PDF-豌豆花发育的分子生物学研究进展

中国农业科学2008,41(11):3549-3555ScientiaAgriculturaSinicadoi:10.3864/j.issn.0578-1752.2008.11.014收稿日期：2007-11-20；接受日期：2008-04-28基金项目：国家自然科学基金（30671059），浙江省自然科学基金（Y304128）作者简介：宋伟杰（1981-），男，浙江平湖人，硕士，研究方向为遗传学。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]。通讯作者王利琳（1965-），男，浙江杭州人，教授，博士，研究方向为植物发育生物学。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]豌豆花发育的分子生物学研究进展宋伟杰1,2，张彦波1，王利琳1（1杭州师范大学生命与环境科学学院，杭州310036；2浙江传化生物技术有限公司科研中心，杭州311231）摘要：豌豆是遗传学研究的经典材料，也是一种重要的农产品。研究豌豆花发育对于豆科植物特别是大豆产量的提高具有指导意义。近年来有关豌豆花发育基因调控的研究已取得了很大进展，本文通过比较拟南芥和豌豆花发育机制的异同，从豌豆花分生组织属性的决定和花器官属性的决定两方面综述了近些年国内外关于豌豆花发育分子机理的研究进展。关键词：豌豆；共同原基；花发育；同源异型突变体；保守性ProgressesinStudiesonMolecularFloralDevelopmentinPisumsativumSONGWei-jie1,2,ZHANGYan-bo1,WANGLi-lin1(1CollegeofLifeandEnvironmentalSciences,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou310036;2ResearchCenterofZhejiangTransfarAgribiotechCo.,Ltd,Hangzhou311231)Abstract:Pea(Pisumsativum)isaclassicmaterialforgeneticresearchandanimportantagriculturalproduct.Studyofpeafloraldevelopmentisimportantforresearchofimprovinglegumeplantsyield,especiallyforsoybean.Inrecentyears,notableprogresshasbeenmadeinstudyofgeneregulationinpeafloraldevelopment.BycomparingthesimilaritiesanddifferencesbetweenArabidopsis(Arabidopsisthaliana)andpea,currentmolecularprogressesoffloraldevelopmentinpeafromtheaspectsoffloralmeristemidentityandfloralorganpatterningweresummarized.Keywords:Pisumsativum;Commonprimordia;Floraldevelopment;Homeoticmutants;Conservation1990年，Yanofsky等在拟南芥中首次克隆了花同源异型基因AGAMOUS（AG），标志着高等植物花发育研究进入了分子遗传学阶段[1]。现在对花发育分子机理的认识主要是基于对模式植物拟南芥和金鱼草（Antirrhinummajus）的研究，而豌豆作为经典的遗传学材料虽然有很多花发育相关的突变材料，但由于其基因组大，分子标记少，遗传转化比较困难等原因，导致人们对其花发育分子机制的研究进展并不是很快。豆科植物以其巨大的经济价值和丰富的物种资源而备受关注，豌豆作为豆科的模式植物，对其进行花发育的研究对于豆科植物的一些重要的农艺性状例如产量的提高具有指导意义。随着拟南芥、水稻等模式植物测序的完成，豆科模式植物百脉根（Lotusjaponicus）、蒺藜苜蓿（Medicagotruncatula）测序计划的实施，以及豆科许多物种的BAC或TAC、EST数据库的建立，越来越多的结果显示，豆科物种间存在着广泛的共线性关系，为基因克隆奠定了基础。依据比较基因组的结果运用侯选基因克隆[2]和反向遗传学的策略，已经克隆到了参与豌豆花发育的一些基因（表），发现豌豆生殖生长的遗传控制机制与十字花科的拟南芥比较既有保守的方面，也有区别的方面。由于豌豆花发育具有特殊性，参与豌豆花发育的分子机理是否也有相应的特殊性是值得探讨的问题。本文通过比较拟南芥和豌豆发育机制的异同，从花分生组织属性的决定、花器官属性的决定两方面总结了近些年国内外关于豌豆花发育分子机理方面的研究进展。3550中国农业科学41卷表豌豆花发育相关的基因或突变体TableGenesand/ormutantsrelatedtopeaflowerdevelopment突变体Mutant突变对豌豆的影响EffectinPisumsativum基因Gene拟南芥基因A.thalianagene突变对拟南芥的影响EffectinA.thaliana参考文献Referencesunifoliata花转变成花序，不正常的叶Flowersconvertedintoinflorescences,abnormalleavesUNILFY花转变成花序Flowersconvertedintoinflorescences[5]staminapistilloida同源异型花器官转变，不正常的叶Homeoticfloralorganconversions,abnormalleavesSTPUFO同源异型花器官转变Homeoticfloralorganconversions[14]determinate茎顶端终止DeterminationofshootapexLFTFL1提前开花，茎顶端终止Earlyflowering,determinationofshootapex[17]lateflowering提前开花EarlyfloweringDETTFL1提前开花，茎顶端终止Earlyflowering,determinationofshootapex[17]proliferatinginflores-cencemeristems花转变成花序FlowersconvertedintoinflorescencesPIMAP1花转变成花序Flowersconvertedintoinflorescences[9,10]calyxcarpellaris同源异型花器官转变Homeoticfloralorganconversionsn.c.[3]n.m.PsPIPI同源异型花器官转变Homeoticfloralorganconversions[23]n.m.PsAP3AP3同源异型花器官转变Homeoticfloralorganconversions[28,29]n.m.PsAGAG同源异型花器官转变，花器官决定性丧失Homeoticfloralorganconversions,floralorganpatterninglost[33,34]petalosus同源异型花器官转变Homeoticfloralorganconversionsn.c.[3]n.m.PsSHP[29,34]n.m.PsSEP1/2SEP1/SEP2单突变没有突变表型Nomutantphenotypeforsinglegenemutation[29,34]n.c.：基因未克隆；n.m.：没有突变体n.c.:Genenotcloned;n.m.:Nomutantavailable1豌豆花器官结构和花发育过程的特殊性豌豆是豆科蝶形花亚科、豌豆属植物。豌豆花序为总状花序，花器官分四轮，呈五基数排列，5枚萼片在基部合生；5枚花瓣为典型的蝶形花冠，其中1枚背部花瓣称为旗瓣，2枚侧部花瓣称为翼瓣，2枚腹部花瓣称为龙骨瓣，呈下降覆瓦式排列；10枚雄蕊，9枚愈合，背部的1枚独立；1枚心皮位于雄蕊管中，柱头向背部弯曲，被2枚腹部花瓣包围（图-B）。Ferrandiz等通过对生殖生长期豌豆植株顶端的扫描电镜观察和有关突变体的遗传分析，对豌豆的花形态建成过程作了时期划分[3]。比较豌豆与模式植物拟南芥的花形态建成过程，豌豆花形态建成具有其特殊性：其一，豌豆花形态建成过程中有共同原基（commonprimordial，CP）出现，在共同原基的基础上产生花瓣和雄蕊；其二，豌豆的心皮在萼片起始之后就出现；A：拟南芥花的横切图。绿色代表第一轮萼片，黑线代表第二轮花瓣，棕色代表第三轮雄蕊，黄色代表第四轮心皮；B：豌豆花的横切图，浅绿色代表第一轮萼片，粉红色代表第二轮花瓣，黄色代表第三轮雄蕊，深绿色代表第四轮心皮A:DiagramofacrosssectionofaArabidopsisflower,sepals(lightgreen),petal(blacklines),stamens(brown),andcarpel(yellow);B:Diagramofacrosssectionofapeaflower,sepals(lightgreen),petal(pink),stamens(yellow),andcarpel(darkgreen)图拟南芥和豌豆成熟花模式图比较Fig.FlowerpatterncomparisonbetweenArabidopsisandpea其三，豌豆每轮花器官的起始是从腹部向背部依次单向起始的。相比豌豆，拟南芥的四轮花器官萼片、花11期宋伟杰等：豌豆花发育的分子生物学研究进展3551瓣、雄蕊和心皮是由外向内依次起始的，每一轮花器官基本是同时起始，并且每一轮花器官的属性是一致的，而且在花形态建成过程中也没有出现共同原基（图-A）。豌豆花发育的这种特殊性提示了共同原基的起始、划分和决定在豌豆花形态建成中具有十分重要的作用，并且可能涉及了比较复杂的分子遗传机制。2豌豆花分生组织属性的决定开花是高等植物个体发育的中心环节，是一个多因子系统控制的过程。植物从营养生长期向生殖生长期发育转变受多条开花途径控制，这些途径响应不同的环境和发育信号。在拟南芥中，各条开花途径整合在一起激活下游的花分生组织属性基因，如LEAFY（LFY）和APETALA1（AP1）基因等。目前，在豌豆中已经克隆到了它们相对应的同源基因。LFY是控制茎向花转变的一个关键基因,lfy突变体产生比野生型更多的侧生花序，花变绿色，由类似萼片和心皮的螺旋组成。相反，LFY组成性表达促进拟南芥提前开花，并促使营养枝转变为花。因此，LFY基因在决定拟南芥花分生组织特征和影响开花时间方面都发挥作用[4]。相对应地，在豌豆中有LFY的同源基因UNIFOLIATA（UNI）[5]。在uni突变体中，花的第一轮器官中常常出现苞片，花瓣和雄蕊缺失，但在第一轮器官的叶腋里产生大量花状结构，这样的结构不断重复，花分生组织的决定性丧失。有趣的是，在uni突变体中复叶的发育也受到影响，UNI突变降低了豌豆复叶的复杂度，叶柄变短，托叶完整，产生一到三片小叶裂片，没有卷须。mRNA原位杂交显示，UNI在叶原基、小叶裂片原基、花序原基、茎顶端分生组织、侧芽原基和花器官原基中都有表达，这证明UNI除了在豌豆生殖发育中具有与LFY相似的作用以外，在豌豆的复叶发育中也起作用，UNI在复叶中的表达维持了豌豆复叶原基的部分未决定状态[5~7]。在拟南芥中，花分生组织属性基因AP1是开花转变以及花器官分化所必须的。拟南芥ap1突变体导致部分花变成花序状的特征，而过表达AP1基因足以使得花序分生组织转变成花[8]。豌豆的proliferatinginflorescencemeristem（pim）突变体被证明是豌豆的AP1/SQUAMOSA（SQUA