水稻花器官突变体及相关基因的研究进展

王洁雅 (长江大学生命科学学院,湖北荆州434025)

赵福永,田志宏 长江大学生命科学学院,湖北荆州434025 长江大学长江中游湿地农业教育部工程研究中心,湖北荆州434025

开花是植物由营养生长向生殖生长转型的一个重要过程,花器官是植物生殖过程中的重要功能器官。作为单子叶植物的模式生物,水稻具有基因组小、测序已完成、生育期短、转化效率高、遗传资源丰富等特点,是开展花器官遗传发育和进化研究的理想材料。而今单子叶植物花器官发育的研究还不够完善,远远落后于双子叶植物,其原因是缺乏大量相关的突变体。笔者对目前已经发现并报道的水稻花器官突变体进行一定的归纳分析,以期为进一步研究提供相关依据。

1 水稻花发育相关基因

随着水稻大量突变体的出现和基因组测序的完成,大量的MADS-box基因从水稻中分离出来[1],与双子叶植物拟南芥 (Arabidopsis thaliana)、金鱼草 (Anterrhinum majus)相应的ABC模型基因功能相似、产物同源。在水稻花发育过程中,也有5类MADS-box基因参与调节作用,按其功能可分为A、B、C、D、E类基因。

A类基因包括OsMADS14(也称为R AP1A)、OsMADS15(也称为RAP1B),是拟南芥AP1亚群的成员,与玉米A类基因Z AP1关系密切,于小花发育后期时在内外稃和浆片中表达。B类基因包括OsMADS2、OsMADS4和 OsMADS16,是PI、GLO的同系物,已获得全长 cDNA。C类基因包括RAG、OsMADS3、OsMADS18,与AG同源,只在花药和心皮组织中表达[2,3]。D基因即OsMADS13,与FBP11同源性不高,只在心皮中表达,且主要集中在胚珠的孢子体部分,证明其胚珠发育中可能起到重要作用[4]。E基因包括OsMADS1、OsMADS5、OsMADS7、OsMADS8和OsMADS34,都属于MADS-box基因家族,其表达方式与作用途径不尽相同[5]。

2 水稻花器官突变体及其基因

目前获得突变体的方法主要有化学与辐射诱导突变、T-DNA及转座元件插入突变以及自然突变等。水稻突变体研究路线主要是从突变体筛选开始,分离出有关基因,再通过原位杂交与转基因等方法确定其表达部位及在发育中的功能,最后将水稻中发现的基因与拟南芥等的相关基因进行比较,以查明它们之间可能存在的同源性。目前已经发现并报道的水稻花器官突变体大致可分为以下几类:

2.1 花器官数目突变体

这一类的突变体只有花器官数目受到影响,花器官轮次及器官特性都表现正常。拟南芥的花器官数目变化主要由花分生组织决定基因突变所引起,如clv和wig[6,7]。分生组织细胞数目的维持以及未分化细胞向分化细胞间的转变之间的平衡对于植物器官正常起始至关重要,植物花器官是由茎顶端分生组织 (shoot apical meristem,SAM)中央区域的干细胞生长、分裂、分化所形成。研究表明,在拟南芥中,花分生组织大小是由CLV途径通过干细胞、SAM的分化细胞内部以及两者之间的细胞—细胞交流来实现精确调控[8]。

在水稻花器官数目突变体 f on1和 fon2中,浆片、雄蕊和雌蕊数目明显增加,浆片、雄蕊发生同源异型化[9,10],这种表现同拟南芥突变体clv1相类似。FON1基因的突变导致水稻花分生组织扩大,从而使其所有花器官数目增多。该基因对于内部花器官的影响要远远大于外部花器官,很多心皮原基细胞随机生长,在将要成熟的花的中心还有未分化的分生组织。可见,FON1通过控制SAM大小调解营养时期和生殖时期水稻发育。Chu等[11]于2006年所报道的CLV3同源基因FON4也出现类似现象,说明FON4与FON1在控制分生组织发育的过程中共同起作用,且对分生组织的正常终止是必需的。然而,FON4与FON1在功能上依然存在差异,除花器官数量增加外,f on4中存在异常的花器官形态,如颖片和雄蕊的同源转化,而在f on1和 fon2中,同源转化仅出现在浆片和雄蕊中。

此外,已经报道的类似突变体还有 f on5[12]、fon(t)[13]等,都存在花器官数目增多的现象,并存在部分差异。fon5伴随有早花现象;fon(t)个别器官中出现花丝上伸出类柱头的结构,浆片上部存在同源转化为类柱头或类雄蕊的结构。早期形态观察表明,fon(t)突变体花分生组织原基明显大于野生型。可以推测,这一类的突变体都是突变基因通过扩大水稻花分生组织从而增加花器官数目。笔者所在研究团队在籼稻恢复系乐恢188/明恢62杂交后代中发现了一个花器官数目突变株,暂定名为 fon6,该突变体表型部分与前人报道类似,花器官数目增多,小花中心有未分化的分生组织,但并未发现器官之间的同源异型转化,且雄蕊数目呈现增多与减少两种趋势,是否存在多个基因的相互作用还有待进一步研究。

2.2 花器官特异性突变体

已经报道的器官特异性突变体有颖壳异常突变体及雄蕊雌蕊化突变体等。如果依照双子叶植物花的排列方式将水稻中颖片及内、外稃视为第1轮,浆片即花瓣的同源器官视为第2轮,雄蕊和雌蕊分别视为3、4轮,则可以根据A-E模型对其进行简单归纳。

(1)无内稃突变体-A基因 在拟南芥中,A类基因即AP1、AP2,控制第1、2轮花器官发育,突变会导致萼片变成心皮,花瓣变成雄蕊。在OsMADS1(LHS1)错义突变的转基因植株中,外颖与内颖伸长呈叶状;浆片转变成颖片状;雄蕊数减少,雌蕊数增加;某些小穗产生附加小花。与拟南芥ap1突变体相似,归为AP1的同源异型基因。

彭慧娟等[14]所报道的无内稃突变体nap2颖花表型无内稃,在外稃与雄蕊之间新增了2片叶状物,推测是由内稃同源异型转化形成,雄蕊的数目发生增减变化。研究证明,其雄蕊数目减少是因为花药的退化,雄蕊数目增加则由于雄蕊原基数目增加,且个别雄蕊原基出现了异常的不均等分裂。突变基因作用于第1、2轮器官,推测其为A功能基因。相类似的还有水稻内颖发育pall突变体,其内颖转化为两片叶状结构,外颖无变化,成为水稻内、外稃是不同器官的又一佐证。

(2)多雌蕊/雄蕊雌蕊化突变体-B基因 水稻中的B功能基因与拟南芥中的B功能基因是保守的。前述OsMADS4与拟南芥B功能基因PI具有较高同源性,主要在雄蕊和浆片中表达,转基因花器官浆片变成内外稃类似物,雄蕊变成类似心皮的器官。与之相似的是王文明等[15]所报道的雄蕊雌蕊化突变体,该突变体的内外稃发生变形、退化。多雌蕊突变体K940,每穗颖花数增多,颖花中雄蕊数减少,雌蕊数增加,有雄蕊雌蕊化现象,多子房、多柱头,突变性状受2对隐形基因控制[16]。从水稻保持系C2/绵香5B的杂交后代中发现的受单隐形基因控制的双子房突变体TOR,表现出植株矮化,双子房,雄蕊数目减少,雌蕊数目增加,多柱头,胚囊畸形,高度不育等型状[17]。所有这些突变体都存在雄蕊雌蕊化现象,是B功能缺失的典型特征。但除此之外,该组基因突变对植株发育也产生一定影响,如K940颖花数增多,TOR表现出植株矮化等,推测是由于其作用途径存在差异。

(3)颖壳异常突变体-E基因 迄今为止有关水稻颖壳异常的研究报道出现较多,如畸形颖壳、长颖壳、叶状颖壳、多重颖壳等,突变体多表现出内外稃伸长和叶状化、多重颖壳等现象,常伴有雌、雄蕊发育异常,结实率下降等。

王红梅等[18]将粳稻9522进行γ射线诱变,从M2代突变体库中筛选到2个颖壳发育异常突变体Oseg1和Oseg2。Oseg1突变体中,退化颖发育成丝状结构,护颖伸长,出现额外稃片。OsEG1参与调控水稻小穗除心皮之外的外三轮花器官的发育,这一功能与拟南芥中E类转录因子SEPALL ATA(SEP)基因SEP1-4功能相似,参与外三轮花器官发育,具有分生组织决定特性[19,20]。Oseg2突变体的护颖异常增长,一次枝梗形态弯曲,数量增多。突变基因OsEG2与单子叶植物拟南芥的AGL3基因具有很高的同源性,推断其在水稻小穗发育中行使E功能。OsEG2通过与其他调控水稻花序和小穗发育的基因共同作用来参与这些器官的形态建成,是一个决定水稻顶端分生组织分化一次枝梗的关键基因。Oseg1和Oseg2与Takahashi等[21]所报道的突变体pap1突变性状及其相似,属同一类基因。

李爱宏等[22]所报道的一个多重颖壳突变体mg,是从T-DNA插入突变体库中筛选获得,其内外稃伸长,呈现多重颖壳,完全雌、雄性不育。突变表型主要涉及第2、3、4轮器官的发育,推测为E类基因引起的功能突变。水稻异状颖壳、多雌蕊突变体agmp来自四倍体水稻杂种组合H3990(泽锦×龙紫2号)F4花培后代株系89031(H3),其护颖伸长,内、外颖无法闭合,有一定程度窄化,雄蕊减少,雌蕊及柱头数增加,通过精细定位后预测OsJ AG是 AGMP的候选基因[23]。从表型特征看,AGMP(OsJ AG)应属E功能基因,并且是水稻中第一个被发现的非MADS-box的E功能基因。多雌蕊是OsJ AG功能缺失突变体的普遍现象,这与拟南芥 AtJ AG基因主要作用于叶、萼片和花瓣存在差异。AtJ AG基因具有维持或激活细胞周期活性的功能[24],可以推测agmp突变体也是由于细胞周期活性受到干扰而导致花器官发育异常。那么,这一类的基因是否通过同一调控路径对水稻护颖的形态产生作用,是否存在时空表达差异还有待研究。

(4)DL基因及其它 水稻中的DL基因与拟南芥的CRC基因同属于YABBY家族成员,编码同一个保守的YABBY结构域和cZHZ锌指结构域。在水稻中,DL基因是最主要的心皮特征基因之一,同时抑制B功能基因在第4轮中的表达,通过促进水稻叶片中央区域的细胞增殖来调控叶片中脉的形成[25]。

Nagasawa等[26]报道了 4个水稻叶片和雌蕊发育不正常的突变体DL-1、DL-2、DL-sup1、DL-sup2。罗琼等[27]从双胚苗后代中发现了由dl-4单隐性基因控制的叶片和雌蕊发育异常突变体,有叶片无中脉、内外稃不闭合,雌蕊同源异型转化为雄蕊或雄蕊、雌蕊中间器官等性状。该突变体与拟南芥中SUPERMAN(SUP)基因的sup突变表型极为相似。

开颖不育突变体ohs1(t)在明恢86的转基因后代中发现,其表现为颖花开裂,内外稃变细,内稃微弯向外稃,有雌雄蕊分化,但雌雄蕊较野生型株的小,大多数花药没有花粉,少数花药中含有不育花粉,雌雄配子均不育。定位结果表明OHS1(t)基因不属于MADS-box基因,可能是一个新的花器官发育调控基因[28]。

3 结语

单子叶植物花器官发育的研究要远远落后于双子叶植物,其花器官结构的复杂、形态特征的多变,以及突变体的缺乏都是研究中的障碍,但双子叶植物研究较为成熟的模型也为后续研究提供了一个方向与思路。由迄今为止所得的资料可以看出,单子叶植物和双子叶植物尽管在花序与花器官形态结构上有明显差别,但在分子遗传控制上则表现出高度的保守性。以水稻为例,研究至今,已经得到不少花器官发育的相关基因,究其结构与功能,大多都表现为拟南芥的同源基因,显示出一定的保守性。但同样存在部分基因,与其所谓的同源基因在作用方式与功能上都产生很大的分化,很多突变体不能简单的用ABC模型或A-E模型来解释。笔者认为,通过突变体获得更多的基因,从表达的层面分析其作用位点及方式,完善真正适用于单子叶植物的调控网络,构建相关模型将成为日后的研究方向与目标。

[1]Arora R,Agarwal P,Ray S,et al.MADS-box gene family in rice:genome-wide identification,organization and expression profiling during reproductive development and stree[J].BMC Genomics,2007,8:242.

[2]Kyozuka J,Kobayashi T,M orita M,et al.Spatially and temporally regulated expression of rice M ADS box gene with similarity to Arabidopsis class A,B and C genes[J].Plant Cell Phusio,2000,41(6):710-718.

[3]Kang H G,Jeon J S,Lee S,et al.Identification of class B and class C floral organ rice[J].Plant M ol Biol,1998,38:1021-1029.

[4]Lopez-Dee Z P,Wittich P,Enrico Pe M,et al.OsMADS13,a novel rice MADS-box gene expressed during ovule development[J].Dev Genet,1999,25:237-244.

[5]Pelucchi N,Fornaral F,Favalli C,et al.Comparative analysis of rise M ADS-box genes expressed during flower development[J].Sex Plant Reprod,2002,15:113-122.

[6]Clark S E,Running M P,Meyerowitz E M.CLAVA TA1,a regulator of meristem and flower development in Arabidopsis[J].Development,1993,119:397-418.

[7]Running M P,Fletcher J C,Meyerowitz E M.The WIGG UM gene is required for proper regulation of floral meristem size in Arabidopsis[J].Development,1998,125:2545-2553.

[8]Bowman J L,Eshed Y.Formation and maintenance of the shoot apical meristem[J].Trends in Plant Science,2000,5:110-115.

[9]Suzaki T,Sato M,Ashikari M,et al.The gene FLORA L ORGAN NUMBER1 regulates floral meristem size in rice and encodes a leucine-rich repeat receptor kinase orthologous to Arabidopsis CLAVATA1[J].Development,2004,131:5649-5657.

[10]Suzaki T,T oriba T,Fujimoto M,et al.Conservation and diversification of meristem matintenance mechanism in Ory za sativa:function of the FLO RAL ORGAN NUM BER2 gene[J].Plant Cell Phy siol,2006,47:1591-1602.

[11]Chu H,Qian Q,Liang W,et al.T he FLORA L ORGAN NUMBER4 gene encoding a putative ortholog of Arabdopsis CLAVATA3 regulates apical meristem size in rice[J].Plant Phy siol,2006,142,1039-1052.

[12]张向前,邹金松,朱海涛,等.水稻早熟多子房突变体fon5的遗传分析和基因定位 [J].遗传,2008,30(10):1349-1355.

[13]Li Y,Xu P Z,Zhang H Y,et al.Characterization and Identification of a Novel Mutant fon(t)on Floral Organ Numeber and Floral Organ Identity in Rice[J].Journal of Genetics and Genomics,2007,34:730-737.

[14]彭慧娟.水稻无内稃突变体的花器官形态观察与基因定位[D].长沙:湖南农业大学,2007.

[15]王文明,朱立煌,谢 戎,等.一个水稻颖花器官突变体的形态解剖分析 [J].植物学报,2000,42(4):379-382.

[16]李云武,林 纲,赵德明,等.水稻多雌蕊突变体K940的发现与初步利用 [J].杂交水稻,2008,23(2):5-6.

[17]文 雯,李双成,王世全,等.一个水稻双子房突变体的表型鉴定和遗传分析[J].中国水稻科学,2007,21(3):253-258.

[18]Wang H M,Chu H W,Liu H S,et al.Phenotypic characterization of a rice mutant Oryza sativa extraordinary glume 1(Oseg1)and its genetic analysis[J].Journal of Shanghai University,2007,11(6):619-624.

[19]T heissen G,Saedler H,Becker A,et al.Floral quarters[J].Nature,2001,409:469-471.

[20]Vandenbussche M,Zethof J,Souer E,et al.Toward the analy sis of the petunia M ADS box gene family by reverse and forward transposon insertion mutagenesis approaches:B,C,and D floral organ identity functions require SEPALLATA-like MADS box genes in petunia[J].Plant Cell,2003,15:2680-2693.

[21]T akahashi M,Nagasawa N,Kitano H,et al.Panicle phytomer 1 mutations affect the panicle architecture of rice[J].T heor App1 Genet,1998,96:1050-1056.

[22]李爱宏,武 茹,张亚芳,等.一个水稻多重颖壳突变体的形态学观察及初步遗传分析 [J].中国水稻科学,2006,20(4):348-354.

[23]王希挺.水稻异状颖壳、多雌蕊突变体的遗传分析与精细定位 [D].北京:中国农业科学院,2008.

[24]Ditta G,Pinyopich A,Robles P,et al.The SEP4 gene of Arabidopsisthaliana functions in floral organ and meristem indentity[J].Curr Biol,2004,14:1935-1940.

[25]Nagasawa N,Miyoshi M,Sano Y,et al.DL regulates both leaf and pistil development in rice[J].Rice Genetics Newsletter,1996,13:102-105.

[26]Nagasawa N,Miyoshi M,Sano Y,et al.SUPERWOMAN1 and DROOPING LEAF genes control floral organ identity in rice[J].Development,2003,130:705-718.

[27]罗 琼,周开达,王文明,等.一个新的水稻叶片和雌蕊发育异常突变体的遗传分析及其基因的分子标记定位[J].科学通报,2001,46(15):1277-1280.

[28]刘晓玲,毛毕刚,刘华清,等.一个水稻开颖不育突变体ohs1(t)的遗传分析及基因定位[J].分子植物育种,2009,7(2):413-419.