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中国科学 C辑: 生命科学
2007年 第 37卷 第 4期: 466~478
http://www.scichina.com

收稿日期: 2006-12-23; 接受日期: 2007-03-16
* 联系人, E-mail: hjf2003@sdau.edu.cn
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
风信子 AGL6同源基因在拟南芥中异位表达
引起提早开花和器官同源转化
樊金会①* 李文卿② 董秀春① 郭 伟① 束怀瑞③
(① 山东农业大学林学院, 泰安 271018; ② 中国农业大学生物学院, 北京 100094;
③ 山东农业大学园艺工程学院, 泰安 271018)
摘要 本文对风信子(Hyacinthus orientalis L.)与拟南芥(Arabidopsis thaliana)AGL6 的同源
MADS盒基因 HoAGL6进行了功能研究. 基因表达分析结果显示, HoAGL6 mRNA在花序芽、花
被、心皮和胚珠中积累, 但未出现于雄蕊、营养器官的叶和鳞片中. 这说明 HoAGL6参与了风信
子花的形成, 以及花被和子房的发育. HoAGL6 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中异位表达, 转基
因植株表现为株型矮小, 极度提早开花, 并失去花序的不确定性. 因此, HoAGL6参与了开花时间
调节. 另外, 35S::HoAGL6转基因拟南芥植株频繁出现器官同源转化, 包括花萼、花瓣和叶片转化
为心皮状结构或子房结构, 且雄蕊缺失或数目减少. 此结果表明, 在转化植株中 HoAGL6 参与了
花器官特性决定. 进一步的研究表明, 在 35S::HoAGL6的拟南芥转化植株中显著提高了开花时间
调节基因 SOC1和花分生组织特征基因 LFY的表达水平, 并且HoAGL6的异位表达也在叶片中激
活了花器官特征基因 AG和 SEP1的表达. 这些结果支持在拟南芥中 HoAGL6通过促进 SOC1和
LFY的表达来调节开花时间, 以及通过激活 AG和 SEP1参与了花器官发育.
关键词 拟南芥(Arabidopsis thaliana) 花发育 开花时间 MADS盒基因 风信子(Hyacinthus
orientalis L.)
通过对拟南芥 (Arabidopsis thaliana)、金鱼草
(Antirrhinum majus)和矮牵牛(Petunia hybrida)花同源
器官转化突变体的研究揭示出花器官特性决定的内
在机制普遍存在着保守性[1,2]. 这类研究取得的突出
成就之一是 ABC 模型的建立[3]. 由于其简便性及在
植物界具广泛代表性, 该模型已被作为解释花器官
发育的普遍原理. 此模型中, 多数基因编码MADS盒
蛋白, 在其羧基末端有一保守的MADS盒, 在中间区
域有一含有 coiled-coil 结构的 K 盒, 这一结构特征
为揭示 ABC 模型在花发育中的保守性奠定了分子基
础[4,5].
进一步的研究引入了D和E类功能基因, 对该模
型进行了完善. 近期, 在拟南芥中发现 SHP1和 SHP2
与 STK 共同作用可促进胚珠特性的确定 [6], 且 stk
shp1 shp2 三突变体则完全打破了正常的胚珠和种子
发育, 使得胚珠转化为叶状或心皮状结构. 此前, 在
矮牵牛中已经发现MADS盒基因 FBP7和 FBP11, 它
们与 STK同源, 当二者发生共抑制时, 也会引起胚珠
发生同源转化, 变成心皮状结构[7]. 这样, 人们把胚
珠发育所必需的拟南芥 SHP1, SHP2和 STK以及矮牵
牛 FBP7和 FBP11合称为 D功能基因[8]. 另一组遗传
研究结果证明, 拟南芥 3 个密切相关 MADS 盒基因





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SEP1, SEP2和 SEP3(早期分别被称为 AGL2, AGL4和
AGL9), 它们分别与矮牵牛 FBP2, FBP5 和 FBP9 同
源, 是确定花瓣、雄蕊和心皮特性所必需的[9]. 单一
sep 的突变体仅显现出细微的形态变化, 但当三基因
同时突变时, 突变体则产生不确定性的花, 这类花仅
有花萼组成. 矮牵牛MADS盒基因 FBP2发生共抑制
也引起相似的表型[8]. 这些形态变化说明 SEP类基因
是B和C类花器官特性基因发挥功能所必需的, 且它
们在功能上是冗余的. 在酵母菌中, SEP3 与 AP1,
AP3/PI 或 AG 之间可以发生蛋白互作. 再者, AP1-
PI-AP3-SEP3 或PI-AP3-SEP3-AG四重超表达的拟南
芥植株出现营养叶分别转化为花瓣或雄蕊结构, 而
SEP3和AG同时异位表达则把叶转化为心皮[10,11]. 这
些研究结果充分证明了至少在花瓣、雄蕊和心皮发育
中, SEP作为 E类功能基因决定花器官特性.
参与花器官发育的 MADS 盒基因被划分为 5 个
主要功能类型. 通过对它们在花器官发育中蛋白相
互作用关系的分析, 对原 ABC 模型进行了完善, 形
成了 ABCDE模型[4]. 依据这一改进模型, A类功能基
因单独表达确定花萼发生; A, B和E类共同确定花瓣;
B, C和 E类功能基因决定雄蕊发育; C和 E类共同作
用调控决定心皮; D 类则诱发胚珠[2,8,12~17]. 到目前为
止, 花器官决定的分子机制似乎已经全部被揭示出
来. 但是, 在 ABCDE 模型中一个特定的基因组合从
来不能够诱导出与野生型相同的某一类花器官, 却
是变态的和无功能的结构, 如 SEP1 和 AG 共同异位
表达所产生的心皮状结构就是如此[11], 这说明在花
器官发生中还存在某些未知机制.
在拟南芥基因组中, MADS盒转录因子基因家族
有 107 个成员, 但人们对其中多数基因(84%)的功能
尚不了解[18,19]. 通过进化树分析, 这些MADS盒基因
被划分为 5 个亚家族(称为 Mα, Mβ, Mγ, Mδ 和
MIKC)[2,18~20]. 与开花有关的 MADS盒基因全部属于
MIKC 亚家族. 尽管它们来源于不同的植物种类, 却
具有相似的表达模式和相互关联的发育调节功能 ,
但具有A, B, C(D或E)类功能的MADS盒基因却被分
入不同进化分枝. AGL6及其同源基因则属于MIKC亚
家族的 AP1/AGL9组. 在酵母菌双杂交系统中, 蛋白
-蛋白互作图谱显示拟南芥MIKC亚家族的MADS盒
蛋白各具有特异的蛋白互作模式, 其中 AGL6与 AP1
和 SEPs 的蛋白互作模式相似, 说明 AGL6 与 AP1
和 SEPs具有相似的功能[4,19].
在拟南芥中, 除了参与花器官形成之外, 一些
MIKC亚家族的MADS盒基因也调节开花时间. 例如,
拟南芥 2 个序列相似的基因 AGL24 和 SVP, 在开花
转化调控中却起着相反的作用, 前者促进开花而后
者则抑制开花 [21]. 开花抑制因子 FLC和开花途径信
号整合因子 SOC1 (又称 AGL20) 均为MADS盒基因,
二者都调节植株从营养生长到生殖生长的开花转化,
却没有直接参与花器官形成[22~24]. 与 AGL6序列最为
相似的 SEP3 和 AP1既调节开花转化, 也作用于花器
官的形成[25~27].
在 AP1/AGL9 亚族中, AGL6及其同源基因已从
不同种类的植物中得以克隆[28~38]. 但是, 对它们的功
能却了解甚少. 拟南芥 AGL6 (AGAMOUS like 6)在 4
轮花器官和胚珠中表达[28], 玉米(Zea mays)AGL6 直
系同源基因 ZAG3也显示出花特异的表达模式[33]. 直
到最近, 人们才发现文心兰(Oncidium Gower Ram-
sey)AGL6类基因 OMADS1在花分生组织、花冠唇片
和心皮中可检测到其表达, 当在拟南芥中异位表达
时, 它通过激活FT和 SOC1来影响开花转化, 并影响
花器官形成[39].
本研究通过对转基因拟南芥的表型分析提出了
风信子(Hyacinthus orientalis L.)HoAGL6作用的分子
机制. HoAGL6与文心兰的 OMADS1 [39]功能类似, 二
者都促进开花, 但是HoAGL6显著的点不同在于其异
位转化的拟南芥植株的叶片、花萼和花瓣都转化成了
心皮状结构或形态完整的子房. SOC1和 LFY作用于
开花诱导途径, 它们可激活大多数花器官特征基因.
我们发现在 HoAGL6 的拟南芥转化植株中, SOC1 和
LFY的表达水平显著提高. 这解释了转化植株为何提
早开花. 再者, 在转化的拟南芥植株叶片中, SEP1和
AG 的表达被激活, 这是 AGL6 类基因调控花器官发
育的一种新机制.
1 材料和方法
1.1 植物材料
用于本实验研究的风信子品种(H. orientalis cv.
Deft Blue)材料购自荷兰. 植株栽于试验地. 风信子
是一种单子叶类观赏花卉, 其成熟的鳞茎有十几枚
肉质鳞片常包被一花序. 花序着生有多数花, 基部着
生数枚茎生叶(图 1(a)). 风信子的花由 3 轮花器官组





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成, 包括花瓣状的合生花被(此品种为蓝紫色, 花被
裂片基部合生成筒)、雄蕊和一个生于中心的子房(图
1(b)).
拟南芥哥伦比亚生态型(A. thaliana ecotype Co-
lumbia)常被用于遗传转化实验, 以分析 HoAGL6 基
因的功能. 将实验所用的种子进行消毒后, 播种于含
有 0.5 B5培养基(0.8% 琼脂)的培养皿中, 置于 4℃下
2 天. 在长日照条件下(光/暗为 16 h /8 h, 120 µmol/
m2·s), 幼苗转移至盆内, 生长于培养室内, 培养温
度为 22℃.
1.2 总 RNA的提取
从风信子(H. orientalis L.)、野生型及转基因型拟
南芥的取材用 Trizol Kit (GIBCO BRL, USA), 按照试
剂盒说明书提供的实验步骤分别提取总 RNA.
1.3 HoAGL6基因的分离和序列分析
取从风信子花芽提取的总 RNA(2 µg), 经不含
RNA酶的DNA酶Ⅰ(Promega)消化后, 与寡聚 T引物
和 M-MLV 逆转录酶(TaKaRa)一起合成 cDNA 的第
一条链. 根据植物AGL6类保守氨基酸序列设计正向
的 AG5-1和反向的 AG3-1 2个兼并引物, 用 PCR分
离 HoAGL6 保守的中间片段. 用一特异引物 AG3-R
和 B26 进行 3′-RACE. 设计一特异引物 AG5-R结合
通用桥接引物(AAP 和 AUAP)用 System for Rapid
Amplification of cDNA 5′ ends v2 试剂盒(Invitrogen)
进行 5′-RACE.
为验证 HoAGL6 cDNA序列的完整性, 设计一正
向引物 AG-P和一反向引物 AG-R分别附加 BamHⅠ
和 SacⅠ限切酶位点, 用RT-PCR的方法分离其 cDNA
的近乎全长.
为了评估扩增结果, 对上述扩增产物进行 1%琼
脂糖的凝胶电泳, 电泳带用溴化乙锭显色. 按照操作
说明 , 将 PCR 产物克隆进 pGEM-T easy 载体
(Promega), 然后进行测序.
大肠杆菌(Escherichia coli)DH5α作为常规基因
克隆实验的受体菌株. 分离 HoAGL6 所用引物如下:
B26: 5′-GACTCTAGACGACATCGATTTTTTTTTTT-
TTTTTT-3′; AUAP: 5′-GGCCACGCGTCGACTAGTA-
C-3′; AAP: 5′-GGCCACGCGTCGACTAGTACGGGI-
IGGGIIGGGIIG-3′; AG3-1: 5′-AA(A/G)AA(A/G)GC
(A/T/C/G)TA(T/C)GA(A/G)(T/C)T-3′; AG5-1: 5′-GA
(A/G)(A/C)G(C/G)TA(T/C)CA(A/G)(A/C)G(A/T/C/G)
TG-3′; AG 5-R: 5′-CTGCCGAACTCGTAGAGCT-3′;
AG 3-R: 5′-AGGTCGCCCTCATCGTCTTC-3′; AG-P:
5 ′-AAGGATCCAGCGCGGGATGTTTCCCAG-3 ′
(BamHⅠ ); AG-R: 5′-AAGAGCTCTAGCACAGAT-
AAGTCTAGG -3 (SacⅠ).
用 DANman 4.0和 BLAST搜索程序对 HoAGL6
进行序列分析. 用于序列分析的其他植物 MADS 盒
基因序列从美国国家生物技术信息中心网站(National
Center for Biotechnology Information, http://www. ncbi.
nlm. nih. gov)提取自 GenBank数据库.
1.4 载体构建和农杆菌介导的拟南芥转化
HoAGL6含有可读框近乎全长 cDNA用 SacⅠ和
BamHⅠ从 pGEM-T easy载体切下, 在花椰菜花叶病
毒(CaMV)35S 启动子下游克隆进 pBI121, 最后进行
测序验证.
将所构建的 35S::HoAGL6 载体转化进农杆菌
(Agrobacterium tumefaciens, 菌株 GV3101), 然后用

图 1 风信子(H. orientalis L.)鳞茎和花的结构
(a) 鳞茎剖面; (b)剖开的花. 风信子的花: 花被具有 6花被裂片; 6枚雄蕊着生于花被筒上; 子房(o)为 3心皮合生, 柱头 3





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真空抽滤法浸染拟南芥 [40]. 从真空抽滤植株收集的
的种子, 消毒后播于培养皿中, 筛选培养基为 0.5 B5,
含有 0.8% 的琼脂和 50 FD µg/mL卡那霉素. 筛选获
得的拟南芥植株转移至盆内, 生长于培养室内, 培养
条件同 1.1 所述. 对转化的原代转化植株(T0) 进行
RT-PCR 验证后, 进行表型分析. 不能存活至开花的
致死性转化株系不包括在内.
1.5 RNA印迹分析
用一对引物 HA3-R (5′-AGCACAGAAGTCTA-
GG-3′)和 HA5-P (5′-AGCGTCATCTCGGAGAGA-3′)
扩增获得的 HoAGL6 cDNA片段 (494~892 nt), 将此
片段连接于 pGEM-T easy载体. 将载体质粒在插入片
段两端用 EcoRⅠ酶切. 酶切获得的目的片段用核酸
回收试剂盒(Agarose Gel DNA Fragment Recovery Kit,
TaKaRa)回收后, 用 Primer-a-Gene Labeling System试
剂盒(Promoga)对此 cDNA片段进行 32P-dCTP标记作
为 Northern杂交的探针.
从风信子不同器官和遗传转化获得的典型拟南
芥植株提取的总 RNA(10 µg), 用乙二醛在 50℃下变
性 1 h 后, 上样于各泳道进行 1.0%琼脂糖凝胶电泳.
将 RNA 泳带转移至 Hybond N+ 尼龙膜(Amersham
Biosciences, Buckinghamshire, UK) 上, 紫外交联后
再于 80℃下烘烤固定 2 h. 在相同的杂交液(0.25
mol/L Na2HPO4 (pH 7.2), 和 7% (w/v) SDS)中, 预杂
交 2 h后, 再混合进 32P标记的 DNA探针, 在 42℃下
杂交过夜 . 然后 , 杂交膜在洗涤液 1 (20 mmol/L
Na2HPO4 (pH 7.2)和 5% (w/v) SDS)和洗涤液 2 (20
mmol/L Na2HPO4 (pH 7.2)和 1% (w/v) SDS)中各冲洗 2
次, 每次 30 min. 待杂交膜风干后, 用保鲜膜包被,
随后进行放射自显影.
1.6 RT-PCR Southern分析
为了合成 cDNA, 从风信子各器官或从野生型或
转基因型拟南芥提取的总 RNA样品 (1 µg)在 20 µL
反应体系中用 BcaBEST RNA PCR 系统(TaKaRa,
Japan)进行反转录. 每一反转录 cDNA 样品取 5 µg用
于 25个循环的 PCR反应. PCR反应按照如下步骤进
行: 94 ℃变性 3 min; 58 ℃, 1 min, 94 ℃, 1 min, 72 ℃,
2 min循环; 72℃延伸 10 min. 每个反应取 10 µL PCR
产物进行 1.5%(w/v)的凝胶电泳分析.
在 RT-PCR中, SOC1, LFY, SEP1和 AG的特异引
物如下: SOC1, SOC1-3 (5′-GTTTCTGAAGAAAAT-
ATGCAGCATT-3′)和 SOC1-5 (5′-GAACAAGGTAAC-
CCAATGAACAA-3′); LFY, LFY-3 (5′-TCATTTGCTA-
CTCTCCGCCGCT-3′)和 LFY-5(5′-CATTTTTCGCCA-
CGGTCTTTAG-3′); SEP1, SEP1-3(5′-ACGCGCATC-
ATCAAGCTCAG-3′)和 SEP1-5(5′-AGGATTTGCCTT-
TGGCGCAG-3′); AG, AG-3(5′-GAGGATCTAACTAC
GAGCAG-3′) 和 AG-5(5-GCAGGAATTGGTAATT-
AA-3). 用 ACT 的扩增片段作为内参, 其 RT-PCR 反
应所用的特异引物为: ACT-1 (5′-ATGAAGATTAAG-
GTCGTGGCA-3′)和 ACT-2 (5′-TCCGAGTTTGAAG-
AGGCTAC-3). 在 65℃下进行严格条件杂交, 探针
的准备类似于 Northern杂交.
2 结果
2.1 HoAGL6是拟南芥 AGL6的同源基因
HoAGL6(GenBank登录号: AY591333) cDNA长
913 bp, 含有一可读框, 可读框编码一由 242 氨基酸
残基组成的蛋白, 在其 N端具有一MADS盒(1~60氨
基酸残基), 在中间区域具有一K盒(90~165氨基酸残
基). 以 HoAGL6 氨基酸全序列与 MIKC 亚家族的其
他成员进行了比较(图 2). 比较结果表明 HoAGL6 与
MIKC亚家族AP1/AGL9组的AGL6类显示出最高的
同源性, 与玉米(Zea mays)ZAG3, 拟南芥 AGL6和文
心兰的OMADS1分别有 75%, 62%和 53%的氨基酸相
同 . 在 MADS 盒区 HoAGL6 与 ZAG3,AGL6 和
OMADS1分别具有 98%, 97%和 94% 的氨基酸相同.
除了MADS盒外, 在 K盒 HoAGL6与 ZAG3, AGL6
和OMADS1氨基酸的相同性也分别高达 79%, 84%和
71%.
进化树分析显示 AP1/AGL9 亚家族分成 SEP,
AGL6和 AP1三个分枝, 且 AGL6分枝与 SEP分枝为
姊妹关系. AGL6分枝又进一步分为 3个组, 分别与裸
子植物、单子叶植物和双子叶植物分类群相对应 .
HoAGL6归类于 AGL6分枝的单子叶类群一组(图 3).
HoAGL6 与其他 AGL6 类基因序列之间的高度相似
性说明 HoAGL6 为拟南芥 AGL6 的同源基因 , 与
ZAG3的最为相近.





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图 2 HoAGL6与选择的 AP1/AGL9 组蛋白之间的比较
所选择的氨基酸序列包括 HoAGL6, AGL3, AGL6, AGL8, AGL11 (Q38836), SEP1, SEP2, SEP3, AP1, TM4, FBP2, FBP5, FBP9, ZAG3, ZAG5, Os-
MADS6和 OMADS1. MADS盒和 K盒分别以下画线标出. 除了 AGL11外, 其他蛋白的基因序列号列于图 3





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图 3 HoAGL6和其他 AP1/AGL9组蛋白的进化树
进化树分析所涉及的 AP1/AGL9组有关基因如下: 拟南芥(A. thaliana)的 SEP1(M55551), SEP2(M55552), SEP3(AY850180), AGL3(U81369),
AGL6(M55554), AGL8(U33473), AGL13(U20183), CAL(NM_102395)和 AP1(Z16421); 金鱼草(A. majus)的 DEFH49(X95467), DEFH72(X95468),
DEFH200(X95469)和 SQUA(X63701); 巨桉(Eucalyptus grandis)的 EGM1 (AF029975); 非洲菊(Gerbera hybrida)的 GRCD3(AJ784157)和 GSQUA1
(AJ009727); 苹果(Malus domestica)的 MdMADS1 (U78947)和 MdMADS3(U78949)和 MdMADS11(AJ000763); 番茄(Lycopersicon esculentum)的
TM4(X60757)和 TM5(X60480); 烟草(Nicotiana sylvestris)的 NsMADS3(AF068722); 水稻(Oryza sativa)的 OsMADS6(U78782)OsMADS7(Q6Q9I1),
OsMADS8(U78892), OsMADS17(Q7XUN2)和 OsMADS45(U31994); 矮牵牛(P. hybrida)的 FBP2(M91666), FBP5(AAK21248)和 FBP9(AAK21249);
挪威云杉(Picea abies)的 DAL1(X80902); 辐射松(Pinus radiata)的 PrMADS1(U42399), PrMADS2(U42400)和 PrMADS3(U42399); 豌豆(Pisum sati-
vum)的 PEAMTF1(AJ223318); 叉枝蝇子草(Silene latifolia)的 SLM5(X80492)和 SLSEP3(AB162020); 胡椒(Sinapsis alba)的 SaMADS D(Y08626); 玉
米(Zea mays)的 ZAG3(L46397)和 ZAG5(L46398); 花菱草(Eschscholzia californica)的 EScaAGL9(AY850180)和 EScaAGL2(AY850181); 北美鹅掌楸
(Liriodendron tulipifera)的 LItuAGL9(AY850182); 黑麦草(Lolium perenne)的 LpMADS6 (AY198329)和 LpMADS4(AY198331); 美洲石菖蒲(Acorus
americanu)的 ACamAGL2(AY850184). 文心兰(Oncidium Gower Ramsey)的 OMADS1则来自文献[38]. 标尺: 观察离散度





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2.2 HoAGL6基因的表达
为了解HoAGL6在风信子各器官的表达情况, 进
行了RNA印迹杂交分析. 如图 4所示, 在花芽的两个
发育阶段, 即在花分生组织分化前和刚分化的花序
分生组织中, 均可检测到 HoAGL6 的转录. HoAGL6
表达水平随花芽的发育进程而提高, 这说明 HoAGL6
在花芽发育中起作用. 在花器官中, 检测到 HoAGL6
在花瓣状的花被、特心皮和胚珠表达, 却不在营养
叶、鳞片和雄蕊表达(图 4). 这种花器官轮特异的表
达模式明显地预示着 HoAGL6 可能在花器官发育中
起调控作用.
在 HoAGL6 转基因拟南芥植株中 , 可探测到
HoAGL6高水平表达(图 4). HoAGL6 mRNA在转基因
植株中高水平积累说明其转化表型是由 HoAGL6 在
拟南芥基因组中的整合和转录造成的.
2.3 促进 HoAGL6的表达引起提早开花, 至少是
由于促进了 SOC1和 LFY的表达
为了进一步了解 HoAGL6 的功能 , 我们对
HoAGL6 转化的拟南芥植株进行分析. 因此, 用农杆
菌介导的方法, 在花椰菜花叶病毒 35S启动子驱动下,
将近乎全长的 HoAGL6 cDNA转化进了拟南芥植株.
在独立地获得的 22株转基因拟南芥中, 9株与非
转化的野生型植株形态表型相同, 而另外 13 株出现
了崭新的表型. 在这 13 个株系中均观察到开花时间
明显缩短. 这些植株表现为株型极度矮小(开花时株
高不超过 10 cm), 仅仅发生 3~5枚小而卷曲的线形基
生叶, 并失去花序的不确定性, 过早地形成一末端
花或花器官状的结构 , 而不产生任何花序分枝(图
5(a), (c), (d)和(f)). 相对应, 同龄野生型植株仅仅发
生数枚近圆形的基生叶, 仍然处在营养生长阶段(图
5(e)). 根据花发生的缺陷程度, 把这 13株系划分为 3
种类型. 第一种类型具有 2 株, 表现为弱表型. 它们
产生少于 6朵花的花簇(图 5(a)), 而非分枝的花序, 其
中顶生的末端花缺陷最为严重, 完全失去了花瓣轮
(图 5(b)). 第二种类型含有 8 株, 表现为中度严重的
表型, 在茎的顶端仅仅发生 1朵末端花(图 5(c)和(d)).
第三种类型有 3株, 表现最为严重缺陷. 这 3株生长
有 3~5枚基生叶和一缩短的花序轴, 在花序轴上着生
有 2~3 片增厚的、花器官状(心皮状)的茎生叶, 其顶
端为一滞育的芽(图 5(f)). 尽管这些植株不能发生典
型结构的花, 但是花器官状的茎生叶显示出它们已
进入了开花阶段. 这三种类型的转基因植株均表现
出过早地开花或出现花器官状的结构, 说明 HoAGL6
在拟南芥中参与了开花时间的调节.
从拟南芥和其他植物中揭示出的开花时间调节
途径表明, 若一个基因能使植物提早开花, 势必要激
活花分生组织特征基因 LFY. 在这些途径中 SOC1作
为一个激活因子, 恰恰作用于 LFY的上游. 为了说明
HoAGL6 是如何促进开花的, 我们用 RT-PCR South-
ern检测了 SOC1和 LFY在转化拟南芥植株中的表达
情况. 检测结果发现, 与在野生型中 SOC1 和 LFY
mRNA 水平的表达相比较, 在转基因幼苗中明显提
高(图 6). 因此, HoAGL6 应该通过 SOC1-LFY 激活
途径来促进开花.
2.4 可能因激活了 SEP1和 AG, 异位表达HoAGL6
引起花器官和营养器官间的同源转化
通过对 35S::HoAGL6 转基因拟南芥植株在花器
官中形态变化的观察发现, 花器官和茎生叶总是出


图 4 对 HoAGL6的 Northern分析
总 RNA分别提取自(在 6月中旬)花分生组织出现前的花序分生组织(Im)、花分生组织刚开始出现的花序芽(Fb)、营养叶(L)、鳞片(Sc); 成熟花的
花瓣状的花被(Pt)、雄蕊(St)、心皮(Cw, 去除胚珠)和胚珠(O). 为了检测 HoAGL6的表达状况, 从转基因拟南芥植株(TAp)提取总 RNA. 以杂交前
用溴化乙锭显色的 rRNA作为对照





第 4期 樊金会等: 风信子 AGL6同源基因在拟南芥中异位表达引起提早开花和器官同源转化 473




图 5 异位表达 HoAGL6拟南芥转化植株的表型
(a) 20 日龄的弱表型 35S::HoAGL6转化拟南芥植株比野生型提早开花, 生有 5枚细小卷曲的基生叶, 3枚基生叶和 6朵花组成的花簇, 其中顶生末
端花不完整. 放大图示其附生有柱头状结构(sp)的心皮状的茎生片(cc); (b) 35S::HoAGL6 转化拟南芥植株的花簇, 花的花萼呈现为心皮状(cs): 淡
黄色半透明, 间或生有柱头状结构; 雄蕊(st)数目减少; (c) 20 日龄的中度表型的 35S::HoAGL6转化拟南芥植株, 开花亦显著提早, 发生 3枚基生叶
和 2枚茎生叶和一朵末端花; (d) 中度表型的 35S::HoAGL6转化拟南芥植株, 发生附生有柱头状结构茎生叶和唯一的一朵花, 且在其花萼的位置上
出现 2 枚形态完整的子房结构(o); (e) 20 日龄的野生型拟南芥植株, 还没有进入开花阶段, 仅产生数片近圆形的基生叶; (f) 20 日龄严重表型的
35S::HoAGL6转化拟南芥植株, 株型矮小, 产生 3片卷曲的基生叶和附生有柱头状结构的心皮状的茎生叶, 但不产生任何典型结构的花. 其顶生芽
(tb)滞育; (g) 35S::HoAGL6转化拟南芥植株单一末端花的放大, 示其在花萼位置发生的子房状结构, 顶端生有正常形态柱头, 以及附生有柱头状结
构的心皮状花瓣(cp); (h) 顶端附生有柱头状结构的心皮状花萼(cs); (i) 心皮状的茎生叶(cc)的细部, 显示其柱头状结构; (j) 35S::HoAGL6转基因拟
南芥植株的一朵花, 具有心皮状的花瓣和一发育不良的子房(ov), 失去了雄蕊; (k) 从花序轴发生的柱头状结构; (l) 野生型拟南芥的花






474 中国科学 C辑 生命科学 第 37卷



现同源转化现象. 柱头状结构常常发生于转基因植
株的茎生叶, 不论其为弱、中度或严重的表型类型(图
5(a), (c), (d), (f)和(i)), 即使在严重表型类的植株的花
序轴上也发生柱头状结构 (图 5(k)). 在严重表型类
的株系中, 茎生叶转化为心皮状结构, 这种心皮状结
构, 异端地增厚, 外形内曲, 质地半透明, 并附生有
柱头状结构, 这些特征使其与野生型的心皮结构十
分相似. 在 AG和 SEP转化共同异位表达的植株中也
观察到这类心皮状的茎生叶[8]. 这些形态表现说明单
独的 HoAGL6 足可以使叶片转化为心皮状结构且它
更倾向于促进心皮特性的决定.
当对弱和中度严重表型类的转基因植株的花进
行检测时, 可以清楚地看到花瓣和花萼同源转化成
心皮状结构或形态完整的子房. 在弱表型类转化系
中, 第一轮的花萼转化为心皮状结构, 这种结构通常
在其顶尖发生柱头状结构, 间或仅呈现为淡黄色半
透明(图 5(a), (b)和(h)). 在中度严重表型类的转基因
系中, 4花萼转化成了 2形态十分完整的子房, 而不是
在弱表型转化类或在 AG和 SEP3共同超表达的拟南
芥植株中出现的那类心皮状结构 [41,42]. 在中度严重
表型类的转基因系中, 第二轮的花瓣总是转化为附
生有柱头状结构的心皮结构(图 5(a)和(b)), 而在弱表
型类转化系中则附生有点状突起(资料未显示). 在第
3 轮中, 雄蕊形态正常, 但在弱表型类转基因系中其
数目减少至 1~2枚, 在中度严重表型类的转基因系中
则全部失去了雄蕊轮(图 5(a), (b)和(j)). 子房仍发生
于花的中央部位, 通常发育不良, 而在弱表型类转化
系中偶尔出现正常子房(图 5(a)和(b)). 这些表型清楚
地说明HoAGL6参与了花器官的决定, 影响了四轮花
器官的发育.
依据 ABCDE模型, 心皮的特性是由 SEP和 AG
共同决定的[8]. 在不同器官中出现柱头结构意味着它
们具有了心皮特性. 换而言之, 单独的 SEP 或 AG不
能够充分决定心皮. 35S::HoAGL6转基因植株的表型
与 AG和 SEP3共同超表达的拟南芥植株的表型十分
相似, 可能是 HoAGL6 激活了 AG 和 SEP. 正如所希
望的那样 , 用 RT-PCR Southern 的方法在 35S::
HoAGL6 转基因植株的叶片中检测到 SEP1 和 AG
mRNA 有显著的积累(图 6). 此结果不但合理地解释
了转基因植株为何出现营养器官(叶片)、花萼和花瓣
转化为心皮状结构的各种同源转化, 而且揭示出了
AGL6类基因参与花器官形成的一种新的机制.
3 讨论
为了了解 MADS盒基因在调节花发育中的作用,
利用 PCR方法从风信子中克隆出了一MADS盒基因
HoAGL6. 将 HoAGL6与其他种类植物的MADS盒基
因进行比较分析后, 结果显示, HoAGL6 与其他种类
的 AGL6 类基因具有最高的同源性(图 2). 在进化树
分析中, HoAGL6 与其他植物种类的 AGL6 类基因关
系密切. 这些结果说明 HoAGL6 可能是风信子中的
AGL6同源基因. AGL6类基因序列的相似性预示着它
们具有相似的功能.
除了序列相似之外, HoAGL6 显示出种子植物
AGL6 类基因所共同具有的表达模式, 即它们均在花
芽和花器官中表达[29,32,33,36,38,39,43]. 这种花特异的表
达模式支持AGL6类基因的基本功能是控制开花时间
和花器官发生. 尽管都具有花特异性, 但是 AGL6 类
基因在花器官中的表达模式显示出在同一分类群中
具相似性, 而不同类群之间却存在着某些差异. 在单
子叶植物中, 若将内稃和外稃看作花萼的类似器官,
浆片看作花瓣[44~46], 则与 HoAGL6 相似(图 4), 但在

图 6 在 35S::HoAGL6转基因拟南芥植株中有关开花时间基因和花器官决定基因的表达分析
用于探测 LFY和 SOC1的总 RNA分离于生长于 B5培养基上的 7 日龄野生型幼苗和在 35S::HoAGL6转化后生长于 B5培养基上的 7 日龄抗性筛
选苗. 用于探测 SEP1和 AG的总 RNA来自野生型和 35S::HoAGL6转基因植株的叶片. ACT基因的扩增片断作为内参. Wt: 野生型拟南芥; T: 转基
因型拟南芥





第 4期 樊金会等: 风信子 AGL6同源基因在拟南芥中异位表达引起提早开花和器官同源转化 475



文心兰OMADS1[38]和水稻OsMADS6[39]花瓣和雌蕊中
表达, 而不在花萼和雄蕊表达. 在双子叶植物中, 拟
南芥 AGL6/AGL13[28,47]和矮牵牛 pMADS4[31] 以花器
官轮特异的方式在 4轮花器官均表达. 在裸子植物中,
包括小叶麻黄 (Gnetum parvifolium)的 GGM9 和
GGM11 [31], 辐射松(Pinus radiata)的 PrMADS2 和
PrMADS3 [29]和挪威云杉(Picea abies)的 DAL1[48], 这
些 AGL6 类基因均在幼年向成熟转化中的芽、珠鳞、
小孢子叶中表达, 而 PrMADS3 也在针叶原基的一团
原始细胞中表达[35]. 因此, 它们的主要功能也是与幼
年向成熟转化、雌雄生殖器官发育有关. 从上述资料
来看, AGL6 类基因在各类花器官或同功器官中均有
表达. 这些表达模式的差异可能是为了满足在不同
种类中塑造不同花结构发育的需要.
除了 AGL6 类基因具有极其相似的表达模式外,
在拟南芥中异位表达所出现的表型支持它们也具有
相似或相同的功能, 即促进开花诱导和决定花器官
特性. 本实验结果显示, HoAGL6 在拟南芥中异位表
达引起提早开花和花器官同源转化(图 5). 在文心兰
OMADS1[38]和挪威云杉 DAL1[43]的异位转化拟南芥植
株中, 也观察到相似的形态变化. 例如, OMADS1 异
位表达植株则表现为株型极度矮小、开花显著提前、
失去花序的不确定性, 并出现花萼转化为心皮状结
构以及花瓣转化为雄蕊结构的同源转化. 另外 , 在
35S::HoAGL6 拟南芥转化植株中出现形态完整的子
房结构和心皮状的叶片说明AGL6类基因在心皮决定
中的重要性.
AGL6类基因促进开花的一般机制已初步被揭示
出来. 通过 RT-PCR Southern对 35S::HoAGL6拟南芥
转化植株的分析显示出 HoAGL6 促进开花诱导可能
存在 2 种途径. (ⅰ) 在拟南芥中 HoAGL6 先激活
SOC1, 然后再由 SOC1激活 LFY来促进开花. 本实验
结果给出了 2 条证据支持此假设: 一是 HoAGL6 在
花分生组织形成之前在风信子花序分生组织中检测
到其转录(图 4); 二是 HoAGL6 在叶片内可以促进
SOC1和 LFY的转录(图 5). 因此, 35S::HoAGL6转基
因拟南芥植株提早开花至少是通过促进 SOC1和 LFY
的表达引起的. 35S::OMADS1转基因拟南芥也显著提
高了 SOC1 和 LFY 的表达水平, 并导致提早开花[38],
也支持这一观点. 在拟南芥中, SOC1 是控制开花时
间的关键因子, 它整合来自光周期、低温春化、赤霉
素响应和开花自主途径的信号来激活花分生组织特
征基因 LFY和 AP1[49~52]. 在酵母双杂交系统中, AGL6
与 SOC1之间可以形成蛋白聚合体[19], 所以 HoAGL6
很可能与 SOC1协同作用促进 LFY表达. 从这些结果
可以得出这样的结论: 开花促进途径 HoAGL6/SOC1-
LFY-AG是存在的. (ⅱ) 在 35S::HoAGL6转基因拟南
芥中 AG和 SEP1被激活会引起提早开花, 原因是 AG
或 SEP1 超表达拟南芥植株亦表现出过早开花[41,55].
这一途径也可能是独立存在的.
AGL6类基因的重要功能之一是参与花器官的形
态发生. 在 35S::HoAGL6转基因拟南芥中, 叶片、花
萼和花瓣状转化为心皮或子房结构, 这种表现与在
AG 和 SEP3 共同表达拟南芥中所观察到的表型相
似[8]. 在 35S::HoAGL6 转基因拟南芥中可以探测到
AG和 SEP1被激活(图 6). 在拟南芥中, LFY是激活花
器官特征基因关键因子 , 它不但直接激活 AG 和
AP1[51,53,54], 也是激活 AP3/PI 所必需的 [55]. 因此 ,
HoAGL6 上调 AG 很可能是遵循着 HoAGL6/SOC1-
LFY-AG开花促进途径而进行的. SEP1不在营养器官
表达, 而在HoAGL6异位表达的拟南芥叶片中却探测
到了其表达. 过去从来没有被观察到 SEP1 的激活途
径. 这可能是 AGL6类基因在调控花器官形成的一个
共同机制. 激活 AG 和 SEP1 可能是 AGL6 类基因参
与花器官形成的共同机制.
为了解释 AGL6类基因如何参与花器官形成, 我
们提供了 AG和 SEP1被风信子 HoAGL6激活的证据.
以前酵母双杂交检验揭示, ABCDE 模型中的 MADS
盒蛋白可以形成多聚体(可能为四聚体)来控制不同花
器官类型的各种转录程序[4,10,11]. 再进一步的研究发
现拟南芥AGL6与 SEP1, AP1, SHP1, SHP2或 FUL蛋
白 [19]、文心兰 OMADS1 与 OMADS3(AP3 类蛋
白)[38,56]、水稻 OsMADS6 与 AP1/AGL9 组的其他一
些MADS盒蛋白之间均可以形成聚合体[39]. AGL6类
蛋白应当与其聚合同时具有相同的功能. 综合这些
实验结果, 可以得出这样的结论: AGL6 类基因作为
一类新的因子参与了 ABCDE模型所揭示的机制.
在 ABCDE 中, AP1-AP1-SEP-SEP, AP1-AP3-PI-
SEP, AP3-PI-AG-SEP和AG-AG-SEP-SEP复合体分别
决定花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊. 由于 AGL6类和其他
基因的加入, 需要对 ABCDE 模型进行重新评估. 我
们提出一种动态聚合模型, 即 MASD 盒蛋白以浓度





476 中国科学 C辑 生命科学 第 37卷



依赖的方式动态地聚合为一组四聚体, 决定一团原
始细胞形成有功能的和形态完整的花器官. 在这一
模型中, AGL6 类基因既是其他花器官特征基因的激
活者, 又是花器官决定的参与者. 第一轮的花萼是由
AP1, SEP, SVP, AGL6共同作用决定的. 这 4个因子
有规律地形成一组四聚体, AP1-AP1-SEP-SEP只是其
中之一. 一些新的证据支持 SVP和 AGL6类基因参与
了这些四聚体的聚合. AP1-SVP二聚体与共抑制复合
体 LUG-SEU 相互作用来抑制 AG 表达 [57,58], 而
AP1-SEP3与 LUG-SEU相互作用来解除 SVP-AP1对
AG 表达的抑制[59]. 再者, 大麦(Hordeum vulgare)的
BM10 [60]和矮牵牛的UNSHAVEN[61]2个 SVP类MADS
盒基因超表达的拟南芥, 使得所有的花器官全部变
成了具有叶片特征的花萼结构. 因此, 在花萼轮 SVP
类基因抑制 AG 表达, 并参与了蛋白聚合. HoAGL6
激活 AG和 SEP1, 并且 AGL6与 SVP和 SEP蛋白之
间存在相互作用, 意味着AGL6类蛋白也是花萼决定
聚合体的成分 . 进一步地讲 , 在这一轮中 SVP 和
AGL6 具有相反的作用, 前者倾向于赋予器官花萼特
性, 而后者倾向赋予器官花瓣和心皮特性. 在单子叶
植物中, AGL6 类基因常常不在花萼轮表达, 这使其
花被轮的花萼和花瓣分化不明显, 更多地展示为花
萼状. 另外, 其他因子侵入此轮, 也可以改变花萼的
形态. 例如, 在玉凤兰(Habenaria radiate)的花萼呈现
为花瓣状的突变体中, AP3 同源基因 HrGLO1 和
HrGLO2则在花萼表达[62], 说明 AP3类基因也影响花
萼和花瓣的分化. 与花萼轮决定类似, AP1, AP3/PI,
SEP 和 AGL6 共同作用可以充分地决定第二轮花瓣.
这四类因子同样也动态地形成一组四聚体 , 如
AP1-AP3-PI-SEP. 所有 AGL6 类基因均在花瓣, 并且
单独的HoAGL6在矮牵牛中超表达, 在离体条件下使
所有的叶片变成花瓣结构(未发表资料), 这些结果说
明 AGL6类基因在花瓣决定中起着关键作用. 第三轮
的雄蕊是由 AP3/PI, SEP, AG和 AGL6组成的一组四
聚体决定的. 在拟南芥中, AGL6 类基因异位转化均
影响雄蕊的发育, 包括 OMADS1, DAL1 和 HoAGL6,
说明 AGL6 类浓度影响雄蕊轮的决定. AGL6 类基因
通常在发育早期的雄蕊原基表达 , 如辐射松的
PrMADS2 和 PrMADS2. AGL6 的表达十分局限于发
育早期的雄蕊原基, 用Northern杂交的方法不能准确
地检测到, 结果是检测不到表达信号或表达信号极
弱, 如 pMADS4, OMADS1和 HoAGL6. 因此, 需要用
更为精确的检测方法, 如 RNA原位杂交方法. AGL6
类蛋白可能在雄蕊原基发育早期参与了这些复合体
的聚合. 第四轮是由 STK/SHP, AG, SEP和 AGL6组
成的一系列多聚体控制的. 在 35S::HoAGL6 转基因
拟南芥中, 广泛发生心皮状结构或形态完整的子房
强烈支持这一观点. 所有 AGL6 类基因均在子房和
胚珠高水平表达也支持它们在心皮特性决定中起着
作用. 由于 SEP3, SHP1 和/或 STK共同异位表达不
能使叶片器官转化为带有胚珠的心皮结构[63], 因此,
可能的 AG-AG-SEP-SEP 和 AG-SHP-SEP-STK 四聚
体不能充分决定心皮特性. 综合这些资料, AGL6 应
是控制子房形成的聚合体的成分. 另外, STK 在没有
AG 参与的条件下, 促进了心皮的形成[8], 因此它应
该是这些四聚体的成份. 我们预测 AG, SHP, SEP和
AGL6 四基因共同异位表达可以使得叶片同源转化为
带有胚珠的子房.
通过对风信子 HoAGL6 在花器官决定中的作用
机制分析, 我们提出了四组 MADS 盒蛋白的聚合特
性负责四轮花器官完整形态的发生. 此模型与植物
界形形色色的花器官形态和多变的花结构是相吻合
的.
致谢 衷心感谢山东农业大学生命科学院邹琪先
生对本文的审阅及提出的建设性意见.
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