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植物花发育中的基因克隆及功能分析.docx

来源：花匠小妙招时间：2024-09-17 19:37

植物花发育中的基因克隆及功能分析在花的发育中，植物发育的生殖器因特征基因的克隆和功能分析是近年来植物发育生物学领域最重要的成就之一。该模型是相对成熟的实验模型。科学家们对南角模型和金鱼草中影响花器官发育的基因进行了遗传和分子分析。在这种模型中，花器官的不同部分受到不同基因的决定。根据ABC模型,植物花由4种花器官组成,呈同心圆排列,形态学把这些器官所在的区域称为轮,正常的花具有4个轮:由里往外分别是轮Ⅰ为萼片,轮Ⅱ为花瓣,轮Ⅲ为雄蕊,轮Ⅳ为心皮(如图1所示).ABC模型假定:在正常花器官发育过程中,可以产生A,B,C 3个功能,每个功能的作用范围与2个相邻的轮吻合.在3个功能中,A类基因的功能活性局限于第1和2轮,B在2,3轮,C在3,4轮,因此A和B,B和C可以相互重合;但是A和C拮抗,互不重叠.野生型中,第1轮处于A功能控制之下,原基发育成萼片;第2轮受A和B 2个功能控制,原基发育成花瓣;第3轮受B和C 2个功能控制,原基发育为雄蕊;第4轮则由C功能控制,原基发育成心皮(如图2左所示).相应地存在3组同源异型基因,分别控制A,B和C 3个功能(如图2右所示拟南芥有关基因). 这一模型已被多种植物所证实,而且被人们普遍接受.从与拟南芥、金鱼草亲缘较近的higher eudicots ,到亲缘较远的basal eudicots 以及从不同进化枝上进化的单子叶植物,甚至远至裸子植物,都不断有证据支持和证实ABC模型,从而使人们开始怀疑ABC模型是一个古老的网络调控系统,在进化上相对保守,即使不是适用于全部,也是大部分的被子植物. 1 abc模型对花器官的表达影响现已在拟南芥中克隆到具有A功能的基因有AP1和AP2,具B功能的有AP3和PI,C功能的有AG.相应在其它种类如金鱼草、烟草、西红柿、矮牵牛中亦分别克隆到类似的基因.上述所有种类中,控制同一功能的不同植物基因的功能、表达方式,所表达的氨基酸序列都具有高度的相似性.故下面以模式植物拟南芥为例,叙述ABC模型对花器官发育的调控. 1.1 基因的功能人们对ABC基因功能的认识,首先是从突变体开始的,从下表可看出ABC功能基因突变的表型性状及其主要功能. 不但可从基因突变体表型上看出ABC模型中各基因的功能.人们通过对这些特异性基因的克隆与表达,亦进一步证实了这些基因的功能.例如:将带有CaMV 35S启动子的AG基因分别转入拟南芥、烟草、马铃薯和矮牵牛中,所获得的转化植株的花萼和花瓣都转变成心皮和雄蕊.转基因植物组成性表达B功能基因AP3和PI更能使人们清楚地认识到这些基因在调控雄蕊和花瓣中所起的作用.例如,转基因AP3植物在产生心皮的部位形成雄蕊,却不能改变花萼的发育,但若一起转入AP3和PI进行组成性表达,则产生了ABC模型所预期的结果:将花萼转变成花瓣,心皮转变成雄蕊.说明了AP3和PI一起决定B功能,A,B,C功能可以由一或多个基因共同控制. 1.2 花的发育过程中pi基因的表达这些花器官特异性基因的表达方式与其功能相一致.AP1在花发育的2个不同阶段起作用,故其表达形式有2种.与其控制外2轮花器官的功能相一致,在整个花的发育过程中,AP1 mRNA聚集在萼片和花瓣原基上.AP2突变还会影响所有4轮花器官的数量和位置,故AP2 mRNA在花发育的所有4轮器官原基中都有积累.在花发育的第3阶段(在这一阶段萼片原基开始显现),开始发现AG mRNA和AP3 mRNA,AG mRNA在产生内2轮花器官的部位聚集,而AP3 mRNA在花瓣和雄蕊原基中表达.与AP3相似,PI基因亦主要于花瓣和雄蕊原基中表达. 1.3 同一功能的mads坚持所有这些基因都含有MADS box保守区域,说明了这些基因以序列特异方式与DNA结合,并具有转录调控因子功能,同时也可能说明了这些基因来自同一个祖先,在大部分(或全部)开花植物的花器官发育过程中扮演了重要的角色.从金鱼草和拟南芥克隆到的同一功能的MADS box基因,其氨基酸序列相似程度比同一植物不同功能的MADS box基因还要高.因此,序列相似性成为确定新分离MADS box基因功能的一个标准. 1.4 在花镜中表达不同的基因虽然上述研究结果均来自higher eudicots,而basal eudicots在进化上较早与higher eudicots分支,但Kramer和他的同事通过对毛茛类植物的几个种类中与B功能同源的基因进行分析的结果表明,这些基因与拟南芥的B功能基因AP3和PI的氨基酸序列相似程度很高,在序列相似性方面与前面所述相同.而且这些基因在雄蕊中的表达亦很保守,与AP3和PI相似,在整个雄蕊原基的发育过程中都均匀、稳定地表达.但是,虽然它们也在花瓣原基中表达,表达水平却不稳定.例如,冰岛罂粟的PnAP3-1