因表达。最近发现，Su(Z)12作为组蛋白甲基转移酶复合体的一部分直接作 用于组蛋白H3的Lys27，并且还可能作用于Lys9o VRN1定位于核内，具有二个植物特异的与DNA结 合有关的B3结构域。除与VRN2一起保持春化后FLC的低水平表达之外，VRN1在春化作用及调控开 花方面还有其他功能。VRN1、VRN2和VIN3的结构和突变表型

17、说明它们可能参与了FLC染色质的修饰。对vin3、vrn2 和vrn1突变体进行染色质免疫沉淀(ChIP)时的确发现春化作用导致FLC的染色质发生了一系列修饰 作用，其中VIN3是春化过程中组蛋白乙酰化修饰所必需的，WVRN1和VRN2与FLC组蛋白H3Lys9 和Lys27的甲基化有关。vrn1和vrn2在春化过程中发生了低乙酰化修饰，但当转回温暖的生长条件时 这种低乙酰化水平和对FLC的抑制状态不能维持。根据以上研究结果，Sung等提出了春化作用的上 位性抑制模型(图1):在春化过程中，首先VIN3通过起始HDAC去乙酰化使FLC染色质的特异区域乙 酰化水平降低，随后通过包含VRN1和V

18、RN2组分的组蛋白甲基转移酶复合体对FLC组蛋白H3 Lys9 和Lys27进行甲基化修饰，抑制7FLC的高水平表达，并可能通过招募日？1异染色质蛋白最终导致了 在有丝分裂时能稳定存在的抑制性的异染色质状态。与此同时，植物通过这种机制对冬季产生“记 忆”。各种植物种属间的春化机制究竟在多大程度上保守现在还不能确定。在芸苔属中发现了多个 FLC的同源基因，其中VFR2是芜菁(B. rapa)中的FL C同源基因。油菜(B. napus)中的5个FL C同源基因 BnFLC1BnFLC5过量表达能导致晚花，并且春化作用能降低它们的表达水平。Schranz等从芜菁 中克隆的5个重复的BrFL C都以

19、与AtFLC类似的方式在春化过程中起作用。二倍体小麦的春化作用主 要由VRN1和VRN2介导，而VRN1的变异是多倍体小麦进化为春季生态型的分子基础。由此可见， 这些作物春化作用的目标基因与拟南芥的FLC基因感受长时间低温的基本机制还是相同的。1.3自主途径自主途径的突变体无论在长日照条件还是在短日照条件下都延迟开花，尤其在短日照条件下， 这种晚花表型更明显。春化作用或低比率红光：远红光(R:FR)能恢复自主途径突变体的正常开花表型。自主途径的突变体有/b。、fpa、fy、fld、ld、fve,最近刚发现的/也属于自主途径。自主途径的 基因能抑制FLC的表达，因此它们的突变体中FLC mRNA

20、的水平都比野生型和长日照途径、GA途径 的晚花突变体中高。自主途径的基因与不同生态型中FLC的作用结果不同，但这种等位基因调控FLC 表达的不同之处现在难以解释。此外，虽然所有的自主途径基因都能抑制FLC表达，但它们之间并 不是简单的线性关系。通过双突变体分析，发现自主途径的这些基因通过彼此独立的相互平行的途 径调控FLC的表达。目前，所有的七个自主途径突变体都已克隆，它们通过不同的机制调控开花时 间。LD编码一个核蛋白，它对开花时间的调节至少部分是通过调控LFY的表达实现的。FPA、FCA 和FLK都编码RNA结合蛋白。与FCA和FPA具有多个RNA识别位点(RNA recognition

21、motifs，RRMs) 的RNA结合蛋白不同，FLK是具有三个KH motifs的RNA结合蛋白。FLK和FCA都定位于核内，并通 过FLC调控整合基因FT和SOC1的表达。FCA编码的蛋白质具有两个RNA-binding域和一个WW蛋白 互相作用域。FCA转录的前体mRNA选择性剪切为四种形式：a、y、8，其中只有y编码完整的有 功能的FCA蛋白。最近，Quesada等的研究使我们对FCA用选择性剪接方式调控开花时间的机制有了 更深的了解。FCA通过促进内含子3的剪接和polyA的形成负向调控自身表达，结果导致有功能的 FCA-Y转录减少而无编码功能的FCA书转录增加。FCA WW蛋白互作

22、域对其负向自我调控表达是必 需的，而FY也正是通过这个WW域与FCA形成FCA-FY复合体调节FCA pre-mRNA 3端剪接。FY蛋 白与酵母多腺苷酸化因子Psf2p类似，通过RNA结合蛋白FCA与多腺苷酸化因子的相互作用可能是 FCA实现自我调控的生化机制。FPA、FCA、FLK这些RNA结合蛋白的发现说明转录后调控可能是自主途径成员控制开花时间的一种重要的调节机制。图1春化作用介导的FLC上位性沉默模型(a) 冬天，FLC组蛋白H3的乙酰化(acetylate, AC) 使FLC处于活跃的转录状态。(b) 经冬天长时间的低温诱导后，VIN3开始表达， 启动组蛋白脱乙酰酶复合体(hist

23、one deacetylase， HDAC)脱去FLC组蛋白H3的乙酰基，FLC失去转录 活性。(c) FLC组蛋白H3的去乙酰化为包含VRN1/VRN2的 复合体(甲基化活性可能由哺乳动物和果蝇的E(z) 类似物提供)对组蛋白H3的赖氨酸9(K9)和赖氨酸 27(K27)甲基化创造了条件，FLC仍然没有转录活 性。(d) 翌年春天气候转暖后，VIN3不再表达， VRN1/VRN2复合体及招募的异染色质蛋白HP1 (使H3 的K9双甲基化)使FLC处于稳定的转录失活状态。FLD是人类KIAA0601的同源蛋白，其N端都有一个特殊的与染色质重建有关的SWIRM结构域。KIAA0601是人类组蛋白

24、脱乙酰酶1，2(HDAC1/2)抑制复合体(通过使组蛋白脱乙酰化抑制基因表达)的一个组分，因此FLD可能具有类似的功能。与此一致，fld中FLC染色质组蛋白H4乙酰化水平明显 升高，因而导致FLC表达增加以及明显的晚花表型。FVE是酵母染色质装配及组蛋白修饰复合体组 分MSI和哺乳动物眼瘤相关蛋白(retinoblastoma-associated protein) RbAp46、RbAp48的同源蛋白，能 通过与FLD相似的方式控制开花时间，说明对FL C组蛋白进行乙酰化修饰是拟南芥调控开花时间的 一种机制。1.4 GA途径GA控制一系列的生长发育过程，调控开花时间是其重要功能之一。在拟南芥

25、中，GA是非诱导 性条件下开花所必需的，施加外源0人能促进拟南芥开花。6人合成突变体和GA信号途径突变体一般 延迟开花。现在发现的一些影响拟南A合成的突变体如gal、ga4、ga5，它们的野生型基因编码 GA合成过程中不同步骤的酶。而功能获得性突变4$ddf1中GA水平的降低可能与GA20ox催化的GA 合成步骤受阻有关。从另一个角度来看，过量表达编码2 0-羟化酶的AtGA2ox7和AtGA2ox8通过 水解C20-GAs，也造成了6人缺陷型表型。GA信号传导途径的基因也影响开花时间，其中GAI、RGA和RGL1是GA信号传导途径中三个 关键组分，它们的功能部分冗余，当GA缺乏时都负调控GA

26、信号途径，而活性6人则能消除它们的抑 制作用。GAI、RGA和RGL1这三个蛋白质属于植物特异的调控蛋白中的GRAS （GAI、RGA、 SCARECROW）家族。除了 GRAS家族成员中高度保守的V H11D和RVER区域外，在RGA、GA I和RGL1 的N端还有一个特异的保守的DELLA结构域。DELLA结构域的序列为GAI、RGA、RGL1的功能所必 需，缺失导致一系列GA缺陷表型。SPY是GAI上游的一个负调控因子，编码一个类似于哺乳动物丝 氨酸/苏氨酸N-乙酰氨基葡萄糖（O-O- binding-N-acetylglacosamine）转移酶的蛋白质。spy突变体升高 的GA水平及

27、早花表型可能是增强7GA传导信号所致PHOR 1是另一个与开花时间有关的GA信号途 径组分，在GA的作用下能转移到核内。PHOR1属于与armadillo相关的螺旋状重复蛋白（通常作为其 他蛋白质和核酸装配的脚手架）家族，具有一个与泛素系统组分相关的结构域。当有GA存在时，与 PHOR1有关的泛素复合物可能通过与GRAS家族GAI/RGA蛋白的D ELLA域相互作用而将其降解，从 而激活GA信号传导途径，促进下游信号分子如SOC1、FPF1、GAMYB的表达，进而促进花序分生 组织基因（如LFY）的表达，由此完成7GA对开花时间的调控。2拟南芥开花促进途径的整合上述四条调控拟南芥开花的途径并不

28、是孤立的，而是根据外部环境条件和拟南芥内在生理条件 的变化，通过控制一些开花途径共同控制的整合因子的表达强度，激活或抑制下游花序分生组织基 因和花器官基因的表达，从而使植物适应环境条件和自身生理条件的变化，最大程度上优化其生长 及发育的需要。在拟南芥中，目前已发现了三个整合基因SOC1/AGL20、FT和LFY。SOC1编码一个含MADS 结构域的转录因子，由于SOC1和FT都是CO的直接靶基因，因此长日照途径与其整合很可能是通过 转录调控实现的，而自主途径和春化途径通过FLC抑制这两个基因表达的机制尚不清楚。最近发现， GA途径也能通过SOC1促进开花转型，这种激活SOC1表达的方式很可能是

29、通过GA信号传导实现的。 LFY是一个花序分生组织基因（floralmeristem identity gene），在开花转型期被诱导，当花序分生组织 出现后，LFY的表达逐渐增强。另外，作为花器官基因floral organ identity gene），LFY还能直接激活 AP1的表达。LFY不受CO的直接调节，并MGA途径和长日照途径在LFY启动子上作用的顺式元件不 同。这说明环境信号和内部信号是在LFY这个下游基因发生整合而不是在哪个上游组分（图2）。图2调控拟南芥开花时间的四条途径虽然这些整合因子在开花时间的调节方面具有类似功能，但它们在各种途径中的地位有主次之 分，而且每条开花途径

30、不可能控制所有的整合因子的表达。作为各条开花途径的关键交叉点，目前 这些整合因子如何相互作用尚不十分清楚。其中，FT可能与LFY平行发挥作用并且为LFY功能所必 需。由于FT也能激活花序分生组织基因AP1，因此FT也可能平行地激活LFY与AP1的表达，而随后 LFY能直接激活AP1。另外，SOC1通过AGL24实现对LFY的部分表达调控，而FT又可能参与了SOC1 的调节。3植物开花时间调控研究的前景与展望20年前，Koornneef首次报道在拟南芥中发现了 11个控制开花的遗传位点，这在植物开花时间调 控的研究史上具有里程碑式的意义。自此以后，各国的科技工作者一直致力于这些开花基因的克隆、

31、功能研究和新的开花基因的发掘、功能分析及这些开花基因之间的相互关系研究。目前，已经在分 子水平上建立了受内部信号和外界环境共同调控的拟南芥开花时间模型。虽然最近的发现使人们对 开花时间调控机制的认识上升到一个新的层次，但是还不能完全解释这种复杂的调控机制，仍然需 要从分子水平上进一步了解这些开花基因的功能。由于其他一些因素(如胁迫或营养状况)对开花时间 的调节是不直接的或多方面的，而我们对其作用机制了解甚少。在这种情况下，如何采取措施剔除 这些不确定因素的影响，使研究工作集中于开花时间调控的连贯性和一致性上？另外，还有一些基 本问题需要回答，如拟南芥是如何检测到温度等促进开花转型信号的？其他植

32、物的开花时间调节是 否与拟南芥采取类似的机制？从应用的角度来看，开花时间基因功能的研究必将推进现代农业生产的发展。例如，早花基因 可以用来缩短农作物的生长期，从而像拟南芥一样实现一季多代。晚花基因可以用来提高甜菜，牧 草等作物的产量。同时，人们还可以利用开花基因来调整花卉等观赏植物的花期，从而极大地提高 这些作物的经济效益。参考文献1 Mouradov A, Cremer F, Coupland G. Control of flowering time: interacting pathways as a basis for diversity. Plant Cell, 2002, 14 (S

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