全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期:2006-06-06
作者简介:马辉,硕士研究生,从事分子生物学研究,E-mail:mahui125122@yahoo.com.cn
通讯作者:罗淑萍,硕士,从事分子生物学研究,E-mail:luoshuping@163.com
植物MADS-box基因研究进展
马辉 1 张智俊 2 罗淑萍 1
(1新疆农业大学 农学院,乌鲁木齐 830052;2浙江林学院 浙江省现代森林培育技术重点实验室,临安 311300)
摘 要: 植物中的MADS-box基因是一个序列特异的调节基因家族,其编码的MADS-box蛋白转录因子以二聚体
化的形式通过保守的MADS结构域与特定的DNA序列结合来调控基因的表达,从而调节植物的生长发育.对植物MADS-
box基因的分布、分类、结构、功能和前景作了简要的综述。
关键词: MADS-box基因 MADS-box蛋白转录因子 植物
Progress of MADS-box Gene Research in Plant
Ma Hui1 Zhang Zhijun2 Luo Shuping1
(1Agronomy college,Xingjiang Agriculture university,Urumqi 830052;2Zhejiang Forestry College,Provincia K y Lab for
Modern Silvicultural Technology,Linan 311300)
Abstract: MADS-box gene in plant is a regulatory genes family.Transcription factors encoded by MADS-box
gene combine with specific DNA sequences by conservative MADS region in the form of dime to regulate the
expression of gene and play a very important role during the growth and development of plant.this paper reviw
MADS-box gene′s classification、structure function and prospect.
Key words: MADS-box gene Transcription factors Plant
MADS-box的名称来自酿 酒 酵 母 转 录 因 子
MCM1、拟南芥花同源异型基因 AGAMOUS、金鱼草
花同源异型基因 DEFICIENS和人血清应答因子
SRF 4种蛋白的首字母,这 4种蛋白质都有一个由
56～58个氨基酸组成的高度保守的 MADS盒。编码
含有这种保守序列蛋白因子的基因称为 MADS-box
基因。MADS-box基因编码的蛋白因子是一类转录
因子即反式作用因子,其与真核基因启动子区域中
的顺式作用元件特异结合,从而使靶基因以特定的
强度在特定的时间和空间表达。MADS-box基因在
植物的花分生组织、花器官和各种营养器官中均有
不同形式的时空表达模式,起着各自不同的功能。
1 MADS-box基因的分布
MADS-box基因几乎遍布整个植物界。研究表
明:MADS-box基因广泛分布于拟南芥、金鱼草、矮
牵牛、烟草、番茄和油菜等双子叶植物以及玉米、水
稻、小麦和高粱等双子叶植物中;在植物体的不同
部位不同生长发育阶段均发现 MADS-box基因表
达;从 DNA水平上看,MADS-box基因是一个庞大
的家族,分散分布在整个基因组中。
2 MADS-box基因的分类
基于系统发育分析,MADS-box基因在真核生
物中被分为两类:SRF型和 MEF2型 [1,2]。SRF型
MADS-box基因主要控制哺乳动物细胞的生长、分
化以及芽殖酵母配型分化,而 MEF2型基因在肌肉
细胞的分化中起作用[3]。在陆生植物中,MADS-box
基因首先在花同源异型选择基因中被发现[4,5]。除
了 AP2,所有的花同源异型基因都是 MADS-box基
因[6]。陆生植物 MADS-box基因被分为三类:MIKCC
型 MADS-box基因、MIKC﹡型 MADS-box基因[7]和M
型 MADS-box基因[8]。MIKCC型 MADS-box基因是由
MADS(M)结构域、intervening(I)结构域、keratin-like
(K)结构域和 C-terminal(C)结构域组成;MIKC﹡型
MADS-box基因仅仅在低等陆生植物中被报道[7],如
苔藓。MIKCC型 MADS-box基因和 MIKC﹡型 MADS-
box基因是通过 I结构域不同的外显子或内含子来
2006年第6期·综述与专论·
2006年第6期 马辉等:植物MADS-box基因研究进展
区别的 [7]。M型 MADS-box基因缺乏 K结构域[8]。
Buyla等[8]通过MADS结构域特征氨基酸残基和系
统发育分析把 SRF型、MEF2型、MIKCC型、MIKC﹡
型、M型基因划分为 I型和 I型。Elena等[9]通过系
统发育分析认为动物 SRF型基因以及与其亲缘关
系较近的植物 MADS-box基因形成 I型,大多数其
它植物序列和动物的 MEF2型基因共同形成 I型。
3 MADS-box基因的结构、MADS-box蛋白转
录因子的结构及其相互作用
3.1 MADS-box基因的结构
植物中的 MADS-box基因具有相似的内含子和
外显子结构,一般包含 6个内含子和 7个外显子
[10],其中外显子 1编码蛋白因子高度保守的 MADS
盒结构域;外显子 3～5编码半保守的 K盒结构域;
最后 2～3个外显子编码 C末端,但金鱼草的
DEF125,SQUA及其它少数基因的结构略有不同
[11]。大部分 MADS盒基因的上游有一称为 CArG盒
(CC-A-rich-GG)特异序列[12],是 MADS蛋白与 DNA
保守序列结合的位点.研究表明,拟南芥 AP3基因
的 CArG盒由功能各异的 3个部分组成:CArG1是
正调节因子的结合位点,CArG3是负调节因子的结
合位点,CArG2的突变使报道基因在花冠中的表达
水平大大下降[13]。在拟南芥和其它一些生物中发现
MADS盒基因与其它基因以连锁群形式存在[14]。
3.2 MADS盒蛋白转录因子
MADS-box基因所编码的 MADS-box转录因子
主要由 MADS盒、K盒、I区、C末端和 N末端 5个
部分组成。其中的 MADS盒是由约 56～58个氨基酸
组成的高度保守的结构域,在至今发现的所有
MADS盒因子中该区域有 9个氨基酸完全一样。研
究表明,MADS盒是一个序列特异的 DNA结合基
元,其由反向平行的 α-螺旋基元所形成的特定的
二聚体结构而与 DNA小沟相互作用[15]。MADS盒主
要与 DNA结合,有时也形成二聚体或与辅助因子
结合[16]。K盒由约 70个氨基酸组成,中度保守,与
角蛋白(keratin)部分同源,至今在动物和真菌中还
未被发现。二级结构分析表明 K结构域含有 3个
α-螺旋 K1、K2和 K3,与疏水残基有保守的整齐间
距,能在蛋白二聚体中形成两亲和性螺旋结构,调
解蛋白质之间的相互作用 [17]。K结构域是植物
MADS-box转录因子的特征序列,也是发生二聚体
化的结构基元[18]。I区位于 MADS结构域和 K结构
域之间,是由约 35个氨基酸组成的含有较多亲水
残基的非保守区域,其作用是帮助二聚体的转录因
子与 DNA结合形成复合体。I区是选择性形成
DNA结合二聚体的分子决定因素[19]。C末端位于 K
盒下游,是由约 30个氨基酸组成的富含疏水残基
的非保守区域,可能作为 MADS-box基因的转录激
活区域,与 MADS-box多聚体高级结构有关[20]。利用
酵母双杂交已经证明 OsMADS16-水稻的 AP3同源
基因在 C末端蛋白区域含有一个转录激活区[21]。一
些植物蛋白在 MADS上游含有附加的 N末端残
基,是富含碱性氨基酸的亲水结构域,形成 NMIKC
型蛋白。MADS盒、K盒、I区、C末端和 N末端在蛋
白因子的二聚体化及 DNA与二聚体的结合中起着
各自不同的功能。
3.3 MADS盒蛋白转录因子与靶基因的相互作用
MADS-box基因蛋白转录因子以二聚体的形式
与特定的 DNA序列相结合实现对发育过程的调
节。免疫共沉淀实验表明,有的蛋白因子形成同源
二聚体,如拟南芥中的 AG、AP1和 AGL1[22];有的形
成异源二聚体,如 B组蛋白 DEF/GLO(金鱼草)[23]、
AP3/PI(拟南芥)[22]形成特异结合的异源二聚体。Ma
等[24]发现与 MADS-box蛋白转录因子结合的 DNA
序列不仅可以是一般的结构基因,而且也可以是
MADS-box基因家族本身。尽管每个蛋白因子都具
有各自不同的 DNA结合特异性,但大多数 MADS-
box蛋白转录因子结合于 MADS-box基因的特异序
列-CArG盒上,CArG常出现在许多受 MADS蛋白
转录因子所调节的基因的启动子区域[25],如 AG蛋
白 MADS区域特异结合的 DNA序列已被鉴定为 5′
-TT(A/T/G)CC(A/T)6GG(A/T/C)AA-3′[26]。大量的
试验证明 MADS-box转录因子中的 MADS盒结构
域是结合所必需的;同时,Davies等[23]发现蛋白质
的 DNA结合结构域越相似,所结合的 DNA的序列
组成也越一致。同一个 MADS-box转录因子与不同
的序列有不同的亲合性,例如 AG与第 7、8位为 G/
C和 A/T的序列结合能力较强 [27]。蛋白二聚体与
DNA的结合引起 DNA构型的改变。DNAaseI试验、
环状变换和相位分析的结果表明:AP1/AP1、AP3/
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生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第6期
PI、AG/AG二聚体保护了与之结合的寡聚核苷酸,
并诱导 DNA向小沟方向发生不同程度的弯曲[22]。
4 MADS-box基因的功能
4.1植物 MADS-box基因与花的发育
开花是高等植物从营养生长转向生殖生长的
一个重要的生理过程,开花即受外界环境因素的影
响,又受内在基因的调控,发现 MADS-box基因在
花的发育过程中起着重要的作用。
4.1.1 ABC模型 随着花器官发育研究的深入,
有关花器官发育的特异性基因研究已取得了突破
性的进展,这主要体现在通过对双子叶植物拟南芥
和金鱼草的花同源异型突变体的研究确定的花发
育的 ABC模型上[28]。该模型指出,从花分生组织到
到花器官的形成主要由三类基因(A、B和 C)控制,
每一类基因均在相邻的两轮花器官中起作用,即 A
类基因参与萼片和花瓣的形成,A类基因完全失活
导致第一轮萼片转变为心皮,第二轮花瓣转变为雄
蕊;B类基因参与花瓣和雄蕊的形成,B类基因丧
失功能的突变体中,萼片代替第二轮花瓣,第三轮
雄蕊转变为心皮;C类基因则在雄蕊和雌蕊的发育
中起作用,C类基因失活导致第三轮雄蕊转变为花
瓣,第四轮心皮转变为萼片。在第一轮花器官中,A
类基因单独控制萼片的形成;A和 B类基因共同决
定第二轮器官(花瓣)的分化;B和 C类基因决定雄
蕊的形成;C类基因则单独控制心皮的发育。双突
变体研究显示,B类基因的活性与 A和 C类基因的
活性相互独立,但是 A类基因在 C类基因突变体
中异常表达,反之亦然,表明 A与 C类基因互相抑
制彼此的活性.已在拟南芥中克隆的具有 A功能的
基因有 AP1,具 B功能的基因有 AP3和 PI,具 C功
能的是 AG;在金鱼草中相应的具 A功能的基因是
SQUA,具 B功能的有 DEF和 GLO,具 C功能的是
PLE。ABC模型为人们认识植物花器官形态建成的
基因调控提供了一个很好的尝试,并对植物花发育
的研究产生了深远的影响。
4.1.2 植物 MADS-box基因与花的发育 研究表
明,在被子植物中,大多数 MADS-box基因参与花
发育的不同阶段,相互之间可能形成复杂的复合物
并构成复杂的网络来决定花原基和器官的特征以
及调节花发育的整个过程[29]。Gustafson-Brown等[30]
发现在 ap1突变体中,第一轮萼片转变为叶片状结
构,第二轮花器官通常不能发育,而第三轮的雌蕊
和第四轮的心皮则表现正常。遗传学的研究显示
AP1在决定花的分生组织特性及在第一轮和第二
轮花器官的正常发育中起作用[31]。Tzeng等[32]用一
个 AP3基因家族的同源序列从长筒百合中克隆和
鉴定了一个 MADS-box基因 LMADS1,其在花的 4
轮花器官中均表达。用 35S启动子转化 LMADS1基
因于拟南芥中,转基因植株的花具短的花瓣和雄
蕊,没有观察到花器官反转的现象。截取 LMADS1
基因 MADS-box区域序列转化拟南芥,转基因植株
表现出类似 AP3样明显的隐性异位表达突变,即
花瓣具萼片样结构,雄蕊转变成了心皮样结构,表
明 LMADS1是百合中对应 AP3基因的相应功能基
因。Pinyopich等[33]发现在 ag突变体植株中不存在
心皮和雄蕊。Mizukami等[34]将 C功能基因 AG与
CaMV35S启动子相连后转到拟南芥中,发现其表
型类似于 A功能丧失的突变体-萼片变成了心皮,
雄蕊的部位却变成了花瓣,这表明组成型表达的
AG抑制了 A功能基因 AP1和 AP2在第一轮和第
二轮器官中的表达,C功能基因 AG足以单独决定
器官的位置效应。
4.2控制开花时间早晚
植物分子生物学的研究结果表明,许多相互作
用的基因构成一个复杂的网状调控系统,共同调控
植物的花发育过程。对模式植物拟南芥的研究发
现,植物的花发育受两类作用机制相反的基因所调
控,即抑制花发育的基因和促进花发育的基因,它
们之间的相互作用决定了植物的开花时间,而许多
MADS-box基因的功能与花发育相关。MADS-box基
因编码一类转录调控因子,是一类调节植物发育的
重要基因,在决定植物开花时间和花形态建成中起
着非常重要的作用。在拟南芥的 MADS-box基因
中 ,FLOWERING LOCUS C (FLC)[35]、SHORT
VEGETATIVEPHASE(SVP)[36]、AG[37]等基因抑制成
花转变,它们通过抑制成花途径整合因子 FT、
SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO1
(SOC1)、和 LEAFY(LFY)[38]等基因的表达而抑制
开花,或者通过延长植物的营养生长而延迟开花;
相反,SOC1[39]、APETALA1(AP1)[40]、CUALIFLOWER
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2006年第6期
(CAL)[41]、AGL24[42]等基因起着促进开花的作用,它
们在 CaMV35S启动子下异位表达都使开花时间提
前,而且它们的突变体都是晚花突变体。最近田波
等[43]从麻竹幼穗中克隆到了一个命名为 DlMADS18
基因,将 DlMADS18置于 CaMV35S启动子控制下
在拟南芥中异位表达,转基因拟南芥开花时间提
前,表明 DlMADS18很可能参与麻竹开花时间的调
控。
4.3 MADS-box基因在胚珠发育中的作用
研究发现,许多 MADS-box基因与胚珠发育相
关。Colombo等[44]构建相应的表达载体将 FBP11转
化矮牵牛后发现在萼片和花瓣的近轴边缘出现胚
珠状的结构,显微观察证实其为真正胚珠,并且授
粉后可发育成种子,表明 fbp11是控制胚珠特征的
基因。Xu等[45]从风信子花的胚珠组织中分离出了
一个命名为 HoMADS1的基因,其过量表达会产生
心皮状的器官,包括胚珠,认为 HoMADS1在决定心
皮和胚珠特性方面起着重要作用。Tzeng等[46]从百
合 中分离出了 2个 MADS-box基 因-LMADS2和
EgMADS1,分析后发现其与控制胚珠发育的 FBP7
和 BP11同源性很高,而且发现 LMADS2主要在胚
珠中表达,在心皮中有较弱的表达,而 EgMADS1在
胚珠中特异表达。
4.4 MADS-box基因在果实成熟中的作用
果实的成熟过程受到外界环境条件和基因的
调控。2002年,Vrebalov等 [47]发现番茄中的一个
MADS-box基因与果实的成熟密切相关。Vrebalov
等发现若番茄中 Ripening-Inhibitor(RIN)位点发生
突变,西红柿果实不能成熟,而且会出现萼片变大
的现象。通过定位克隆发现 rin位点上存在 2个串
联的 MADS-box基因,分别定名为 LeMADS-RIN和
LeMADS-MC,前者调控果实成熟过程,后者则影响
萼 片 先 育 和 花 序 决 定 性 。在 野 生 型 番 茄 中 ,
LeMADS-RIN和 LeMADS-MC在染色体上串联排
列,分别编码 242和 244个氨基酸,编码区相隔
26Kb。LeMADS-MC在萼片、花瓣和心皮中表达,而
LeMADS-RIN则主要在果实中表达,并随果实成熟
而表达增强。Vrebalov等也从草莓中分离出了同源
基因 Fv-MADS-9,该基因呈现果实专一的表达模
式。
4.5 调节对外界信号的反应
MADS-box基因的特异性作用与植物所处的内
外环境因素密切相关。ZhangHM等[48]人发现作为
信号分子的 NO3-刺激拟南芥侧根的伸长依赖于
MADS-box基因基因 ANR1的表达。王光清等[49]发
现 RM1基因在水稻愈伤组织中的特异表达调节植
物培养细胞脱分化与再分化过程,其产物可能是传
递激素信号到达靶基因的中间环节,它们直接或间
接地使细胞对培养激素成分做出响应,并启动与之
相关的基因表达,使细胞由一种生长形态转变为另
一种生长形态。
5 展望
要完全弄清楚 MADS-box基因在植物进化中
的作用还有相当长的路。进化发育遗传学的研究手
段如基因克隆与测序、表达分析、系统发生重建、突
变体分析等已架起 MADS-box基因系统发育与植
物形态进化之间的桥梁。
采用异源转基因研究基因功能替代可严格检
测到基因功能的保守性,此种实验最好选取直系同
源基因;另外研究亲源关系密切的单系类群以及自
然居群内 MADS-box基因位点的自然变异对了解
MADS-box基因变异是否引起性状的自然变异是有
意义的,这类研究已经在 CAL、AP3、PI基因上开始
进行[50,51],而在此之前,绝大多数 MADS-box基因的
功能都是采用突变体发现的。
作为转录因子的 MADS-box蛋白的正常功能
发挥有赖于形成同源或异源二聚体,或更高级的蛋
白复合体,也有赖于与 DNA结合,以及必须活化或
抑制基础转录机制等。已有许多体内体外实验用于
研究进化过程中亲源关系较远的 MADS-box蛋白
如何进行蛋白-蛋白和蛋白-DNA的相互作用,这些
技术包括电泳迁移变动分析,酵母双杂交分析,
DNA印记实验和随机 DNA结合位点选择实验。相
信不久在这方面将有新的突破。
利用 MADS-box基因在不同花器官中特异表
达的特点,可将某些基因应用于植物种的遗传操作
中,以改造植物的园艺性状,缩短经济作物的代时,
减少耕种时间,提高粮食产量。相信随着这方面研
究的不断深入,MADS-box基因的应用价值会越来
越明显。
马辉等:植物MADS-box基因研究进展 17
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第6期
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