水稻護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因的研究進(jìn)展

羅曦,魏林燕,鄭燕梅,魏毅東,連玲,謝華安,吳方喜*

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所,福建 福州 350019;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南雜交水稻種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/福州(國(guó)家)水稻改良分中心/福建省作物分子育種工程實(shí)驗(yàn)室/福建省水稻分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/福建省作物種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室華南研究基地/水稻國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350003)

當(dāng)水稻受到短日照等環(huán)境因素誘導(dǎo)后,就開始從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段向生殖生長(zhǎng)階段過渡[1]。產(chǎn)生最后一片營(yíng)養(yǎng)葉(foliage leaf)后,頂端分生組織(shoot apical meristem,SAM)開始向花序分生組織(inflorescence meristem,IM)過渡,隨后依次是枝梗分生組織(branch meristem,BM)、小穗分生組織(spikelet meristem,SM)和小花分生組織(floral meristem,FM)的連續(xù)轉(zhuǎn)變,最終形成一個(gè)完整的花序[2]。小穗是水稻花序的基本單元,小穗的結(jié)構(gòu)按分生順序依次為:副護(hù)穎(rudimentary glumes)、護(hù)穎(sterile lemmas)、外稃(lemma)、內(nèi)稃(palea)、漿片(lodicule)、雄蕊(stamen)、雌蕊(pistil),雌蕊又包括子房(ovary/carpel)和柱頭(stigma),子房?jī)?nèi)部是胚珠(ovule)(圖1)。

rg:副護(hù)穎 Rudimentary glume;sl:護(hù)穎 Sterile lemma;le:外稃 Lemma;pa:內(nèi)稃 Palea;lo:漿片 Lodicules;pi:雌蕊 Pistil;st:雄蕊 Stamen;標(biāo)尺 Scale bar:1 mm.圖1 水稻小穗結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of rice spikelet

小穗是禾本科特有的花序結(jié)構(gòu)。與其他禾本科作物相比,水稻小穗有其專有的特征:1)水稻每個(gè)小穗只有1朵小花;2)護(hù)穎是水稻特異器官,其他禾本科作物沒有其對(duì)應(yīng)器官。目前,關(guān)于水稻護(hù)穎的起源有2種假說。一種假說認(rèn)為:水稻祖先每個(gè)小穗上有3朵小花,1朵頂生小花,2朵側(cè)生小花,側(cè)生小花退化只剩外稃,然后進(jìn)一步退化成護(hù)穎[3-4]。另一種假說認(rèn)為:護(hù)穎與副護(hù)穎都是退化的苞片結(jié)構(gòu)[5]。而最近,越來越多的證據(jù)支持第1種假說[6-7]。

稻穗發(fā)育過程中,護(hù)穎的分生階段在花序分生之后,小花分生之前。許多控制小穗發(fā)育的基因都會(huì)影響護(hù)穎的發(fā)育。已報(bào)道的與護(hù)穎發(fā)育有關(guān)的基因有10多個(gè),這些基因具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并且通過不同的分子機(jī)制直接或間接影響護(hù)穎的表型。水稻的花序和小穗結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是決定籽粒產(chǎn)量的重要因素,例如,每穗粒數(shù)、千粒重、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)等性狀直接與產(chǎn)量相關(guān),調(diào)控水稻護(hù)穎發(fā)育的一些基因也是這些性狀的調(diào)控基因。所以,研究水稻護(hù)穎發(fā)育的分子機(jī)制是闡明水稻花發(fā)育機(jī)制的一個(gè)關(guān)鍵切入點(diǎn),同時(shí)也為水稻增產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。本文對(duì)與護(hù)穎發(fā)育相關(guān)的基因進(jìn)行分類和總結(jié),目的是找到它們之間的聯(lián)系,為進(jìn)一步研究水稻花發(fā)育的分子機(jī)制提供線索。

1 護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因的突變體表型及其表達(dá)模式

本文總結(jié)了12個(gè)影響護(hù)穎發(fā)育的基因(表1)。這些基因分別參與不同階段的水稻小穗發(fā)育進(jìn)程,這些基因的突變均導(dǎo)致護(hù)穎形態(tài)或數(shù)目的變化。從各基因突變體的護(hù)穎表型來看:LONGSTERILELEMMA1(G1)、PANICLE PHYTOMER2(PAP2)/OsMADS34、NONSTOP GLUMES1(NSG1)/LACKING RUDIMENTARY GLUME 1(LRG1)和APICAL DORMANT1(SAD1)抑制護(hù)穎向外稃的同源轉(zhuǎn)化;O.sativa VIN3-LIKE2(OsVIL2)、O.sativa INDETERMINATE GAMETOPHYTE1(OsIG1)、O.sativa EXTRA GLUME1(EG1)和ABERRANT SPIKELETS AND PANICLE1(ASP1)不但抑制護(hù)穎向外稃同源轉(zhuǎn)化,還影響護(hù)穎的數(shù)目;而FRIZZY PANICLE(FZP)、SUPERNUMERARY BRACT(SNB)、O.sativa INDETERMINATE SPIKELET1(OsIDS1)和MULTI-FLORET SPIKELET1(MFS1)這4個(gè)AP2/EREBP基因促進(jìn)護(hù)穎生長(zhǎng)。除了G1基因是調(diào)控護(hù)穎的特征基因外,其他11個(gè)基因在多個(gè)器官中都有不同程度的表達(dá)。

表1 突變體護(hù)穎發(fā)育異常的基因Table 1 Genes which sterile lemma of mutant with abnormal development

續(xù)表1 Table 1 continued

1.1 抑制護(hù)穎向外稃同源轉(zhuǎn)化的基因

2009年Yoshida等[8]首先在1個(gè)粳稻長(zhǎng)護(hù)穎突變體中發(fā)現(xiàn)G1基因,后來,多個(gè)學(xué)者又陸續(xù)報(bào)道多個(gè)G1基因的等位基因[21-22],這些研究揭示G1基因具有抑制護(hù)穎向外稃轉(zhuǎn)變的作用。Hong等[21]發(fā)現(xiàn),G1基因主要在水稻的護(hù)穎中表達(dá),在內(nèi)稃中也有表達(dá)。G1基因首先在一次枝梗、二次枝梗原基分生期的護(hù)穎中表達(dá),隨著小穗的成熟表達(dá)逐漸減弱,當(dāng)小穗接近成熟時(shí),表達(dá)結(jié)束。G1基因編碼的蛋白具有1個(gè)植物特異的、保守的結(jié)構(gòu)域——DUF640,在水稻和擬南芥中各有10個(gè)含有DUF640結(jié)構(gòu)域的基因。因?yàn)楫?dāng)時(shí)已知的具有DUF640結(jié)構(gòu)域的基因只有擬南芥中的參與光敏色素依賴的光信號(hào)途徑基因LSH1(LIGHT-DEPENDENT SHORT HYPOCOTYLS1)[23]和水稻G1基因,所以,Yoshida等[8]將DUF640結(jié)構(gòu)域命名為ALOG(ArabidopsisLSH1andOryza G1)。Hong等[21]通過網(wǎng)站預(yù)測(cè),G1基因沒有已知的DNA binding結(jié)構(gòu)域,也沒有明顯的轉(zhuǎn)錄激活功能。推測(cè)G1可能作為1個(gè)中介或共抑制子調(diào)控那些直接控制護(hù)穎生長(zhǎng)的基因。

MADS-box基因家族是1個(gè)成員數(shù)量龐大的基因家族,編碼的蛋白屬于轉(zhuǎn)錄因子。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系、基因結(jié)構(gòu)和蛋白結(jié)構(gòu)的不同又將MADS-box基因家族分為Ⅰ型和Ⅱ型兩大類型[24]。許多Ⅱ型MADS-box基因都參與植物花器官發(fā)育[25]。PAP2/OsMADS34屬于MADS-box基因家族的SEPALLATA(SEP)-like亞家族的LOFSEP亞組[9]。PAP2的突變體由于早期發(fā)育的小穗分生組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹７稚M織,導(dǎo)致一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)增多,并導(dǎo)致副護(hù)穎稍微伸長(zhǎng),護(hù)穎伸長(zhǎng),葉腋處長(zhǎng)出絲狀器官,而內(nèi)稃、外稃、內(nèi)部花器官?zèng)]有明顯變化,營(yíng)養(yǎng)階段也沒有受到影響。原位雜交試驗(yàn)結(jié)果表明,PAP2基因在花序分生組織、枝梗分生組織、小穗分生組織以及花分生組織中都有表達(dá)[9]。

NSG1/LRG1是1個(gè)最近發(fā)現(xiàn)的影響護(hù)穎發(fā)育的新基因。該基因編碼的蛋白具有1個(gè)保守的鋅指結(jié)構(gòu)域,并且被認(rèn)為是具有轉(zhuǎn)錄抑制活性的轉(zhuǎn)錄因子[10-11]。lrg1突變體表現(xiàn)為一側(cè)副護(hù)穎延長(zhǎng),而另一側(cè)副護(hù)穎未形成;護(hù)穎延長(zhǎng)和額外的外稃;內(nèi)部花器官則正常發(fā)育。qRT-PCR結(jié)果表明,LRG1/NSG1在所有水稻器官和發(fā)育時(shí)期都有不同程度的表達(dá),但在水稻穗發(fā)育時(shí)期明顯比營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期表達(dá)量高。在轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)植株小穗的副護(hù)穎與護(hù)穎中檢測(cè)到強(qiáng)烈的GFP信號(hào)[10]。

SAD1編碼RNA聚合酶Ⅰ的1個(gè)亞基RPA34.5。sad1突變體中,核糖體RNA的數(shù)量明顯降低。酵母雙雜交試驗(yàn)[12]表明,SAD1蛋白與RNA聚合酶Ⅰ調(diào)節(jié)復(fù)合物的中間模塊OsMED4正向互作。RNA聚合酶Ⅰ受到細(xì)胞分裂素(CK)的誘導(dǎo),與野生型相比較,sad1突變體中的細(xì)胞分裂素明顯增多。sad1突變體具有多效性表型:分蘗數(shù)減少,植株矮化,根少且短,劍葉變窄變短,沒有葉耳、葉舌,穗變小,護(hù)穎及內(nèi)外稃卷曲延長(zhǎng),小穗數(shù)量變少,內(nèi)部花器官異常。整體而言,sad1突變體的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過渡階段會(huì)延遲[12]。

1.2 抑制護(hù)穎向外稃同源轉(zhuǎn)化且影響數(shù)目確定性的基因

OsVIL2基因編碼1個(gè)可促進(jìn)水稻開花的染色質(zhì)重建因子[13]。Yoon等[26]的研究表明,OsVIL2的 T-DNA 突變體與其野生型相比,花期延遲,分蘗減少;副護(hù)穎數(shù)目增加,護(hù)穎數(shù)目減少并且延長(zhǎng),出現(xiàn)額外的穎殼狀器官,內(nèi)稃退化;內(nèi)部花器官形態(tài)或數(shù)目異常。啟動(dòng)GUS基因表達(dá)的試驗(yàn)結(jié)果表明,OsVIL2基因在苗期葉片和成熟期的劍葉中均有表達(dá),在穗發(fā)育的不同時(shí)期則組成型表達(dá)[26]。

OsIG1(O.sativa)是玉米IG1(INDETERMINATE GAMETOPHYTE1)基因的同源基因,編碼屬于LBD基因家族的蛋白[27-28](具有保守的LOB結(jié)構(gòu)域的植物特異性轉(zhuǎn)錄因子)。Zhang等[14]研究表明,OsIG1-RNAi干擾植株株高變矮,葉夾角增大,葉片褶皺化;小穗梗延長(zhǎng),護(hù)穎伸長(zhǎng)、增寬,數(shù)目增加;出現(xiàn)卷曲的、額外的穎殼狀器官,內(nèi)稃退化;內(nèi)部花器官形態(tài)或數(shù)目異常。qRT-PCR結(jié)果表明,OsIG1在水稻幼穗中強(qiáng)烈表達(dá),在成熟的花器官中表達(dá),葉片中低表達(dá),在根、莖等組織中表達(dá)最低。用OsIG1的啟動(dòng)子啟動(dòng)GUS基因表達(dá)分析表明,主要在幼穗、護(hù)穎、內(nèi)外稃和雌蕊中檢測(cè)到GUS活性。原位雜交試驗(yàn)結(jié)果表明,OsIG1在花序分生組織原基、花分生組織原基、護(hù)穎原基中有很高的表達(dá),在雄蕊和胚珠中也有表達(dá),隨著花器官發(fā)育成熟,OsIG1的表達(dá)逐漸降低[14]。

EG1(EXTRA GLUME1)基因編碼1個(gè)參與茉莉酸合成途徑的質(zhì)體靶向脂肪酶[29]。Li等[15]研究表明,EG1基因突變體eg1-1營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段沒有明顯差異,穗數(shù)也沒有明顯差異,副護(hù)穎沒有異常,護(hù)穎變長(zhǎng),數(shù)目增加,護(hù)穎與內(nèi)外稃之間形成額外的穎殼狀器官,漿片也形成類似于護(hù)穎的形狀,雄蕊和雌蕊都有形態(tài)或數(shù)目的異常。原位雜交試驗(yàn)表明,EG1基因在發(fā)育中的種子和莖中有很低的表達(dá),在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的頂端分生組織沒有表達(dá),進(jìn)入花序分生階段,EG1基因在一次枝梗、二次枝梗中大量表達(dá)。隨后,在各個(gè)花器官分生組織中表達(dá),特別是新發(fā)育的分生組織表達(dá)量較高。隨著小穗發(fā)育成熟,EG1基因逐漸減少,當(dāng)小穗和內(nèi)部花器官發(fā)育結(jié)束時(shí),只能檢測(cè)到非常弱的信號(hào)。EG1基因通過影響茉莉酸合成途徑中的OsJAZ1、OsMYC2等基因的結(jié)合,調(diào)控OsMADS1的表達(dá)。所以,EG1基因突變體小穗的缺陷特征與OsMADS1突變體類似[15]。

ASP1編碼1個(gè)類似擬南芥中TPL[30]和玉米中REL2[31]的轉(zhuǎn)錄共抑制子。asp1突變體具有多效性表型[16],花序分生組織的退化生長(zhǎng)階段延遲,枝梗分生組織到小穗分生組織的過渡加快。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,asp1突變體腋芽生長(zhǎng)不受抑制,并產(chǎn)生不規(guī)則的葉序,暗示該基因與生長(zhǎng)素密切相關(guān)。asp1突變體的小穗也產(chǎn)生多種不正常的表型:護(hù)穎和副護(hù)穎延長(zhǎng)且數(shù)目減少;內(nèi)、外稃缺失或產(chǎn)生圓柱狀的結(jié)構(gòu),但其內(nèi)部花器官正?？捎?。原位雜交試驗(yàn)表明,在苗期,ASP1基因主要在葉原基表達(dá),頂端分生組織不表達(dá)(SAM);在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,主要在腋芽分生組織(AM)和根冠原基中表達(dá);在生殖生長(zhǎng)階段,在花序分生組織(IM)和枝梗分生組織(BM)中表達(dá)強(qiáng)烈,在整個(gè)小穗發(fā)育時(shí)期都有表達(dá),尤其是在副護(hù)穎、護(hù)穎、外稃、內(nèi)稃等側(cè)生器官中表達(dá)強(qiáng)烈。

1.3 AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)護(hù)穎發(fā)育

APETALA2/ethylene-responsive element-binding proteins(AP2/EREBP)是轉(zhuǎn)錄因子超家族,它含有1個(gè)或2個(gè)非常保守的AP2/ERF結(jié)構(gòu)域。AP2/EREBP分為2個(gè)亞族:EREBP亞族(具有1個(gè)AP2/ERF結(jié)構(gòu)域)和AP2亞族[32](具有2個(gè)AP2/ERF結(jié)構(gòu)域)。該類轉(zhuǎn)錄因子主要參與調(diào)控植物發(fā)育、植物對(duì)激素和脅迫的應(yīng)答[33]。目前,與水稻護(hù)穎發(fā)育相關(guān)的AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子家族基因有4個(gè),分別是FZP、SNB、OsIDS1和MFS1。

FZP基因?qū)儆贓REBP亞族(ERF類)。Komatsu等[17]研究的FZP突變體fzp-2和fzp-3只在小穗發(fā)育中有缺陷,該突變體的小穗沒有發(fā)育出護(hù)穎和內(nèi)3輪小花分生組織,而是被高次枝梗代替,這些高次枝梗則由若干個(gè)副護(hù)穎組成。原位雜交試驗(yàn)結(jié)果表明,FZP基因的表達(dá)區(qū)域在小穗分生組織的副護(hù)穎原基的葉腋處,所以,FZP被認(rèn)為是小穗分生組織的特征基因[34]。Ren等[35]研究的FZP突變體fzp-12和fzp-13的穗發(fā)育缺陷表型較fzp-2和fzp-3弱,fzp-12的小穗明顯變小,而每穗粒數(shù)沒有減少,護(hù)穎退化變小。原位雜交結(jié)果表明:FZP基因不但在副護(hù)穎處表達(dá),在護(hù)穎、外稃、內(nèi)稃中也有表達(dá),而在內(nèi)部花器官不表達(dá)。

SNB基因?qū)儆贏P2亞族。Lee等[18]研究發(fā)現(xiàn),snb突變體小穗沒有形成護(hù)穎,副護(hù)穎增多;產(chǎn)生了額外的類似內(nèi)、外稃的結(jié)構(gòu),漿片變長(zhǎng),漿片數(shù)量增多;雄蕊減少,極少數(shù)小穗沒有產(chǎn)生內(nèi)2輪花器官。SNB基因的突變使snb突變體的苞片(即副護(hù)穎)產(chǎn)生階段延長(zhǎng),使小穗分生組織向花分生組織這一過渡期延遲。所以,snb突變體屬于時(shí)異性突變體。除了穗部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,snb突變體在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期以及抽穗期的相關(guān)性狀都沒有明顯改變。qRT-PCR和原位雜交結(jié)果表明,SNB基因在營(yíng)養(yǎng)階段表達(dá)量低,當(dāng)頂端分生組織向生殖生長(zhǎng)階段過渡時(shí),SNB基因在頂端分生組織邊緣開始表達(dá),之后,在枝梗分生階段和小穗分生階段,SNB基因持續(xù)高表達(dá),但進(jìn)入花分生階段,SNB基因表達(dá)則逐漸降低。

OsIDS1和SNB都屬于AP2亞族,OsIDS1突變體表型與SNB突變體表型類似,護(hù)穎表現(xiàn)為退化或單側(cè)護(hù)穎被副護(hù)穎替代、多個(gè)副護(hù)穎、出現(xiàn)額外的類似內(nèi)外稃結(jié)構(gòu)等表型[19]。原位雜交表明,OsIDS1的表達(dá)模式與SNB類似,但是表達(dá)量較低,所以,OsIDS1突變體表型比SNB突變體表型弱。單突變體和雙突變體的研究[35]表明,這2個(gè)基因在水稻小穗中協(xié)同行使功能。

MFS1屬于EREBP亞族(ERF類),該基因主要參與小穗分生組織確定性和護(hù)穎的特征調(diào)控。MFS1基因突變導(dǎo)致小穗發(fā)育各種缺陷:小穗軸伸長(zhǎng)、護(hù)穎退化、額外的外稃、內(nèi)稃退化及數(shù)量不定的內(nèi)3輪花器官[20]。原位雜交試驗(yàn)結(jié)果表明,MFS1基因先在枝梗分生組織和小穗分生組織中大量表達(dá),然后在護(hù)穎原基和內(nèi)/外稃原基中強(qiáng)烈表達(dá),最后在漿片、雄蕊、雌蕊中表達(dá),當(dāng)雌蕊形成后,MFS1基因在護(hù)穎和內(nèi)/外稃中檢測(cè)不到轉(zhuǎn)錄信號(hào),在漿片、雄蕊、雌蕊中表達(dá)量逐漸降低。

2 護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因之間的調(diào)控關(guān)系

植物花的發(fā)育主要經(jīng)歷3個(gè)階段:開花決定、花的發(fā)端和花器官發(fā)育。首先,植物受到外界和內(nèi)生信號(hào)的誘導(dǎo),從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng);其次,不同花誘導(dǎo)途徑的信號(hào)相互作用,激活特異的花分生組織特征基因,使頂端分生組織向花序分生組織轉(zhuǎn)變;最后,花序分生組織特征基因激活花器官特征基因的表達(dá),從而激活器官建成基因的表達(dá),最后形成花器官[36-37]。

根據(jù)時(shí)空表達(dá)模式(圖2)、蛋白的功能特點(diǎn)和突變體表型(表1),本文將護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因分為3類:OsVIL2和SAD1屬于開花決定基因;OsIG1、EG1和NSG1/LRG1屬于花序分生組織特征基因;OsMADS1/LHS1、PAP2/OsMADS34、G1和AP2/EREBP(FZP、SNB、IDS1和MFS1)屬于花器官特征基因。

圖2 護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)模式Fig.2 Expression patterns of genes related to sterile lemma development箭頭表示頂端分生組織到花分生組織的發(fā)育進(jìn)程。SAM:頂端分生組織;IM:花序分生組織;BM:枝梗分生組織;SM:小穗分生組織;FM:花分生組織。綠色矩形和紅色矩形分別代表正向調(diào)控和負(fù)向調(diào)控,灰色矩形代表已確定或未知調(diào)控。矩形的寬度表示基因在相對(duì)應(yīng)的器官或分生組織中表達(dá)。The arrow indicates the process of shoot apical meristem(SAM)to floral meristem(FM). IM:Inflorescence meristem;BM:Branch meristem;SM:Spikelet meristem;FM:Floral meristem. The green,red rectangles indicate positive,negative regulation and grey rectangles indicate determinacy or unknown regulation. The width of the rectangle indicates the expression domain of genes correspond to the different floral organs or different meristems.

2.1 開花決定基因

OsVIL2參與水稻春化途徑,通過對(duì)靶基因的染色質(zhì)修飾來調(diào)控開花時(shí)間[13]。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序表明,OsVIL2突變體中OsIG1和G1的表達(dá)顯著下調(diào),表明OsVIL2是OsIG1和G1的上游基因[26]。

SAD1編碼1個(gè)RNA聚合酶Ⅰ(PolⅠ)的亞基,而RNA聚合酶Ⅰ受到細(xì)胞分裂素(CK)的誘導(dǎo)[38]。與野生型相比較,sad1突變體中的細(xì)胞分裂素明顯增多,這可能是由某種反饋機(jī)制調(diào)節(jié)導(dǎo)致[11]。有研究表明,miR156和miR172這2個(gè)microRNA在植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變過程中起關(guān)鍵作用[39]。Li等[12]研究表明,SAD1正向調(diào)控miR172,負(fù)向調(diào)控miR156。

上述基因除了蛋白功能還具有開花決定基因的特征,而且osvil2和sad1突變體植株都表現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過渡期大幅延長(zhǎng),且頂端分生組織的生長(zhǎng)受到抑制,所以,我們認(rèn)為OsVIL2和SAD1屬于開花決定基因。

2.2 花序分生組織特征基因

OsIG1、EG1和NSG1/LRG1都在花序分生組織中高表達(dá),而在頂端分生組織中不表達(dá)或低表達(dá),所以,我們認(rèn)為這3個(gè)基因都屬于花序分生組織特征基因。Zhang等[14]發(fā)現(xiàn),osig1突變體中的EG1表達(dá)水平降低,表明EG1是OsIG1的下游基因;osig1突變體中OsMADS1表達(dá)量升高,而Li等[15]研究的eg1突變體中OsMADS1表達(dá)量下降。根據(jù)Cai等[29]研究結(jié)果,eg1突變體2 mm以內(nèi)幼穗中的OsMADS1表達(dá)量下調(diào),而3～4 mm幼穗中的OsMADS1表達(dá)量下調(diào)不明顯,說明EG1調(diào)控OsMADS1受到時(shí)空性的限制?？傊?OsIG1、EG1、OsMADS1這3個(gè)基因是從上游到下游的調(diào)控關(guān)系。Xu等[10]通過qRT-PCR和原位雜交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),lrg1突變體中G1基因的表達(dá)量明顯下降,而OsMADS1表達(dá)量顯著上升。這個(gè)結(jié)果表明,NSG1/LRG1正向調(diào)控G1,負(fù)向調(diào)控OsMADS1。Zhuang等[11]研究發(fā)現(xiàn),NSG1/LRG1能直接與OsMADS1的啟動(dòng)子結(jié)合,然后再與TPR類(ASP1即OsTPR2)的共阻遏蛋白結(jié)合,通過下調(diào)OsMADS1所在染色質(zhì)上組蛋白的乙?；?抑制OsMADS1的表達(dá)。

2.3 花器官特征基因

OsMADS1、PAP2/OsMADS34、G1、AP2/EREBP(FZP、SNB、OsIDS1、MFS1)這4個(gè)基因/類基因在水稻小穗分化過程中的時(shí)間和空間表達(dá)特異性強(qiáng)(圖2),屬于花器官確定性基因。雖然這些基因分別調(diào)控相對(duì)應(yīng)的花器官,但沒有嚴(yán)格的分界線。從表達(dá)方式上來看,這些基因的表達(dá)是時(shí)空性的、局部連續(xù)的、部分重疊的,這些基因之間也互相調(diào)控。

OsMADS1雖然沒有直接調(diào)控護(hù)穎的發(fā)育,但OsMADS1是小穗分生組織向小花分生組織過渡階段的關(guān)鍵調(diào)控因子。Khanday等[40]研究發(fā)現(xiàn),OsMADS1以直接減少PAP2/OsMADS34(穗分生抑制子)的表達(dá)和激活OsMADS55(花分生正向調(diào)控子)的方式促進(jìn)小穗分生組織向小花分生組織過渡。Dai等[41]研究發(fā)現(xiàn),OsMADS1通過抑制microRNA172的表達(dá)調(diào)控水稻內(nèi)/外稃的發(fā)育。

PAP2/OsMADS34是正向調(diào)控小穗分生組織的特征基因,也是水稻花序結(jié)構(gòu)和護(hù)穎特征的重要調(diào)節(jié)基因[9,42]。OsMADS1與PAP2都屬于禾本科特有的LOFSEP亞族基因,而且這2個(gè)基因都參與小穗分生組織的發(fā)育過程,但又有分工上的不同。首先,PAP2的作用是啟動(dòng)小穗分生組織發(fā)育,并且參與副護(hù)穎和護(hù)穎的發(fā)育進(jìn)程;其次,OsMADS1維持小穗分生組織發(fā)育,參與內(nèi)稃、外稃以及內(nèi)3輪的花器官發(fā)育。進(jìn)一步研究表明,PAP2是OsMADS1的直接靶基因并被該基因負(fù)向調(diào)控[40]。已知pap2突變體的護(hù)穎變長(zhǎng),我們推測(cè)PAP2基因負(fù)向調(diào)控護(hù)穎建成基因表達(dá)。這個(gè)推斷或許可以解釋OsMADS1異位表達(dá)導(dǎo)致護(hù)穎變長(zhǎng)的原因。

已知G1基因只在護(hù)穎和內(nèi)稃中表達(dá),G1基因功能的缺失導(dǎo)致護(hù)穎向外稃的同源轉(zhuǎn)化,而其他性狀不受影響,所以,G1基因是護(hù)穎的特征基因。Gao等[42]在pap2突變體中發(fā)現(xiàn),G1基因的表達(dá)(qRT-PCR)并沒有受到影響,認(rèn)為G1與PAP2分別獨(dú)立調(diào)控護(hù)穎的發(fā)育。然而,Liu等[22]發(fā)現(xiàn),g1突變體中的PAP2基因表達(dá)(qRT-PCR)顯著降低,認(rèn)為G1調(diào)控PAP2的表達(dá)。所以,需要更多的試驗(yàn)證據(jù)來確定G1與PAP2之間的調(diào)控關(guān)系。

FZP、SNB、OsIDS1和MFS1這4個(gè)基因都具有AP2/ERF結(jié)構(gòu)域,它們的突變都會(huì)影響小穗分生組織的確定性,而且都沒有發(fā)育出護(hù)穎或護(hù)穎退化。fzp和snb突變體都形成更多的副護(hù)穎,并且具有明顯的小穗分生組織和小花分生組織邊界。fzp突變體在副護(hù)穎的中間形成腋生分生組織(axillary meristem,AM),而花分生組織被高次枝梗代替[35]。snb突變體在多重副護(hù)穎之上形成花器官,而且沒有觀察到fzp突變體副護(hù)穎中間的腋生分生組織。除此之外,在snb突變體中,FZP基因的轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有明顯變化。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,Lee等[18]認(rèn)為,FZP和SNB基因在水稻的小穗發(fā)育過程中分別獨(dú)立表達(dá),而且FZP基因行使功能的時(shí)期在SNB基因之前。Ren等[35]根據(jù)MFS1的小穗分生組織確定性丟失比SNB遲,推斷MFS1基因行使功能在SNB基因之后。FZP和SNB基因在mfs1的突變體中表達(dá)量顯著降低,護(hù)穎特征基因G1表達(dá)量減少,說明MFS1基因參與這些基因的表達(dá)調(diào)控。與mfs1突變體一樣,G1基因在fzp突變體中的表達(dá)也顯著降低,而FZP過表達(dá)植株的護(hù)穎形態(tài)伸長(zhǎng)[17]。G1基因正常表達(dá)會(huì)抑制護(hù)穎伸長(zhǎng),G1基因表達(dá)顯著降低則應(yīng)該表現(xiàn)為長(zhǎng)護(hù)穎的形態(tài),然而fzp、snb、osids1、mfs1這些突變體都沒有發(fā)育出護(hù)穎或護(hù)穎退化。我們推測(cè),AP2/EREBP基因沒有直接調(diào)控G1的表達(dá),而是直接正向調(diào)控其下游的器官建成基因。已有研究[43-45]表明,AP2亞族的基因具有維持植物分生組織分生能力的作用,EREBP亞族也參與植物激素應(yīng)答、脅迫應(yīng)答和發(fā)育調(diào)節(jié)[46-47]。Ren等[35]研究表明,FZP通過控制細(xì)胞增殖和細(xì)胞增大來調(diào)節(jié)谷物大小。至于fzp和mfs1突變體中G1基因表達(dá)為什么會(huì)降低,我們推測(cè)是由G1基因與護(hù)穎器官建成基因的一種反饋調(diào)節(jié)機(jī)制造成的。

AP2家族成員是miR172的靶基因[48-54],miR172的過表達(dá)植株表現(xiàn)為與snbosids1雙突變體類似,但是有更嚴(yán)重的表型缺陷[19],這意味著miR172通過抑制AP2類基因表達(dá)方式參與水稻花發(fā)育的調(diào)控。

3 水稻護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因之間可能的調(diào)控模式

綜上所述,我們總結(jié)了一個(gè)水稻護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)控模式(圖3)。首先,OsVIL2受到外界或內(nèi)生信號(hào)的誘導(dǎo),激活植物特異轉(zhuǎn)錄因子OsIG1。同時(shí),OsSAD1也受到外界或內(nèi)生信號(hào)的誘導(dǎo)促進(jìn)miR172的積累。其次,OsIG1激活質(zhì)體靶向脂肪酶基因EG1,并參與茉莉酸(JA)生物合成。NSG1/LRG1是OsMADS1和G1的上游基因,該基因直接抑制OsMADS1表達(dá),并促進(jìn)G1表達(dá),NSG1/LRG1與其他花序分生組織特征基因的互作未知。EG1通過直接或間接作用進(jìn)一步調(diào)控OsMADS1表達(dá)。按照經(jīng)典的被子植物花發(fā)育ABC模型[55]分類,G1、PAP2、OsMADS1和AP2/EREBP都屬于A類基因,這些基因直接或間接調(diào)控護(hù)穎建成基因的表達(dá),最終形成水稻護(hù)穎器官。目前,還沒有水稻護(hù)穎相關(guān)建成基因(可能與細(xì)胞分裂和激素調(diào)節(jié)有關(guān))的報(bào)道。根據(jù)已有研究結(jié)果,我們推斷AP2/EREBP類基因正向調(diào)控護(hù)穎建成基因的表達(dá),而G1和PAP2抑制護(hù)穎建成基因的表達(dá),從而維持正常的護(hù)穎表型。最后,OsMADS1開始表達(dá),并且抑制PAP2在外稃、內(nèi)稃中表達(dá)。而SAD1促進(jìn)miR172的積累,miR172又抑制AP2/EREBP類基因的表達(dá),同時(shí)miR172又受到OsMADS1的抑制。

ASP1編碼1個(gè)轉(zhuǎn)錄共抑制子,而且asp1突變體在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)階段具有多效性表型,我們認(rèn)為,ASP1與miR172具有類似的作用,它們都是調(diào)節(jié)水稻花發(fā)育和生理進(jìn)程的調(diào)節(jié)子。目前已知ASP1屬于TPR(TOPLESS-RELATED)類蛋白[30],而TPR類蛋白能與具有EAR結(jié)構(gòu)域的蛋白結(jié)合[56]。Zhuang等[11]研究證實(shí),ASP1、NSG1/LRG1(具有EAR結(jié)構(gòu)域)和HDAC(組蛋白脫乙酰基酶)結(jié)合成復(fù)合體共同抑制OsMADS1的表達(dá)。

4 研究展望

關(guān)于水稻護(hù)穎發(fā)育的分子機(jī)制,仍然需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來闡明。我們認(rèn)為有以下幾個(gè)方面值得進(jìn)一步探索:1)NSG1/LRG1與OsIG1、EG1之間是互作關(guān)系還是單獨(dú)執(zhí)行功能;2)EG1與OsMADS1之間是否還有其他基因參與調(diào)控;3)需要更多的試驗(yàn)證據(jù)來確定G1和PAP2之間的關(guān)系;4)哪些內(nèi)生信號(hào)直接激活了G1的表達(dá);5)G1調(diào)控的下游基因有哪些。鑒于目前組學(xué)相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展,水稻護(hù)穎發(fā)育相關(guān)基因可通過轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組的聯(lián)合分析方法,快速明確這些基因之間的調(diào)控關(guān)系;再通過蛋白互作試驗(yàn)或轉(zhuǎn)錄表達(dá)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證某2個(gè)基因之間的具體關(guān)系。水稻護(hù)穎發(fā)育分子機(jī)制的闡明,不但對(duì)揭示水稻花發(fā)育機(jī)制具有重要的理論意義,而且通過護(hù)穎相關(guān)基因的編輯或聚合,可以增加水稻的每穗粒數(shù)、千粒重、枝梗數(shù)等重要的產(chǎn)量性狀,為水稻增產(chǎn)提供一條新的思路。