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1、植物花发育的研究进展,世界上的高等植物有30 万种左右, 其中90% 以上是开花植物。开花是高等植物个体发育的中心环节，是植物从营养生长向生殖发育转化的枢纽。花器官的形成发育即成花机理更是一直受到生物学家和农学家的关注, 其历史可追溯到200 年以前。长期以来人们对花的形态、分类、遗传、生理等进行了广泛的研究, 但多局限于形态描述及成花生理研究, 而对其内在机理仍不清楚, 多处于假说阶段。,近年来,由于分子生物学、分子遗传学的发展以及其潜在商业价值的刺激下(如应用基因工程改变花型、花色、花期等 ) , 人们再次对植物的花发育产生了浓厚的兴趣, 在植物学科中出现了植物发育遗传学研究的热潮。目前,
2、 对花发育的研究已深入到分子水平, 人们利用基因工程和组织培养技术产生突变体并克隆与成花有关的基因, 初步构建起花器官发育的遗传模型, 已发展为植物生理学研究中的一个热门分支。,1.花发育研究概述 自1904 年Klebs 的C/N 比学说到现在的近一个世纪以来, 人们对成花生理进行了大量研究探索。20 世纪70 年代以前主要进行有关成花生理研究, 其中1937 年柴拉轩提出“开花素”学说和1960 年证实“光敏素”的存在, 是植物成花研究中2 个极重要的里程碑, 但一直未能确认具有“开花素”特性的某种物质, 对光敏素感受环境信息后的进一步功能也仍处于假说阶段。因此, 对植物成花研究仅限于对生
3、理现象的描述, 而在成花诱导、信号传递、决定、发端的机制方面则陷入困境处于停滞状态。,在这种“山穷水复疑无路”的情况下, 70 年代后人们集中于研究成花过程的遗传机制。应用分子生物学并结合经典遗传分析方法, 已鉴别并克隆出许多成花特异基因, 尤其是成花同源异型基因的克隆, 可谓“柳暗花明又一村”,打破了成花机理研究长期徘徊不前的局面, 极大地推动了植物成花机理的研究。,植物花发育过程是个复合的多步骤过程，涉及不同发育方式的转换，各种不同花器官的发生和形成，以及在外界环境条件的作用下，内部信号的产生、传导和相互作用等。一般认为植物的成花过程即发育过程可分为4 个阶段：,成花诱导: 植物经过一定的
4、营养生长后, 在自身内因和环境外因诱导下从营养生长向生殖生长转变, 进而形成花序分生组织(vegetative growthinflorescence meristem) ; 由花序分生组织逐步形成花分生组织(floralmeristem) ; 由花分生组织产生花器官原基(floralorganprimordia) ; 花器官的成熟: 即花器官原基形成后, 雌蕊、花药等的成熟过程。,4个阶段分为：花序分生组织的形成(花序发育)、花分生组织的形成(花芽发育)、花器官原基的形成(花器官发育)、花器官发育成熟(花型发育)。 而从形态上观察, 花形态建成大致可分为2 个阶段:是早期茎端营养分生组织转化
5、为花序分生组织后于其两侧产生花分生组织; 二是后期以同轴为中心精确地依次产生4 轮花器官原基组织。但是各阶段的定时、定位及信号传递过程不清楚。,近年来, 人们通过遗传和分子生物学方法, 利用天然突变和人工诱变(如EMS 化学诱变、T-DNA 插入诱变、转座子导入诱变等) 产生并筛选突变体, 采用各种技术(如染色体步移、转座子标记、农杆菌感染的T-DNA 标记、减法杂交、差异筛选和差异显示等) 克隆相关基因, 进而分析其功能和产物结构。利用这些方法主要以拟南芥(Arabidopsis thalina)、金鱼草(Antirrhinum majus) 为模式植物, 植物成花研究工作已取得瞩目进展。拟
6、南芥和金鱼草均为植物遗传学研究的经典材料, 有许多花发育突变体可供利用,其遗传背景也比较了解, 二者都便于进行分子生物学分析, 并能够对不知道其蛋白产物的特定基因进行分子克隆。,2 成花过程各个阶段 2.1 成花诱导过程,诱导过程是成花过程的最关键步骤。在一定外界因子的诱导下, 植物进行花发育的第一步花序发育, 标志着植物从营养生长向生殖生长的转变。诱导过程研究虽然有一定进展, 但未取得最后突破。成花诱导过程指植物在一定诱发条件下从营养生长进入生殖生长的关键时期, 该过程受阻则不能成花。植物种子从萌发开始经过一段的营养生长(在果树等多年生木本植物上称童期) 后就达到“成熟态”(maturaty
7、) 或“感受态”(competence) 或“适花”(ripeness to flower) , 营养型的顶端分生组织处于“感受态”即进入成花诱导期。此时期内, 植物能感受一定的外界因子, 在一定的诱导条件下, 营养型的顶端分生组织属性逐渐改变, 成为花序分生组织。但顶端分生组织接受成花诱导的机理仍然不清楚。,成花诱导过程包括 ： (1) 外因: 包括日照长短、光质、温度、矿质营养、土壤水分等; (2) 内因: 包括发育阶段、营养状态、激素水平等; (3) 特定基因的启动表达。,2. 1. 1 外界因子 即环境因素, 主要为光和温度, 其它环境因素对成花也有一定影响, 但不是决定因子。绝大多数
8、植物的成花过程受环境因子的调控, 生理学对诱导成花的外界因子有详尽的研究。植物个体可在不同部位感受不同的外界因子, 说明植物体内对不同外界因子存在相应不同的遗传机理。相应基因发生突变, 会使植物对外界因子的感受能力发生改变, 从而影响花序发育的时间。,光是影响植物成花的主要的环境因子, 可为光合作用提供能量, 并且触发光形态建成(包括形态分化、质体分化、新陈代谢等重要反应)。光通过光强、光质、光周期(包括昼夜周期、太阳月周期、季节周期)影响植物生长发育。而光周期是成花诱导的重要因子。,光周期现象（photoperiodism） 长日照植物（long-day plant）在短夜/长日照条件下开花
9、 短日照植物（short-day plant）在长夜/短日照条件下开花 日中性植物（day-neutral plant）开花不受光周期影响。 另外还有些植物在长日照后需短日照才能开花，而有些则在短日照后需长日照才能开花。,长日照和短日照植物中光周期和开花应答的关系,光周期现象的发现极大的刺激了随后数十年对开花的研究。通过光周期控制开花，是一种精确控制植物发育状态和开花启动的简单方法。光诱导实验还证明，许多植物开花状态的快速变化是由叶介导的，感测光周期诱导的接受器官是绿色叶片(包括子叶) 和绿色叶鞘, 而最终作用器官是茎端分生组织, 其运输通道可能是韧皮部, 但不清楚光周期信号如何在叶片转变成可
10、运输的与成花有关的生物信号、信号物质的结构和这些信息如何在茎端分生组织中发生作用。,紫苏叶的光诱导现象,研究表明：植物光敏色素可能是参与感受光周期和光质的变化。 自1983 年得到完整的光敏素蛋白质以来, 人们对光敏素的分子种类、生物合成、调控机制进行了深入的研究, 取得了一系列重要成果。可以说, 光敏素的发现是植物成花研究的一个重要里程碑。光敏素(phytochrome) 是一种色素与蛋白的复合物, 以二聚体形式存在, 单体由1 个脱辅基多肽链(A P) 和1个线性四吡咯生色团共价结合而成。光敏素的种类主要由其多肽链部分(A P) 决定。,光敏素在高等植物中至少有两种: 一种在黄化苗中含量高
11、, 为红光吸收形式蛋白质, 在光下迅速降解为不稳定的Pfr 形式, 称I 型光敏素(PhyI ) 或黄化组织光敏素或光不稳定光敏素; 另一种在绿色组织中为主, 称II型光敏素(PhyII ) 或绿色组织光敏素或光稳定光敏素。光敏素受基因控制, 拟南芥核基因组中包含有4 5 个不同生理功能的光敏素基因, 分别称Phy A E, 在调节开花过程中， PhyA 、PhyB 有不同的敏感功能: PhyA 在某些条件下促进成花, PhyB 则抑制成花。目前对PhyC、 PhyD、Phy E的功能还不太清楚。,phyB 突变体提前开花,温度是植物发育的必要条件, 也是植物成花的必要因素。温度对开花的作用有
12、3 个方面: (1) 低温成花诱导(春化作用，Vernalization) ; (2) 适温促进花发育; (3) 超温抑制开花。主要是低温春化作用影响植物成花。低温处理引起植物体内部多种代谢途径与代谢顺序的改变, 所产生的内环境启动植物成花。与光周期不同, 春化作用的接受位点均为茎端生长点, 通过春化作用, 可能使植物在光周期条件下产生“开花素”(florigen) 或者改变茎端分生组织对“开花刺激物”的敏感性, 其所产生的内环境启动植物成花。,低温春化诱导拟南芥开花,2. 1. 2 内因 主要包括发育阶段、营养状态和激素水平。引人注目的是植物感受各种外界环境信号产生的与成花有关的物质, 过去
13、称“开花物质”或者说“成花刺激物”, 也有人称“成花生理信号”(physiological signal), 广义讲这种“成花生理信号” 包括促花的成花刺激物和抑花的成花抑制物, 主要有“开花素”、碳水化合物、激素及其它物质。,1937 年柴拉轩通过嫁接试验提出的“开花素学说”是植物研究中的一个重要里程碑, 其要点有: (1)光周期反应的感受器官是叶片, 叶片在不同花周期条件下产生促抑信息, 并且运输到茎尖生长点发生作用； (2) 产生的成花物质可多向、多距离运输； (3) 产生的成花物质是在特定条件下产生而非基础代谢物质, 并应具有普遍性。,到目前还没有发现可以单个诱导开花的物质，但已经成功
14、的鉴定出了多种开花促进因子，如赤霉素GA、细胞分裂素、酚类、寡糖素、多胺、蔗糖、赖氨酸和钙离子等等。 根据成花因子的复杂性,Bernier认为“开花素”可能是综合型或复合型的, 并提出多因子诱导开花学说, 以后进一步发展为控制成花的网状系统模型, 即成花受多条相应的途径控制, 只要一条途径畅通, 花分化即可启动。,2.1.3 成花诱导的分子机理,拟南芥(Arabidopsis) 是一种兼性长日植物, 作为模式植物在过去的20 年中, 借助分子生物学和遗传学的手段，通过对大量拟南芥花发育突变体的研究，目前已经克隆和定位了大量的影响开花时间（包括促进开花和抑制开花）和花分生组织特异性的基因，从而使
15、我们对成花诱导的分子机理有了更深入的了解。,2.1.3.1与成花诱导有关的基因 影响开花时间的基因 与开花时间相关的突变体可分为两大类: 早花突变体和晚花突变体。 早花突变体: 开花较早, 莲座和花序轴上的节数减少, 这些基因是:TFL、ELF1、ELF2、CLF、WLC、ELF3、COP1、HY1、HY2、HY3、EMF。根据它们对光周期的不同反应又被分为两类, 一类在短日照下成花延迟, 包括TFL、ELF1、ELF2、CLF、WLC; 另一类对短日照处理不敏感, 包括ELF3、COP1、HY1、HY2、HY3、EMF。,晚花突变体的表型: 在长日照下, 延迟成花, 莲座和花序轴上的节数增加
16、。依据它们对春化处理的敏感性将其分为两类, 一类对春化处理没反应, 对短日照不敏感, 节间长度不变, 包括隐性突变基因FE、FT、FD、FHA、GI, 半显性突变基因CO , 显性突变基因FWA;另一类包括FCA、FPA、FVE、FY、LD, 它们的突变体对春化作用敏感, 短日照可加强晚花表型。,以上这些基因被认为是相转变的调控子(Controller of phase switching, COPS)。当COPS 处于临界水平时, 形态建成的程序便被启动, 而COPS 水平的变化又可通过不同的环境因子来改变, 从而加速或抑制花发育事件的进程。,在拟南芥花的发育中, 还有一类基因被称为花分生组
17、织特异性基因( floral meristem identity genes) , 这类基因主要有: LFY、AP1、CAL、AP2、UFO。这些基因的突变体的成花诱导均被不同程度的抑制。COPS 基因与这类基因相互作用影响成花诱导。,2.1.3.2 控制成花诱导的路径 利用突变体对环境因子(如春化、光周期) 的反应,结合基因的上位分析, 在拟南芥中确立了至少有四条路径控制成花转变。,成花抑制路径(floral repression pathways) Ler(拟南芥的一种早花生态型) 缺陷型突变体的研究表明即使在早花生态型中仍然有抑花基因的存在。TFL (Terminal flower)是与
18、花序分生组织特异性有关的基因, 抑制分生组织中花基因的表达, 突变后的植株提前开花, 顶生和侧生分生组织都发育成花分生组织。tfl2 突变体的原初花序产生2 5 个基本正常的花, 然后产生一个更接近野生型花器官的单花后就停止生长, 这种从花序分生组织转变为花分生组织的特性在侧生次级花序上更明显。TFL 的这种促进花序分生组织的形成, 抑制花分生组织特异性基因表达的功能可延迟营养生长向生殖生长的转变, TFL 1 的过量表达大大延长了营养生长期。,tfl1 提前开花,CLF(Curly leaf)、WLC(Wavy leaves and cotyledons) 也是通过抑制花分生组织特异性基因延
19、迟成花, clf 在叶和花序茎中异位表达AG, wlc 在叶中异位表达AG、AP3。这说明CLF、WLC 的功能是阻止花分生组织特异性基因在营养组织中的表达。wlc 在着丝点附近的重复序列上的低甲基化与叶中对AG、AP3抑制的减轻有关。,EMF 基因的突变体emf 的极端表型: 不管环境因子如何, 在发芽不久后即形成花序, 甚至在emf1、emf2 中, 初生分生组织在发芽后可直接发育成心皮。它们不经营养阶段即可成花, 也就是说, 在没有EMF 基因时, 可以最大限度的省略中间过程直接成花。EMF 是激活营养生长所必须的基因, 对生殖生长起抑制作用, 因此EMF 可被认为是成花过程中离花的发端
20、最近的一步。向下则直接与花分生组织特异性基因(Floral Meristem Identity Genes)相互作用来调节成花的抑制作用, 例如: 在发芽的emf籽苗中,AP1、AG 表达的很早, 说明EMF 与AP1、AG处于1 个负调节模式中; 而另一些基因则通过直接或间接的抑制EMF 来促进成花, 例如: emf1 和emf2 分别上位于gi和co (长日促进路径中的两个晚花突变体)。,自发促进路径(Autonomous Promotion Pathway) 晚花突变体中有一类对春化作用有强烈反应, 长日照下延迟成花, 短日照下更严重。这类基因包括: FCA、FPA、LD、FVE、FY,
21、 因为相关野生型表现出独立于光周期的促花作用, 被认为是在自发促进路径中起作用。,LD 可调控其他基因的表达, LD 蛋白含有与公认的核定位信号(nuclear localiza-tion signals) 相类似的序列,还含有1 个富含谷氨酰胺的区域, 这些都是转录因子的特性。LD 蛋白虽然在整个植株中均有表达, 但在茎端与根端最多。ld 突变体延迟开花的特性可以被春化部分抑制, 突变体春化30d 后, 不论在长日短日, 均明显提前开花, 这类突变体对春化作用反应的事实表明春化促进路径在这些早花生态型中与自发促进路径殊途同归, 而当这些促花基因突变后, 成花转变可被春化作用弥补。,光周期促进
22、路径( Photoperiod Promotion Pathw ay) 光周期促进路径确切的说是长日促进路径, 它源于光受体PHYA、CRY2 等。一些在长日照下晚花, 对短日照不敏感的晚花突变体与此路径有关, 包括: FE、FT、FD、FHA、GI、CO、FWA。PHYA 上的突变编码一种光不稳定的光受体, 阻碍植物对远红光充足,日照特别加长的信号的感知, 所以phyA 突变体晚花。在拟南芥中蓝光也促进成花。FHA 基因编码蓝光受体CRY2, 过量表达CRY2 的转基因植物比野生型开花早, CO 的mRNA 含量增加, 表明蓝光通过CRY2 和CO 来促进成花。,一些证据表明Ler (拟南芥
23、的一种早花生态型) 植物中的CO 活性水平与成花时间直接相关, 有人证明利用谷氨酸诱导系统, 充分诱发CO 的活性, 可导致短日照下迅速成花, 以及启动LFY、TFL1 转录, 与长日照下一样。控制光周期促进路径的主要基因表达的是近似昼夜节律钟。,在长日下CO的表达增加,LD SD,CO AP2,在短日条件下，CO的表达也能拟南芥开花,春化促进路径(Vernalization Promotion Pathway) 许多植物在其开花前的发育时期需要一个冷处理期, 其中包括冬性一年生植物、多数二年生植物和相当多的多年生植物。许多二年生植物若避开冬季的寒冷,那么它们的营养生长状态可达数年之久。春化对
24、成花的促进同长日照的促进有所不同。在冷处理与成花间有一段时间间隔, 所以春化的促进作用实质上是为成花作准备而非迅速诱导成花, 因此春化促进路径的开通具有持续性和反复性。与春化有关的突变体, 如vrn,可能与低温的感知或冷信号的传递有关。,以上4 条路径中, 前两条属内源途径, 后两条属环境因素控制的路径。4 条路径并非独立而互不牵扯, 一些节点的联系使其兼具纵横的网络特点, 从而使路径间具有互补性, 当一条路受阻时, 就转向另一条路, 例如fca 这种晚花突变体表型可被一段时间的春化处理完全校正。,2.2 花序分生组织的形成 大多数植物完成花诱导(flower induction) 后, 茎端
25、分生组织分化为花序分生组织。花序的发育是花发育的第一步。,植物在成花诱导后, 经过信号传导进入成花决定态(floral determinated state) , 即具备了分化花或花序的能力, 但还未开始分化时的时期。对成花决定的研究缺乏明确的生理生化指标而仅限于描述状态, 对其定时、定位还不清楚。植物细胞在发育上有很强的可塑性。成花决定态可以被一些细胞获得, 这些细胞达到一定数量即发生质变而表现为组织的成花决定, 否则达不到一定数量就分化为叶、节、节间。也就是说, 茎端分生组织中进入成花决定态的细胞达到一定数量即启动花发端( initiation) , 从而完成成花转变(flowering
26、translation, 包括诱导、决定、发端等过程) , 然后顶端分生组织开始比较稳定的生殖生长, 首先形成花序分生组织( inforescence meristem ) , 这是一个从量变到质变的过程, 这说明细胞的成花决定具备有或无的特性, 而组织成花决定则不是如此, 而是逐步发展的过程。,从拟南芥中分离到与花序分生组织有关的特异基因, 如TFL (Terminal flower) 促进花序分生组织形成, 抑制花分生组织特异基因的表达。可通过非直线方式对LFY、AP1 进行负调控, 并且TFL 基因在营养时期也起作用。TFL1 与维持花序分生组织属性有关, 其在早期少量表达延迟营养分生组
27、织向生殖分生组织的转变; 后期大量表达则维持花序分生组织属性。tf11 突变体引起花发育提前, 并使花序态从正常的无限花序变成有限花序, 金鱼草的CEN (Centro radialis) 与TFL1 相似。另外, LFY、AP1、AP2、TFL2、EMF 等也参与控制花序分生组织的发育。,TFL1调节植物的开花和无限生长特性,2. 3 花分生组织的形成 花序决定和花决定是可以分开的。两种分生组织的属性不同: 花序分生组织具有非决定性, 在野生型拟南芥、金鱼草中花序分生组织可保持不断的分生能力, 具有无限生长的特点; 花芽的发育具有决定性, 即茎端分生组织的发育最终停止在花器官原基的发育阶段,
28、 丧失了不断分裂形成新的次生分生组织和新器官原基的能力, 具有有限生长的特点。,在正常的花发育过程中, 在形成花序分生组织后, 于其侧面产生花分生组织并进一步发育为花芽。在拟南芥、金鱼草中分离鉴定出一些与调控花分生组织启动有关的基因。 在拟南芥中的LFY 基因的产物位于核中, 支持转录因子的假说。LFY 与花原基保持有关, 变异部分阻遏和延迟花原基发育, lf y 突变体的花原基部分逆转为花序枝条 , 是AP3 和PI 的正调节因子,LFY 编码1 个发育的启动程序,起基因开关作用, 正调节同源异型基因的表达。LFY 基因位于第5 条色体下端, 不含MADS , 并且 FY 在主茎上的效应受日
29、长调节。在金鱼草中, FLO 基因是与LFY 对应的异种同源基因。,LEAFY（LFY）是一个花分生组织特性基因，是无限枝转向开花的充要条件。A：在lfy突变体中，枝条将正常发育，而花则变成无限生长的枝条。B：转入35S:LFY的拟南芥组成型表达LFY，使枝条转变成花。,AP1 (Apetala1) 在时空上调节花分生组织形成与花器官的确认发生; ap1 突变体产生具有部分花序特征的腋生花, LFY 可活化A P 1。金鱼草中与A P 1 同源的是SQUA (Squamosa)。 AP2 (Apetala2) 位于第4 条染色体上 , 具有双重功能, 即促进花分生组织形成, 又影响第1、2 轮
30、花器官发育, 可负调控AG 基因的表达。 CAL (Cauliflower) 在染色体位置上与AGL10 相近, 与A P 1 有76% 同源性, 在MADS 盒区仅5 个氨基酸的差异。CA L 促进AP1 的表达, 完成由花序分生组织向花分生组织的转变, 但二者的作用机制不清楚, ap1-ca1 双突变体的花原基向花序转变, 只产生花序分生组织。,UFO (Unusal floral organs)参与调控花分生组织决定和花器官轮模式的建立, 并可活化AP3 和P I 基因, 目前还未见分离到UFO基因的核苷酸序列。 AG (Agamous) 位于第4 条染色体上, 也具有多重功能, 参与花
31、分生组织形成并控制第3、4 轮花器官, 其表达受L FY、A P 1、CA L 基因调控。ag 突变体不是4 轮而是多轮。 CLV1(Clavata1) 维持花分生组织的特异性, 但还未分离到该基因。,另外, 控制花序分生组织稳定性的TFL 基因, 其产物直接或间接阻碍花序原基细胞获得与花原基细胞相同的发育反应。TFL 1 可调节分生组织形成, 并反向调控LFY、AP 1、AP2 基因, 即互相拮抗。 tfl1 突变体表现为早花, 花序原基转而分生为顶生花。此外,MUS (Muschel) 基因也参与花分生组织形成。在这些基因中, LFY 和AP1 基因起关键作用, 而其它基因通过LFY、AP
32、1 间接起作用。,2.4 花器官的发育 2.4.1 拟南芥的花器官,花在分生组织的中心以螺旋的方法产生，每一朵新花与最新产生的花都有130。150。的夹角。新花芽以顺时针或逆时针方向产生，但是方向一旦选定，随后的花都以同样的方向产生，形成一个左手或右手螺旋。花的发育是向顶的（acropetal），即最老的花位于花序茎的基部，而最幼小的花位于顶部。,花器官的发育是以螺环方式产生，最外面的螺环发育成萼片，往里依次是花瓣、雄蕊和雌蕊群，分别对应着1、2、3和4螺环。花器官的发育是向基的，器官中最老部分位于顶端，最新产生的部分位于基部。,A：拟南芥初级花序的低倍扫描电子显微镜（SEM）照片 B：拟南芥
33、花原基的SEM照片（A：花药原基；G：雌蕊群原基）,2.4.2 拟南芥花器官发育的过程 拟南芥花器官以螺环方式产生。最外面的螺环发育成萼片，往里依次是花瓣、雄蕊和雌蕊群，分别对应着1、2、3和4螺环。这些数字反映了花分生组织上的位点，花器官螺环就在这些位点产生。花器官是向基部方向（basipetal）发育，即器官中最老的部分位于顶端，器官中最新产生的部分位于基部。螺环的每一个花器官，都以原基的形式在分生组织的侧面隆起。原基隆起的部位，代表着成熟器官将要占据的位点。原基的大小也暗示了花器官最中形成的大小。,根据形态建成的典型事件，可以将拟南芥花发育的早期分成12个阶段,AD：近轴 ，AB：远轴，
34、 L：侧面， LS：长雄蕊， SS：短雄蕊，G：雌蕊群 （A）:茎端分生组织和幼花原基侧面图；（B）：花顶端的顶面图；（C）：阶段5中花的特写；（D）：阶段6的顶面图；（E）：阶段7花的侧面图；（F）：阶段8的花；（G）：阶段阶段8花的顶面图；（H）：阶段9早期的花；（I）：阶段10早期的花；（J）：阶段11早期的花。,由于花器官由原基发育而来，它们特异的细胞类型变得十分独特。因此，最外层表皮细胞可用来鉴定花器官的类型。萼片表皮细胞很大，不规则并且较长；花瓣表皮细胞是圆锥性的；雄蕊具有沿花丝伸长的细胞，也有在花药表面彼此镶嵌的细胞；雌蕊比较复杂，三个主要分区有不同的表皮细胞类型：子房表面是十分
35、对称的细胞，花柱表面是不太规则的伸长细胞，而柱头的顶端是乳头状细胞。,成熟和发育中的花器官的表面形态。花瓣的表皮细胞为圆锥形，萼片和花柱（ST）的表皮细胞为伸长形，柱头上覆盖着乳头细胞（SP），花药的表皮细胞形状不规则。子房（OV）表皮细胞是规则对称的。,2.4.3 花器官发育的分子机理 花分生组织出现后, 很快就是花的4 轮器官(花萼、花瓣、雄蕊、心皮) 的发生。在花器官发育的分子遗传研究中, 对花器官的发育研究进行得最深入。通过研究花器官减少、变形或错位的突变体来鉴定影响花器官发育的基因。影响花器官发育的基因主要有4个： APETALA2 （AP2）、AGAMOUS（AG）、PISTILL
36、ATA（PI）和APETALA3（AP3），这4个基因发生突变，会使花器官特征出现错误。,2.4.3.1 花器官发育的ABC模型 影响花器官发育的基因主要有4个： APETALA2 （AP2）、AGAMOUS（AG）、PISTILLATA（PI）和APETALA3（AP3），这4个基因发生突变，会使花器官特征出现错误。,最初的ABC突变体：ap2、ap3、pi和ag。每一个突变体代表一种同源异型转变，即一种器官类型代替另一种器官类型。不同器官以不同颜色标记：萼片，绿色；花瓣，黄色；雄蕊，红色；心皮蓝色。,AP2突变影响第1和第2轮的发育：ap2突变的结果是心皮取代花瓣，雄蕊取代花瓣。 AG突变
37、影响第3和第四轮的发育：花瓣取代雄蕊，雌蕊群则由另一个ag花代替。 PI和AP3突变影响第2和第3轮的发育：pi和ap3的表形很相似，萼片取代花瓣，类似心皮的器官取代雄蕊。由于这些基因与其它生物中多种器官位置变化的基因很相似，把这些种类基因归为同源异型（homeotic）基因。,ABC模型的主要内容有: 花器官形态特征功能分别受A、B、C 三个功能区控制, 其中A 组功能区域包括1、2 轮, A 组基因AP2控制萼片、花瓣发育, 其功能丧失则14、23;B 组功能区域包括2、3 轮,B 组基因PI/AP3控制花瓣、雄蕊发育, 其功能丧失则24、34; C 组功能区域包括3、4 轮, C 组基因
38、AG控制雄蕊、心皮发育, 其功能丧失则32、41。A、C 互相拮抗, 互不重叠。,拟南芥花器官特征的ABC模型。 A：花的轮 B：组合ABC模型 C：最初的ABC基因及其假定功能,A、B、C功能变化引起的不同表形。基于A和C的拮抗假设，作出以下推论：若除去C功能，A功能将在整个花分生组织中起作用，反之如去除A功能， C功能将在整个花分生组织中起作用，B功能丧失将阻止中间轮中A和C功能的修饰。,2.4.3.1 改进的ABC模型 对同源异型基因产物的分子分析，验证了ABC模型的绝大部分假设。用与AP2、PI、AP3和AG的mRNA转录产物同源的标记探针做原位杂交，可以用来监测这些基因在花发育过程中
39、的时空表达模式。,但后来的研究发现遗传模型不能够解释AP2的实际表达模式，在整个花发育的过程中，4个轮都能够检测到AP2的表达。这说明AG不能够抑制AP2在轮3和轮4中的表达，而且AP2在这两个轮中的表达也不能够抑制AG基因的表达，而AP2在轮1和轮2中就可以。如果AP2通过与轮1和轮2中表达的未知基因“X”的产物相互作用，从而抑制AG基因的表达，则可以解释上述结果。ABC模型的另一个改进就是引入了SUP（Superman）基因。SUP基因是B功能基因PI和AP3的负调控因子,A：AP2和花同源异型基因在花发育过程中的表达 B:改进的ABC模型,展望,成花过程是一个高度复杂的生理生化和形态发生
40、过程。在一定条件下, 植物接受环境信号等变化,产生信号物质, 通过一系列信号传导过程被运输到茎端分生组织, 启动成花决定过程中的控制基因, 并在许多基因的互作和许多代谢途径的制约下, 最后使茎端分生组织成花。成花过程各阶段紧密联系, 其间并无严格界限, 而是一个从量变到质变的过程。同时, 如同光具有波粒二象性那样, 对同一个问题从不同角度去审视会得到不同结论, 大多数调控基因在不同阶段均可能起不同的作用, 调控基因的相互作用也普遍存在。,各种与属性有关的基因参与成花过程并可能对不同的下游目标基因起调控作用, 显示出成花过程中的复杂网络系统。成花是一个复杂的多层次、多元化反应过程。用突变体这种简
41、化的研究系统去解释成花机理只是第一步, 研究成花过程也不能完全依赖突变体研究, 例如某些性状的突变可能是致死性突变, 同时成花过程中还可能存在一些不能表现为某种明显性状的过程。,今后的研究重点： (1) 继续鉴定新的突变体, 进一步筛选和克隆各种类型的控制基因及其下游目标基因。 (2) 将现有的拟南芥、金鱼草等模式植物的成花模式推广到其他物种上。 (3) 研究成花机理在不同物种上的共性和个性即普遍性和特殊性(例如果树等多年生木本植物与草本植物不同, 一般不受光周期、春化作用影响) , 进而揭示植物花的起源和进化。,(4) 诱导阶段是成花过程中的关键阶段, 但是其分子机理还是一个“黑匣子”(bl
42、ack box) , 应重点研究光、温度及其他因子对成花诱导的分子机理。 (5) 信号传导过程: 信号传递系统的作用? 环境信息如何转变为可运输的生物信息及信息物质的化学结构(尤其是光周期诱导叶片产生的信息本质及其传递过程) ? 信息在茎端分生组织发生作用的机理? (6) 基因间的相互作用: 目前已克隆到的绝大多数调控成花的基因都编码转录因子, 但在时空上它们是怎样调控与成花直接相关的基因表达? 控制成花的基因网络层次如何? 从诱导到最终花成熟及花多态性的各阶段基因的系统调控。,(7) 控制成花的基因大多数具有多重功能, 组织性状也往往受多个基因共同调节, 控制同一性状的不同基因在功能上可不同
43、程度互相代替, 其代替程度随环境条件变化而变化。因此, 单一基因突变后的表型难以说明该基因在组织某性状形成过程中的作用, 这些问题需进一步解决, 成花过程研究需要寻找新的切入点而获得突破。 (8) 植物激素对成花过程中基因表达的调节功能。,Maarten Koornneef 教授 Professor of Plant Genetics at Wageningen University Director at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Cologne, Germany Foreign Associate of Na
44、tional Academy of Sciences, USA,他是运用现代遗传学来研究植物生理学的先驱，他的实验室长期致力于研究植物的花发育，激素的合成与调控，植物的光形态建成等，于1983年构建了拟南芥的第一个遗传图谱，克隆到了数十个控制植物花发育的基因，在Science, Nature Genetics, Genetics, PNAS, Trends in Plant Science, Molecular Cell, Plant Physiology等刊物上发表论文220多篇。,北京大学邓兴旺教授,该验室主要研究方向是关于光调控的拟南芥发育过程的分子和生化机制。实验室在研究参与光调控的拟
45、南芥发育过程的遗传通路时， 找到了12个多效性COP/DET/FUS位点，确定它们介导了光对拟南芥幼苗发育过程的调节。其中，COP1是拟南芥光形态建成的关键的抑制因子，暗中在细胞核内作为E3通过26S蛋白体降解促进光形态建成的转录因子，而在光下COP1活性被抑制且在核内的丰度降低；另外一个基因COP10编码一个类似E2的蛋白；其余的多数基因编码一个高度保守的多亚基蛋白COP9复合体（COP9 signalosome）的不同亚基，COP9复合体是一个新的E3连接酶的调节因子，可以促进NEDD8/RUB1从特定的E3连接酶上解离下来。COP9复合体是细胞对外界刺激或胁迫产生反应的新的调节成分。,北
46、京大学瞿礼嘉教授,主要研究方向：1、在分子和亚细胞水平研究植物激素的甲基化修饰与植物生长发育（包括叶片卷曲和种子萌发等）之间的调控关系，进一步探讨植物激素的活性调控的复杂性，解决“激素多种调控方式是否参与其多种生物学功能”这一科学问题，同时研究植物的分枝的调控分子机理，也正在通过功能缺失突变体研究一些基因和途径在这些发育过程中的作用；2、通过反向遗传学的方法研究蛋白质降解途径在雌雄配子体以及胚胎发生发育过程中的作用；3、系统地研究拟南芥转录因子基因的功能。,北京大学白书农教授,以雄蕊为主要对象探讨植物花器官形成的调控机制：其一是利用黄瓜单性花研究雌花雄蕊发育停滞的分子机制，从而了解正常发育所需
47、要的关键条件；其二是利用基因表达谱技术探讨水稻雄蕊发育早期基因调控网络的变化。,复旦大学马红教授,1978-1979年就读中国科学技术大学生物系，1983年获美国费城Temple大学生物学与生物化学学士学位，1988年获美国麻省理工学院生物学博士学位。1988-1990年在美国加州理工学院从事博士后研究，1990至1998年在美国冷泉港实验室以独立PI从事植物分子遗传学与发育生物学研究工作，19982008年任美国宾州州立大学副教授教授，进行植物生殖发育、比较基因组学、和分子进化生物学等研究工作，2008年7月任复旦大学生命科学学院教授/院长。2008年12月担任首任复旦大学植物科学研究所所长
48、，2012年担任遗传工程国家重点实验室主任。 主要研究方向：用分子遗传学、基因组学和进化生物学、和生物信息学等手段, 研究花发育分子机理及进化、雄性育性的分子调控、减数分裂基因功能、 基因家族进化及其和功能、基因复制及物种进化的关系。,中科院遗传与发育研究所 薛勇彪研究员,1983年，毕业于兰州大学生物学系，1989年获英国John Innes Institute 和University of East Anglia博士；1990-1995年，John Innes Centre和University of Oxford博士后。1995-1997年，John Innes Centre 的Sain
49、sbury Laboratory 任Research Scientist。薛勇彪博士系1998年中科院“百人计划”入选者和国家杰出青年科学基金获得者。现任研究所所长、国家973计划“水稻功能基因组学研究”项目首席科学家。主要研究方向： 1. 金鱼草自交不亲和性的分子机制； 2. 水稻传粉和受精的分子控制 ，及克隆控制水稻开花、花器官发育的关键基因； 3. 棉花纤维发育相关基因的克隆和功能鉴定。,中科院遗传与发育研究所 杨维才研究员,1984年兰州大学学士。1994年荷兰Wageningen大学博士。美国Cold Spring Harbor实验室和新加坡国立大学分子农业生物学院博士后。20002002年新加坡Temasek Life Sciences Laboratory高级科学家，植物生殖和棉花生物技术实验室主任。2003年加入中国科学院遗传与发育生物学研究所，2004年获中国科学院“百人计划”择优支持。2004年国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向：植物生殖发育的分子遗传学，尤其是雌配子体和胚胎发育过程中细胞极性、细胞命运、细胞分化和雌雄配子细胞相互作用的分子遗传机制。其目标是利用拟南芥、水稻等模式植物来探讨发育生物学的基本问题，并以此为模式研究农作物基因功能。,中科院遗传与发育研究所 曹晓凤研究员,1988 年毕业于北京