全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (9): 1359~1372　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0222 1359
收稿 2015-04-20　　修定 2015-07-30
资助 中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572014EA03-01)、
国家基础科学人才培养基金(J1210053)和林木遗传育种国
家重点实验室(东北林业大学)创新项目(2013B010)。
* 通讯作者(E-mail: qijiangxu@126.com; Tel: 0451-82191783)。
B类MADS-Box基因的系统发育与功能演化
陈磊, 翟笑雨, 徐启江*
东北林业大学生命科学学院, 林木遗传育种国家重点实验室, 哈尔滨150040
摘要: B类MADS-box基因是调控被子植物花器官发育ABC分子遗传模型中重要的功能基因。在被子植物系统发育史中发
生了2次重要的基因复增事件, 一是在被子植物起源之前通过重复产生APETALA3和PISTILLATA家系, 二是在被子植物出现
之后在核心双子叶植物中出现的TM6和euAP3家系。B类基因主要调控花瓣和雄蕊的发育, 但是, 也在某些物种花器官的第
1轮(萼片)和第4轮(心皮)中表达, 引起花器官的同源异型转换。B类基因的建立受同源/非同源基因的影响。本文对被子植
物B类MADS-box基因的系统发育与功能演化及建立进行综述, 探讨了B类MADS-box基因在调控被子植物花部性状的发育
和属性决定中的作用机制。
关键词: 被子植物; B类MADS-box基因; 系统发育; 功能演化; 功能建立
The Phylogeny and Functional Evolution of B-Class MADS-Box Genes
CHEN Lei, ZHAI Xiao-Yu, XU Qi-Jiang*
The State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040,
China
Abstract: The B-class MADS-box gene is a kind of vital functional gene of the “ABC” model. The evolution
of B-class genes runs through the entire plants evolutional history. There are two critical points among B-class
genes evolutionary history. One makes up the APETALA3 and PISTILLATA genes by replicating before the ori-
gin of angiosperm. The other produces the TM6 and euAP3 genes in core dicot after angiosperm emerges. In
plant groups, B-class genes mainly affect development in the second and third whorl floral organs namely the
formation of petal and stamen, while they sometimes express in the first whorl (sepal) and fourth whorl (carpel)
forming some petaloid organs to exercise relevant function among some species. Moreover, the expression of
B-class is influenced by homologous/non-homologous genes. This review summarizes the phylogeny, function-
al evolution and establishment of B-class MADS-box gene in angiosperm. This review will assist in following
angiosperm B-class MADS-box genes research.
Key words: angiosperm; B-class MADS-box gene; phylogeny; functional evolution; functional establishment
花是被子植物特有的繁殖器官。典型被子植
物的花由4轮器官构成, 从外到内依次是花萼、花
瓣、雄蕊、雌蕊。作为生殖器官, 雄蕊和雌蕊是
所有被子植物类群花的核心结构, 然而, 并不是所
有的花都有形态分明的萼片和花瓣, 有些植物类
群特别是基部被子植物和单子叶植物的花被未分
化或逐渐分化, 呈轮状或螺旋状排列。从进化发
育(evo-devo)遗传学角度深入解析花器官发生、发
育的分子调控机理, 将有助于破解关于被子植物
花起源及其快速多样性分化的达尔文“难解之谜
(abominable mystery)” (Frohlich 2006)。
花器官发育的ABCE理论模型阐释了花器官
同源异型基因(A、B、C和E)决定4轮花器官特征
属性的分子机制(Coen和Meyerowitz 1991; Purugga-
nan等1995; Theißen和Saedler 1995, 2001; Theißen
等2000; Litt和Kramer 2010)。A+E功能基因控制萼
片发育; A+B+E功能基因控制花瓣发育; B+C+E功
能基因控制雄蕊发育; C+E功能基因控制雌蕊发
育。这一模型还提出A和C功能基因相互拮抗, A
功能基因抑制C功能基因在第1、2轮花器官中表
达, C功能基因抑制A功能基因在第3、4轮花器官
中表达。除A类基因APETALA2 (AP2)属于AP2/
EREBP基因家族外(Riechmann和Meyerowitz
1998), 其余的A类基因和所有的B、C、E基因均
植物生理学报1360
属于MADS-box转录因子基因家族(Theißen等
2000), 以高度有序的MADS蛋白质复合体形式
(Smaczniak等2012)结合在CArG [一致性序列: 5′-
CC(A/T)6GG-3′]序列上而激活靶基因的表达, 如
FD (Kaufmann等2010)和UNUSUAL FLORAL OR-
GANSCRABS CLAW (Wuest等2012)。
依据ABCE模型, B类MADS-box基因例如拟
南芥(Arabidopsis thaliana) APETALA3 (AP3)和PIS-
TILLATA (PI)在花瓣和雄蕊属性决定与发育过程
中发挥关键作用(Causier等2010a; Zahn等2006)。B
功能基因突变会引起花瓣转化为萼片、雄蕊转化
为心皮的同源异型转化表型。决定花器官特征属
性的MADS-box基因经历了大量基因复增事件, 通
过编码序列和(或)表达区域的改变而发生亚功能
化和新功能化, 进而导致被子植物花形态结构的
多样性(Force等1999; Irish和Litt 2005; Moore等
2005; Becker和Theiβen 2003)。由于在决定被子植
物特有的花器官——花瓣的特征属性方面, B功能
基因发挥着关键作用, 因此, 这些基因在进化过程
所经历的变化, 可能是了解MADS-box基因在被子
植物进化史中系统发育特征的关键要素。本文综
述了B类MADS-box基因的系统发育及其功能分化
的研究进展。
1 被子植物B类MADS-box基因的系统发育
被子植物的B类MADS-box基因包括APETA-
LA3/DEFICIENS (Jack等1992; Sommer等1990)和
PISTILATA/GLOBOSA (Goto和Meyerowitz 1994;
Tröbner等1992)两个进化系。基于序列多样性分
析可知, 这2个进化系在1.9~2.6亿年间即现存被子
植物起源之前, 由一个祖先基因经历2次大的基因
复增事件而产生(Doyle 1994; Theißen等1996,
2000; Purugganan 1997; Kramer等1998; Lamb和
Irish 2003; Kim等2004; Stellari等2004; Hernan-
dez-Hernandez等2007)。第1次发生在现存的被子
植物与裸子植物分开之前, B类祖先基因通过基因
复制产生了AP3 (paleoAP3型)和PI两个分支。第2
次基因复增事件发生在核心真双子叶植物起源之
前, paleoAP3型基因通过复制产生了TM6 (TOMA-
TO MADS-BOX GENE6)和euAP3分支(Kramer等
1998, 2006; Kramer和Irish 1999; Causier等2010b)。
B功能基因每个进化系编码的MADS蛋白在其C末
端具有特异的保守基序 , 例如PI基序 (MPFx -
FRVQPxQPNLQE)、PI衍生基序 (FxFRLOP -
SQPNLH)、paleoAP3基序(YGxHDLRLA)和
euAP3基序(SDLTTFALLE) (Kramer等1998) (图
1)。氨基酸序列的高度保守性表明, C末端基序对
于AP3和PI蛋白质执行特定功能至关重要。
1.1 AP3/DEF类基因的系统发育
依据高度保守的C末端序列, AP3/DEF类基因
可划分为euAP3、TM6和paleoAP3分支(Kramer等
1998) (图2-A), 这些分支是AP3进化系通过多次小
规模基因复增事件而产生(Di Stilio等2005; Kim等
2005)。euAP3分支存在于核心真双子叶植物, pa-
leoAP3分支则存在于基部被子植物、单子叶植
物、木兰科植物中, 是植物进化过程中的原始因
子(Kramer等1998, 2006; Vandenbussche等2003a),
而TM6则被看作是核心真双子叶植物中的paleo-
AP3型基因。
paleoAP3型基因是在现存的被子植物与裸子
植物分开之前, 由B类祖先基因通过复增而产生的
(Kramer等1998; Theißen等2000), 其成员包括从低
等核心双子叶植物、木兰科双子叶植物和单子叶
植物中鉴定出来的AP3直系同源基因(Kramer等
1998)。paleoAP3直系同源蛋白质的C末端具有保
守的PI衍生基序和paleoAP3基序。在核心真双子
叶植物起源之前, paleoAP3型基因进一步复增, 产
生了TM6和euAP3两个亚分支(Kramer等1998,
2000; Kramer和Irish 1999)。TM6型基因产物在C
末端保留了PI衍生基序和pa leoAP3基序。而
euAP3型基因产物在保留PI衍生基序的同时, 由于
移码突变而使paleoAP3基序转变为euAP3基序
(Vandenbussche等2003b)。但是, 也有研究者认为,
euAP3基序是由于在编码paleoAP3基序的核苷酸
序列中缺失1个碱基引起翻译移码而产生的(Kramer
等2006)。
由于paleoAP3分支与TM6分支在序列上具有
较高的一致性, C-末端结构域都有paleoAP3基序,
因此, 从高等真双子叶植物中鉴定出来的euAP3是
一类趋异旁系同源基因(Irish 2006; Litt和Kramer
2010)。关于B类基因C末端基序的功能目前存在
矛盾的研究结果, 一种观点认为这些基序没有任
何生化功能 , 在决定花瓣和雄蕊特征属性方面,
陈磊等: B类MADS-Box基因的系统发育与功能演化 1361
euAP3型蛋白质的MIK区比C末端功能重要(Pi-
warzyk等2007; Su等2008)。另一种观点认为这些
基序是B类基因发挥作用的关键, C末端基序缺失
的AP3基因不能恢复拟南芥ap3突变体表型(Lamb
和Irish 2003)。这些研究结论的矛盾性在一定程度
上是由于用于研究的靶基因在转基因株系中的表
达水平不同造成的, 较高的表达水平可能会补偿C
末端基序的改变, 或许在高度有序的蛋白质复合
图2 被子植物B类MADS-box基因系统发育(A)及在模式植物中的作用(B)
Fig.2 The phylogeny of B-class MADS-box genes in angiosperm (A) and the roles in model plants (B)
参考Airoldi和Davies (2012)、Litt和Kramer (2010)文献修改。pe: 花瓣; st: 雄蕊; 虚线代表拟南芥中无TM6。
图1 B类MADS蛋白的C末端基序
Fig.1 The C-terminal motif of B-class MADS-box protein
植物生理学报1362
体中, MADS-box蛋白质的C末端基序在功能上存
在冗余。
研究显示, TM6进化系在模式植物拟南芥和
金鱼草(Antirrhinum majus)中丢失(Causier等
2010b), 但是在茄科植物例如矮牵牛(Petunia hybri-
da)和番茄(Solanum lycopersicum)中同时存在AP3
基因和TM6基因(图2-B), 且TM6直系同源基因在雄
蕊和心皮中高水平表达, 说明TM6基因在决定雄蕊
特征属性方面与其旁系同源基因euAP3存在功能
冗余。尽管在花瓣中未检测到TM6基因的表达, 但
该基因能够恢复euAP3突变体的花瓣缺陷表型
(Vandenbussche等2004; de Martino等2006; Rijpkema
等2006)。TM6与euAP3生化方面的差异决定了这
些蛋白质与茄科特异PI蛋白质形成二聚体的能力,
而不是由于C末端基序的差异。而且, 在番木瓜中
只存在TM6基因, AP3进化系丢失, 说明AP3/TM6旁
系同源基因同时存在或只存在其一, 均能形成正常
结构的花(Causier等2010b)。因此, TM6显然应该具
备决定花瓣特征属性的功能, 但是, 在其他植物类
群的情况是否确实如此, 还有待于深入研究。
1.2 PI/GLO类基因的系统发育
相对于AP3/DEF进化系而言, 大多数植物的
PI/GLO类基因并没有发生频繁的基因复增事件
(Kramer等1998)。但是, 在某些植物中也会发生复
制而产生旁系同源基因, 如山茱萸(Cornus officina-
lis)的CorPI-A和CorPI-B基因, 两者存在高度分化
的内含子序列(Feng等2012)。在单子叶植物中, PI
进化系经历了多次复增事件, 而AP3进化系并没有
发生基因复增, 表明单子叶植物的AP3进化系受到
较强的进化约束(Winter等2002)。在基部双子叶植
物中, 许多PI复增事件是相对独立发生的, 而AP3
进化系在经过1~2次基因复增事件后保留1个拷贝,
这些复增事件发生在毛茛科植物进化的早期
(Kramer等1998; Kramer和Irish 1999, 2000)。
PI/GLO进化系基因编码的蛋白质在其C末端
包含 1 6个氨基酸的 P I基序 ( M P FA F RV Q P -
MQPNLQE) (Kramer等1998), 对于PI基序的功能
同样存在相异的研究结果。与过表达全长PI基因
的遗传转化植株相比, 在野生型拟南芥植株中过
表达缺失PI基序的PI基因并不能使转基因植株呈
现功能获得性表型, 说明PI基序是PI蛋白功能特异
性的关键(Lamb和Irish 2003)。另有研究结果显示,
在野生型拟南芥植株中过表达全长或缺失C末端
功能域的PI基因, 转基因株系均出现萼片转化为花
瓣的表型。而缺失K3 α-螺旋和C末端结构域的PI
蛋白将失去决定花器官特征属性的功能(Piwarzyk
等2007)。豌豆(Pisum sativum)的PsPI基因本身缺
少PI基序, 但是具有恢复拟南芥pi突变体表型的功
能(Berbel等2005), 对蒺藜苜蓿(Medicago truncatu-
la) MtPI的研究结果同样说明PI类蛋白执行B功能
并不需要C末端基序的参与(Benlloch等2009)。花
菱草(Eschscholzia californica)的SEI (EScaGLO)蛋
白在缺失PI基序后, 仍然可以与DNA的CArG元件
结合, 也能与其他MADS蛋白形成同源或异源二聚
体, 但是无法介导包含B、C、E类MADS蛋白在内
的高度有序复合体的形成(Lange等2013)。尽管PI
基序在近1亿年的进化史中高度保守, 然而对于其
功能的重要性仍存争议。PI基序N末端保守的数
个氨基酸残基可能是实现MADS蛋白间高度有序
作用所必需的, 在绝大多数被子植物中, MADS蛋
白间的有序互作是花瓣及雄蕊特征属性确定的先
决条件(Lange等2013)。
1.3 Gymno B类基因及Bsister类基因的系统发育
在首次证实裸子植物存在被子植物C类
MADS-box基因的直系同源基因后, 系统发育分析
表明B和C类基因的分离先于被子植物和裸子植物
的分离(Tandre等1995)。因此, 现存裸子植物中也
应该存在被子植物B类MADS-box基因的直系同源
基因。随后研究者分别从买麻藤(Gnetum gnemon)、
挪威云杉(Picea abies)、辐射松(Pinus radiata)、日
本雪松(Cryptomeria japonica)中分离出了B类花器
官同源异型基因, 这些基因被限定在雄性生殖器
官中表达(Winter等1999; Sundström等1999; Moura-
dov等1999; Fukui等2001)。而AG类基因在雄性、
雌性生殖器官中表达(Jager等2003; Rutledge等
1998; Sundström等1999; Tandre等1995; Winter等
1999), 表明种子植物决定生殖器官特性的遗传机
制相似。在裸子植物和被子植物的最近共同祖先
中AG类基因原始功能是区分生殖器官和营养器
官, 而DEF/GLO类基因的原始功能是区分雄性生
殖器官和雌性生殖器官(Theißen等2000; Winter等
1999; Melzer等2010)。
陈磊等: B类MADS-Box基因的系统发育与功能演化 1363
对裸子植物买麻藤GGM13系统发育分析表
明, 该基因与被子植物B类花器官基因以及裸子植
物的直系同源基因GGM2类亲缘关系很近。由于B
类MADS-box基因对雄性生殖器官(小孢子叶、雄
蕊)的进化具有关键作用, 为详细解析GGM13类基
因进化的保守性和重要性, 而将这类基因命名为
Bsister (Bs)基因(Becker等2002)。随后, Bs进化系成员
在被子植物中也被鉴定出来, 例如拟南芥ARABI-
DOPSIS BSISTER (ABS即TRANSPARENT TESTA
16, 以前命名AGL32)和GORDITA (GOA, 以前命名
AGL63) (Nesi等2002; Kaufmann等2005; Prasad等
2010; Erdmann等2010)、金鱼草DEFICIENS 21
(DEF21) (Becker等2002)、矮牵牛FLORAL BIND-
ING PROTEIN 24 (FBP24) (de Folter等2006)、小
麦(Triticum aestivum) WBsis (Yamada等2009)、玉
米(Zea mays) ZMM17 (Becker等2002)、水稻(Oryza
sativa) OsMADS29/30/OsMADS31 (Arora等2007)
等。Bs基因的时空表达特异性在裸子植物和被子
植物中具有高度保守性, 例如买麻藤、银杏(Ginkgo
biloba) (Lovisetto等2013)、欧细辛(Asarum euro-
paeum)、玉米、小麦、水稻、拟南芥、金鱼草、
矮牵牛等, 几乎专一的在雌性生殖组织特别是胚
珠中表达。而且, 该进化系成员仅存在于种子植
物, 说明Bs基因进化系起源于4亿年前种子植物与
蕨类植物分离之后, 即在3亿年前被子植物与裸子
植物分离之前, B和Bs基因进化系由一个祖先基因
通过复增而形成(Becker等2002; Stellari等2004)。
Bs蛋白的I结构域较短, C末端结构域拥有PI衍生基
序, 有的还包含末端的PaleoAP3基序, 这也充分证
实了B和Bs基因的共源性(synapomorphy)。
2 B类MADS-box基因在被子植物中的功能演化
关键调控基因的复增及其功能趋异是形态多
样性产生和进化的重要途径(Force等1999; Moore
等2005)。花作为被子植物特有的创新性状和重要
的生殖器官, 其形态多样性的基础是决定花器官
特征属性、发育和确定性的MADS-box基因数目
与功能的改变(Irish和Litt 2005; Kaufmann等
2005)。编码调控花发育关键转录因子的MADS-
box基因经历了大量基因复增事件, 通过编码序列
和(或)表达区域的改变而发生亚功能化和新功能
化, 进而导致被子植物花形态结构的多样性。作
为调控被子植物花瓣和雄蕊发育的B类MADS-box
通过基因复增, 产生了表达模式及功能趋异的旁
系同源基因并与被子植物花形态多样性有一定
关联。
2.1 B功能的保守性
模式核心真双子叶植物拟南芥和金鱼草的B
类基因AP3/DEF与PI/GLO对于确定花瓣和雄蕊特
征属性发挥着主导作用(Whipple等2007; Irish
2009)。花发育早期阶段即萼片原基刚形成时 ,
AP3与DEF于形成花瓣和雄蕊的区域持续表达, 花
发育后期, 在萼片基部也能检测到DEF的低丰度转
录, 在发育早期的心皮中也能检测到DEF基因的转
录, 然而, 在发育晚期的胚珠中可检测到AP3的表
达(Schwarz-Sommer等1992)。ap3和def突变体的
花瓣转换为萼片、雄蕊转换为心皮(Jack等1992)。
PI与GLO在2、3轮花器官中的表达模式类似于
AP3与DEF, 相应的突变体表型一致(Tröbner等
1992; Goto和Meyerowitz 1994)。在心皮发育的早
期阶段, PI与GLO均存在低水平的表达。异位表达
AP3可引起拟南芥花的心皮被雄蕊同源取代(Jack
等1994)。其原因在于, AP3和PI蛋白同时存在是花
瓣和雄蕊形成的必要条件, 由于PI在发育早期的心
皮中正常表达, 加之AP3的异位表达, 从而引起同
源转换(Zahn等2005)。其他核心双子叶植物、基
部双子叶植物及单子叶植物的AP3与PI直系同源
基因突变, 均会出现花瓣转换为萼片、雄蕊转换
为心皮的同源转换表型, 说明B类基因AP3/DEF
与PI/GLO的功能在被子植物进化史中具有高度保
守性。
矮牵牛的AP3/DEF直系同源基因PMADS1
(PhDEF)和PhTM6出现功能分化。PMADS1控制
花瓣属性, PhTM6控制雄蕊属性, 而且PhTM6的表
达不受PI/GLO直系同源基因FBP1和PMADS2的调
节(Vandenbussche等2004)。虽然FBP1在萼片和花
瓣中转录, 但是只在花瓣中检测到FBP1蛋白的存
在(Immink等2003)。PMADS2的表达模式类似于
FBP1, 在萼片中强表达、花瓣内中等表达。FBP1
突变影响花瓣发育、PMADS2突变影响花药发育
(Vandenbussche等2004), 这2个基因功能都缺失后,
突变体表型与glo或pi突变体表型相似, 即花瓣转
换为萼片、雄蕊转换为心皮。有研究推断, 在基
植物生理学报1364
部被子植物中AP3/DEF与PI/GLO直系同源基因的
功能是决定雄蕊属性, 随着AP3/DEF进化系在核心
双子叶类群中发生复增, euAP3分支获得决定花
瓣属性的功能(Irish 2003)。然而, 基因表达模式
研究结果表明, AP3/DEF与PI/GLO直系同源基因
可能在双子叶植物起源之前就参与了花被属性的
确定。
2.2 B类MADS-box基因的功能趋异
B类基因复增后产生了与其表达模式相一致
的亚功能化或新功能化, 例如, 苜蓿属植物的DEF/
euAP3直系同源基因NMH7在根瘤区表达(Heard和
Dunn 1995)。TM6在叶、分生组织、花瓣、雄
蕊、心皮和种子中低水平表达, 在发育的果实中
高水平表达(Busi等2003), 推测该基因参与控制花
和果实的发育。苹果(Malus domestica)的MdPI仅
在花中表达, 但是可能参与调控果实发育(Yao等
2001)。兰花的AP3/DEF直系同源基因OMADS3在
花和叶中表达, 对分生组织发育有一定影响。异
位表达OMADS3的拟南芥植株出现早花表型、分
生组织确定性丧失、顶花包含2~3个心皮(Hsu和
Yang 2002)。有些AP3/DEF与PI/GLO直系同源基
因在花及非花器官中均表达 , 桉树(Eucalyptus
robusta)的PI/GLO直系同源基因EGM2在叶中微弱
表达、在花器官中强表达(Southerton等1998); 大
丁草(Gerbera anandria)的GDEF1和GDEF2基因在
叶、苞叶、花茎、花及根等器官内表达 , 但是
GDEF2的表达强度比较高 (Yu等1999)。烟草
(Nicotiana tabacum)的NtDEF最初在整个花分生组
织中表达, 在发育后期则限定在萼片、花瓣、雄
蕊和心皮原基中表达(Davies等1996)。菟葵(Eran-
this stellata) EhAP3和EhPI在叶、茎、花器官中表
达(Skipper 2002)。玉米的ZMM16在浆片、雄蕊、
心皮中表达, 在叶、根、幼苗中弱表达(Munster等
2001)。决定洋酸浆(Physalis floridana)花瓣和雄蕊
属性的PFGLO1与PFDEF也在雌蕊原基中表达, 下
调PFGLO1与PFDEF会引起PFAG的上调表达。表
明PFGLO1和PFDEF获得了决定雌蕊功能的新作
用(Zhang等2015)。B类MADS-box基因还参与了
雄蕊瓣化形态的形成, 例如美人蕉(Canna indica)
的CiGLO (Fu等2014)、树牡丹(Paeonia suffricoti-
sa)的PsTM6 (Shu等2012)。
此外, B类MADS-box基因通过进化获得性别
决定功能。白麦瓶草(Silene latifolia)的SlAP3Y定
位于Y染色体上, 仅在雄花芽中表达。在退化的雌
蕊中低表达、花瓣内中等表达、雄蕊中强表达;
SlAP3A在雄花芽发育的花瓣中表达水平较高, 但
是在雌花芽发育过程中 , SlAP3A在花瓣中强表
达、在花柱原基和子房内中度表达(Matsunaga等
2003), 表明SlAP3Y在雌性同体向雌雄异株转变过
程中发挥了作用。绝大多数AP3/DEF与PI/GLO基
因在内轮花被和雄蕊中表达, 尽管马兜铃科和腊
梅科的部分B类基因不在雄蕊中表达(Kramer和
Irish 2000)。在非核心双子叶植物类群中, AP3/
DEF与PI/GLO直系同源基因在萼片和心皮中表达
水平充满了变数。
尽管在多轮花器官中存在不同水平的表达,
paleoAP3型基因调控雄蕊发育的功能在被子植物
中是高度保守的, 但是其决定花瓣特征属性的功
能还不确定。paleoAP3基序和euAP3基序的重组
型AP3基因能够恢复ap3突变体的雄蕊表型, 但不
能恢复花瓣表型(Lamb和Irish 2003)。然而, 编码
paleoAP3基序的SILKY基因能够恢复ap3突变体的
雄蕊和花瓣表型(Whipple等2004)。有些基部被子
植物的paleoAP3在雄蕊中高丰度表达, 在花瓣原基
中的表达水平则很低(Kramer和Irish 1999; Kim等
2005; Zahn等2005)。功能分析表明, paleoAP3在禾
本科植物的雄蕊和浆片发育过程中具有重要作用
(Ambrose等2000; Nagasawa等2003; Xiao等2003)。
对其他单子叶植物研究发现, 异位过表达paleoAP3
基因能恢复花瓣和雄蕊发育(Whipple等2004)。例
如, 罂粟(Papaver somniferum)的花瓣发育是由pa-
leoAP3和PI共同决定的(Drea等2007)。
2.3 Bs基因的功能
与B类基因不同, Bs基因主要在雌雄生殖器官
和发育的种子中表达(de Folter等2006; Yamada等
2009), 其调控胚珠(种子)发育的功能在近3亿年的
进化史中高度保守。
拟南芥ABS基因在成熟胚珠内珠被的内皮细
胞层表达(Mizzotti等2012)。Abs (tt16)突变体表型
表明该基因调控花色素积累和内珠被内皮层细胞
的分化(Kaufmann等2005)。ABS (TT16)与D类基因
SEEDSTICK (STK)存在功能冗余, abs/stk突变体的
陈磊等: B类MADS-Box基因的系统发育与功能演化 1365
种子无内种皮、胚囊积累大量淀粉、大多数种子
无活力(Mizzotti等2012)。GOA在果实裂瓣和胎座
隔膜中表达, 通过调控细胞的伸长而控制果实生
长, 与ABS相比较, GOA在经历基因复增之后发生
了新功能化(Erdmann等2010; Prasad等2010)。矮
牵牛FLORAL BINDING PROTEIN 24 (FBP24)在胚
珠原基、珠心和珠被中表达, 在发育后期, 该基因
的表达被限定在成熟胚珠和种子的内种皮, 与ABS
功能相似(de Folter等2006)。小麦WBsis在胚珠内
珠被的内皮细胞层表达(Yamada等2009), 类似于
ABS的表达模式(Mizzotti等2012)。但是, 在珠心和
外珠被中存在弱表达。玉米ZMM17最初在雌穗的
所有器官原基中表达, 在发育后, 该基因的表达限
定在胚珠和发育的抽穗丝中(Becker等2002)。水
稻OsMADS29在发育的种子中表达, 通过调控母体
组织的细胞退化而在种子发育过程中发挥作用
(Yang等2012)。Bs调控果实发育方面的功能在裸
子植物和被子植物中都得到保留(Loviset to等
2013), 但不同植物的Bs可能存在特异性。与调控
胚珠(种子)发育的保守功能相比, 双子叶植物的Bs
基因具有较广泛的表达区域, 可调控色素积累、决
定胚珠属性, 这表明Bs基因在被子植物进化历程中
经历了基因复增事件, 在不同类群中发生了亚功能
化和新功能化, 从而控制种子发育的不同方面。
2.4 B类MADS-box基因调控萼片花瓣化的功能
大多数单子叶植物都具有花瓣化的器官来取
代第1轮绿色萼片, 如郁金香(Tulipa gesneriana)属
植物, 结果导致第1、2轮花器官转变为花被片(van
Tunen等1993)。其分子基础在于B类基因表达区
域扩张到第1轮花器官。如郁金香的B类基因在第
1、2、3轮花器官中均被检测到(Kanno等2003); 蝴
蝶兰(Phalaenopsis amabilis) (Tsai等2004, 2005)、
石斛兰(Dendrobium nobile) (Xu等2006)和番红花
(Crocus sativus) (Tsaftaris等2006)的B类基因也在
第1轮中表达而产生2层花瓣化的器官 ; 六出花
(Alstroemeria ligtu)具2层花瓣状的被片, 其B类基
因包含AlsDEFa、AlsDEF6和AlsGLO, 前者在2、3
轮表达, 后两者在1、2、3轮表达(Hirai等2007); 红
花玉兰(Magnolia wufengensis) B类相关基因
MAwuAP3-1/2可以在其花瓣化的被片中检测到
(Jing等2014); 百子莲(Agapanthus praecox)的原位
杂交分析发现花瓣化的被片原基也可以检测到B
类基因的表达(Nakamura等2005)。但是, B类基因
扩张到第1轮表达并不是对每一种植物花瓣化器
官的形成都适用。有些植物的花瓣化器官中并没
有B类基因的表达, 如芦笋(Asparagus officinalis) B
类基因只在内层被片和雄蕊原基中被检测到, 外
层花被片中并没有B类基因的表达, 却可以表现出
器官花瓣化的表型(Park等2003, 2004)。红萼藤
(Rhodochiton atrosangicineus)花瓣化的萼片, 通过
扫描电子显微镜观察发现该花瓣化的器官与花瓣
的表皮细胞构造上存在着较大的差别, 只是颜色
上与花瓣类似。该性状的形成是由多种机制共同
调控完成的(但不包含B类基因), 例如花青素含量
变化导致表皮细胞颜色加深 , 与花瓣颜色一致
(Weiss 2000; Whittall等2006)。
3 B类基因功能建立的机制
euAP3及绝大多数paleoAP3进化系成员编码
的蛋白质可与PI形成异源二聚体而调控花瓣和雄
蕊的发育(Schwarz-Sommer等1992; Tröbner等1992;
Vandenbussche等2004; Yao等2008)。然而, 裸子植
物的B功能蛋白以及非草本单子叶植物的paleo-
AP3和PI蛋白能以同源二聚体的形式发挥功能
(Winter等1999, 2002; Tzeng和Yang 2001; Hsu和
Yang 2002; Kanno等2003; Tsai等2005; Chang等
2010)。paleoAP3的直系同源蛋白质LMADS1的
paleoAP3和PI衍生基序是形成同源二聚体所必需
的(Tzeng等2004)。PI直系同源蛋白的PI基序是否
参与同源二聚体的形成以及对于PI直系同源蛋白
发挥功能的重要性还不确定。麝香百合(Lilium
longiflorum)的PI进化系基因LMADS8和LMADS9编
码的蛋白质均能形成同源二聚体, 但是LMADS8
同源二聚体与靶基因CArG1元件的结合能力强于
LMADS9同源二聚体。与LMADS8相比, LMADS9
的C末端缺失包括PI基序在内29个氨基酸。在花
发育的整个过程中, 最外2层花被中均能检测到
LMADS8/9 mRNA信号, 但是, 只有在幼小花蕾阶
段才能在雄蕊中检测到LMADS8/9 mRNA信号。
遗传转化试验结果表明, 麝香百合PI进化系蛋白的
PI基序对于调控花被形成具有重要作用(Chen等
2012)。然而, B类MADS-box蛋白形成同源二聚体
能力在单子叶植物类群并不保守。玉米的AP3直
植物生理学报1366
系同源蛋白Silky1只能与PI直系同源蛋白Zmm16
形成异源二聚体(Whipple等2004)。
表达区域的重叠性及相似的突变体表型显示
AP3/DEF与PI/GLO具有紧密的协调效应。pi (glo)
突变体的AP3 (DEF)基因及ap3 (def)突变体的PI
(GLO)基因转录水平下降(Goto和Meyerowitz 1994),
表明AP3/DEF与PI/GLO的表达受到彼此调控。
AP3/DEF与PI/GLO蛋白形成异源二聚体而调控自
身的转录(Samach等1997), 因此, 单基因的功能
缺失会在很大程度上影响其旁系同源基因功能的
发挥。矮牵牛的AP3/DEF直系同源基因pMADS1
的异位表达能够激活PI/GLO的直系同源基因
pMADS2和FBP1在萼片中表达(Halfter等1994)。
pMADS1蛋白可以与FBP1及pMADS2蛋白相互作
用。但是, PhTM6与pMADS2蛋白具有强相互作
用, 而与FBP1间无或弱相互作用(Vandenbussche等
2004)。
目前, 兰科许多种类的AP3类和PI类基因已被
鉴定(Hsu和Yang 2002; Tsai等2004, 2005; Xu等
2006; Mondragón-Palomino等2009; Chang等2010;
Pan等2011)。其中 , 所有的AP3类基因都属于
paleoAP3家系, 并可以分为4类, 分别为: AP3A1 (包
含PeMADS3)、AP3A2 (包含PeMADS4)、AP3B1
(包含PeMADS2)和AP3B2 (包含PeMADS5) (图3)。
除了C末端被删除的AP3B2家系外, 所有的AP3同
系物在C末端都包含PI衍生基序和paleoAP3基序
(Mondragón-Palomino等2009)。关于唇瓣的发育,
蝴蝶兰中PeMADS4在唇瓣中被特异性的检测到,
因此认为PeMADS4对兰花唇瓣的演化具有重要的
作用(Tsai等2004, 2005)。研究者对4个兰花亚科
(除了拟兰亚科) 11个种的B类MADS-box基因进行
统计归纳并分析这些基因的表达区域, 提出兰花
同源异型花被片(homeotic orchid tepal, HOT)模
型。在该模型中PI和AP3B类基因决定萼片的形
成, PI、AP3A1和AP3B类基因共同在花序发育阶
段控制侧生花瓣的形成。然而 , PI、AP3A1、
AP3A2类基因和AGL6类(C类基因)在花芽发育阶
段共同调控唇瓣发育(Pan等2011)。“HOT模型”与
“兰花密码” (orchid code)类似(Mondragón-Palomi-
no和Theißen 2008), 但“HOT模型”在PeMADS4
(AP3A2类)决定唇瓣形成方面提供了更详尽的解释。
异源蛋白如拟南芥中A功能蛋白APETALA2
(AP2)、TOPLESS (TPL)和HISTONE DEACTYL-
ASE 19 (HDA19)形成复合体抑制AP3和PI在萼片
表达。AP3与PI也会抑制心皮特征基因的表达, 例
如CRABS CLAW (CRC) (图4)。黄瓜的CsGAIP (赤
霉素转导因子DELLA的同源基因)可以转录B类基
因抑制物, 抑制B类基因的表达(Zhang等2014)。一
些具细胞质不育(cytoplasmic male sterility, CMS)
特性的植物如番茄、胡萝卜(Daucus carota)和烟
草, 研究发现这些植物B类基因的表达受多种CMS
系统的干扰(Zheng等2012; Hama等2004), 与线粒
体基因相关的CMS可以调节核基因的表达(其中包
括B类基因), 造成发育过程中花器官形态的转变
(Chase 2007; Hanson和Bentolila 2004)。综上所述,
B类基因的表达受多种类型基因的调控, 这种基因
之间的互作造就花型的多样性以更好的适应环境,
满足植物体自身进化所需的条件。
图3 蝴蝶兰花型结构图及其野生型花被片B类MADS-box基因表达模式
Fig.3 Flower pattern and expression of B-class MADS-box genes in perianth of wild type flower of Phalaenopsis amabilis
参考Tsai等(2014)文献修改。A: 花型结构; 其中, a: 侧生花瓣; b: 萼片; c: 唇瓣。B: 基因表达模式(HOT模型); PeMADS4仅在唇瓣中表达。
陈磊等: B类MADS-Box基因的系统发育与功能演化 1367
4 结论与展望
B类MADS-box基因是花瓣和雄蕊发育的关
键调节因子, 其原始功能是区分植物的性别(Wang
等2010)。在裸子植物中, 可由DEF/GLO类基因的
不同表达来将雄性个体从雌性个体中筛选出来,
也可以通过改变基因的表达来实现雌雄个体的转
化(Melzer等2010)。Bs基因更多的是决定裸子植物
胚乳的发育。B类基因是研究植物基因进化的范
例, 尤其为依靠复增或移码突变而导致功能趋异
(新功能化和亚功能化)实现基因进化, 提供进化模
式的例证。在被子植物进化过程中B类基因经历
了2次关键的基因复制事件 , 结果产生了PI、
euAP3和TM6进化系(Kramer等1998; Kramer和Irish
1999)。当今研究者普遍认为B类基因的进化延续
至TM6基因, 而euAP3仅仅被认为是一种局限在核
心真双子叶植物中的新型基因, 主要是因为TM6在
其C末端保留了祖先基因paleoAP3的paleoAP3基
序, 而euAP3则形成了新的euAP3基序(Kramer等
2006)。
通过对模式植物拟南芥和金鱼草的研究, B类
基因主要在2、3轮花器官表达决定花瓣和雄蕊的
发育。但单子叶和双子叶植物类群中不同种类的
花的花型结构迥异, 包括花被由花瓣状的被片种
类(如郁金香)、具有完全分化的萼片和花瓣的种
类, 如紫露草(Tradescantia reflexa)以及具有唇瓣的
种类(兰花)等, 与之相应的B类基因的表达模式也
存在很大的差异(Whipple等2004; Chung等1994;
Xu等2006; Kanno等2003)。由于B类基因的表达扩
展到邻近的轮数, 从而形成花瓣状的花被片、萼
片或雄蕊, 为“边界滑动模型”提供了证据。然而,
有些被子植物的花表型结构及B类基因表达模式
与传统的ABC模型及其之后修改的模型都相矛盾,
其可能解释如下: 其一, 每个旁系同源基因存在额
外的拷贝且呈现异常的表达模式, 如芦笋、番红
图4 拟南芥B类MADS-box基因表达区域
Fig.4 The expression pattern of B-class MADS-box gene in Arabidopsis thaliana
参考Ó’Maoiléidigh等(2014)文献修改。花轮数由不同深浅色块代表, 分别由白色(第1轮)到深黑(第4轮)指代, 灰色底纹代表器官边界,
圆形代表蛋白, 方框代表基因, 钝型箭头指抑制表达。
植物生理学报1368
花和葡萄风信子(Muscari botryoides)等(Stellari等
2004); 其二, B类基因存在转录后调控机制或编码
的转录因子缺失, MADS-box基因并不总是在其
mRNA表达的区域发挥功能(Tzeng和Yang 2001)。
后者可能包括其他同源或非同源基因的影响。
被子植物花器官特征属性决定是多MADS-
box基因协同调控的结果, 其复杂性以及非特异性
一直是科研的难题。近期研究发现microRNA
(miRNA)也会影响B功能花器官基因的表达, 如意
大利红门兰花(Orchis italica)的被片和唇瓣发育过
程中, DEF基因起着关键的作用, 研究发现它是
miRNA5179的靶基因(Aceto等2014)。因此, 花器官
发育的研究也需要结合表观遗传学的研究思路。
未来的工作应将B类MADS-box基因的功能建立与
表观遗传学的研究相结合, 将表观遗传方面的研
究如miRNAs、DNA甲基化等与已知知识融合, 以
求对花发育进行更深入的研究。探究B类MADS-
box基因在花瓣、雄蕊和一些花瓣化器官形成的
过程中所发挥的功能, 可以更好的对花型各异的
植物进行追本溯源, 能够为调控被子植物花器官
功能的研究奠定基础。
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