水稻开花时间决定的光周期途径分子调控机制研究进展.doc

1、水稻开花时间决定的光周期途径分子调控机制研究进展摘要植物的开花受到光、温、营养条件等环境因素和自身发育进程的影响。光作为一个最重要的环境因素,不仅能为植物提供能量,还对成花决定起着重要作用。综述了水稻光周期开花调控途径的最新研究进展,以期为水稻开花的研究提供参考。关键词水稻开花;光周期;分子调控;研究进展开花是许多高等植物生命周期循环的一个重要过程。植物开花包括开花决定、成花启动、花器官的发育1。植物能否成功地进展有性繁殖取决于准确的开花时间。开花决定受到环境信号和内源遗传信号的控制,是开花基因时空顺序表达的结果。在这些信号中,最重要的一个决定因素是植物对于光周期的反响。光周期指一日之内昼夜长

2、度的相对变化,也即日长。植物对于这种相对变化做出的反响称为光周期现象。早在1852年,英国植物学家arthurhenfrey2就认识到日长对于开花的重要性。20世纪20年代,garner和allard3发现光照长度对植物的生长和发育,尤其是对决定植物开花时间起着重要作用。根据对光周期的反响,一般可将植物分为3种:对长日照敏感而成花的为长日照植物;对短日照敏感而成花的为短日照植物;对日照长度不敏感的为光期钝感植物。拟南芥和水稻分别作为开花时间调控研究的长日照植物和短日照植物的模型。目前,对控制拟南芥开花的光周期途径,已经有较为完好和深化的研究4。现结合拟南芥有关光周期开花调控的研究进展,就有关决

3、定形式生物水稻开花时间的光周期调控的主要研究进展作简要综述。1光周期反响的控制模型植物要对不同的光周期做出反响,那么应该存在某种机制对日长进展度量和记忆。关于植物度量日长存在2个模型:一是外部一致模型。bnning3首先提出,植物存在一个潜在的昼夜节律钟。24h单位的昼夜分为光敏期和暗敏期。当植物在光敏期,昼夜节律钟调节因子的表达到达一个阈值时,假设处于光照条件下,那么会促进长日照植物开花,而抑制短日照植物开花2,4,5。二是内部一致模型。光信号产生2个不同的周期性功能(促进或抑制),只有当2种节律是同步的时候才会诱导开花,反之那么抑制开花5。目前,外部一致模型已经被很多研究所证实,得到较多的

4、认同3,5-7。2光信号感受和昼夜节律调节确定日长后,植物还需要区分白昼和黑夜,这主要是通过可以感受光信号的光受体来实现的。拟南芥中参与光周期开花时间决定的光受体包括光敏色素和隐花色素。在水稻中,光敏色素是光周期开花决定的主要光受体。水稻只存在3个光敏色素基因phya、phyb和phy。phya在长日下抑制水稻开花,这同在拟南芥中的作用是相反的。phyb的功能在拟南芥和水稻间是保守的,都抑制植物开花。phy的感光形式同拟南芥不同,在水稻中主要吸收远红光,而在拟南芥中主要吸收红光8。此外,水稻中也存在隐花色素sry1和sry2,同拟南芥中的功能相似,均能促进水稻开花9。光受体承受光质信号后,将其

5、传递给昼夜节律钟基因,节律基因收到光信号后启动表达。通过昼夜节律钟的输出系统将节律信号输出给下游响应节律的调节基因和开花时间基因。节律基因所表达的蛋白遵从一个自身反响的环状调节的机制。目前比拟清楚存在于拟南芥中响应昼夜节律的反响调节机制是:t1和elf4促进a1、lhy的表达,黎明,a1、lhy受到光的刺激开场表达,表达量逐渐增加,同t1和elf4启动子调控元件结合,抑制t1和elf4的表达。夜间,a1、lhy的表达降至最低,这时t1和elf4的表达抑制被解除,随着表达的累积又重新起始对a1、lhy表达的激活,开场新一轮的循环10-12。水稻中只存在1个与拟南芥lhy和a1同源的基因slhy。

6、该基因的表达也呈现昼夜节律性变化9。此外,水稻中也发现存在pprs基因家族sppr,受到昼夜节律的调控。asayaurakai6等发现1条由sprr73(sprr37)sprr95(sprr59)sprr1依次顺序表达的基因流。水稻sppr基因是否确实参与昼夜节律钟还需要进一步的研究验证。3光周期反响的分子机制昼夜节律信号的产生,使得下游开花基因得到激活或抑制,进而引起水稻开花或迟花。是拟南芥中第1个被发现受昼夜节律调控的开花基因。拟南芥通过对基因转录的丰度同蛋白的稳定性的调节将光信号同昼夜节律钟统一起来。水稻hd1、的同源基因,作为昼夜节律钟的下游基因,通过同样的方式在整合光信号和节律信号上

7、起着重要作用。hd1rna的表达不受日长的影响,受到光敏色素的介导。takeshiizaa13认为hd1能与光敏色素形成转录复合物或者受到光敏色素的磷酸化;hd1单独存在时,促进其下游基因ft-like的表达;同光敏色素互相作用时,hd1作为ft-like的抑制子。在短日条件下,hd1rna表达的峰值在夜间,而在长日条件下,hd1rna出现表达的峰值时,正处于光敏期,此光阴敏色素同hd1的作用比短日强,故抑制水稻开花。因此,hd1是一个双功能基因,短日促进开花,而长日抑制开花。拟南芥受到上游gi的调控,诱导1个编码挪动开花信号的成花素基因ft的表达。ft蛋白挪动至茎尖,同由fd基因编码的转录因

8、子互相作用来激活决定花器官特性的基因ap1,诱导拟南芥开花。sgi是拟南芥gi基因的水稻同源基因。sgirna的表达受到昼夜钟的控制,在长日照和短日照条件下,表达形式与类似。sgi过表达,不管在何种日长条件下均能引起水稻开花推延,说明sgi是水稻开花的抑制因子,而在拟南芥中,gi促进开花7。hd3a、ft的同源基因,由hd1调控,同ft蛋白类似,hd3a蛋白是水稻中的成花素,在叶片中表达,通过韧皮部运输至顶端分生组织,启动开花14。ft-like1(rft1),是水稻中13个ft-like家族基因中最接近hd3a的同源基因,能在缺乏hd3a的时候能促进开花,在短日下作用是冗余的。reinaki

9、ya等15,16进一步证明,在短日条件下,主要通过hd3a激活水稻开花。在长日条件下,rft1那么是主要的开花促进因子。hd3a/rft1作用于sads14和sads15基因的上游。sads14和sads15基因均为拟南芥ap1基因的同源基因(sads14/rap1b、sads15/rap1a)15,16。这些发现说明光周期开花诱导途径gi-ft-ap1和sgi-hd1-hd3a/rft1-sads14/sads15,在拟南芥和水稻中是保守的,但是在这些长日照植物和短日照植物中,光周期的反响是有区别的。除去这些保守的开花时间基因的调控,水稻中还发现存在独特的调控因子。ehd1编码一个b-型反响

10、调节子,在拟南芥中不存在同源基因,能独立于hd1促进水稻开花,作用于hd3a、rft1、局部ads-bx基因的上游17。ghd7编码1个t构造域蛋白的基因,同拟南芥没有明显的同源性,是t构造域蛋白家族的新成员。在长日照条件下,ghd7抑制ehd1和hd3a的表达,但是不影响hd1的转录程度,从而推延开花18。rid1/sid1/ehd2,编码1个半胱氨酸-组氨酸锌指基序的转录因子,同玉米id1同源,而同拟南芥中的id基因亲缘关系较远,通过上调ehd1及其下游基因的转录来促进水稻开花转变。其表达不受日长变化的影响,可能独立于昼夜节律的。此外,ghd7和hd1可能局部受到rid1/sid1/ehd

11、2的控制19。最近的研究说明ehd1还受到se5、slfl1、sads50、sads56的调控。se5编码参与光敏色素发色基团生物合成的酶。在长日条件下,se5抑制ehd1,并且可能通过hd1的表达的调节来产生对光周期的敏感反响20。slfl1,包含1个假定的b3-dna结合构造域的转录因子。但slfl1本身可能不是一个开花决定基因,只是通过直接结合到ehd1基因启动子的ryis元件(atgatg)上,抑制ehd1的表达来抑制水稻开花21。sads50和sads56同拟南芥s1/agl20高度同源,均受到昼夜节律钟的影响。长日照条件下,sads50促进水稻开花,调控hd3a和sads1、sad

12、s14、sads15、sads18。但是sads50和sads56在长日照条件下对水稻开花时间的决定作用是相反的,因此sads56是一个开花抑制基因。sads50和sads56会通过互相作用形成复合物,调控共同的下游基因slfl1-ehd1来控制水稻开花,且独立于hd1、se5和rid1/sid1/ehd2的开花调控。值得注意的是,在拟南芥中,s1/agl20作为的下游基因,而在水稻中sads50和sads56却在开花时间调控网络的上游位置22。sads51是另一个重要的ads-bx基因,参与水稻短日照开花调控途径,受到sgi的调控,作用于ehd1、hd3a和sads14的上游23。最近,又有

13、一些新的参与水稻开花时间决定的基因陆续被发现。sn-kapki等24发现1个新型的l基因,s3,表现出昼夜节律。该基因包含单一的b-bx和单一的t构造域,该类l基因在拟南芥中并不存在。在短日照条件下,s3特异地抑制水稻开花,且独立于hd1、ehd1、sads50。dejunli等25报道了1个编码dna结合单指df蛋白sdf12。他们的研究发现,sdf12作用独立于hd1和ehd1途径。在长日条件下,sdf12过表达植株中,hd3a和sads14的表达被显著上调,而在短日条件下却没有作用,说明sdf12在长日照条件下能特异地促进水稻开花。4结语通过反向遗传学手段,已经克隆出许多与水稻光周期成花

14、相关的基因,这为人们在分子程度上理解水稻的光周期开花决定机制提供了直接的证据。通过同拟南芥相应基因的亲缘比拟,发现短日照植物水稻和长日照植物拟南芥在进化上存在一定的保守性。但是,在这2种形式生物之间,光周期开花基因还存在一定的种属特异性,这可以认为是一种进化的适应调节。正是这种进化调节,使得拟南芥和水稻对光周期做出不同的反响。尤其是新开花基因的发现,为人们更加全面地研究禾本科植物开花的多样化提供了新的视角。5参考文献1雍伟东,种康,许智宏,等.高等植物开花时间决定的基因调控研究j.科学通报,2000,45(5):455-466.2kbayashiy,eigeld.venup,itstiefrh

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