植物发育分子生物学试题

植物发育分子生物学试题1.试述调控拟南芥茎端分生组织（SAM）建立和维持的分子机理。拟南芥茎端分生组织（SAM）组织和功能所必需的基因主要包括SHOOT-MERISTEMLESS（STM），WUSCHEL（WUS）,CLAVATA1（CLV1），CLAVATA3（CLV3），CUP-SHAPEDCOTYLEDON1-3（CUC1-3）。根据STM基因的突变体分析表明STM是胚胎中形成茎端分生组织所必需的，但是并不是分生组织的起始所绝对必需的；并且STM活性的降低会破坏SAM的维持。STM在整个分生组织区域都有表达，该基因主要功能是抑制分生组织中细胞的分化，保证分生组织内细胞的扩增，从而能有足够数量的细胞成为器官原基。与STM类似，WUS是SAM无限的活性所必需的。功能缺失的wus突变体会重复起始—终止的发育模式，在SAM的起始过程中，该基因的表达会逐渐局限于中心区原体的一簇细胞中。CLV1，CLV3是限制中心区大小所必需的基因，根据突变体分析可知，clv1和clv3突变体萌发后会有膨大的SAM，并在茎的发生过程中，SAM都是膨大的。这两个基因中任何一个缺失都能影响所有阶段的SAM，包括胚和营养生长阶段，引起分生组织细胞的积累，导致器官发生延迟，分生组织的变大，并且会产生额外的花器官。CUC1和CUC2基因的单突变体有着基本类似于野生的表型，而cuc1cuc2双突变体萌发时形成杯状的融合子叶并且没有茎端分生组织；但从这样的幼苗再生的植株发育基本正常，这表明这两种基因对SAM的形成是冗余的，但对于营养性生长中的SAM的维持则不是。CUC1和CUC2会促进STM在胚胎顶端的转录，且茎端分生组织形成和CUC基因活性之间存在反馈作用。在苗端分生组织的组织和功能中心存在着一个包含WUS和CLV3基因的反馈调节机制。WUS基因可以促进在干细胞中特异性表达的基因CLV3的表达。CLV3可以与表达范围更广的CLV1/CLV2受体复合物相结合，通过反馈调节机制限制WUS在组织中心的表达。突变分析表明，胚胎发生后的STM，WUS，CLV1和CLV3的表达是相互依赖的。但是，这4个基因各自在胚胎中最初表达似乎与其他三个基因没什么关系从这点也显示出在胚胎发生时期SAM的起始的机制与胚后发育阶段中的SAM维持的机制是不同的。另外，根据突变体分析表明，AP2转录因子通过修饰WUS-CLV3反馈调节环参与茎端分生组织的维持。2.植物授粉过程中，花粉与柱头的细胞识别机制。植物授粉是植物生殖生长中最至关重要的一步，雄配子与柱头、花柱等雌性细胞的识别严格的受到许多基因的调控，这些基因通过在不同时空上的特异表达实现其对花粉粘附、水合、萌发、花粉管定向生长等一系列重要生命过程的精确控制。授粉过程的开始依赖于花粉有效地粘附于柱头的表面。花粉的粘附可以分为几个阶段，花粉早期的粘附阶段花粉外壁起最主要的作用，花粉外壁的外层可能和柱头表面的角质膜相互作用，在花粉柱头黏附中起作用；柱头乳突细胞的表皮层是由角质层和蛋白薄膜构成，其花粉粘附过程中也发挥重要的作用。初始粘附后，花粉外被中流动性的蛋白和脂类流到柱头的表面，形成foot结构，使粘附力进一步增强，“foot”结构的形成可能是有利于花粉水合的进行。定位于柱头乳突细胞的细胞壁的SLR1蛋白和花粉外被中的A类蛋白PCP-A(ClassAPollenCoatProtein)结合介导花粉的黏附；定位于柱头乳突细胞细胞壁中的另一种糖蛋白SLG也与PCP-A蛋白特异性互作，这说明有可能存在两条平行的途径调控花粉粘附。对于花粉的水合来说，花粉外被中的长链油脂作为一种信号分子促进花粉的水合；另外，类油质蛋白在花粉水合过程中也有非常重要的作用。柱头的组分在水合过程也是不可或缺的，湿柱头分泌的柱头分泌物中的长链脂类有类似花粉外被中脂类的功能，降低这类脂类分泌的突变体表现为雌配子育性降低。此外，柱头中Exo70A1基因的表达会促进花粉的水合，并且柱头中的钙离子也可能参与了对花粉水合过程的调控。花粉的水合使花粉从萌发孔处迅速长出花粉管，萌发孔是由孢子体基因INP1控制的，INP1基因的突变会造成萌发孔缺失，花粉管顶端存在大量的角质酶，够降解柱头的角质层，帮助花粉管进入乳突细胞。花粉和柱头中的酯酶可能会形成一个“识别复合体”，在花粉-柱头互作过程中“角质酶复合体”被激活，将花粉和柱头表面的角质消化掉，进而允许花粉管突破柱头表面屏障，进入柱头。此外，Exo70A1基因的存在对于花粉管穿过柱头也是十分必须的。降低Exo70A1的表达花粉管不能穿过乳突细胞的角质层和细胞壁突破柱头表层障碍，只是在表面盘旋。胞外基质中的阿拉伯半乳糖蛋白在花粉管引导方面有非常重要的作用；ECM中的另一种主要的蛋白-第三类雌蕊特异的类延展蛋白也被发现参与花粉管细胞壁的建成，在花粉管与花柱的识别和互作过程中发挥作用。离子浓度梯度对于花粉管的极性生长有十分重要的作用，钙离子具有类似开关的作用，能够启动花粉管正常的生长。钙离子的浓度梯度会随着花粉管的生长，呈现出周期性的变化；包括质子、钾离子和氯离子在花粉管生长过程中也发挥非常重要的调节作用。此外，肌动蛋白细胞骨架对于维持花粉管的极性生长是必需的，花粉管顶端高度的胞质流动依赖于肌动-肌球蛋白系统对胞质流动、分泌囊泡、营养核及生殖核等细胞器的运送。3.试述植物有丝分裂调控机制。植物的生长发育依赖于细胞的生长、分裂及分化，近年来的研究表明,在激素、营养物质和其他生长信号的调节下细胞周期蛋白D（cyclinD，CYCD）首先表达，并与周期蛋白依赖激酶A（cyclin-dependentkinaseA,CDKA），结合形成复合体,复合体在CDK激活激酶(CDKactivatingkinase,CAK)和CDK抑制蛋白(cyclin-dependentkinaseinhibitor,CKI)或KIP相关蛋白(KIP-relatedproteins,KRPs)作用的调节下被激活,活化后的复合体通过磷酸化作用解除成视网膜瘤蛋白相关蛋白(retinoblastomaprotein-related,RBR)和2对转录因子[E2F(E2factor)a-b/DP(二聚蛋白)]的抑制效应,释放转录因子E2Fa-b/DP复合体(Inze和DeVeylder2006),而E2F/DPs能促进G1(M期结束到S期之间的间隙)转换到S期(DNA合成期)所需基因的表达。进入S期后,CYCA同CDKA结合,并与CDK亚组(cyclin-dependentkinasesubunit,CKS)及向G2期(S期结束到M期之间的间隙)发展过程中合成的CYCB结合,使起抑制作用的磷酸基团被酪氨酸磷酸酶除去,激活CDKB,进入M期(有丝分裂期)。在M期结束时,周期蛋白通过依赖遍在蛋白(anaphas-promotingcomplex,APC)途径被水解,退出分裂期,完成一个细胞周期。4.以拟南芥为例阐述植物开花时间调控的遗传途径。开花时间的调控是一个非常复杂的过程,受自身遗传因子和外界环境因素两方面的共同影响,迄今,已经探明包括光周期、春化、温度、赤霉素、自主以及年龄等6条遗传途径参与调控拟南芥的开花时间。光周期是影响植物开花的重要因素。光周期途径是植物的光受体感受光信号后,作用于生物钟,进而启动或者抑制开花的过程。不同波长的光信号由叶片上的光受体接收和识别。目前,在植物中发现的光受体主要有3类:光敏色素(phytochromes)、隐花色素(cryptochromes)和向光素(phototropin)。光受体感知光周期后将信号传给生物钟,通过后者完成对日照长度的测量。长日照下,CO(CONSTANS)在黄昏时积累;短日照下,CO不能稳定产生和积累,因而使拟南芥能够感知日照长度的周期性变化,适时完成营养生长向生殖生长的过渡。光周期信号在叶片产生,必须传递到茎尖分生组织才能诱导成花。经长期研究,最终发现FT蛋白是从叶片运输到茎端分生组织诱导成花的信号物质。在叶片中,FT的表达依赖于CO，FT的表达受CO激活的同时,也受PRC2(polycombrepressivecomplex2)复合物和LHP1(LIKETETEROCHROMATINPROTEIN1)的抑制。植物在营养生长的初期,经过一个阶段的低温处理,能在适宜的条件下加速开花,这种低温诱导植物开花的过程称为春化作用。FRI(FRIGIDA)和FLC(FLOWERINGLOCUSC)2个基因在冬季生态型开花中起重要作用,FRI基因功能缺失或减弱是后者生活史形成的关键。FIR位于FLC的上游,通过调控FLC介导春化过程，FLC能直接抑制包括FT、FD和SOC1(SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANS1)在内的开花整合基因的表达，并与这些因子共同构成1个开花调控网络枢纽。春化作用能通过组蛋白修饰使FLC表观遗传沉默而间接地促进开花。营养生长期的温度对植物的开花有重要影响,呈现出高温促进、低温抑制开花的趋势。FLC在高温信号途径中起抑制作用，FLM是FLC的同源基因,与FLC相反,FLM功能缺失植株的温度响应能力较野生型弱,说明FLM能调控对温度的感知。赤霉素(gibberellins,GA)参与调节植物生长发育的许多过程,其中调控开花是其重要的功能之一。外源GA促进开花;阻断内源GA生物合成则延迟开花。活性GA使DELLA蛋白泛素化,并通过26S蛋白酶体将其降解,是解除对开花抑制的一种主要方式。在缺乏外因诱导的情况下,有些植物在营养生长达到一定阶段后也会开花,这条内源调控途径称为自主途径这些自主途径的基因都通过抑制FLC间接地促进开花。植物中有一些表观遗传因子仅与年龄的增长相关,不依赖于光周期、春化、赤霉素等途径而独立地调控开花,形成一条新的成花调控途径——年龄途径。microRNA和SPL是年龄途径的重要组分。以上6条开花调控遗传途径不是孤立的,各种信号途径最终通过调控整合基因实现对成花转变的调控，在拟南芥中发现了FT、LFY和SOC1三个整合基因。FT是光周期途径关键基因CO的下游靶标,直接由CO正调控。此外,FT也是FLC的直接靶标,说明FT是春化途径和光周期途径的连接点。在茎尖分生组织中,SOC1是FLC作用的靶标。另外,SOC1还受GA信号调控，SOC1mRNA水平升高依赖于miR156/SPL组件,与年龄途径有关，因此,SOC1是光周期、春化、GA和年龄等几条途径的整合基因。各条途径的信号汇集于茎尖分生组织,调控LFY、FUL(FRUITFULL)和AP1,共同决定花器官的形成。AP1和LFY是主要的花序分生组织基因,其中AP1在成花诱导和花器官形成的调控网络中起核心作用。5.调控胚胎发生和形态建成的基因目前已经鉴定到很多，以所学其中一个关键基因为例，阐述如何研究该基因在胚胎发生及发育过程中的生物学功能，并列举鉴定该基因上下游作用因子的方法。植物激素生长素是一种重要的植物激素，在体细胞胚胎发生、发育和形态建成过程中，生长素起了重要的调节作用。生长素是植物界中发现的唯一一种具有极性运输特性的植物激素，通过这种运输方式，在植物体内形成特定的生长素分布模式，从而调节植物的生长发育和形态发生。生长素外运载体蛋白PIN，PIN蛋白介导不同组织器官中的生长素运输。对PIN蛋白，可以通过突变体对其功能进行研究，PIN蛋白最早是通过pin突变体的表型与生长素运输联系起来的。为了进一步检测PIN1基因在体细胞胚胎发生过程中的作用，可以通过构建了雌激素诱导PIN1基因的反义载体，在诱导再生过程中施加雌激素即可通过抑制相应基因表达，观察相应基因对于体细胞胚诱导的作用。另外，可以通过检测IAA2:GUS、DR5:GUS和DR5:GFP的信号，来判断PIN基因被抑制后，生长素的分布状况，也可以判断PIN基因的功能。为了鉴定该基因与其他基因的作用，如WUS基因，可以构建通过使用pPIN1::PIN1-GFP和pPIN1::PIN1-GFPpWUS::DsRED-N7双标转基因株系，可以观察诱导体细