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水稻小穗器官发生分子调控机制的研究进展

发布时间:2019-10-25所属分类:农业论文浏览:1

摘 要 :小穗是否正常发育直接影响水稻的产量和后代繁殖,其发育的分子调控机制一直是作物生殖发育研究的热点之一。水稻小穗发育包括花分生组织命运决定及转变、退化颖片和不育外稃的发育、花器官属性确立和形态建成,以及花分生组织终止生长等一系列连续的

  摘 要 :小穗是否正常发育直接影响水稻的产量和后代繁殖,其发育的分子调控机制一直是作物生殖发育研究的热点之一。水稻小穗发育包括花分生组织命运决定及转变、退化颖片和不育外稃的发育、花器官属性确立和形态建成,以及花分生组织终止生长等一系列连续的过程。重点介绍近年来国内外研究者在四聚体模型、内外稃属性、花分生组织命运转变以及小穗发育的表观遗传调控等方向的最新研究进展。

水稻小穗器官发生分子调控机制的研究进展

  关键词 :水稻 ;小穗器官发生 ;四聚体模型 ;激素 ;表观遗传调控

  花器官发育是植物生命周期中至关重要的一步,不仅关系到植物物种的延续,在农业生产中还直接决定种子的形成和农作物的产量 [1-2]。因此,花器官发育的分子调控机制一直是植物和作物学家研究的重点和热点 [3-6]。经典的花器官发育 ABCDE 模型是建立在对拟南芥、金鱼草和矮牵牛的同源异型突变体研究的基础上提出的,用以阐述花器官属性建立与发育的遗传学调控机制,其主要内容为 : A 类基因单独决定最外轮花萼的属性建立和发育, A 类和 B 类基因共同控制第二轮花瓣的属性建立和发育,B 类和 C 类基因共同决定第三轮雄蕊的属性建立和发育,C 类基因控制第四轮心皮的属性建立和发育,C 类和 D 类基因冗余决定心皮内胚珠的属性建立和发育,而 E 类基因确定花属性并参与每一轮花器官的属性建立和发育 [7-8] ( 图 1)。在该模型中, A 类基因与 C 类基因表达是相互拮抗的,抑制对方在自身所控区域的表达 [5]。后续研究表明,除了 A 类 APETALA2 (AP2) 基因编码 AP2/EREBP (ethyleneresponsive element binding protein) 转录因子外 [9],其他 ABCDE 基因都属于 MADS-box 家族,编码 MIKCC 型的 II 类 MADS-box 转录因子 [10-12]。进一步的生物化学和分子生物学研究结果阐明了 ABCDE 模型的分子基础——花发育的“四聚体模型”,即花器官发育过程中,MADS-box 蛋白组合成特异的四聚体来调控靶基因的表达,从而调控各轮花器官的属性建立和发育,其中 E 类蛋白在四聚体中具有“胶水”的作用,可以和 A、B、C、D 类蛋白形成不同的四聚体 [8,13]( 图 1)。上述调控模型在双子叶植物研究中被广泛接受,但相较于双子叶植物,单子叶植物的花器官不论是形态还是发育过程都存在很大的差别,同时单子叶植物外轮花器官的属性和起源一直存在争议,与双子叶植物各轮花器官的对应关系仍无法完全确定 [14-15]。因此,单、双子叶植物花的发育过程可能具有不同的分子调控机制。近年来,国内外科学家以单子叶植物水稻为模式植物,在水稻等作物小穗器官发育的研究中取得了长足进展,本文就水稻小穗器官发育分子调控机制的最新研究进展进行综述。

  1 水稻小穗发育的ABCDE模型及四聚体模型的最新进展

  小穗是禾本科植物所特有的结构,是构成禾本科花序结构的基本单位,其发育与产量高低密切相关 [16]。水稻是理想的单子叶模式植物和最重要的粮食作物之一,相较于拟南芥的花,水稻小穗具有独特的结构特征,它由两对颖片 (glume) 和一朵可育小花 (floret) 构成。基部一对退化的颖片 (rudimentary glume) 呈高度缩减的叶状,一对不育外稃 (sterile lemma,或称为空颖,empty glume) 互生在退化颖片上部 [17-18]( 图 2)。水稻小花结构呈两侧对称,具有数目特定的五类花器官,由外向内依次为一个苞叶状的外稃,一个内稃,第二轮外稃侧的两个肉质或鳞片状的浆片,第三轮的六枚雄蕊与第四轮的一枚雌蕊 [15-16]( 图 2)。除了最内两轮生殖器官,其余各非生殖器官的起源与属性存在争议,因为其形态不同于双子叶植物,甚至是其他禾本科植物 [14-15,19]。近年来的研究进展为这些争议提供了新的视角和思路。现有的研究结果表明,水稻中 B、C、D 类基因的表达模式和功能在被子植物中,甚至在裸子植物中都是十分保守的 [20-27]。相较于 B、C、D 类基因,被子植物 A 和 E 类基因的功能仅被部分揭示。下文主要对水稻中这两类基因的最新研究进展进行阐述。

  1.1 水稻A类基因的最新进展

  被子植物 A 类基因的概念一直以来存在争议。 ABCDE 模型的定义是 :拟南芥的两个 A 类基因 APETALA1 (AP1) 和 APETALA2 (AP2) 功能缺失后,与之拮抗的 C 类基因异位表达,在第一、二轮会分别产生异位的心皮和雄蕊。然而受到环境条件和遗传背景的影响,二者的功能缺失突变体 ap1 和 ap2 的最外两轮器官可能发育成叶状或苞叶状的结构,甚至缺失 [28-29]。因此,即使在拟南芥中,A 类基因的功能也未被明确定义。另一方面,在除拟南芥以外的几乎所有被研究的植物中,科研人员并没有发现第一、二轮花器官属性同时受影响的隐性突变体。因此,A 类基因的界定和功能发掘等科学问题仍亟待解决。

  由于相关突变体的缺乏,单子叶植物 A 类基因 AP1/FUL (FRUITFULL) 的同源基因的功能研究进展缓慢。水稻基因组中有4个AP1/FUL类基因,分别为 OsMADS14 ( 或 RAP1B)、OsMADS15 ( 或 RAP1A)、 OsMADS18 ( 或 OsMADS28) 和 OsMADS20[30-33]。截至 2010 年,人们仅获得 OsMADS15 的突变体 dep (degenerative palea) [30]。AP1/FUL 类基因的功能研究在近期取得了突破,Wu 等 [34] 的研究结果表明, OsMADS14 和 OsMADS15 的表达受温度影响。在低温下 osmads14 的内稃变小,浆片同源异型转化为雄蕊状或纸片状器官 ;在低温下 osmads15 的内稃也变小,但内轮花器官无明显缺陷。随后,Wu 等 [34] 对以上突变体进行杂交,发现 osmads14 osmads15 双突变体的花序不能从剑叶中抽出,因此利用杂合双突变体开展研究。osmads14 osmads15/+ 杂合双突变体的内稃向纸片状或心皮状器官转化,浆片向纸片状或雄蕊状器官转化。osmads14/+ osmads15 杂合双突变体的表型更为强烈,茎节上长出腋芽和根状器官,花序变短且不能伸出剑叶,退化点上苞叶减少而长出叶,一些小穗甚至转变成幼苗,退化颖片、不育外稃和外稃向叶状器官转化。这些结果表明 OsMADS14 和 OsMADS15 不仅决定分生组织属性,也决定第一轮的内稃和第二轮的浆片的属性。

  特异干扰 OsMADS18 仅导致结实率稍微下调,而特异干扰 OsMADS20 不引起任何表型,表明二者可能并不参与花器官属性的决定 [32,34]。另外,不论在 osmads15 的背景下同时敲除 OsMADS14 和 OsMADS18,还是在野生型中同时干扰 OsMADS14、OsMADS15、 OsMADS18 和 OsMADS20,均能引起相似的花器官缺陷,包括颖片和外稃向叶状器官转化,内稃向心皮状转化,以及浆片转化成纸片状或雄蕊状等。此外,水稻 OsMADS14 和 OsMADS15 能很好地互补拟南芥 ap1 突变体,但仅能使拟南芥 ful 果荚的表型部分恢复 ;OsMADS18 完全不能互补 ap1,但能完全恢复 ful 的果荚大小 [34]。因此,上述研究证明 OsMADS14 和 OsMADS15 是水稻中的花同源异型 A 类基因,二者调控水稻内外稃和浆片的属性建立,在被子植物中具有调控花分生组织活性和非生殖器官属性建成这一保守的功能。

  1.2 水稻E类基因的最新进展

  行使 E 类功能的 SEPALLATA (SEP) 类 MADSbox 转录因子与被子植物和花的出现密切相关 [35-36]。 SEP 亚家族能与其他花同源异型 MADS-box 亚家族形成蛋白复合体,决定各轮花器官的属性 [13,37]。在被子植物进化过程中,SEP 类基因通过复制事件产生了两个主要分支——LOFSEP 分支和 SEP3 分支 [35-36]。在单子叶模式植物水稻中,LOFSEP 分支包含三个基因 OsMADS1、OsMADS5 和 OsMADS34,而 SEP3 分支包括两个基因 OsMADS7 和 OsMADS8。目前在水稻中已有一些关于 LOFSEP 基因功能的研究报道 [31,38-46]。我们团队前期对 OsMADS1 和 OsMADS34 基因的功能及二者的遗传互作进行了研究,揭示了 OsMADS1 与 OsMADS34 在水稻花发育中的作用,二者共同调控包括内外稃、浆片、雄蕊和雌蕊在内的水稻花器官的发育 [41,44,47]。

  Cui 等 [48] 利用 RNAi 技术将除 OsMADS34 以外的所有水稻 SEP 基因沉默,结果导致除外稃以外的所有花器官向叶状器官同源异型转化。但是,水稻 LOFSEP 与 SEP3 分支的特异功能并不明确。研究表明,不管分别或者同时抑制 OsMADS1 和 OsMADS34 都足以引起剧烈的表型 [31,38-40,42,44,48],暗示水稻中 LOFSEP 类基因存在更多的功能分化。另一方面,前期的研究仅报道一个 OsMADS5 等位突变体具有微弱表型,所以推测该基因在小穗发育中可能只扮演了次要角色 [39]。

  为了深入研究水稻 LOFSEP 分支在小穗属性建立及形态建成中的功能,我们构建了 osmads1/5/34 (lofsep) 三突变体及所有的双突变体组合 [49],发现 lofsep 单、双、三突变体的小穗呈现出逐渐的、剂量依赖的向叶状结构的转化,从遗传和分子水平上揭示了 LOFSEP 基因 OsMADS1、OsMADS5 和 OsMADS34 冗余调控水稻小穗属性建立和花分生组织决定性。与双子叶植物不同的是,在内三轮小穗器官发育过程中,LOFSEP 基因通过对 B、C、AGL6 和 SEP3 类基因的转录激活来行使调节功能。此外,我们的研究还证明 LOFSEP 具有植物 SEP 类蛋白典型又保守的特性 :可与其他 MADS-box 同源异型蛋白互作形成蛋白复合体 [49]。这些结果有助于更好地理解 SEP 类转录因子在被子植物进化过程中的保守性和多样性。

  1.3 水稻ABCDE类蛋白的互作关系

  上述对水稻 SEP 蛋白功能的研究进一步暗示,花发育“四聚体模型”同样适用于解释水稻小穗发育的分子机制,水稻中甚至可以形成非 MADS 转录因子的更高阶复合物 [13,50-53]。但是,SEP 蛋白如何特异地在不同花器官发育时期起到“胶水”的作用,介导 A、B、C、D 以及 AGL6 类花同源异型蛋白装配成各轮花器官属性决建立特有的 MADSbox 蛋白复合体仍然缺少深入的研究。Wu 等 [34] 的研究表明,OsMADS14 和 OsMADS15 能分别形成同源二聚体,而 OsMADS18 不能 ;此外,OsMADS14、 OsMADS15 和 OsMADS18 能两两形成异源二聚体。 OsMADS1被报道能与OsMADS14和OsMADS15 (A 类 )、OsMADS16 (B 类 )、OsMADS3 和 OsMADS58 (C 类 )、OsMADS13 (D 类 )、OsMADS6 (AGL6 类 )、 OsMADS7 和 OsMADS8 (SEP3 类 ) 互作,以及自身形成较弱的同源二聚体 [41,48,54-55]。OsMADS34 同样能形成同源二聚体,或与 OsMADS14、OsMADS15、 OsMADS18、OsMADS58、OsMADS6 和 OsMADS17 形成异源二聚体 [43,45]。我们的研究进一步发现 OsMADS5 与 OsMADS34 具有类似的功能,可与候选的 A、B、C、D、E 和 AGL6 类花同源异型蛋白互作 [49]。水稻 MADS-box 同源异型蛋白的互作关系总结于图 3 [23,32,34,36,41,43,45,48-49,54-59]。由此可见,水稻小穗发育过程中,MADS-box 蛋白可形成不同阶的蛋白复合体,精确调控各轮花器官的属性建立和形态建成 ( 图 2)。

  1.4 水稻小穗发育的转录激活与高阶蛋白复合体模型

  基因表达调控的时空特异性可能在蛋白四聚合体形成中扮演着重要的角色。拟南芥中的研究结果显示,SEP 蛋白很可能会结合到 B、C 基因的启动子上,以确保其正确的表达水平 [60],但 B、C 类基因在花原基中的表达模式并不严格依赖于 SEP 的激活 [61]。拟南芥 sep1 sep2 sep4 (lofsep) 三突变中 SEP3 仍在表达且足以独自提供 E 类功能 [62],暗示 SEP3 并非是 LOFSEP 基因的下游。不同的是,在水稻 lofsep 突变体中,B、C、AGL6 和 SEP3 类基因表达剧烈下调,暗示 LOFSEP 基因可能会通过对其他花同源异型 MADS-box 基因的初始激活来调控花器官的属性建立与分生组织的决定性 [49]。一种可能的解释是,其他花同源异型 MADS-box 基因是 LOFSEP蛋白的直接作用靶标,但这一猜想的验证有赖于获得可用于染色质免疫共沉淀 (ChIP) 试验的高效抗体。目前已经证明水稻 AGL6 类成员之一的 OsMADS17 是 OsMADS1 的直接下游 [41],为上述猜测提供了部分依据。但是,LOFSEP 通过怎样的机制来激活其他花同源异型基因的表达仍然是一个值得深入研究的生物学问题。

  拟南芥中的研究结果表明,SEP-AP1 复合体是 B、C 功能基因的激活子 [53,63-64] ;通过构建 AP1、 CAL、SEP1/2/4 间的高阶突变体和过表达 SEP4,进一步证实了拟南芥 LOFSEP 基因确实是花分生组织属性的促进子 [62]。有意思的是,近期的研究显示水稻 osmads14 osmads15 双突变体花器官呈现外轮叶状苞叶、纸片状浆片及其他花发育缺陷,表型与 osmads1-z osmads5-3 osmads34-1 (lofsep) 三突变体非常相似 [34,49],暗示在内三轮小穗器官发育过程中,水稻 LOFSEP 类和 AP1 类蛋白可能形成复合体,共同激活 B、C、D、AGL6 和 SEP3 类基因的表达。这也说明了在内轮生殖器官进化过程中,禾本科与双子叶植物存在着十分相似的分子调控机制。而在外轮小穗器官 ( 不育外稃、外稃和内稃 ) 的发育中,水稻 LOFSEP 类和 AP1 类基因的功能出现了分化,被招募来特异调控这些非生殖器官的发育。水稻的不育外稃、外稃以及内稃是单子叶禾本科进化产生的,特有地包围着花的苞叶类器官,下文将对其属性和发育的分子调控机制进展进行概述。

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  2 水稻不育外稃的属性及发育调控机制

  不育外稃是仅存于稻属,而不存在于其他禾本科中的一个特有结构 [65],关于不育外稃的起源存在诸多猜测 [18-19,66]。其中,被广泛认可的是“三花小穗” 假说,该观点认为水稻小穗可能是由三朵小花退化而来,水稻祖先的小穗包括一朵可育的顶生花以及两朵侧生小花,在进化过程中两朵侧生小花的外稃退化成不育外稃,其内稃和内轮生殖器官则完全消失 [18,67]。近年来的多篇报道为这一猜想提供了直接的理论依据。

  G1/ELE (LONG STERILE LEMMA/ELONGATED EMPTY GLUME) 编码陆生植物所特有的 ALOG (ARABIDOPSIS LSH1 AND ORYZA G1) 类蛋白,G1 功能缺失会导致不育外稃延长、向外稃状结构转化,表明不育外稃可能是由外稃退化而来 [68]。OsMADS34/ PAP2 (PANICLE PHYTOMER2) 也是决定不育外稃属性的基因,突变后不育外稃的表型与 g1/ele 类似 [42,44-45]。G1/ELE 与 OsMADS34 同时突变后,与各 单 突 变 相 比, 不 育 外 稃 变 得 更 长 更 宽, 且 OsMADS34 与 G1/ELE 互不影响对方表达,揭示 G1/ELE 与 OsMADS34 协同调控水稻不育外稃的形态建成 [69]。表达模式分析表明,在野生型水稻不育外稃中检测不到 OsMADS1 的表达,而 OsMADS5 与 OsMADS34 均在不育外稃原基及成熟的不育外稃中表达 [49]。OsMADS34 通过直接或间接抑制外稃属性基因来调控不育外稃发育 [46]。OsMADS34 可能在不育外稃发育过程中抑制外稃属性基因 OsMADS1 的表达,而异位表达 OsMADS1 能产生外稃状的不育外稃 [38,70]。OsMADS5 与 OsMADS34 同时突变后,不育外稃表现出较单突变程度更深的像外稃状结构的转化,其长度和维管束数目均显著增加 [49],揭示了 OsMADS5 与 OsMADS34 在不育外稃属性决定中的冗余作用,同时暗示不育外稃起源于外稃。

  LF1 (LATERAL FLORETS 1)编码HD-ZIP III (CLASS III HOMEODOMAIN-LEUCINNE ZIPPER) 转录因子,其表达受 miRNA165/166 调控。在 miRNA165/166 靶序列上发生突变后,不育外稃处会长出 1~2 朵包含内轮花器官的侧生小花。进一步的研究发现,LF1 可通过直接激活分生组织维持基因 OSH1 (ORYZA SATIVA HOMEOBOX 1) 的异位表达来促进侧生花分生组织的起始,证明 miRNA165/166–LF1–OSH1 途径在诱导侧生小花形成中具有重要调控作用 [71]。该研究为“三花小穗”假想提供了强有力的分子和遗传证据。然而,lf1 突变体额外的侧生小花中并没有外稃这一结构,仅存在内稃、浆片、雄蕊和雌蕊等花器官 [71],表明在 lf1 突变体中,不育外稃并不能回复成外稃类器官,而上述 g1/ele、osmads34 等突变体的不育外稃却能够回复为外稃状器官。这一差异可能是由于稻属植物从“三花”到“一花”的进化中,外稃向不育外稃退化的过程由上述 G1/ELE、 OsMADS34、OsMADS5 等基因调控,而其余花器官的退化则受到 miRNA165/166–LF1–OSH1 途径调控;这也暗示了水稻内、外稃的属性是不同的,外稃和不育外稃可能只是外轮苞叶类器官,内稃才是第一轮花器官。进一步分析相关高阶突变体的表型将为该方向的研究提供新的证据。

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