植物器官脫位的分子機(jī)制

植物器官脫位的分子機(jī)制

植物器官的脫落不僅對(duì)生物的繁殖和傳播具有重要的生物學(xué)意義，而且對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響。在長(zhǎng)期作物馴化實(shí)踐中,人類不斷地對(duì)作物器官脫落特性加以選擇,成功地解決了禾本科植物落粒、斷穗,棉花落鈴,豆類作物提前開(kāi)莢等問(wèn)題,減少了產(chǎn)量損失。在番茄中,無(wú)離區(qū)品種的應(yīng)用不僅可以提高機(jī)械收獲和后續(xù)加工的效率,而且可以減少果柄對(duì)果實(shí)造成的機(jī)械損傷,提高果品質(zhì)量。對(duì)于植物器官脫落的研究,早期主要側(cè)重于生理生化方面。近年來(lái)隨著分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展,解析離區(qū)發(fā)育和器官脫落的分子機(jī)制成為分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。1植物器官脫落酸防止激素代謝器官脫落(organabscission)是指植物組織或器官脫離母體的生理過(guò)程。它是植物應(yīng)對(duì)外界環(huán)境(如病原物侵染)或放棄那些不再發(fā)揮作用的器官的有效機(jī)制。器官脫落的組織區(qū)域及鄰近的數(shù)層細(xì)胞被稱為離區(qū)(abscissionzone,AZ)。器官脫落可以是衰老或成熟引起的,比如果實(shí)、種子的脫落;也可以是自身生理過(guò)程引起的,例如營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)引起的落花等;逆境條件如干旱、高溫、病蟲(chóng)害等是其另一主要原因。激素,尤其是乙烯在植物器官脫落過(guò)程中起著重要的作用。但一些植物(如柑橘)的果柄并不受乙烯誘導(dǎo)而脫落。生長(zhǎng)素在器官脫落中與乙烯的作用相拮抗,它控制離區(qū)細(xì)胞在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間對(duì)乙烯產(chǎn)生應(yīng)答。ABA(abscisicacid),即脫落酸,對(duì)一些植物的葉片和花器官脫落具有誘導(dǎo)作用,但有實(shí)驗(yàn)表明其作用是通過(guò)乙烯間接實(shí)現(xiàn)的。植物器官的脫落是多種激素平衡和協(xié)同作用的結(jié)果。脫落過(guò)程往往伴隨一系列基因表達(dá)的變化,特別是編碼細(xì)胞壁降解酶基因如1,4-β-葡聚糖酶、多聚半乳糖醛酸酶等的上調(diào)表達(dá)。另外,擴(kuò)展蛋白(expansin)、病程相關(guān)蛋白(pathogenesis-relatedproteins)以及其他一些蛋白在器官脫落過(guò)程中也起著重要的作用。2擬南越界花器官脫離體及基因表達(dá)擬南芥中存在兩種與離區(qū)發(fā)育和器官脫落相關(guān)的生物過(guò)程,即花受粉后花萼、花瓣、雄蕊等花器的脫落過(guò)程和果莢開(kāi)裂過(guò)程。這些生物過(guò)程的存在使擬南芥成為研究離區(qū)發(fā)育和器官脫落的理想模式。目前,通過(guò)篩選突變體,已鑒定出多個(gè)與擬南芥花離區(qū)發(fā)育和器官脫落相關(guān)的基因(表1),從而初步建立了擬南芥花器官脫落的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。擬南芥中的BOP1(bladeonpetiole1)和BOP2是控制花器官離區(qū)發(fā)育的一對(duì)功能重復(fù)的基因。BOP1和BOP2基因各自分別編碼一個(gè)叫做病程相關(guān)基因非表達(dá)子1(nonexpressorofpathogenesis-relatedgenes1)的轉(zhuǎn)錄因子。在雙突變體bop1bop2中,花器官離區(qū)不能形成,其他性狀如葉柄發(fā)育和器官的非對(duì)稱性生長(zhǎng)等也受到不同程度的影響。BOP基因抑制KNOX(knotted1likehomeobox)基因(決定分生組織特異性)KNAT1(knotted-likefromArabidopsisthaliana)/BP(bervipedicellus)、KNAT2和KNAT6在葉中表達(dá)。而基因敲除實(shí)驗(yàn)證明KNAT/BP影響擬南芥花器官的離區(qū)發(fā)育。如在bp突變體中,花器官離區(qū)形成更多的泡狀細(xì)胞,使之提前脫落。在擬南芥中,盡管大多數(shù)影響花器官脫落的基因都不同程度地提前或延遲脫落過(guò)程,但是這些基因都不影響離區(qū)的形成,如擬南芥突變體ida(inflorescencedeficientinabscission)花器官的離區(qū)發(fā)育正常,但即使在種子成熟后其花器官也不能正常脫落。IDA只編碼77個(gè)氨基酸殘基,還有高的pI(等電點(diǎn))值,且N端具有疏水性。因此,IDA可能是一個(gè)新的類似于CLV3(clavata3)的配體,為一類可溶性蛋白,能夠與其受體結(jié)合啟動(dòng)下游的信號(hào)傳遞。過(guò)量表達(dá)IDA的擬南芥株系表現(xiàn)出花器官的提前脫落,而且花柄、莖生葉、花序等都自基部提前脫落,果莢提前開(kāi)裂,但種子脫落并不受影響。所有實(shí)驗(yàn)均表明IDA是一個(gè)脫落的正調(diào)控因子。隨后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,IDA蛋白C端叫做EPIP的21個(gè)保守肽段就完全可以恢復(fù)突變體ida的表型,表明這個(gè)保守氨基酸序列在植物發(fā)育過(guò)程中具有重要功能。擬南芥中一個(gè)富含亮氨酸重復(fù)序列的受體激酶HAESA,在花器官脫落中起著重要作用。在HAESA的反義抑制轉(zhuǎn)基因植株中,明顯推遲花器官的外3輪器官脫落,而在表型極明顯的轉(zhuǎn)基因株系中,花器官不會(huì)脫落。Stenvik等證明IDA所產(chǎn)生的多肽正是通過(guò)HAESA這個(gè)受體來(lái)引發(fā)擬南芥花器官的脫落。最近擬南芥花器官脫落的信號(hào)途徑得到了更進(jìn)一步的深入研究,實(shí)驗(yàn)證明HAESA下游的MKK4(mitogen-activatedproteinkinasekinase4)/MKK5通過(guò)激活MPK6(mitogen-activatedproteinkinase6)/MPK3來(lái)誘導(dǎo)擬南芥的花器官脫落,此結(jié)果表明是IDA、HAESA和HSL2(haesa-like2)、以及MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)途徑的依次作用控制擬南芥花器官的脫落。Patterson等篩選到5個(gè)花器官延遲脫落突變體,命名為DAB(delayedfloralorganabscission)。隨后,發(fā)現(xiàn)這5個(gè)突變體代表3個(gè)獨(dú)立的位點(diǎn),dab1、dab3是隱性遺傳控制,而dab2由顯性基因控制,這3個(gè)突變體都不同程度地延遲擬南芥的花器官脫落。轉(zhuǎn)錄因子AGL15和AGL18也影響花器官脫落,其過(guò)表達(dá)推遲花器官脫落,同時(shí)延遲擬南芥的衰老過(guò)程。在利用基因芯片分析擬南芥雄蕊離區(qū)特異轉(zhuǎn)錄譜實(shí)驗(yàn)中,Cai等分離到一個(gè)影響花器官脫落的基因AtZFP2(zincfingerprotein2),其過(guò)量表達(dá)不僅延遲花器官脫落,而且顯著改變花的形態(tài)和育性。另外,擬南芥的ARP(actin-relatedproteins)家族,在花器官脫落過(guò)程中也起作用,利用RNAi技術(shù)產(chǎn)生的ARP7敲除轉(zhuǎn)基因株系的花器官脫落明顯推遲,而離區(qū)發(fā)育與野生型的擬南芥沒(méi)有區(qū)別,并且此轉(zhuǎn)基因株系對(duì)乙烯的三重反應(yīng)與野生型也一致,表明ARP7控制花器官脫落是獨(dú)立于乙烯的另一條途徑。類似于AGL15和HAESA,ARP4在推遲花器官脫落過(guò)程中也有相同的作用。乙烯加速器官脫落而生長(zhǎng)素阻止脫落已被人們廣泛接受,對(duì)于擬南芥中激素信號(hào)途徑缺陷突變體的鑒定,有助于剖析激素在花器官脫落中的作用。乙烯不敏感型突變體etr1(ethylenereceptor1)和ein2(ethylene-insensitive2)都延遲了花器官的脫落,但并不能阻止脫落的發(fā)生。此外,在擬南芥中,突變體arf2(auxinresponsefactor2)推遲花器官脫落,而ARF1的突變能夠增強(qiáng)arf2的表型。同ARF1的作用類似,NPH4/ARF7和ARF19的突變也能加劇arf2花器官脫落延遲的表型。這些影響生長(zhǎng)素合成途徑的轉(zhuǎn)錄因子可能通過(guò)控制花器官激素的梯度變化來(lái)影響衰老過(guò)程和器官脫落過(guò)程。影響乙烯和生長(zhǎng)素合成和信號(hào)途徑的兩組基因通過(guò)未知的機(jī)制共同影響擬南芥花器官的脫落過(guò)程。此外,還有一些影響擬南芥花器官脫落的基因被發(fā)現(xiàn)。遺傳研究表明,一個(gè)編碼F-box蛋白的HAWAIIANSKIRT基因也影響擬南芥花器官的脫落,但是它的作用并不是直接的,而是突變體花萼中下部部分融合使之不能直接脫落。擬南芥的果莢開(kāi)裂也涉及到類似于器官脫落的過(guò)程。在此過(guò)程中,兩個(gè)重復(fù)功能的MADS-box基因SHP1/2(shatterproof1/2)控制果莢離層的分化,而另外一個(gè)MADS-box基因FUL(fruitfull)是果莢發(fā)育的決定基因,FUL通過(guò)負(fù)調(diào)控SHP來(lái)共同平衡擬南芥果莢的正常發(fā)育。而在隨后的實(shí)驗(yàn)中,人們發(fā)現(xiàn)更多的基因參與擬南芥果莢離層(separationlayer)的發(fā)育過(guò)程,如圖1所示,FUL和RPL共同作用,限制離層發(fā)育的4個(gè)關(guān)鍵基因SH1、SH2、ALC(alcatraz)和IND(indehiscent)只在果莢離層表達(dá)。FUL抑制這4個(gè)基因在果莢中表達(dá)(虛線表示間接作用),而RPL(replumless)主要限制SH1/2以及ALC和IND在假隔膜(replum)中表達(dá)。最近又有新一層次的果莢離層發(fā)育的調(diào)控被鑒定,FIL(filamentousflower)、YAB3(yabby3)和JAG(jagged)3個(gè)基因在FUL和SHP、ALC和IND的上游共同促進(jìn)這幾個(gè)基因的表達(dá),而FIL、YAB3和JAG又受RPL的反饋抑制。AS(asymmetircleaves)在果莢中高水平表達(dá)從而抑制KNAT1/BP基因,而在假隔膜中低水平表達(dá)從而減弱對(duì)KNAT1/BP基因和RPL的抑制,KNAT1/BP基因通過(guò)調(diào)節(jié)RPL基因促進(jìn)假隔膜的發(fā)育。果莢的3個(gè)區(qū)域(果莢,果莢離層,假隔膜)由相互拮抗的兩組因子形成,即果莢決定因子(橢圓形)和假隔膜因子(六邊形)。果莢離層(長(zhǎng)方形)形成于果莢決定基因和假隔膜分化基因相互重疊的區(qū)域。上述因子形成一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制果莢離層發(fā)育(圖1)。Wu等鑒定了在擬南芥果莢離層中由7層細(xì)胞組成的區(qū)域,顯微觀察表明β-葡萄糖醛酸酶在這7層細(xì)胞中高度表達(dá),而這7層細(xì)胞是在花期15階段由細(xì)胞的不對(duì)稱分裂形成。研究發(fā)現(xiàn)IND控制果莢離層的7層細(xì)胞的不均等分裂。從目前看來(lái)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)并不完整,還需要加入更多的因子。在擬南芥中,還有一個(gè)MADS-box基因STK(seedstick)影響種子離區(qū)發(fā)育從而控制種子脫落。3主效ppa位點(diǎn)禾本科植物包含世界上最重要的糧食作物,如水稻、小麥等。作物的馴化過(guò)程發(fā)生于過(guò)去大約一萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)。從野生種中馴化選擇不易發(fā)生種子脫落(seed-shattering)的品種類型是人類文明史上最大的成就之一,是現(xiàn)代高產(chǎn)品種的最基本要求。在這漫長(zhǎng)的馴化過(guò)程中,人們有意識(shí)無(wú)意識(shí)選擇了控制理想谷粒脫落程度的等位基因,但直到近幾年人們才對(duì)其分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)有了突破性進(jìn)展。2006年,Li等利用秈稻品種和一年生野生稻作親本得到F2群體,對(duì)水稻中的落粒性狀進(jìn)行QTL遺傳分析,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)貢獻(xiàn)率為69%的主效QTL位點(diǎn),并且為顯性遺傳,命名為SH4,最終將其定位到水稻第4染色體的1.7kb范圍內(nèi)。這個(gè)基因編碼一個(gè)未知功能的轉(zhuǎn)錄因子,控制水稻的離區(qū)發(fā)育。隨后的亞細(xì)胞定位結(jié)果(定位在細(xì)胞核中)也支持SH4是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)表明栽培種與野生型的水稻落粒性只因第1個(gè)外顯子的單核苷酸改變而使栽培種中的賴氨酸代替了野生種中的天冬氨酸。人類歷史上對(duì)落粒性潛意識(shí)的選擇也正是對(duì)這個(gè)位點(diǎn)的選擇使水稻不再容易落粒。在水稻中另外一個(gè)與落粒有關(guān)的基因SHA1(shattering1)編碼的氨基酸同SH4的氨基酸有98%序列一致性,而且是等位基因。但兩者的不同之處在于,SHA1并不影響離區(qū)的形成。同年,Konishi等采用類似的方法,用易落粒的kasalath和不易落粒的nipponbare的F2代群體定位了一個(gè)貢獻(xiàn)率為68.6%的主效QTL位點(diǎn),該基因位于第1染色體長(zhǎng)臂,編碼BEL1類蛋白。互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證明單個(gè)QSH1就可以影響離區(qū)的發(fā)育。隨后研究發(fā)現(xiàn)QSH1是由SNP(singlenucleotidepolymorphism)控制的順式作用元件突變引起的,在突變的堿基區(qū)域是一個(gè)典型的AB13類轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的RY重復(fù)區(qū)。正是它的突變引起下游一個(gè)編碼蛋白(replumless的直系同源基因)表達(dá)的改變而引起落粒性狀變化,而此蛋白在兩個(gè)作圖親本的序列完全一致。隨后,Ji等又將另外一個(gè)落?；騍H-H定位于第7染色體的兩個(gè)SSR分子標(biāo)記RM8262和RM7161之間,分別相距1.6cM和2.0cM。水稻中另外一個(gè)影響落粒的基因是SPR3,該基因還影響水稻的穗型,該基因突變后水稻散穗,而且容易落粒。同源比對(duì)表明該基因并沒(méi)有序列相似的已知功能基因,因此是一個(gè)新的遺傳因子。4正離子基因突變對(duì)植物細(xì)胞發(fā)育的作用番茄花柄離區(qū)是一個(gè)位于花柄中部類似關(guān)節(jié)的顯著結(jié)構(gòu),番茄以其獨(dú)特的花柄結(jié)構(gòu)成為研究離區(qū)發(fā)育的又一理想植物。番茄離區(qū)發(fā)育控制基因J(jointless)是一個(gè)MADS-box基因,它的突變引起番茄果(花)柄離區(qū)的消失。遺傳分析發(fā)現(xiàn)J突變是由于第1個(gè)外顯子的部分序列連同起始密碼子的上游共939bp的堿基缺失引起的。轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)番茄果實(shí)離區(qū)正是由這個(gè)基因控制。同時(shí)發(fā)現(xiàn),在番茄中J對(duì)于花序分生組織特異性和每個(gè)花序分生組織花原基的保守性也是必需的。在突變體番茄中,花序發(fā)育是無(wú)限性,即生殖生長(zhǎng)可以再轉(zhuǎn)化到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng);而在野生型番茄中,花序發(fā)育是有限性的。這說(shuō)明控制離區(qū)發(fā)育基因功能的多樣性。在擬南芥中與J序列最相近的基因是SVP(shortvegetativephase),它們的蛋白一致性為69%。不同的是,SVP的功能在擬南芥中是抑制開(kāi)花,與離區(qū)發(fā)育并無(wú)關(guān)系。但在樹(shù)木大桉(Eucalyptusgrandis)中的同源基因EgrSVP影響花序發(fā)育,過(guò)量表達(dá)EgrSVP可以引起花序由有限性、單花序變?yōu)闊o(wú)限性、多花序等表型,類似于J的部分功能。對(duì)于J的蛋白結(jié)構(gòu)分析顯示,在其氨基酸序列C端有一個(gè)類似于AtZFP、AGL15和AGL18中存在的DLSLRL的氨基酸序列,即DTSLKL。在擬南芥中,這3個(gè)基因的過(guò)量表達(dá)株系都表現(xiàn)花器官脫落延遲。關(guān)于這種現(xiàn)象的具體分子機(jī)制并不清楚,但j突變體中離區(qū)的形成確實(shí)被阻斷。這些結(jié)果表明,這一氨基酸序列可能對(duì)植物器官的脫落過(guò)程起著很重要的作用。本實(shí)驗(yàn)室利用酵母雙雜交系統(tǒng)鑒定與J相互作用的候選MADS-box基因。結(jié)果表明,在擬南芥、番茄、金魚(yú)草的同源蛋白之間表現(xiàn)出相似的互作模式,但不同種屬之間也有不同;與J相互作用的8個(gè)候選MADS-box蛋白中的大多數(shù)互作得到了BiFC(bimolecularfluorescencecomplementation)系統(tǒng)的確認(rèn);MADS-box基因中的MADS結(jié)構(gòu)域增強(qiáng)了蛋白之間相互作用的特異性。所有的這些蛋白在植物開(kāi)花時(shí)間和花器官發(fā)育過(guò)程中都發(fā)揮著重要作用,表明J很可能在花器官的發(fā)育中扮演著更為重要的角色。本實(shí)驗(yàn)室以野生型番茄花柄為材料,離區(qū)兩側(cè)組織作為對(duì)照,用Affymetrix公司的番茄基因芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄譜分析。結(jié)果顯示,番茄離區(qū)特異上調(diào)表達(dá)的基因WUS(wuschel)、BL(blind)和LS(lateralsuppressor)等均與番茄花序分生組織發(fā)育密切相關(guān)。番茄莖尖分生組織的最內(nèi)層(L3層)決定番茄的離區(qū)發(fā)育。而WUS正是在L3層高度表達(dá),與我們的芯片結(jié)果顯示一致,表明WUS似乎與番茄花柄的離區(qū)發(fā)育密切相關(guān)。另外一個(gè)控制番茄離區(qū)發(fā)育的基因J2(jointless2)最近被定位在第12染色體近著絲粒部位,并初步確定此基因的候選基因?yàn)門oCPL1(c-terminalphosphatase-likegene),它編碼的蛋白有4個(gè)結(jié)構(gòu)域,即CTD類磷酸酶催化區(qū)、NL1互作區(qū)、BRCA1的C區(qū)和TFIIF互作CTD磷酸酶區(qū)。J2除了影響離區(qū)發(fā)育外,另外一個(gè)表型就是花序增生。J2與J在蛋白序列和結(jié)構(gòu)上都沒(méi)有任何相似性,而且J2的C端不存在DLSLRL類似序列。第3個(gè)影響番茄花柄離區(qū)發(fā)育的基因LS編碼一個(gè)VHIID蛋白,LS基因突變后,部分花柄離區(qū)發(fā)育受到影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在ls突變體中,大多數(shù)腋芽的分生組織不會(huì)形成,花中缺少花瓣。所以,在番茄中影響離區(qū)發(fā)育基因的作用都不是單一的,均不同程度地影響其他性狀如花序發(fā)育。由此我們可以推斷,番茄離區(qū)發(fā)育可能并不是一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程,而是花序分生組織發(fā)育中的一個(gè)子單元。此外,在番茄中,還有其他的一些基因本身并不影響離區(qū)的形成,但確實(shí)在器官脫落中起著一定的作用。在影響植物器官脫落的酶中,多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase)和葡聚糖酶(glucanase)是最重要的兩種酶,它們分別降解細(xì)胞壁中的果膠和纖維素。利用VIGS(virus-inducedgenesilencing)系統(tǒng)特異沉默TAPGs(tomatoabscission-relatedpolygalacturonases)基因,能夠延遲乙烯處理后番茄葉的脫落和增加葉片所需的斷裂力,表明此類基因在番茄葉脫落過(guò)程中的重要作用。番茄1,4-β-葡聚糖酶(cel2)反義抑制轉(zhuǎn)基因植株中,明顯增加了番茄果實(shí)離區(qū)的斷裂力。番茄中的CEL1(cellulase1)基因也參與番茄花脫落過(guò)程。delCampillo等從乙烯處理的番茄中分離到6個(gè)纖維素酶(cellulase),它們?cè)诜鸦ㄆ鞴俚拿撀?/p>