花发育分子生物学公开课一等奖课件省赛课获奖课件

植物花发育分子生物学第1页一、花发育特点：

花发育分为开花诱导、花发端和花器官发育3个阶段,是由多种基因参与十分复杂调控过程。首先,在外部环境和植物体内信号作用下,植物顶端分生组织从营养生长向生殖生长转变,这一过程主要受光周期促进、自发促进、开花抑制、春化促进和赤霉素诱导等多条途径共同控制。然后,这些途径综合作用于花/花序分生组织特异基因,致使茎端分生组织向花序(花)分生组织转化;接着,花/花序分生组织向成花转变,激活花器官特性基因体现,最后形成花器官。第2页第3页

近年来,通过对拟南芥、金鱼草和矮牵牛等模式植物花发育研究,分离判定了一大批与植物花发育有关基因,为说明植物花发育分子机理奠定了坚实基础,同步,也促进了数年生植物花发育分子机理研究。第4页二、开花诱导及其基因调控

植物顶端分生组织从营养生长向生殖生长转变受控于外界环境和植物体内在信号,这一过程称为开花诱导，也叫开花决定。不一样植物进化过程中演化出不一样生殖策略：某些植物开花时间受光照、温度、水分、营养等环境因子影响，以使植物能在最适条件下开花成果。另某些植物对环境变化不敏感，由营养生长积累量等内部信号引发开花。缺乏营养和干旱等胁迫也可引发开花。

第5页汉字名称拉丁学名科属童期长度月季Rosa×hybrida蔷薇科蔷薇属20–30天葡萄Vitisspp.葡萄科葡萄属1年兰花（草本）Cattleya,Cymbidium,Oncidium兰科4–7年苹果Malussylvestris蔷薇科海棠属4–8年柑橘Citrussinensis芸香科柑橘属5–8年洋常春藤Hederahelix五加科常春藤属5–23年北美红杉Sequoiasempervirens杉科北美红杉属5–23年欧亚槭Acerpseudoplatanus槭树科槭树属15–23年英国栎Quercusrobur壳斗科栎属25–30年欧洲山毛榉Fagussylvatica壳斗科水青冈属30–40年不一样木本园艺植物童期长度第6页汉字名称拉丁学名品种名科属成年期需具有叶片数(枚)耧斗菜Aquilegia×hybridaMckana’sGiant12Fairyland毛茛科耧斗菜属15蒲包草Calceolariaherbeohybrida玄参科蒲包花属5翠菊Callistephuschinensis菊科翠菊属4大花金鸡菊CoreopsisgrandifloraSunray菊科金鸡菊属8天人菊Gaillardia×grandifloraGoblin菊科天人菊属16红花矾根HeucherasanguineaBressingham虎耳草科矾根属19薰衣草LavandulaangustifoliaMunstead唇形科薰衣草属18金光菊RudbeckiafulgidaGoldsturm菊科金光菊属10不一样草本园艺植物童期长度第7页

开花诱导是植物生殖生长启动第1阶段,目前已证明开花是受光周期促进、春化促进、自发促进、赤霉素诱导、开花抑制、和碳水化合物诱导等多条途径控制。这些途径通过调控某些开花途径共同控制整合基因,如FLOWERINGLOCUST(FT)、LEAFY(LFY)、SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANS1(SOC1)和FLOWERINGLOCUSC(FLC)等,实现对植物开花时间调控。其中LFY也在花/花序分生组织形成中起作用。第8页第9页

图花发育基因之间遗传模式

第10页第11页光周期诱导途径

在光周期途径中,感受光诱导部位是植物叶片,感受光物质是光受体。光受体大体可分为3类,即光敏色素(phytochromes)、隐花色素(cryptochrome)和紫外线B类受体(ultravioletB)。远红光、蓝光通过促进PHYA和CRY1/2促进开花，红光通过PHYB/D/E抑制开花。光受体感受日长和夜长,产生昼夜节律(circadianrhythm)。这时光受体本身(或与其有关某些物质之间)会形成某种平衡;当昼夜节律发生变化时,这种平衡就会被打破,促进(或抑制)某些基因体现,从而启动(或抑制)开花进程。第12页

模式植物拟南芥在长日照条件下,昼夜节律平衡被打破,CO基因在叶中体现量上升,CO基因体现积累到一定阈值会诱导FT基因体现。目前FT基因mRNA(或蛋白)被以为是促进开花关键因子。FT基因在叶中体现,其体现产物被运输至顶端分生组织与FD蛋白结合,从而激活花分生组织决定基因LFY和AP1体现,启动开花进程。LFY基因是花序分生组织转变为花分生组织过程中一种关键因子,它能够促进AP1、AP3、AG和PI体现。第13页2.春化途径

春化作用与蛋白质和核酸代谢关系密切。也有学者以为,春化作用参与调整发育过程化学本质是DNA甲基化作用。FLC基因在拟南芥春化过程中起着关键作用,AP1-like基因则在其他也需要春化作用非十字花科植物中起类似作用。目前分离到与春化作用有关基因有FLC、VRN2、VRN1、VIN3、VER2、PIE1、HP1、TFL2和ELF等。第14页汉字名称拉丁学名光周期诱导春化诱导赤霉素诱导金盏菊Calendulaofficinalis兼性长日照植物0–5°C处理10–45天100mg·L–1GA3喷施提前18天开花唐菖蒲Gladiolusgandavensis日中性植物2–5°C处理8周20mg·L–1GA3浸球促进开花仙客来Cyclamenpersicum日中性植物0–4°C处理10–15天20mg·L–1GA3处理花期提前紫罗兰Matthiolaincana日中性植物5–10°C处理20天左右GA3(25×10–5kg·L–1)喷雾处理可促进开花菊花Chrysanthemummorifolium短日照植物0–5°C苗期越冬GA3在0–200mg·L–1，随浓度增加开花加快杜鹃Rhododendronsimsii专性短日照植物–10°C处理4–6周500–2000×10–6kg·L–1GA3花期提前德国鸢尾Irisgermanica长日照植物可耐–15°C低温,入秋后摆在室外至上冻低温和GA3处理可使花期提前八仙花Hydrangeamacrophylla长日照植物0°C处理4–6周GA30–250mg·L–1可促进开花，浓度高开花早百合Liliumspp.兼性长日照植物0–13°C处理30–110天100–500mg·L–1GA3处理花期提前兼性方式诱导成花部分观赏植物第15页3.赤霉素(GA)途径GA途径中,GA介导DELLA蛋白降解分子机制目前研究得比较清楚。DELLA是C端保守,N端存在DELLA和VHYNY2个保守酸性构造域一类蛋白总称,属于GRAS(GAI、RGA和SCR)蛋白家族。DELLA蛋白位于细胞核中,在没有GA情况下,它阻遏植物发育;但当DELLA蛋白上GA信号感知区接收到GA信号后,这种蛋白阻遏作用便被解除。植株体现出正常GA反应和生长发育。假如变化DELLA蛋白构造,植物就不能感知GA信号。在拟南芥中,GA通过促进整合子基因SOC1、LFY和FT体现促进开花。第16页4.自主途径

自主途径是一条独立成花诱导途径,现已克隆与之有关基因主要有FLD、FCA、FPA、FY、FVE和LD。FCA和FPA编码RNA结合蛋白;FY编码与mRNA3'端加工有关蛋白;LD编码具有核定位信号蛋白,与植物DNA-结合构造域有比较高同源性;FLD编码一种与人组蛋白去乙酰化酶复合体同源蛋白,FLD突变后使FLC染色质组蛋白乙酰化,FLC体现量上升,进而抑制开花。自主途径和春化途径通过一种MADS盒类转录因子——FLOWERINGLOCUSC(FLC)调控LFY和AP1等基因体现,控制成花过程。第17页

在拟南芥中主要通过变化FLC染色体构造来控制成花进程。遗传学试验证明,自主途径是由某些通过RNA加工修饰蛋白和表观遗传学修饰蛋白来抑制FLC体现;但并不是所有自主途径突变体都会使FLC发生组蛋白乙酰化,在自主途径中尚有其他抑制FLC体现方式。春化作用主要使FLC启动子和第1个外显子染色质组蛋白H3-K9和H3-K27双甲基化程度升高,从而造成FLC体现量变化。另外,在光周期刺激下,通过上调GA20X1基因体现,能够使许多长日照植物叶片中GA合成量增加;在拟南芥中,低温处理可提升AtGA20ox1、AtGA20ox2、AtGA3ox1和AtGA3ox2体现量,进而提升GA浓度。第18页三、花发端

植物顶端分生组织向花分生组织转变，由花分生组织特异基因控制，此类基因在成花转变中被激活，又控制着下游花器官特性基因和级联基因体现。植物开花途径整合基因体现激活花/花序分生组织特异基因,如FRUITFUL(FUL)、CAULIFLOWR(CAL)、LFY和APETALA1(AP1)等,造成茎端分生组织向花序(花)分生组织转化,形成花序(花)分生组织,这一过程称为花发端。其中AP1

在花器官发育中还控制萼片和花瓣发育。第19页

LFY基因是控制茎向花转变一种主要基因，其强突变体基部花完全转变为叶芽，顶部花体现为部分花特性。虽然LFY基因失活，最后仍能开花，表白尚有其他基因促进花序向花转变。AP1功能与LFY部分冗余，其体现晚于FLY，二者具有加性效应，能互相促进。组成型体现FLY和AP1能提早开花。

CAL、AP2、UFO等基因也属于花分生组织特异基因，辅助LFY、AP1促进花分生组织形态建成。

TFL1保持花序分生组织不终止性，抑制花原基分化，其突变体花期提前，无限花序以单花终止，侧枝发育成单花。AG基因除控制生殖器官发育外，也参与花分生组织发育，控制其终止性。第20页四、花器官发育有关基因

植物成花转变中,由于花/花序分生组织特异基因体现,

激活了花器官特异基因,从而形成花器官。花器官发育由器官特异性基因控制，该类基因又称为同源异型基因（homeoticgenes），决定一系列反复单位特性，如花轮，其时间和空间体现模式十分精确，在某一细胞中特定基因组合即决定其发育形态。第21页

通过对拟南芥和金鱼草花同源异型突变体研究，Coen和Meyerowitz(1991)提出花器官发育ABC模型，该模型是20世纪90年代植物发育生物学研究主要里程碑。它使人们能够通过变化ABC三类基因体现而控制花构造。之后,伴随花特异基因不停发觉,后人对该模型进行了补充,形成了目前被子植物花发育ABC(DE)模型。（一）ABC模型第22页第23页第24页

拟南芥花代表了大多数被子植物花构造，它由4轮同心花器官组成，由外向内分别为：花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊。器官特异性基因分为A、B、C三类，每类基因分别控制相邻两轮花器官发育，即第1轮花萼发育由A类基因控制，第2轮花瓣由A、B共同控制，第3轮雄蕊由B、C共同控制，第4轮雌蕊由C基因单独控制。另外，A、C两类基因互相拮抗，即A类基因能够抑制C类基因在1-2轮体现，C反过来也能抑制A在3-4轮体现。第25页被子植物花器官构造第26页第27页第28页

ABC三类基因空间体现特异性主要在转录水平上调整。除AP2外，其他基因均在相邻两轮转录，AP2在四轮均转录，但只在1-2轮体现。后来又发觉FBP7/11控制矮牵牛胚珠和胎座发育，Angenent和Colombo1996年提出将ABC模型延伸为ABCD模型，将控制胚珠发育基因列为D基因。第29页

除AP2外，ABC三类基因均包括一种高度保守构造域，即MADSdomain。具有该保守区基因属于MADSbox基因家族，编码转录因子，参与花发育级联反应，植物中MADSbox基因构造相同，具有高度保守MADS区（M），中度保守K区（K），M区和K区间插入中间区（I）和C末端区（C）。某些基因具有N末端（N），M区N端能够和特定DNA序列结合，C端参与二聚体及多聚体形成，K区位于M区下游，对于选择性形成二聚体具有主要作用，I区不保守，长度各异。第30页A功能基因

在拟南芥中,A类基因包括APETALA1(AP1)和AP2。A类、B类(AP3和PI)和E类基因(SEP)一起控制花瓣发育(Theissen,2023)。AP1功能缺失突变体花器官向营养器官转变,转AP1基因植株开花时间提前。第31页2.B功能基因

拟南芥B类基因只有APETALA3(AP3)和PISTILLATA(PI)2个。B类基因在花瓣和雄蕊中体现。B类基因与AP1和SEP基因一起,共同控制花瓣发育,与AG和SEP基因一起共同控制雄蕊发育。第32页3.C功能基因

拟南芥中C类基因仅有AGAMOUS(AG)1个。AG在第3、4轮花器官中体现抑制A类基因AP1

体现,AG与B类基因AP3和PI,以及E类基因SEP一起共同控制雄蕊发育,与SEP基因一起控制心皮形成。拟南芥AG突变体雄蕊转变成花瓣和心皮,并以萼片、花瓣和花瓣模式数次反复,成为重瓣花。第33页4.D功能基因

拟南芥中尚有某些基因与C类基因同源性较高,但功能却与C类基因有所不一样,如SHATTERPROOF1

(SHP1)和SHP2(也称为AGL1和AGL5)。SHP1和SHP2功能冗余,在心皮和果实中特异体现,其双基因突变体由于角果裂开区不能木质化而不能开裂。SHP1和SHP2与在胚珠中特异体现AGL11和AGL13基因一起,被归为D类基因。第34页5.E功能基因

在拟南芥中,SEP1、SEP2和SEP3等SEP类基因被称为E类基因。SEP类基因可与A类、B类和C类MADS-box基因互相作用,如SEP3与AG、AP1以及PI/AP3二聚体结合,在不一样花器官中起作用。SEP1和SEP2在4轮花器官形成层中都有体现,当花器官形成后体现量减少。SEP1也在胚珠未成熟胚和种皮内高体现,

SEP3主要在花瓣雄蕊和心皮中体现。第35页第36页（二）花对称性模型

金鱼草花为背腹不对称，通过对其突变体研究，发觉CYC、RAD、DICH、DIV等基因与不对称构造有关。前三个控制背部特性，DIV控制腹部特性。

金鱼草花形态（Stubbe，1966）（A，金鱼草花正面观；B金鱼草花侧面观；d，背部花瓣；l，侧部花瓣；v，腹部花瓣）第37页

根据Endress对花型分类办法,将高等植物花型划分为3种:

多对称性(polysymmetric)花：有多种对称面花,如:辐射对称拟南芥花

单对称性(monosymmetric)花：仅有一种对称面花,如两侧对称百脉根花。

不对称(asymmetric)花：无任何对称面花。第38页

高等植物多种形态花和三种基本花型（Endress，2023；Jabbouretal，2023）第39页

系统进化观点以为，不一样物种两侧对称花型是由原始辐射对称花型通过不一样祖先数次反复独立进化而来，其目标是为了适应传粉者需求，由于沿背腹轴向上花器官特化在保护花内轮雌性器官或雄性器官以及在吸引昆虫传粉方面起着主要作用。英国JohnInnes研究中心Coen试验室第一次在模式植物金鱼草(Antirrhinummajus)中揭示了决定花对称性发育分子机理,利用突变体克隆了与花对称性发育有关CYCLOIDEA(CYC)和DICHOTAMA(DICH)基因(Luo等1996,1999)。从此揭开了，对控制花对称性基因研究序幕。第40页金鱼草野生型、cyc和cyc/dich双突变表型（Luoetal1996）(d，背部花瓣；l，侧部花瓣；v，腹部花瓣)金鱼草野生型（A、B）和dich(C、D)单突变体表型（Luoetal，1996）第41页

CYC和DICH共同控制了金鱼草背部花瓣属性，这两个基因同属于一类植物特有TCP家族转录因子。

cyc突变体主要体现为花第二、三轮花器官变化：侧部花瓣展现腹部花瓣特性，而背部花瓣体现为背部与侧部花瓣相结合特性，有花器官数目增多，有6枚花瓣。而金鱼草中另外一种CYC同源基因DICH突变后，背部花瓣变宽并且变得内部对称。cyc/dich双突变体表型更为显著：所有花瓣均展现腹部花瓣特性，花型由两侧对称变成辐射对称。CYC虽然只在背部花瓣体现，不过其突变体侧部花瓣发育也受到影响，这说明该基因在侧部花瓣以非细胞自主性行使功能。第42页

DIV决定了腹部花瓣属性。DIV编码具有两个MYB保守域MYB转录因子。在CYC、DICH、DIV均突变情况下，所有5枚花瓣均呈侧部属性，这说明在CYC和DICH功能缺失背景下，DIV能够决定所有花瓣为腹部属性。在cyc和dich突变体中DIV转录水平没有变化，表白CYC和DICH对于DIV调控是发生在转录后水平。在野生型金鱼草中，DIV转录存在于所有花瓣中，但在花发育后期，DIV在腹部区域体现会略有升高。第43页

RAD编码一种只有93个氨基酸MYB转录因子，这个蛋白只有一种MYB保守域。CYC和DICH在背部区域体现激活了RAD，因此RAD基因也同样控制了背部属性。由于RAD和DIV蛋白同源性，RAD很也许通过与DIV目标序列结合从而起到竞争作用，或者直接与DIV结合从而抑制DIV在花原基背部及侧部功能。第44页第45页第46页第47页五、花色有关基因

植物花色主要由三大类色素决定:类黄酮(包括花青素)、类胡萝卜素和甜菜色素。花青素是类黄酮家族中主要呈色物质。通过对花青素合成份支途径关键节点基因进行调控,人们成功地取得了某些花色改良观赏植物新品种。VanderKrol等(1988)初次将花青素合成途径上游CHS基因反义导入矮牵牛(Petuniahybrid),抑制生成花青素苷前体柚皮素等合成,引发矮牵牛花色变化,为分子育种改良花色带来希望。导入单个外源基因使花色发生变化尝试,近年来有许多成功案例,尤其是在缺乏蓝色系物种中导入有“蓝色基因”之称F3'5'H基因,启动了蓝色花育种大门。第48页第49页第50页第51页第52页第53页受体植物分子设计性状变化参照文献矮牵牛(Petuniahybrid)抑制内源CHS体现粉色变为白色VanderKroletal.,1988抑制内源F3‘5’H体现蓝色、紫色变为浅蓝色、浅粉色Shimadaetal.,2023过体现长春花F3‘5’H红色变为深红色,紫色花斑Morietal.,2023抑制内源F3‘H体现+过体现月季DFR红色变为橙色Tsudaetal.,2023过体现PH5紫色变为红色Verweijetal.,2023龙胆(Gentianasp.)通过RNAi抑制CHS体现蓝色变为白蓝-白Nakatsukaetal.,2023通过RNAi抑制F3‘5’H和A5/3‘AT体现蓝色变为淡紫-白蓝Nakatsukaetal.,2023仙客来(Cyclamenpersicum)通过RNAi抑制F3‘5’H体现紫色变为红-粉Boaseetal.,2023蝴蝶兰(Phalaenopsisamabilis)通过RNAi抑制PeUFGT3体现红色变为白色Chenetal.,2023b月季(Rosachinensis)过体现三色堇F3‘5’H+鸢尾DFR+月季DFRRNAi红-白青变为浅蓝色Katsumotoetal.,2023月季CHS启动子+三色堇F3‘5’H+菊花F3‘HRNAi粉色变为蓝色Bruglieraetal.,2023菊花(Chrysanthemummorifolium)特异型F3H启动子+风铃草F3‘5’H+乙醇脱氢酶5‘UTR区作为增强子红-紫变为蓝紫色Nodaetal.,2023通过RNAi抑制CmCCD4a体现白色变为黄色Ohmiyaetal.,2023烟草(Nicotianatabacum)抑制内源F3‘H和FLS+过体现非洲菊DFR粉色变为红色Nakatsukaetal.,2023过体现瓜叶菊F3‘5’H粉色变为紫色Sunetal.,2023a蓝目菊(Arctoti