中科院昆明植物所等在植物开花调控研究中取得新进展

<正>在拟南芥中,长日照条件诱导开花启动因子Flowering Locus T(FT)的表达来加速植物开花。光周期条件对FT的激活主要依赖于转录因子CONSTANS(CO)的活性,对CO的转录水平、蛋白质稳定性以及生物钟的调控是植物能够响应光周期并诱导植物成花的关键机制。ABI5结合蛋白2     

植物开花光周期反应的分子调控机制

植物开花时间受到日照长短季节性变化的调节,拟南芥和水稻中与光周期反应相关基因的分离,使人们得以认识植物开花光周期反应的分子调控机制。植物感知日照长短的变化主要由CONSTANS(CO)基因的表达所控制。CO能够将光信号与生物钟信号整合,调节开花基因FLOWERING LOCUS T(FT)的表达,并最终控制植物的开花时间。本文对这一研究的最新进展进行了综述。     

西双版纳植物园揭示赤霉素与光周期途径协同调控开花诱导的信号转导机理

正植物激素是植物体内重要的生长调节物质,广泛参与调控植物的生长发育和抗逆境反应。在模式植物拟南芥中,赤霉素(GA)促进植物的开花诱导过程。目前研究表明,GA可与光周期信号协同调控植物在长日照条件下的开花诱导,然而,GA和光周期信号在植物开花诱导过程中的相互作用机理仍不清楚。中国科学院西双版纳热带植物园植物分子生物学研究组和植物环境适     

高等植物CO基因研究进展

开花是植物由营养生长向生殖生长转变的重要时程。光周期和温度在这一过程中起主要作用。在拟南芥和水稻中,CONSTANS(CO)基因位于生物钟的输出途径,是生物钟和开花时间基因之间监测日照长度的重要元件,它可以整合光信号和生物钟信号,节律性地激活FLOWERINGLOCUST(FT)的表达,从而诱导开花。本文作者在追踪国内外对该基因的研究中发现,目前研究者已经从30余个物种中克隆到CO同源基因并对其序列特征、表达模式和功能特性进行了研究。CO基因编码的蛋白均包含两个保守的结构域:靠近氨基端的B-box结构域即锌指结构域和靠近羧基端的CCT结构域。CO基因的表达受昼夜节律钟调控。不同物种中该基因拷贝数不同,CO基因不同拷贝之间的功能存在差异。系统进化分析表明,该基因在双子叶植物和单子叶植物,以及不同科、属的植物中也存在分化。国内外这些关于CO基因家族的研究成果为进一步研究该基因功能和进化关系,并通过转基因调节植物开花期提供了有价值的参考资料。     

中科院揭示植物激素赤霉素与光周期途径协同调控开花诱导的信号转导机理

正植物激素是植物体内重要的生长调节物质,广泛参与调控植物的生长发育和抗逆境反应。在模式植物拟南芥中,赤霉素激素促进植物的开花诱导过程。目前研究表明,GA可与光周期信号协同调控植物在长日照条件下的开花诱导。然而,GA和光周期信号在植物开花诱导过程中的相互作用机理仍不清楚。中国科学院西双版纳热带植物园植物分子生物学研究组和植物环境适应性研究组联合研究发现,GA诱导成     

AT-hook基因及其在植物开花调控中的研究进展

AT-hook基因是能够编码与双链DNA小沟中富含AT碱基的序列特异性结合的一类基因,其所编码的蛋白含有以甘氨酸-精氨酸-脯氨酸(GRP)三个氨基酸残基为中心的DNA结合蛋白基序。笔者通过对AT-hook基因的特点和功能及其在拟南芥及水稻等高等植物开花中的调控作用综述。AT-hook基因不仅参与植物的生长发育及逆境胁迫与激素信号应答,同时在花器官的形成以及植物开花中也起着重要的调控作用。该基因在花器官组织中的表达量最高,影响成花素基因的表达,且其编码蛋白能够通过改变染色质状态或招募蛋白复合体在表观水平上调控植物开花相关基因的转录,从而影响植物开花。该基因可能为植物开花的表观遗传调控提供了新的途径。     

超量表达小桐子JcTPS1促进拟南芥开花并增加叶片花青素含量

开花是高等植物生长和发育过程中最重要的阶段。在体内发育调控信号和适当的环境因子共同作用下,植物个体由营养生长向生殖生长转变,启动开花进程。碳水化合物在植物成花转变过程中具有重要的调控作用,而六磷酸海藻糖(trehalose-6-phosphate,T6P)的含量是反映植物体内碳水化合物含量水平的重要指标。本研究克隆了能源植物小桐子(Jatropha curcas)的六磷酸海藻糖合成酶(trehalose-6-phosphate synthase 1,JcTPS1)基因,在拟南芥中进行超量表达,对其功能进行初步研究。超量表达JcTPS1的转基因拟南芥提前开花。此外,超量表达JcTPS1可以诱导拟南芥花青素合成的关键酶基因二氢黄酮醇-4-还原酶(dihydroflavonol-4-reductase,AtDFR)和无色花青素双加氧酶(leucoanthocyanidin dioxygenase,AtLDOX)上调表达,从而显著促进花青素在叶片中的积累。研究结果表明,小桐子JcTPS1基因可能在植物开花和花青素合成过程中起重要的调控作用。     

γ-氨基丁酸促进拟南芥开花的机理研究

为了探讨γ-氨基丁酸(GABA)对拟南芥植物开花的影响机制,以3种不同浓度（1 mmol/L,5 mmol/L和10 mmol/L）的GABA采用隔天喷施的方法,处理7天龄的拟南芥幼苗至4周龄,以双蒸水作为对照,观察拟南芥的开花时间的变化。结果表明,在长日照（16 h光照/8 h黑暗）和短日照（8 h光照/16 h黑暗）条件下,GABA能不同程度地促进拟南芥早开花2~5天。运用荧光定量PCR技术,对开花途径的开花抑制因子基因Flowering Locusc C（FLC）、自主开花途径基因FCA(FLOWERING TIME CONTROL PROTEIN FCA)和花序分生组织特征基因LEAFY（LFY）的表达进行研究。与对照相比,GABA处理下调FLC的表达2~5倍,而促进FCA（1.5~6倍）和花序分生基因LFY（3~11倍）的表达。初步的实验结果表明,GABA对拟南芥开花的促进作用有可能通过上调FCA的表达,抑制FLC从而促进LFY的表达而最终促进植物提早开花。     

过表达TAF9延迟拟南芥开花时间

TATA结合蛋白相关因子(TAF)是通用转录因子IID (TFIID)复合体中的一类亚基,它具有识别核心启动区域和激活转录起始的双重功能。拟南芥TAF的部分成员已被证实在光及激素信号转导、形态建成和生殖生长过程中发挥着重要的功能,但TAF9基因功能研究较少。本研究克隆了拟南芥TAF9的CDS及启动子,并对其基因功能和启动子活性进行了分析。结果发现：TAF9定位于细胞质和细胞核中;在长日照条件下该基因过表达显著延迟拟南芥的开花时间,且在TAF9过表达株系中,参与开花调控的关键基因CO、SPL3和FT的表达被抑制,而GA20ox1的表达被激活;从其启动子(-1 500 bp)活性来看,TAF9主要在非种子组织中表达。本研究为TAF9的功能解析分析提供了重要参考。     

玉米开花促进基因ZmGI及其同源蛋白结构特征分析和功能预测

光周期是调控植物开花的重要因子之一，对植物的生长发育具有重要影响。为更好地揭示开花促进基因Zm GI在玉米中的功能，本研究以12个GI蛋白作为靶标，利用生物信息学分析方法，对GI各编码蛋白的理化性质、保守基序、蛋白质二级结构、基因结构、上游启动子顺式调控元件等信息进行分析，旨在揭示Zm GI的表达模式。结果表明，同一亚群的基因结构相似度更高。12个同源蛋白表现出：(1)具有10个不同的保守模体；(2)不具有跨膜结构域的特征。亚细胞定位结果预测表明，GI蛋白可能定位于细胞核和叶绿体中。互作蛋白分析表明，具有CCT结构域的基因可能与Zm GI共表达于细胞中。组织表达模式分析发现，Zm GI在成熟叶片中显著表达。启动子分析结果显示，GI上游启动子中存在大量的逆境响应元件和光响应元件。这些结果将为深度解析Zm GI基因的功能提供更丰富的理论支撑。     

GmELF3s调控大豆开花时间和生物钟节律的功能分析

大豆是典型的短日照作物,光周期的敏感性严重影响大豆的开花时间和产量,制约大豆的种植范围,但调控大豆光周期和生物钟节律的机制尚不十分清楚。在模式植物拟南芥中,ELF3与ELF4、LUX一起,形成ELF4-ELF3-LUX (Evening Complex, EC)生物钟晚间复合物,在生物钟节律和开花时间调控等方面发挥重要作用。本研究通过CRISPR/Cas9基因编辑系统获得大豆Gmelf3a/j、Gmelf3b-1和Gmelf3b-2的突变体材料。通过观察Gmelf3a/j、Gmelf3b-1和Gmelf3b-2各突变体材料在短日照和长日照下的开花时间发现, GmELF3b-1在长日照下对大豆开花时间起调控作用;通过观察非纯合双突变体的表型发现,GmELF3a/J与GmELF3b-1和GmELF3b-2之间在调控大豆开花时间方面存在功能冗余。通过qRT-PCR对大豆生物钟节律相关基因的表达进行检测发现,GmCAB、GmPRR9a和GmPRR7a的表达模式发生改变,这表明GmELF3a/J、GmELF3b-1和GmELF3b-2可能是通过GmPRR9a和GmPRR7a对大豆生物钟节律和开花...     

GmNMH7基因在大豆成花诱导、花发育和开花逆转过程中的表达

大豆[Glycine max(L．) Merrill]是典型的短日照植物，光周期反应敏感品种在一定的短日一长日条件下可发生开花逆转。本实验室以大豆品种自贡冬豆为材料，将SD(短日)、LD(长日)和SDl3d-LD相结合，建立了大豆光周期反应机制研究的新的实验系统。本研究通过筛选自贡冬豆成熟花的cDNA文库得到MADS-box基因家族的一个成员GmNMH7，采用RNA原位杂交技术分析了不同光周期条件下GmNMH7基因在大豆顶端分生组织分化过程中的表达，并观察了GmNMH7基因在幼叶、幼茎、根瘤等器官中的表达情况。主要结果总结如下：在短日照(SD)条件下，自贡冬豆植株可在较短时间内完成开花诱导、正常开花和结实。GmNMH7基因在可观察到的花芽分化出现之前即开始在大豆顶端分生组织中表达，其表达时间贯穿成花诱导、花芽分化、花器官发育及种子形成的全过程。在长日照(LD)条件下，植株持续进行营养生长，没有任何形式的花器官出现，GmNMH7基因在顶端分生组织中一直不表达。在短日照13天一长日照(SDl3d-LD)条件下，60％以上的植株出现花序逆转和花逆转，另一部分植株顶端出现短花序，开花期比持续短日处理的植株晚。在出现开花逆转的植株中，GmNMH7基因的表达可随长日处理日数的增加和营养器官的出现而减弱。当顶端分生组织完全恢复叶片分化时，GmNMH7基因的表达停止。在出现短花序的植株中，GmNMH7基因一直表达，但表达量低于持续短日处理。对部分时期GmNMH7基因在幼叶、幼茎和根瘤中表达情况的研究未发现明显的规律性。GmNMH7基因在大豆花芽分化启动之前就开始表达的现象为大豆开花诱导提供了早期证据，该基因在顶端分生组织中的表达受光周期调控的事实说明，GmNMH7与大豆光周期反应、成花诱导及花器官发育有密切关系。我们推测，GmNMH7基因在上述过程中可能发挥着类似于分生组织特征基因的作用。实验结果进一步证明，本实验室利用开花(短日处理)、持续营养生长(长日处理)、开花逆转(短日-长日处理)三种发育状态(光照处理)建立的实验系统在大豆(短日植物)光周期反应和个体发育研究中有重要的利用价值。     

植物衰老的研究进展及其在分子育种中的应用

植物衰老是植物生命科学研究领域的核心问题之一。无论是在器官水平上还是在个体水平上，衰老都是一个高度有序的被调控的过程。近年来，已发现大批衰老相关基因以及突变体，初步阐明了叶片衰老的分子机制。而在个体水平，G2豌豆以其在短日条件下无限生长的独特发育模式，提供了很好的实验材料。PPFl(Pisum sativum post—floral genel)是首次在短日条件下G2豌豆中分离出来的与衰老相关的基因，过表达PPFl基因可以显著延迟转基因拟南芥的开花时间。最新的研究表明，它可能编码一个定位于叶绿体膜上的钙离子泵，通过调节细胞质中钙离子浓度来影响植物的生长发育。PPFl还可能通过调控LFY(LEAFY)等一系列开花途径调节基因的表达水平来影响植株的整体衰老进程。关于植物衰老的研究，不仅具有理论上的重大意义，并且在分子育种中具有潜在的价值。     

2个玉米ZmCRY1a基因的克隆及其响应光质处理的表达模式

隐花色素(Cryptochrome, CRY)是植物蓝光的主要受体,参与其调节生长发育及生物钟过程。为研究隐花色素在玉米光形态建成及生物钟调控方面的作用,本研究利用同源克隆的方法得到玉米自交系B73的2个ZmCRY1a基因的cDNA序列,分别命名为ZmCRY1a1和ZmCRY1a2。这2个基因的编码区(coding DNA sequence, CDS)序列长度都为2124个核苷酸,编码707个氨基酸。生物信息学分析表明ZmCRY1a1和ZmCRY1a2推测的氨基酸序列均包含DNA photolyase、FAD binding和Crytochrome C结构域;与拟南芥及其他常见作物的CRY比对并构建系统发育树显示,这2个基因与水稻OsCRY1a氨基酸序列一致性最高,而与拟南芥和大豆等双子叶植物的CRY1氨基酸序列一致性相对较低。利用实时荧光定量PCR分析了ZmCRY1a1和ZmCRY1a2在不同器官及响应光质、光质转换及长日照与短日照处理的表达模式。在检测的器官中,ZmCRY1a1的表达丰度均高于ZmCRY1a2;这2个基因在成株期叶片中表达丰度最高,分别是根中ZmCRY1a1的52.1和6.2倍。相对于黑暗下,二者在各种持续光质中的表达丰度均较高,尤其在蓝光和远红光条件下。尽管是作为编码蓝光受体的基因,2个ZmCRY1a的表达却能强烈地响应远红光和红光转换处理。同样二者也能响应不同光周期处理,长日照条件下,ZmCRY1a1的转录在一个光周期内共出现5个峰值,而ZmCRY1a2的转录只有4个峰值;短日照条件下,2个ZmCRY1a的表达出现了极其相似的模式,均在进入黑暗后10 h和14 h时出现2个最高峰。由此推测2个ZmCRY1a可能在玉米光形态建成与开花调节中发挥重要作用。     

大豆GmCOL4基因的克隆与分析

CONSTANS(CO)是植物光周期开花途径中的关键基因之一。通过RT-PCR和生物信息学的方法,克隆了大豆GmCOL4基因并分析其结构特征,用实时荧光定量PCR(quantitative real-time RT-PCR,qRT-PCR)研究了其转录特点。结果表明,GmCOL4的4个外显子编码一个具有B-box和CCT保守结构域的CO-like蛋白,在序列上与拟南芥(Arabidopsis thaliana)COL9相似性最高,为64.3%。分析其转录特征发现,GmCOL4表达主要受生物节律的影响,受光的调节作用较弱。器官特异性表达分析发现,GmCOL4主要在大豆叶片中表达,表达模式与COL9相似。这为大豆中CO基因家族的功能研究提供了重要的依据。     

过量表达大豆异丙基苹果酸脱氢酶基因Gm IPMDH促进植株开花和生长

异丙基苹果酸合成酶(isopropylmalate synthase, IPMS)和异丙基苹果酸脱氢酶(isopropylmalate dehydrogenase,IPMDH)是亮氨酸生物合成中的重要限速酶,但二者在植物生长发育中的功能鲜有报道。本研究对拟南芥AtIPMDH2基因在大豆中的同源基因GmIPMDH进行了克隆和分析。该基因编码的氨基酸序列中含有Iso＿dh亚家族保守结构域,且启动子中含有大量的光反应元件及激素应答元件。实时荧光定量PCR显示大豆叶片中GmIPMDH的表达量随着植株的生长发育逐渐升高。对GmIPMDH进行了烟草的异位表达和大豆的过量表达,表型分析发现GmIPMDH的过量表达显著提前了烟草和大豆的开花时间,且株高和节数均显著增加。转录组分析显示, GmIPMDH过量表达大豆叶片中的若干开花相关基因及赤霉素合成相关基因的表达量发生变化,推测GmIPMDH可能通过赤霉素合成通路参与赤霉素介导的植物开花诱导和株型调控。本研究首次阐明了GmIPMDH在开花期调控中的作用,为今后进一步研究GmIPMDH调控大豆开花和生长发育的分子机制提供了一定的基础。     

大豆GmGBPl在GA调控开花过程中的功能分析

从大豆中克隆得到一个编码SKIP蛋白的基因,命名为GmGBPl。通过研究外施赤霉素对GmGBPl过表达拟南芥植株表型及相关基因表达量的影响,探讨了该基因在GA3调控开花过程中的功能。结果表明,过表达GmGBPl植株对赤霉素的敏感性加强,植株开花时间显著提早,开花相关基因的相对表达量明显提高,而与野生型相比,GA3生物合成途径关键酶基因GA3ox和GA20ox的相对表达量下降明显。初步证实GmGBPl为GA开花信号途径中的正向调控因子,负调节植物赤霉素的生物合成。     

大豆GmGBP1在GA调控开花过程中的功能分析

从大豆中克隆得到一个编码SKIP蛋白的基因,命名为GmGBP1。通过研究外施赤霉素对GmGBP1过表达拟南芥植株表型及相关基因表达量的影响,探讨了该基因在GA3调控开花过程中的功能。结果表明,过表达GmGBP1植株对赤霉素的敏感性加强,植株开花时间显著提早,开花相关基因的相对表达量明显提高,而与野生型相比,GA3生物合成途径关键酶基因GA3ox和GA20ox的相对表达量下降明显。初步证实GmGBP1为GA开花信号途径中的正向调控因子,负调节植物赤霉素的生物合成。     

茶树β-淀粉酶基因CsBAM3的克隆及其响应低温的表达模式

β-淀粉酶(BAM)是植物中参与淀粉水解的关键酶类,在应对非生物胁迫中发挥重要作用。从前期茶树冷驯化转录组分析中分离到1个参与淀粉代谢的差异表达基因,cDNA全长克隆及序列分析鉴定该基因为拟南芥BAM3同源基因,命名为CsBAM3。该基因编码548个氨基酸残基,与拟南芥的BAM1和BAM3一起归为第Ⅱ亚家族,推测为叶绿体定位、具有淀粉水解活性的β-淀粉酶编码基因。启动子克隆及序列分析显示该基因可能受生理节律、光、低温及多种激素等信号共同调控。CsBAM3在叶片中表达量最高,茎和花中表达量较低,根中基本不表达。CsBAM3在冷驯化初期被显著上调且一直保持相对较高的水平。成熟叶片及嫩芽(一芽二叶)中的CsBAM3均可以被4℃及0℃低温显著上调,且嫩芽中基因的表达量上调幅度明显高于成熟叶。模拟倒春寒低温条件下,检测不同萌发阶段新梢中CsBAM3的表达情况表明,CsBAM3在鲜叶初展的嫩芽中即可快速受低温诱导。以上结果表明,CsBAM3是茶树中调控淀粉水解的一个重要β淀粉酶编码基因,在茶树成熟叶和嫩芽受到不同低温胁迫时其表达可被快速诱导。     

芒果MiCO基因逆境胁迫下表达模式分析及转基因株系的获得

CONSTANS(CO)基因是调控植物开花光周期途径的关键基因,近来有研究发现其与植物的逆境胁迫也有关。目前CO参与植物逆境胁迫的作用尚不清楚。为了探究CO在芒果逆境胁迫中的功能,我们利用实时荧光定量技术对MiCO基因在芒果2℃低温胁迫、盐胁迫和PEG-6000模拟干旱胁迫后0 h、6 h、12 h、24 h、48 h和72 h的表达模式进行分析。结果显示,这三种逆境处理均诱导芒果MiCO基因的表达,其中盐胁迫处理条件下MiCO基因的表达水平上调,2℃低温和PEG胁迫条件下MiCO基因的表达水平下调。说明该基因参与了芒果逆境胁迫的调控。为了验证MiCO基因在芒果逆境胁迫中的功能,本研究构建了MiCO超量表达载体,将MiCO基因转化到拟南芥中,获得阳性植株,经过三代筛选得到了纯合株系,为进一步验证MiCO基因在逆境胁迫中的作用提供实验材料。