全 文 :第37卷第4期
2014年7月
河 北 农 业 大 学 学 报
JOURNAL OF AGRICULTURAL UNIVERSITY OF HEBEI
Vol.37No.4
Jul.2014
文章编号:1000-1573(2014)04-0047-06 DOI:10.13320/j.cnki.jauh.2014.0087
AP22.65基因调控拟南芥开花的机制分析
张 靖, 樊锦涛, 蒋琛茜, 王冠宇,
董丽萍, 邢继红
(河北农业大学 真菌毒素与植物分子病理学实验室,河北 保定 071001)
摘要:为揭示AP22.65基因在拟南芥开花过程中的调控机制,对AP22.65基因与拟南芥开花调控途径的关系
进行了分析,发现拟南芥ap22.65突变体中赤霉素途径基因SPY,光周期途径基因GI、CO和FT,春化途径基
因VNR2、VIN4和FLC,整合途径基因LFY、TFL1和EMF1的表达水平均明显下调,FVE、CCA1、VNR1和
SOC1表达变化不明显。CO超表达突变体 WT/CO和spy、gi、lhy突变体中AP22.65基因的表达水平均不同
程度上调,而FLC超表达突变体 WT/FLC中AP22.65基因的表达水平明显下调。春化处理后,ap22.65、回
复及超表达突变体的花期和AP22.65基因的表达变化不明显;赤霉素处理后,ap22.65突变体的花期明显延
迟,且AP22.65 基因的表达明显增强,明确AP22.65 基因主要参与光周期途径和赤霉素途径调控拟南芥
开花。
关 键 词:AP22.65;拟南芥;开花;调控途径
中图分类号:S184 文献标志码:A
Mechanism analysis of AP22.65 gene in regulating flowering of Arabidopsis
ZHANG Jing,FAN Jin-tao,JIANG Chen-xi,WANG Guan-yu,
DONG Li-ping,XING Ji-hong
收稿日期:2014-03-31
基金项目:国家自然科学基金(31200203);河北省自然科学基金(C2012204032);高等学校博士学科点专项科研基金
(20121302120007).
作者简介:张 靖(1985-),女,河北省保定人,助理实验师,研究方向:植物学.
通讯作者:邢继红(1977-),女,河北省东光人,博士,教授,研究方向:分子生物学.E-mail:xingjihong2000@126.com
(Mycotoxin and Molecular Plant Pathology Laboratory,Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China)
Abstract:To reveal the mechanism of AP22.65 gene in regulating flowering of Arabidopsis,
the interactions between AP22.65 gene and different flowering pathways in Arabidopsis were
analyzed.Significant down-regulation in ap22.65 mutant was noted for SPYin the GA path-
way;key genes GI,CO,and FTin the photoperiod pathway;the vernalization pathway genes
VNR2,VIN4 and FLC;and the integrated-pathway genes LFY,TFL1 and EMF1.The ex-
pressed levels of AP22.65in the WT/CO,spy,gi and lhy mutants were increased to different
extents,while the expressed level of AP22.65 was reduced in WT/FLC mutant.The date of
flowering and the expression of AP22.65 were not significantly changed in the ap22.65 mu-
tant and AP22.65 complemented plants.The flowering date of ap22.65 mutant was put off
distinctly and the expression of gene ap22.65 mutant raised clearly after GA treatment.These
results showed that the AP22.65 gene may involved in the photoperiod and GA pathways to
河 北 农 业 大 学 学 报 第37卷
regulate the flowering time in Arabidopsis.
Keywords:AP22.65;Arabidopsis thaliana;flowering;flowering-regulated pathway
高等植物开花决定了植物生殖发育的时期和质
量,对于植物的发育具有重要的影响。对植物调控
开花时间的分子机制进行研究,对于调节植物发育
和生殖、提高农作物的产量和品质具有重要的意
义[1]。拟南芥开花受光周期[2-3]、春化[4-5]、自主[6]和
赤霉素[7]途径共同调节,再调控一些下游关键基因
(FT、SOC1、LFY)的表达,构成一个复杂的信号网
络。在光周期途径中,GI、CO和FT 是该途径下游
的关键基因,GI通过上调CO 和FT 基因的表达而
促进拟南芥开花[8-10]。自主开花途径是对光周期或
春化信号都不甚敏感的开花调控途径,该途径的相
关突变体,如fca、ld、fld、flk、fve等突变体,在长
日照和短日照条件下均表现晚花表型,在短日照的
条件下,其晚花的表型更为明显。FLC基因为春化
途径的下游关键基因,对花分生组织特性基因LFY
的表达起抑制作用[11-12]。LD 基因对FLC 的表达
起负调控作用,FVE在冷应答反应和调控开花时间
方面具有双重作用。春化作用由2部分组成,首先
是对低温的响应,抑制FLC基因的表达;然后是对
FLC 基 因 表 达 低 水 平 状 态 的 维 持。VIN3 和
VRN1、VRN2 分别在这2个阶段起主要作用[13]。
赤霉素途径的基因也影响开花时间,其中GAI、
RGA和RGL1是该途径的3个关键基因[14]。拟南
芥开花调控的4条途径最终都是通过调控下游
AP1和LFY 基因的表达,启动花的形态建成[15-18]。
笔者前期研究中,获得了一株早花的 T-DNA插入
突变体,明确了其突变基因为 AP22.65。研究发
现,ap22.65突变体在短日照条件花期明显提前,且
突变体中开花关键基因SPY、FLC、GI、CO、FT、
LFY表达水平均显著下调;该基因的功能互补回复
植株的花期在长日照和短日照条件下均与野生型一
致,超表达植株的花期明显延迟。从而明确了
AP22.65基因为拟南芥的开花调控基因[19]。但是,
AP22.65基因与拟南芥开花调控途径的关系尚不
清楚。
本研究通过分析AP22.65 基因突变对拟南芥
开花途径相关基因表达的影响、开花途径相关突变
体中AP22.65基因的表达情况、春化和赤霉素处理
对ap22.65突变体花期和AP22.65 基因表达的影
响,以期明确AP22.65基因与拟南芥开花调控途径
的关系,为进一步揭示AP22.65基因调控拟南芥开
花的分子机制奠定基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
拟南芥野生型Col-0、开花途径相关突变体spy
(SALK_090580)、gi(SALK_092757)、lhy(SALK_
149287)、CO超表达突变体(WT/CO)、FLC超表达
突变体(WT/FLC)、ap22.65 突变体、回复突变体
(ap22.65/AP22.65)和 超 表 达 突 变 体 (WT/
AP22.65)均由河北农业大学真菌毒素与植物分子
病理学实验室提供。
1.2 AP22.65基因的生物信息学分析
应用软件ProtParam对AP22.65 进行理化性
质分析,利用http://npsa-pbil.ibcp.fr/分析蛋白
质的 二 级 结 构,利 用 http://www.ebi.ac.uk/
Tools/pfa/iprscan/分析基因的保守结构域,利用
Modeler软件构建AP22.65蛋白的三级结构,同时
利 用 SAVES (http://services.mbi.ucla.edu/
SAVES/)对预测的AP22.65蛋白结构进行质量评
估;最后从拟南芥 MPSS(Massively Paralel Signa-
ture Sequencing)网 站 http://mpss.udel.edu/at/
mpss_index.php中查询AP22.65基因在拟南芥不
同组织中的表达数据,确定该基因的组织表达
规律。
1.3 ap22.65突变体中开花调控基因的表达分析
利用 RT-PCR 技术,检测拟南芥野生型和
ap22.65突变体中的开花调控途径中重要基因
(SPY、FVE、FLC、CCA1、GI、CO、FT、VNR1、
VNR2、VIP4、LFY、TFL1、EMF1和SOC1)的表达
情况。根据已知开花途径相关基因的序列,利用
PRIMER5.0设计基因的特异性引物。PCR的反应
体系为cDNA 模板1.0μL、dNTP(2.5mmol/L)
2.0μL、Taq酶(5U/μL)0.3μL、10×Taq buffer
2.5μL、引 物 (10μmol/L)各 0.5μL,最 后 加
ddH2O至25μL。PCR程序为94℃5min;94℃
30s,退火30s,72℃1min,34个循环;72℃10
min。PCR产物用1%的琼脂糖凝胶电泳进行检测。
84
第4期 张 靖等:AP22.65基因调控拟南芥开花的机制分析
1.4 开花途径相关突变体中AP22.65基因的表达
分析
利用RT-PCR技术,检测拟南芥开花途径相关
突变体spy、gi、lhy、CO超表达突变体(WT/CO)、
FLC超表达突变体(WT/FLC)中AP22.65基因的
表达情况。PCR体系和程序同1.2。
1.5 春化、赤霉素处理对ap22.65突变体花期的影响
1.5.1 赤霉素处理 将拟南芥的野生型、ap22.65
突变体、回复突变体(ap22.65/AP22.65)和超表达
突变体(WT/AP22.65)的种子消毒后,铺于含有
GA3(100μmol/L)的 MS平板上,短日条件下培养
14d,然后将野生型和各突变体的幼苗移栽后进行
正常培养,每周用GA3(100μmol/L)处理一次。
1.5.2 春化处理 将拟南芥的野生型、ap22.65突
变体、回复突变体(ap22.65/AP22.65)和超表达突
变体(WT/AP22.65)的种子消毒后,铺于 MS平板
上,在长日条件下培养1d后,将其置于在4℃条件
下处理4周。然后,将其置于短日条件下继续培养
10d后,将野生型和各突变体的幼苗移栽至营养土
中进行正常培养。
1.5.3 开花时间统计 从温室光照培养开始,到植
株抽薹、主茎长至0.5cm植株开花为止,计算开花
时间天数,并且在植株第1朵花开时的莲座叶片数
进行了统计,最少统计15株。
1.6 春化、赤霉素处理对AP22.65基因表达的影响
提取春化和赤霉素处理的拟南芥野生型、
ap22.65突变体、ap22.65/AP22.65回复突变体和
WT/AP22.65超表达突变体的总 RNA,并反转录
合成其cDNA。以 AP22.65 基因特异引物进行
RT-PCR扩增,检测其在转基因株系中的表达情况。
2 结果与分析
2.1 AP22.65基因的生物信息学分析
2.1.1 AP22.65蛋白质的理化性质分析 应用生
物信息学软件ProtParam对 AP22.65进行理化性
质分析,结果发现该蛋白相对分子质量46.5kD,等
电点为9.18,负电荷氨基酸残基总数为49,正电荷
氨基酸残基总数为52,蛋白在280nm下的吸光度
为0.853。蛋白不稳定指数为45.12(>40.00考虑
为不稳定),为不稳定蛋白,脂肪系数为76.55,总平
均疏水-0.456,是亲水蛋白。
2.1.2 AP22.65蛋白质的二级结构分析 利用在
线网站对该蛋白进行二级结构分析得知,该蛋白主
要含有 alpha helix(Hh)-螺旋,Extended strand
(Ee)延伸链,Beta turn(Tt)-转角,Random coil(Cc)
无规卷曲。其中 Hh有273个氨基酸,占66.26%;
Ee有11个氨基酸,占2.67%;Tt有32个氨基酸,
占7.77%;Cc有96个氨基酸,占23.30%。
2.1.3 AP22.65蛋白质保守结构域及高级结构预
测 利用http://www.ebi.ac.uk/Tools/pfa/ipr-
scan/分析AP22.65蛋白的保守结构域,根据E-val-
ue值可以确定该蛋白具有5个PPR保守基序,分别
位于107~136、141~170、178~208、213~243、282~
312aa位(图1A);利用 Modeler软件构建AP22.65
蛋白 的 三 级 结 构,同 时 使 用 SAVES(http:∥
services.mbi.ucla.edu/SAVES/)对预测的 AP22.65
蛋白结构的质量进行评估,结果发现该蛋白具有PPR
保守结构,为右手螺旋蛋白(图1B、1C)。
A.保守区域预测 B.卡通模式三级结构
C.球体模式三级结构。
图1 AP22.65蛋白的保守结构域及三级结构预测
Fig.1 Prediction of conserved domains and
tertiary structure in AP22.65protein
2.1.4 AP22.65组织表达分析 从拟南芥 MPSS
数据库查询AP22.65 基因在拟南芥愈伤组织、花、
叶、根、果夹、种子中的转录数据,分别得到愈伤组织
196万条、花177万条、叶288万条、根364万条、果
夹235万条、萌发种子255万条 MPSS标签,将6个
时期转录信息进行归一统计操作,进行不同时期转
录水平的比较。结果发现,AP22.65基因在愈伤组
织、花、根和果夹中大量表达,转录数分别为776,
755,598,545;在叶中表达水平较低,转录数为153,
在种子萌发过程中不表达(图2)。
94
河 北 农 业 大 学 学 报 第37卷
1:愈伤组织;2:花;3:叶;4:根;5:果荚;6:种子。
图2 AP22.65基因在不同部位的转录情况
Fig.2 Transcription of AP22.65 gene in different parts
2.2 AP22.65基因突变对开花途径相关基因表达
的影响
以18SrRNA 为内参基因,对拟南芥野生型
Col-0和ap22.65突变体中开花途径相关基因的表
达进行RT-PCR分析。结果发现,突变体中赤霉
素途径基因SPY,光周期途径基因GI、CO和FT,
春化途径基因VNR2、VIP4和FLC,整合途径基因
LFY、TFL1 和EMF1 的表达水平均明显下调,
FVE、CCA1、VNR1和SOC1表达水平变化不明显
(图3)。
图3 开花途径相关基因的表达分析
Fig.3 The expression of flowering genes related
with flowering pathways
2.3 开花途径相关突变体中AP22.65基因的表达
分析
利用RT-PCR技术,检测拟南芥开花途径相关
突变体中AP22.65 基因的表达情况。结果发现,
CO超表达突变体(WT/CO)和spy、gi、lhy突变体
中AP22.65 基因的表达水平均不同程度上调,而
FLC超表达突变体(WT/FLC)中AP22.65基因的
表达水平明显下调(图4)。表明 AP22.65 基因与
CO、SPY、GI、LHY和FLC基因存在调控与被调控
的关系,初步确定AP22.65 基因参与光周期途径、
赤霉素途径和春化途径。
1:WT;2:WT/CO;3:WT/FLC;4:spy;5:gi;6:lhy.
图4 开花途径相关突变体中AP22.65基因的表达
Fig.4 The expression of AP22.65 gene in mutants
related with flowering pathways
2.4 ap22.65突变体的花期受春化、赤霉素的影响
在短日条件下,观察ap22.65 突变体在春化、
赤霉素处理前后的花期变化情况。结果发现,在春
化处 理 后,拟 南 芥 野 生 型、ap22.65 突 变 体、
ap22.65/AP22.65回复突变体及 WT/AP22.65超
表达突变体的开花时间均有所推迟,与未处理相比
变化不 明 显;赤 霉 素 处 理 后,拟 南 芥 野 生 型、
ap22.65/AP22.65回复突变体及 WT/AP22.65突
变体均提早开花,而ap22.65突变体的开花时间却
明显地推迟(图5)。
图5 春化、赤霉素处理对ap22.65突变体花期的影响
Fig.5 Flowering time of ap22.65 under vernalization
and GA treatments
2.5 AP22.65基因的表达受春化、赤霉素的影响
利用RT-PCR技术,检测春化、赤霉素处理后
拟南芥野生型、ap22.65突变体、ap22.65/AP22.65
突变体及 WT/AP22.65突变体中AP22.65基因的
表达水平。结果发现,春化处理后拟南芥野生型和
05
第4期 张 靖等:AP22.65基因调控拟南芥开花的机制分析
突变体中AP22.65基因的表达水平没有明显的变
化;赤霉素处理后,ap22.65 突变体中AP22.65 基
因的 表 达 水 平 明 显 增 强,野 生 型 和 ap22.65/
AP22.65突变体中AP22.65基因的表达水平明显
降低,而超表达突变体 WT/AP22.65中AP22.65
基因的表达水平没有明显的变化(图6)。该结果与
春化和赤霉素处理后花期的变化基本一致。
1:ap22.659;2:col-0;3:ap22.65/AP22.65;4:WT/AP22.65.
图6 春化、赤霉素处理对AP22.65基因表达的影响
Fig.6 The expression of AP22.65 gene in mutants
under vernalization and GA treatments
3 讨论
AP22.65基因编码一个类似TPR的超家族蛋
白(Tetratricopeptide repeat(TPR)-like superfami-
ly protein),并包含5个PPR(Pentatricopeptide re-
peats)的保守结构域。文献报道,PPR基因的编码
产物是以35个氨基酸为重复单位的蛋白质[20],称
为PPR蛋白。拟南芥中,PPR基因均匀地分布在5
条染色体上,成簇现象不十分明显[21]。PPR 基因
多数定位在叶绿体或线粒体上,PPR蛋白可间接或
直接的与RNA相作用,对细胞器的相关基因或其
他基因的表达起到重要的调控作用[22]。本研究中,
AP22.65基因为拟南芥开花调控基因,推测该基因
调控拟南芥开花的机制可能与PPR蛋白与 RNA
的结合相关。
拟南芥有4条调控开花时间的信号转导途径,
即自主途径、光周期途径、春化途径和赤霉素途
径[2-7]。4 条开花调控途径通过一些整合基因
(LFY、TFL1和EMF1等)共同调控着拟南芥的开
花[26]。本研究前期已明确AP22.65基因为拟南芥
开花调控基因,但该基因与已知开花调控途径的关
系尚不清楚。本研究中,ap22.65 突变体的花期在
长日条件下与野生型基本一致,而在短日条件下,则
表现为早花。说明该突变体对光周期敏感,但该突
变体的开花特性与自主途径突变体的明显不同,且
春化处理对突变体的花期没有明显的影响,由此推
测AP22.65基因主要参与光周期途径,不参与自主
途径。本研究检测了AP22.65 基因突变对开花调
控途径基因表达的影响,发现突变体中光周期途径
基因(GI、CO、和FT)、春化途径基因(VNR2、VIP4
和FLC)和赤霉素途径基因(SPY)的表达水平发生
了明显的变化,确定AP22.65 基因参与赤霉素、光
周期和春化途径。赤霉素处理对ap22.65 突变体
的花期和AP22.65基因表达的影响较大,而春化处
理对其花期及基因的表达均没有明显的影响,从而
确定AP22.65基因主要参与赤霉素途径。综上所
述,AP22.65基因主要通过光周期途径和赤霉素途
径调控拟南芥的成花。
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(编辑:宗淑萍)
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