被子植物MADS-box基因研究進展

王鵬洋，付澤元，曲姍姍，梁 源

（東北林業(yè)大學 生命科學學院，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

MADS-box基因作為重要的調(diào)控基因，在植物生長和發(fā)育的許多方面發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)功能[1]。現(xiàn)如今，已經(jīng)在許多被子植物中發(fā)現(xiàn)數(shù)以百計的MADS-box基因[2]。MADS-box蛋白作為一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在控制植物開花時間、花器官形成和分生組織特異性等方面的信號轉(zhuǎn)導過程中起著關鍵作用[3]。MADS-box基因還是一類家族基因的總稱，該家族基因在長期進化的過程中發(fā)生了不同程度的重復事件，這就導致了MADS-box基因家族成員具有功能差異，即亞功能化或新功能化[4]。MADS-box基因的名稱是由4個物種的重要轉(zhuǎn)錄因子名字的第1位字母拼接而成，它們分別是：M來源于酵母的MCM1，A為調(diào)控擬南芥花器官形成的AG，D是金魚草的DEF，S是人血清應答因子SRF[5]。在被子植物中MADS-box是一個巨大的基因家族，該家族成員分散在被子植物整個基因組中。

1 MADS-box基因的分布

MADS-box基因分布十分廣泛，在植物、動物、微生物中都已經(jīng)有學者將其克隆出來。在植物中，MADS-box基因遍布整個植物界。在被子植物（如水稻、小麥、玉米等） 單子葉植物和核心雙子葉植物擬南芥中都有大量的分布[6]。在植物生長發(fā)育的不同時期，均有MADS-box家族的基因表達。在植物不同的部位（如根、莖、葉） 或者作為生殖器官的花、果、種子中，不同的MADS-box基因會有不同的特異性表達[7]，以實現(xiàn)特異性的調(diào)控作用。

2 MADS-box蛋白的結(jié)構(gòu)

植物MADS-box基因主要為MIKC型基因，典型的MIKC型MADS-box蛋白有相對保守的結(jié)構(gòu)域，其由 MADS-box（M）、Intervening（I）、K-box（K） 和C-terminal（C） 共 4個部分組成[8]。其中，MADS-box的結(jié)構(gòu)域最為保守，由60多個氨基酸殘基組成，MADS-box具有與特定DNA結(jié)合的活性，同時也在二聚體和輔助因子結(jié)合中發(fā)揮作用；I區(qū)約由35個氨基酸殘基構(gòu)成，可變性較大，為弱保守結(jié)構(gòu)域，是調(diào)控DNA結(jié)合二聚體形成的決定性因素；K-box結(jié)構(gòu)域可以形成參與蛋白二聚化的兩性螺旋，介導蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用；C區(qū)位于K-box的下游末端，是最易變的區(qū)域，它參與轉(zhuǎn)錄激活和多轉(zhuǎn)錄因子復合物的形成[9]。根據(jù)I區(qū)和K-box的不同，MIKC型的MADS-box蛋白可以進一步細分為2類，分別是MIKCC型蛋白和MIKC*型蛋白[10]。MIKCC型蛋白的I結(jié)構(gòu)域其基因僅有一個外顯子；而MIKCC型蛋白的I結(jié)構(gòu)域的基因有4～5個外顯子[11]。

3 MADS-box基因的進化

研究表明，MADS-box基因在早先年代只有一個共同的祖先，而MADS-box基因家族中的基因復制被認為是進化的關鍵過程[12]。在基因復制之后，一個基因可以有幾種不同的命運。如果一個基因是完全復制的，這通常會導致功能冗余。另一方面，一個復制的基因可以保留祖先的功能，而另一個獲得突變成為偽基因，在這種情況下如果獲得突變的基因是有益的積極突變，就會被自然所選擇，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的新功能；還有一種可能性是，這2個基因都獲得了功能缺失突變，然而突變結(jié)果是2個基因功能互補，2個基因會在長期進化的過程中一同保留下來，因為它們在一起才能實現(xiàn)它們唯一祖先的原始功能，這也被稱為復制-退化-互補 （DDC） 模型[13]。以上這些獲得性突變變化分別稱為去功能化、新功能化和亞功能化。不同物種間MADS-box基因家族的大多數(shù)差異也被認為是由基因復制引起的。

4 被子植物MADS-box基因的生物學功能——ABCDE模型

MADS-box基因在被子植物中是一類有著重要功能的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，尤其在被子植物的花中至關重要，科學家對MADS-box基因的功能了解得還不夠多，現(xiàn)在對其研究最完備的功能依然為控制植物花器官的識別和發(fā)育，尤其是在被子植物中雌雄同體的物種中。MADS-box基因通過在花的不同部位、不同時間特異性表達，控制著開花的時間、花的性別的確立、花器官的形成等重要生理過程。

在雌雄同體被子植物中，花器官的特性是由MADS-box基因編碼的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子控制的，該基因在此作為花器官識別基因，被分為A，B，C，D，E共5類[14]，學者對控制花器官識別遺傳機制的詳細分析提出了ABCDE模型。在該模型中，在花分生組織中表達不同類別的基因來決定未來形成非生殖器官的萼片（sepals） 或花瓣（petals），還是形成作為生殖器官的雄蕊 （stamens） 或心皮（carpel）。在模式植物擬南芥和其他雌雄同體物種中，共分為4輪，第1輪A類和E類基因可以一起調(diào)控萼片識別；第2輪A類結(jié)合B類和E類基因一起調(diào)控花瓣識別；第3輪B類結(jié)合C類和E類基因可明確識別雄蕊；第4輪C類與D類、E類基因可以明確識別心皮[15-16]。其中，E類基因在每一輪中都有表達，A類和C類基因的表達產(chǎn)物相互抑制不能同時共存，A，B，C類基因是該模型中最核心的部分。A類基因主控萼片和花瓣的識別，當A類基因失去功能時，失去對C類的抑制效應，則C類基因會一反常態(tài)的表達于第1輪與第 2輪中，第1輪的花器官識別不再是萼片而是心皮，第2輪的花器官識別會由花瓣轉(zhuǎn)化為雄蕊。B類基因主要在花瓣和雄蕊的識別期發(fā)揮作用，如果B類基因失活，第2輪和第3輪就會完全由A和C類控制形成萼片和心皮。C類基因主控雄蕊和心皮的發(fā)育，如果C類基因失去功能無法抑制A類基因在此時表達，第3輪和第4輪就會生成萼片和花瓣[17-19]。

ABCDE模型見圖1。

圖1 ABCDE模型

MADS-box蛋白能與DNA結(jié)合的能力是其發(fā)揮功能的基礎，以此決定花器官的識別，而蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的能力也可能是花器官形成過程中可能涉及的發(fā)育過程的一部分[20]。MADS-box蛋白早先被認為是以二聚體形式存在來調(diào)控靶基因的表達。如通過酵母雙雜交試驗得到，PI能夠與AP3或TM6結(jié)合形成異源二聚體；AG，AP1，AP3和AGL1還可以自二聚。隨著進一步研究有學者提出了四聚體模型，即2組二聚體通過蛋白互作效應來組成一個四聚體結(jié)構(gòu)，如在擬南芥中，AtAP1-AtAP1同源二聚體與AtSEP-AtSEP異源二聚體形成四聚體控制萼片的發(fā)育；2個異源二聚體AtAP3-AtPI和At-SEP-AtAP1形成四聚體，決定花瓣的識別；2個異源二聚體AtAP3-AtPI和AtSEP-AtAG形成的四聚體決定雄蕊的形成；AtAG-AtAG和AtSEP-AtSEP的四聚體控制心皮的發(fā)育。ABCDE模型已被成功地用于解釋被子植物中花器官組織的識別，這似乎是一種較為保守的機制。

5 結(jié)語

隨著生物技術的發(fā)展，目前關于MADS-box基因與花器官識別取得了重要的研究進展。因為基因重復導致MIKC型MADS-box基因的進化，進而導致這一類基因去功能化、亞功能化或新功能化。對MADS-box基因研究最多的是在花器官識別方面，在近幾十年內(nèi)，對被子植物中雌雄同株的物種進行了研究，指出MADS-box的ABCDE類基因是控制雄雌器官發(fā)育的分子開關之一；而在雌雄異株物種中，ABCDE基因能調(diào)控單性花的形成過程。隨著研究的深入，由ABCDE引申出的滑動邊界模型和模糊邊界模型還可以解釋裸子植物、單子葉植物等的花發(fā)育過程，這2個模型都表明，這些物種的非常規(guī)花的表型主要是由于A類和C類基因表達邊界的改變而實現(xiàn)的。

研究MADS-box基因發(fā)揮功能的分子機制，對于解釋植物花發(fā)育過程中各種生理生化現(xiàn)象具有重要的研究意義，在未來，可以根據(jù)MADS-box基因在花器官發(fā)育的時間、空間上特異性表達的特點來對花卉進行人工改造；對于有關于花器官的經(jīng)濟作物可以大量生產(chǎn)等應用，將理論研究置于實際應用中，創(chuàng)造更高的價值。