矮牵牛MADS_box基因

园　艺　学　报　2008,35(6):917-925Acta Horticulturae Sinica矮牵牛M AD S2box基因郭余龙3(西南大学园艺园林学院,重庆400715)摘　要:综述了近年来研究观赏植物矮牵牛MADS2box基因的文献,重点介绍矮牵牛的研究对深入认识该家族基因在植物发育中的作用所做出的重要贡献,及其所揭示的基因功能的保守性和多样性。

对Gen2 Bank中登录的矮牵牛MADS2box基因进行了系统发育分析。

讨论了研究工作中存在的一些问题。

关键词:矮牵牛;MADS2box基因;花发育中图分类号:S68116 文献标识号: 文章编号:05132353X(2008)0620917209Petun i a M AD S2box Gene Fam ilyG UO Yu2l ong3(Horticulture and L andscape A rchitecture College,Southw est U niversity,Chongqing400715,China)Abstract:MADS2box genes p lay p ivotal r oles in fl ower devel opment.This paper revie ws the p r ogress of petunia MADS2box gene research,and put s pecial e mphasis on the contributi ons of petunia research t o our knowledge about the r oles of p lantMADS2box fa m ily genes in p lant devel opment,and the functi onal conserva2 ti on and diversity ofMADS2box genes in angi os per m s.W e als o reconstruct a phyl ogenetic tree of petunia and other selected MADS2box genes repositted in GenBank and discuss the p r oble m s in the petunia MADS2box gene research.Key words:petunia;MADS2box gene;fl ower devel opmentMADS2box基因编码的蛋白都具有一个与DNA结合的结构域———MADS域(MADS源于最初发现的几个家族成员MC M12AG2DEF2SRF的首字母缩写),它是重要的转录调控因子,广泛存在于动物、植物和真菌中,在发育调控和信号传导等生命活动中发挥重要作用。

据所编码蛋白质的结构和序列同源性的差异,MADS2box基因分为TypeⅠ和TypeⅡ两类(图1)。

植物的TypeⅡMADS2box基因除含有一个高度保守的MADS区外还有较为保守的K区,多变的I和C区,故又称M I KC型;TypeⅠMADS2box基因不含K区,故又称M型。

植物M I KC型MADS2box基因的功能已得到广泛深入的研究,而M型(TypeⅠ)只在最近才有一些初步的功能研究结果报道(Yoo et al.,2006)。

M I KC型可进一步细分为M I KC c(“c”代表“classic”)和M I KC3型,差别在于M I KC3型的Ⅰ区较长,K区也很特别。

拟南芥基因组中大约有6个M I KC3型MADS2box基因,其功能和表达模式尚无任何研究报道(Becker&Theissen,2003;Na m et al.,2004;张剑等,2007)。

植物MADS2box基因在花器官发育,开花时间调控,种子和果实发育,以及根、茎、叶等营养器官发育中发挥重要作用,并且有漫长的进化历史(Becker&Theissen,2003;吕山花和孟征,2007)。

因此,近年来模式植物拟南芥和其它代表性植物MADS2box基因的功能、比较基因组学和进化研究受到高度关注,成为植物分子生物学研究的热点之一。

矮牵牛是一个重要的园艺观赏植物,其生物学特性使它易于进行分子生物学研究,并且也是进行比较基因组学研究的好材料,它已成为花卉研究的模收稿日期:2007-11-26;修回日期:2008-03-20基金项目:国家自然科学基金项目(30671481)3E2mail:yul ong@s wu1edu1cn园 艺 学 报35卷819式植物(Gerats&Vandenbussche,2005)。

从20世纪90年代初,人们开始对矮牵牛MADS2box基因进行系统研究,研究结果证实并扩展了从拟南芥研究中所获得的结论或对其提出了挑战,增进了对花形和株形进化的认识。

本文中分亚家族讨论矮牵牛MADS2box基因的研究情况。

图1　M AD S2box的结构示意图及进化关系(Becker&The issen,2003;Nam et a l.,2004)F i g.1　The structure and evoluti on of M AD S2box gene(Becker&The issen,2003;Nam et a l.,2004)1　矮牵牛MADS2box基因的谱系分布研究表明,被子植物M I KC c型MADS2box基因根据序列相似性又可进一步分成14个亚家族(Becker&Theissen,2003)。

我们用MADS区蛋白质序列对Gen Bank的核酸数据库和EST库进行了搜索,对非冗余的序列用Becker等(2002)的方法进行了分析。

结果显示,已登录的矮牵牛MADS2box 基因已涵盖了12个主要的M I KC c型MADS2box基因亚家族(图2)。

登录的序列中,OP U922,PhF L, P MADS6,-10,-16和-17仅含部分ORF框序列,在图2中的位置不一定代表完整编码序列的位置。

Vandenbussche等(2003)认为P MADS10和-16属T M3亚家族,P MADS6和-17是F LC亚家族成员。

2　矮牵牛MADS2box基因的功能211　AG亚家族被子植物AG亚家族分C、D两个谱系,这可能源于现存被子植物辐射扩散前的1次基因重复。

随后的基因重复可能造成C谱系进一步分为以拟南芥AG为代表的eu AG谱系和以金鱼草P LE为代表的P LE谱系,同时造成基因功能冗余(Kra mer et al.,2004)。

目前矮牵牛中已克隆并得以研究的AG 亚家族基因有属C谱系的P MADS3和FB P6,属D谱系的FB P7和FB P11(图2)。

拟南芥AG基因有决定雄蕊和心皮形成、花分生组织决定(失活后花分生组织回复花序分生组织状态)两方面的作用,即C功能。

矮牵牛P MADS3基因受到抑制后导致雄蕊转变成花瓣状结构,同时在第3轮各器官之间的位置有二级花序出现,并进一步形成三级花序(Kapoor et al.,2002);转基因植株中P MADS3在叶片、花萼、花瓣中异位表达时,造成叶片卷曲,花萼向心皮、花瓣向雄蕊的转变(Tsuchi m ot o et al.,1993;Kapoor et al.,2005)。

这些结果表明P MADS3同时具有花分生组织和花器官决定的功能。

但P MADS3的功能与拟南芥AG基因的功能并不完全相同,因为P MADS3失活后,矮牵牛心皮依然保持完整,并不像AG突变失活的拟南芥花那样,在原本心皮的位置形成重复的一轮花萼一轮花瓣的结构,但在第3轮形成引人注目的次级花序。

P MADS3对心皮的决定作用比较弱,表明可能还有另一个C谱系的基因与其共同作用决定矮牵牛心皮的发育,这一基因有可能是FB P6。

但遗憾的是迄今尚未获得FB P6的突变体,35S启动子驱动表达FB P6的矮牵牛植株只观察到花变小,　6期郭余龙等:矮牵牛MADS2box基因　919没有发现花器官的同源异型转化(Kater et al.,1998)。

FB P6的功能有待进一步阐明。

P MAD3和FB P6分属euAG和P LE谱系;在金鱼草中,PL E基因是主要的C功能基因,而属eu AG谱系的FAR 只有冗余的雄蕊决定作用(Davies et al.,1999);拟南芥中,AG是主要的C功能基因,P LE谱系的SHP1和SHP2与果荚开裂区的分化及其边缘细胞的木质化有关(双突变体果荚不开裂),同时保留了决定雄蕊和心皮分化的冗余功能(Pinyop ich et al.,2003)。

图2　矮牵牛M AD S2box基因的谱系分布节点处的数字表示100次重复的自展值。

括号中标注的是来源物种的属名,未标注的为Petunia;3表示该基因登录序列仅包含部分ORF框。

F i g.2　Rel a ti on sh i p between petun i a M AD S2box genes and m e m bers of the ma jor cl adesM I KC2typegenes selected from A rabidopsis and other ang i osper mThe numbers next t o each node indicate bootstrap support fr om100rep licate analysis.The taxon of originis shown in parentheses after gene na mes,but those who bel ong t o Petunia are not shown;3indicates partial ORF.园 艺 学 报35卷029植物花器官发育“D”功能的概念是通过对矮牵牛基因FB P7和FB P11的研究提出的(Angenent et al.,1995;Col ombo et al.,1995)。

原位杂交分析表明,在胚珠原基形成前的花发育前期,FB P7和FB P11在雌蕊群的中央区表达,在花发育后期,只在胚珠中表达。

共抑制法将FB P7和FPB P11抑制后,部分胚珠转变成形状和功能皆与花柱、柱头相似的心皮状结构(Angenent et al.,1995)。

当FB P11用35S启动子驱动在矮牵牛中表达时,在花萼和花瓣上观察到胚珠形成(Col ombo et al., 1995)。

综合以上研究结果,Col ombo等(1995)提出,胚珠是一轮花器官,FB P7和FB P11是D功能(与A、B、C功能对应)基因,决定胚珠的形成。