水稻小穗器官發生分子調控機制的研究進展

發布時間：2019-10-25所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要 ：小穗是否正常發育直接影響水稻的產量和后代繁殖，其發育的分子調控機制一直是作物生殖發育研究的熱點之一。水稻小穗發育包括花分生組織命運決定及轉變、退化穎片和不育外稃的發育、花器官屬性確立和形態建成，以及花分生組織終止生長等一系列連續的

　　摘　要 ：小穗是否正常發育直接影響水稻的產量和后代繁殖，其發育的分子調控機制一直是作物生殖發育研究的熱點之一。水稻小穗發育包括花分生組織命運決定及轉變、退化穎片和不育外稃的發育、花器官屬性確立和形態建成，以及花分生組織終止生長等一系列連續的過程。重點介紹近年來國內外研究者在四聚體模型、內外稃屬性、花分生組織命運轉變以及小穗發育的表觀遺傳調控等方向的最新研究進展。

　　關鍵詞 ：水稻 ;小穗器官發生 ;四聚體模型 ;激素 ;表觀遺傳調控

　　花器官發育是植物生命周期中至關重要的一步，不僅關系到植物物種的延續，在農業生產中還直接決定種子的形成和農作物的產量 [1-2]。因此，花器官發育的分子調控機制一直是植物和作物學家研究的重點和熱點 [3-6]。經典的花器官發育 ABCDE 模型是建立在對擬南芥、金魚草和矮牽牛的同源異型突變體研究的基礎上提出的，用以闡述花器官屬性建立與發育的遺傳學調控機制，其主要內容為 ： A 類基因單獨決定最外輪花萼的屬性建立和發育， A 類和 B 類基因共同控制第二輪花瓣的屬性建立和發育，B 類和 C 類基因共同決定第三輪雄蕊的屬性建立和發育，C 類基因控制第四輪心皮的屬性建立和發育，C 類和 D 類基因冗余決定心皮內胚珠的屬性建立和發育，而 E 類基因確定花屬性并參與每一輪花器官的屬性建立和發育 [7-8] ( 圖 1)。在該模型中， A 類基因與 C 類基因表達是相互拮抗的，抑制對方在自身所控區域的表達 [5]。后續研究表明，除了 A 類 APETALA2 (AP2) 基因編碼 AP2/EREBP (ethyleneresponsive element binding protein) 轉錄因子外 [9]，其他 ABCDE 基因都屬于 MADS-box 家族，編碼 MIKCC 型的 II 類 MADS-box 轉錄因子 [10-12]。進一步的生物化學和分子生物學研究結果闡明了 ABCDE 模型的分子基礎——花發育的“四聚體模型”，即花器官發育過程中，MADS-box 蛋白組合成特異的四聚體來調控靶基因的表達，從而調控各輪花器官的屬性建立和發育，其中 E 類蛋白在四聚體中具有“膠水”的作用，可以和 A、B、C、D 類蛋白形成不同的四聚體 [8,13]( 圖 1)。上述調控模型在雙子葉植物研究中被廣泛接受，但相較于雙子葉植物，單子葉植物的花器官不論是形態還是發育過程都存在很大的差別，同時單子葉植物外輪花器官的屬性和起源一直存在爭議，與雙子葉植物各輪花器官的對應關系仍無法完全確定 [14-15]。因此，單、雙子葉植物花的發育過程可能具有不同的分子調控機制。近年來，國內外科學家以單子葉植物水稻為模式植物，在水稻等作物小穗器官發育的研究中取得了長足進展，本文就水稻小穗器官發育分子調控機制的最新研究進展進行綜述。

　　1　水稻小穗發育的ABCDE模型及四聚體模型的最新進展

　　小穗是禾本科植物所特有的結構，是構成禾本科花序結構的基本單位，其發育與產量高低密切相關 [16]。水稻是理想的單子葉模式植物和最重要的糧食作物之一，相較于擬南芥的花，水稻小穗具有獨特的結構特征，它由兩對穎片 (glume) 和一朵可育小花 (floret) 構成�；�部一對退化的穎片 (rudimentary glume) 呈高度縮減的葉狀，一對不育外稃 (sterile lemma，或稱為空穎，empty glume) 互生在退化穎片上部 [17-18]( 圖 2)。水稻小花結構呈兩側對稱，具有數目特定的五類花器官，由外向內依次為一個苞葉狀的外稃，一個內稃，第二輪外稃側的兩個肉質或鱗片狀的漿片，第三輪的六枚雄蕊與第四輪的一枚雌蕊 [15-16]( 圖 2)。除了最內兩輪生殖器官，其余各非生殖器官的起源與屬性存在爭議，因為其形態不同于雙子葉植物，甚至是其他禾本科植物 [14-15,19]。近年來的研究進展為這些爭議提供了新的視角和思路�，F有的研究結果表明，水稻中 B、C、D 類基因的表達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]。相較于 B、C、D 類基因，被子植物 A 和 E 類基因的功能僅被部分揭示。下文主要對水稻中這兩類基因的最新研究進展進行闡述。

　　1.1　水稻A類基因的最新進展

　　被子植物 A 類基因的概念一直以來存在爭議。 ABCDE 模型的定義是 ：擬南芥的兩個 A 類基因 APETALA1 (AP1) 和 APETALA2 (AP2) 功能缺失后，與之拮抗的 C 類基因異位表達，在第一、二輪會分別產生異位的心皮和雄蕊。然而受到環境條件和遺傳背景的影響，二者的功能缺失突變體 ap1 和 ap2 的最外兩輪器官可能發育成葉狀或苞葉狀的結構，甚至缺失 [28-29]。因此，即使在擬南芥中，A 類基因的功能也未被明確定義。另一方面，在除擬南芥以外的幾乎所有被研究的植物中，科研人員并沒有發現第一、二輪花器官屬性同時受影響的隱性突變體。因此，A 類基因的界定和功能發掘等科學問題仍亟待解決。

　　由于相關突變體的缺乏，單子葉植物 A 類基因 AP1/FUL (FRUITFULL) 的同源基因的功能研究進展緩慢。水稻基因組中有4個AP1/FUL類基因，分別為 OsMADS14 ( 或 RAP1B)、OsMADS15 ( 或 RAP1A)、 OsMADS18 ( 或 OsMADS28) 和 OsMADS20[30-33]。截至 2010 年，人們僅獲得 OsMADS15 的突變體 dep (degenerative palea) [30]。AP1/FUL 類基因的功能研究在近期取得了突破，Wu 等 [34] 的研究結果表明， OsMADS14 和 OsMADS15 的表達受溫度影響。在低溫下 osmads14 的內稃變小，漿片同源異型轉化為雄蕊狀或紙片狀器官 ;在低溫下 osmads15 的內稃也變小，但內輪花器官無明顯缺陷。隨后，Wu 等 [34] 對以上突變體進行雜交，發現 osmads14 osmads15 雙突變體的花序不能從劍葉中抽出，因此利用雜合雙突變體開展研究。osmads14 osmads15/+ 雜合雙突變體的內稃向紙片狀或心皮狀器官轉化，漿片向紙片狀或雄蕊狀器官轉化。osmads14/+ osmads15 雜合雙突變體的表型更為強烈，莖節上長出腋芽和根狀器官，花序變短且不能伸出劍葉，退化點上苞葉減少而長出葉，一些小穗甚至轉變成幼苗，退化穎片、不育外稃和外稃向葉狀器官轉化。這些結果表明 OsMADS14 和 OsMADS15 不僅決定分生組織屬性，也決定第一輪的內稃和第二輪的漿片的屬性。

　　特異干擾 OsMADS18 僅導致結實率稍微下調，而特異干擾 OsMADS20 不引起任何表型，表明二者可能并不參與花器官屬性的決定 [32,34]。另外，不論在 osmads15 的背景下同時敲除 OsMADS14 和 OsMADS18，還是在野生型中同時干擾 OsMADS14、OsMADS15、 OsMADS18 和 OsMADS20，均能引起相似的花器官缺陷，包括穎片和外稃向葉狀器官轉化，內稃向心皮狀轉化，以及漿片轉化成紙片狀或雄蕊狀等。此外，水稻 OsMADS14 和 OsMADS15 能很好地互補擬南芥 ap1 突變體，但僅能使擬南芥 ful 果莢的表型部分恢復 ;OsMADS18 完全不能互補 ap1，但能完全恢復 ful 的果莢大小 [34]。因此，上述研究證明 OsMADS14 和 OsMADS15 是水稻中的花同源異型 A 類基因，二者調控水稻內外稃和漿片的屬性建立，在被子植物中具有調控花分生組織活性和非生殖器官屬性建成這一保守的功能。

　　1.2　水稻E類基因的最新進展

　　行使 E 類功能的 SEPALLATA (SEP) 類 MADSbox 轉錄因子與被子植物和花的出現密切相關 [35-36]。 SEP 亞家族能與其他花同源異型 MADS-box 亞家族形成蛋白復合體，決定各輪花器官的屬性 [13,37]。在被子植物進化過程中，SEP 類基因通過復制事件產生了兩個主要分支——LOFSEP 分支和 SEP3 分支 [35-36]。在單子葉模式植物水稻中，LOFSEP 分支包含三個基因 OsMADS1、OsMADS5 和 OsMADS34，而 SEP3 分支包括兩個基因 OsMADS7 和 OsMADS8。目前在水稻中已有一些關于 LOFSEP 基因功能的研究報道 [31,38-46]。我們團隊前期對 OsMADS1 和 OsMADS34 基因的功能及二者的遺傳互作進行了研究，揭示了 OsMADS1 與 OsMADS34 在水稻花發育中的作用，二者共同調控包括內外稃、漿片、雄蕊和雌蕊在內的水稻花器官的發育 [41,44,47]。

　　Cui 等 [48] 利用 RNAi 技術將除 OsMADS34 以外的所有水稻 SEP 基因沉默，結果導致除外稃以外的所有花器官向葉狀器官同源異型轉化。但是，水稻 LOFSEP 與 SEP3 分支的特異功能并不明確。研究表明，不管分別或者同時抑制 OsMADS1 和 OsMADS34 都足以引起劇烈的表型 [31,38-40,42,44,48]，暗示水稻中 LOFSEP 類基因存在更多的功能分化。另一方面，前期的研究僅報道一個 OsMADS5 等位突變體具有微弱表型，所以推測該基因在小穗發育中可能只扮演了次要角色 [39]。

　　為了深入研究水稻 LOFSEP 分支在小穗屬性建立及形態建成中的功能，我們構建了 osmads1/5/34 (lofsep) 三突變體及所有的雙突變體組合 [49]，發現 lofsep 單、雙、三突變體的小穗呈現出逐漸的、劑量依賴的向葉狀結構的轉化，從遺傳和分子水平上揭示了 LOFSEP 基因 OsMADS1、OsMADS5 和 OsMADS34 冗余調控水稻小穗屬性建立和花分生組織決定性。與雙子葉植物不同的是，在內三輪小穗器官發育過程中，LOFSEP 基因通過對 B、C、AGL6 和 SEP3 類基因的轉錄激活來行使調節功能。此外，我們的研究還證明 LOFSEP 具有植物 SEP 類蛋白典型又保守的特性 ：可與其他 MADS-box 同源異型蛋白互作形成蛋白復合體 [49]。這些結果有助于更好地理解 SEP 類轉錄因子在被子植物進化過程中的保守性和多樣性。

　　1.3　水稻ABCDE類蛋白的互作關系

　　上述對水稻 SEP 蛋白功能的研究進一步暗示，花發育“四聚體模型”同樣適用于解釋水稻小穗發育的分子機制，水稻中甚至可以形成非 MADS 轉錄因子的更高階復合物 [13,50-53]。但是，SEP 蛋白如何特異地在不同花器官發育時期起到“膠水”的作用，介導 A、B、C、D 以及 AGL6 類花同源異型蛋白裝配成各輪花器官屬性決建立特有的 MADSbox 蛋白復合體仍然缺少深入的研究。Wu 等 [34] 的研究表明，OsMADS14 和 OsMADS15 能分別形成同源二聚體，而 OsMADS18 不能 ;此外，OsMADS14、 OsMADS15 和 OsMADS18 能兩兩形成異源二聚體。 OsMADS1被報道能與OsMADS14和OsMADS15 (A 類 )、OsMADS16 (B 類 )、OsMADS3 和 OsMADS58 (C 類 )、OsMADS13 (D 類 )、OsMADS6 (AGL6 類 )、 OsMADS7 和 OsMADS8 (SEP3 類 ) 互作，以及自身形成較弱的同源二聚體 [41,48,54-55]。OsMADS34 同樣能形成同源二聚體，或與 OsMADS14、OsMADS15、 OsMADS18、OsMADS58、OsMADS6 和 OsMADS17 形成異源二聚體 [43,45]。我們的研究進一步發現 OsMADS5 與 OsMADS34 具有類似的功能，可與候選的 A、B、C、D、E 和 AGL6 類花同源異型蛋白互作 [49]。水稻 MADS-box 同源異型蛋白的互作關系總結于圖 3 [23,32,34,36,41,43,45,48-49,54-59]。由此可見，水稻小穗發育過程中，MADS-box 蛋白可形成不同階的蛋白復合體，精確調控各輪花器官的屬性建立和形態建成 ( 圖 2)。

　　1.4　水稻小穗發育的轉錄激活與高階蛋白復合體模型

　　基因表達調控的時空特異性可能在蛋白四聚合體形成中扮演著重要的角色。擬南芥中的研究結果顯示，SEP 蛋白很可能會結合到 B、C 基因的啟動子上，以確保其正確的表達水平 [60]，但 B、C 類基因在花原基中的表達模式并不嚴格依賴于 SEP 的激活 [61]。擬南芥 sep1 sep2 sep4 (lofsep) 三突變中 SEP3 仍在表達且足以獨自提供 E 類功能 [62]，暗示 SEP3 并非是 LOFSEP 基因的下游。不同的是，在水稻 lofsep 突變體中，B、C、AGL6 和 SEP3 類基因表達劇烈下調，暗示 LOFSEP 基因可能會通過對其他花同源異型 MADS-box 基因的初始激活來調控花器官的屬性建立與分生組織的決定性 [49]。一種可能的解釋是，其他花同源異型 MADS-box 基因是 LOFSEP蛋白的直接作用靶標，但這一猜想的驗證有賴于獲得可用于染色質免疫共沉淀 (ChIP) 試驗的高效抗體。目前已經證明水稻 AGL6 類成員之一的 OsMADS17 是 OsMADS1 的直接下游 [41]，為上述猜測提供了部分依據。但是，LOFSEP 通過怎樣的機制來激活其他花同源異型基因的表達仍然是一個值得深入研究的生物學問題。

　　擬南芥中的研究結果表明，SEP-AP1 復合體是 B、C 功能基因的激活子 [53,63-64] ;通過構建 AP1、 CAL、SEP1/2/4 間的高階突變體和過表達 SEP4，進一步證實了擬南芥 LOFSEP 基因確實是花分生組織屬性的促進子 [62]。有意思的是，近期的研究顯示水稻 osmads14 osmads15 雙突變體花器官呈現外輪葉狀苞葉、紙片狀漿片及其他花發育缺陷，表型與 osmads1-z osmads5-3 osmads34-1 (lofsep) 三突變體非常相似 [34,49]，暗示在內三輪小穗器官發育過程中，水稻 LOFSEP 類和 AP1 類蛋白可能形成復合體，共同激活 B、C、D、AGL6 和 SEP3 類基因的表達。這也說明了在內輪生殖器官進化過程中，禾本科與雙子葉植物存在著十分相似的分子調控機制。而在外輪小穗器官 ( 不育外稃、外稃和內稃 ) 的發育中，水稻 LOFSEP 類和 AP1 類基因的功能出現了分化，被招募來特異調控這些非生殖器官的發育。水稻的不育外稃、外稃以及內稃是單子葉禾本科進化產生的，特有地包圍著花的苞葉類器官，下文將對其屬性和發育的分子調控機制進展進行概述。

　　相關期刊推薦：《中國水稻科學》(雙月刊)創刊于1986年，是由中國水稻研究所主辦的學術性季刊。主要報道以水稻為研究對象的未經發表的原始論文。所設欄目包括研究報告、研究簡報、研究快報、研究簡訊、實驗技術、學術專論、文獻綜述等。有投稿需求的，可以直接與在線編輯聯系。

　　2 水稻不育外稃的屬性及發育調控機制

　　不育外稃是僅存于稻屬，而不存在于其他禾本科中的一個特有結構 [65]，關于不育外稃的起源存在諸多猜測 [18-19,66]。其中，被廣泛認可的是“三花小穗” 假說，該觀點認為水稻小穗可能是由三朵小花退化而來，水稻祖先的小穗包括一朵可育的頂生花以及兩朵側生小花，在進化過程中兩朵側生小花的外稃退化成不育外稃，其內稃和內輪生殖器官則完全消失 [18,67]。近年來的多篇報道為這一猜想提供了直接的理論依據。

　　G1/ELE (LONG STERILE LEMMA/ELONGATED EMPTY GLUME) 編碼陸生植物所特有的 ALOG (ARABIDOPSIS LSH1 AND ORYZA G1) 類蛋白，G1 功能缺失會導致不育外稃延長、向外稃狀結構轉化，表明不育外稃可能是由外稃退化而來 [68]。OsMADS34/ PAP2 (PANICLE PHYTOMER2) 也是決定不育外稃屬性的基因，突變后不育外稃的表型與 g1/ele 類似 [42,44-45]。G1/ELE 與 OsMADS34 同時突變后，與各 單 突 變 相 比， 不 育 外 稃 變 得 更 長 更 寬， 且 OsMADS34 與 G1/ELE 互不影響對方表達，揭示 G1/ELE 與 OsMADS34 協同調控水稻不育外稃的形態建成 [69]。表達模式分析表明，在野生型水稻不育外稃中檢測不到 OsMADS1 的表達，而 OsMADS5 與 OsMADS34 均在不育外稃原基及成熟的不育外稃中表達 [49]。OsMADS34 通過直接或間接抑制外稃屬性基因來調控不育外稃發育 [46]。OsMADS34 可能在不育外稃發育過程中抑制外稃屬性基因 OsMADS1 的表達，而異位表達 OsMADS1 能產生外稃狀的不育外稃 [38,70]。OsMADS5 與 OsMADS34 同時突變后，不育外稃表現出較單突變程度更深的像外稃狀結構的轉化，其長度和維管束數目均顯著增加 [49]，揭示了 OsMADS5 與 OsMADS34 在不育外稃屬性決定中的冗余作用，同時暗示不育外稃起源于外稃。

　　LF1 (LATERAL FLORETS 1)編碼HD-ZIP III (CLASS III HOMEODOMAIN-LEUCINNE ZIPPER) 轉錄因子，其表達受 miRNA165/166 調控。在 miRNA165/166 靶序列上發生突變后，不育外稃處會長出 1~2 朵包含內輪花器官的側生小花。進一步的研究發現，LF1 可通過直接激活分生組織維持基因 OSH1 (ORYZA SATIVA HOMEOBOX 1) 的異位表達來促進側生花分生組織的起始，證明 miRNA165/166–LF1–OSH1 途徑在誘導側生小花形成中具有重要調控作用 [71]。該研究為“三花小穗”假想提供了強有力的分子和遺傳證據。然而，lf1 突變體額外的側生小花中并沒有外稃這一結構，僅存在內稃、漿片、雄蕊和雌蕊等花器官 [71]，表明在 lf1 突變體中，不育外稃并不能回復成外稃類器官，而上述 g1/ele、osmads34 等突變體的不育外稃卻能夠回復為外稃狀器官。這一差異可能是由于稻屬植物從“三花”到“一花”的進化中，外稃向不育外稃退化的過程由上述 G1/ELE、 OsMADS34、OsMADS5 等基因調控，而其余花器官的退化則受到 miRNA165/166–LF1–OSH1 途徑調控;這也暗示了水稻內、外稃的屬性是不同的，外稃和不育外稃可能只是外輪苞葉類器官，內稃才是第一輪花器官。進一步分析相關高階突變體的表型將為該方向的研究提供新的證據。