全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2008, 35 (6) : 917 - 925
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2007 - 11 - 26; 修回日期 : 2008 - 03 - 20
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30671481)3 E2mail: yulong@ swu1edu1cn
矮牵牛 M ADS2box基因
郭余龙 3
(西南大学园艺园林学院 , 重庆 400715)
摘 　要 : 综述了近年来研究观赏植物矮牵牛 MADS2box基因的文献 , 重点介绍矮牵牛的研究对深入认
识该家族基因在植物发育中的作用所做出的重要贡献 , 及其所揭示的基因功能的保守性和多样性。对 Gen2
Bank中登录的矮牵牛 MADS2box基因进行了系统发育分析。讨论了研究工作中存在的一些问题。
关键词 : 矮牵牛 ; MADS2box基因 ; 花发育
中图分类号 : S 68116　　文献标识号 : A　　文章编号 : 05132353X (2008) 0620917209
Petun ia M AD S2box Gene Fam ily
GUO Yu2long3
(Horticu lture and Landscape A rch itecture College, Southw est U niversity, Chongqing 400715, China)
Abstract: MADS2box genes p lay p ivotal roles in flower development. This paper reviews the p rogress of
petunia MADS2box gene research, and put special emphasis on the contributions of petunia research to our
knowledge about the roles of p lantMADS2box fam ily genes in p lant development, and the functional conserva2
tion and diversity ofMADS2box genes in angiosperm s. W e also reconstruct a phylogenetic tree of petunia and
other selected MADS2box genes repositted in GenBank and discuss the p roblem s in the petunia MADS2box
gene research.
Key words: petunia; MADS2box gene; flower development
MADS2box基因编码的蛋白都具有一个与 DNA结合的结构域 ———MADS域 (MADS源于最初发现
的几个家族成员 MCM12AG2DEF2SRF的首字母缩写 ) , 它是重要的转录调控因子 , 广泛存在于动物、
植物和真菌中 , 在发育调控和信号传导等生命活动中发挥重要作用。据所编码蛋白质的结构和序列同
源性的差异 , MADS2box基因分为 TypeⅠ和 TypeⅡ两类 (图 1)。植物的 TypeⅡMADS2box基因除含
有一个高度保守的 MADS区外还有较为保守的 K区 , 多变的 I和 C区 , 故又称 M IKC型 ; TypeⅠ
MADS2box基因不含 K区 , 故又称 M型。植物 M IKC型 MADS2box基因的功能已得到广泛深入的研究 ,
而 M型 ( TypeⅠ) 只在最近才有一些初步的功能研究结果报道 ( Yoo et al. , 2006)。M IKC型可进一
步细分为 M IKCc ( “c”代表 “classic”) 和 M IKC3 型 , 差别在于 M IKC3 型的 Ⅰ区较长 , K区也很特
别。拟南芥基因组中大约有 6个 M IKC3 型 MADS2box基因 , 其功能和表达模式尚无任何研究报道
(Becker & Theissen, 2003; Nam et al. , 2004; 张剑 等 , 2007)。
植物 MADS2box基因在花器官发育 , 开花时间调控 , 种子和果实发育 , 以及根、茎、叶等营养器
官发育中发挥重要作用 , 并且有漫长的进化历史 (Becker & Theissen, 2003; 吕山花和孟征 , 2007)。
因此 , 近年来模式植物拟南芥和其它代表性植物 MADS2box基因的功能、比较基因组学和进化研究受
到高度关注 , 成为植物分子生物学研究的热点之一。矮牵牛是一个重要的园艺观赏植物 , 其生物学特
性使它易于进行分子生物学研究 , 并且也是进行比较基因组学研究的好材料 , 它已成为花卉研究的模
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
园 　　艺 　　学 　　报 35卷
式植物 ( Gerats & Vandenbussche, 2005)。从 20世纪 90年代初 , 人们开始对矮牵牛 MADS2box基因进
行系统研究 , 研究结果证实并扩展了从拟南芥研究中所获得的结论或对其提出了挑战 , 增进了对花形
和株形进化的认识。本文中分亚家族讨论矮牵牛 MADS2box基因的研究情况。
图 1　M AD S2box的结构示意图及进化关系 ( Becker & The issen, 2003; Nam et a l. , 2004)
F ig. 1　The structure and evolution of M AD S2box gene ( Becker & The issen, 2003; Nam et a l. , 2004)
1　矮牵牛 MADS2box基因的谱系分布
研究表明 , 被子植物 M IKCc型 MADS2box基因根据序列相似性又可进一步分成 14个亚家族
(Becker & Theissen, 2003)。我们用 MADS区蛋白质序列对 GenBank的核酸数据库和 EST库进行了搜
索 , 对非冗余的序列用 Becker等 (2002) 的方法进行了分析。结果显示 , 已登录的矮牵牛 MADS2box
基因已涵盖了 12个主要的 M IKCc型 MADS2box基因亚家族 (图 2)。登录的序列中 , OPU922, PhFL,
PMADS6, - 10, - 16和 - 17仅含部分 ORF框序列 , 在图 2中的位置不一定代表完整编码序列的位
置。Vandenbussche等 (2003) 认为 PMADS10和 - 16属 TM3亚家族 , PMADS6和 - 17是 FLC亚家族
成员。
2　矮牵牛 MADS2box基因的功能
211　AG亚家族
被子植物 AG亚家族分 C、D两个谱系 , 这可能源于现存被子植物辐射扩散前的 1次基因重复。
随后的基因重复可能造成 C谱系进一步分为以拟南芥 AG为代表的 euAG谱系和以金鱼草 PLE为代表
的 PLE谱系 , 同时造成基因功能冗余 ( Kramer et al. , 2004)。目前矮牵牛中已克隆并得以研究的 AG
亚家族基因有属 C谱系的 PMADS3和 FB P6, 属 D谱系的 FB P7和 FB P11 (图 2)。
拟南芥 AG基因有决定雄蕊和心皮形成、花分生组织决定 (失活后花分生组织回复花序分生组织
状态 ) 两方面的作用 , 即 C功能。矮牵牛 PMADS3基因受到抑制后导致雄蕊转变成花瓣状结构 , 同
时在第 3轮各器官之间的位置有二级花序出现 , 并进一步形成三级花序 ( Kapoor et al. , 2002) ; 转基
因植株中 PMADS3在叶片、花萼、花瓣中异位表达时 , 造成叶片卷曲 , 花萼向心皮、花瓣向雄蕊的转
变 ( Tsuchimoto et al. , 1993; Kapoor et al. , 2005)。这些结果表明 PMADS3同时具有花分生组织和花
器官决定的功能。但 PMADS3的功能与拟南芥 AG基因的功能并不完全相同 , 因为 PMADS3失活后 ,
矮牵牛心皮依然保持完整 , 并不像 AG突变失活的拟南芥花那样 , 在原本心皮的位置形成重复的一轮
花萼一轮花瓣的结构 , 但在第 3轮形成引人注目的次级花序。PMADS3对心皮的决定作用比较弱 , 表
明可能还有另一个 C谱系的基因与其共同作用决定矮牵牛心皮的发育 , 这一基因有可能是 FB P6。但
遗憾的是迄今尚未获得 FB P6的突变体 , 35S启动子驱动表达 FB P6的矮牵牛植株只观察到花变小 ,
819
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　6期 郭余龙等 : 矮牵牛 MADS2box基因 　
没有发现花器官的同源异型转化 ( Kater et al. , 1998)。FB P6的功能有待进一步阐明。 PMAD3和
FB P6分属 euAG和 PLE谱系 ; 在金鱼草中 , PL E基因是主要的 C功能基因 , 而属 euAG谱系的 FAR
只有冗余的雄蕊决定作用 (Davies et al. , 1999) ; 拟南芥中 , AG是主要的 C功能基因 , PLE谱系的
SHP1和 SHP2与果荚开裂区的分化及其边缘细胞的木质化有关 (双突变体果荚不开裂 ) , 同时保留了
决定雄蕊和心皮分化的冗余功能 ( Pinyop ich et al. , 2003)。
图 2　矮牵牛 M AD S2box基因的谱系分布
节点处的数字表示 100次重复的自展值。括号中标注的是来源物种的属名 , 未标注的为 Petunia;3 表示该基因登录序列仅包含部分 ORF框。
F ig. 2　Rela tion sh ip between petun ia M AD S2box genes and m em bers of the ma jor cladesM IKC2type
genes selected from A rabidopsis and other ang iosperm
The numbers next to each node indicate bootstrap support from 100 rep licate analysis. The taxon of origin
is shown in parentheses after gene names, but those who belong to Petunia are not shown;3 indicates partial ORF.
919
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
园 　　艺 　　学 　　报 35卷
植物花器官发育 “D”功能的概念是通过对矮牵牛基因 FB P7和 FB P11的研究提出的 (Angenent
et al. , 1995; Colombo et al. , 1995)。原位杂交分析表明 , 在胚珠原基形成前的花发育前期 , FB P7和
FB P11在雌蕊群的中央区表达 , 在花发育后期 , 只在胚珠中表达。共抑制法将 FB P7和 FPB P11抑制
后 , 部分胚珠转变成形状和功能皆与花柱、柱头相似的心皮状结构 (Angenent et al. , 1995 )。当
FB P11用 35S启动子驱动在矮牵牛中表达时 , 在花萼和花瓣上观察到胚珠形成 ( Colombo et al. ,
1995)。综合以上研究结果 , Colombo等 (1995) 提出 , 胚珠是一轮花器官 , FB P7和 FB P11是 D功
能 (与 A、B、C功能对应 ) 基因 , 决定胚珠的形成。有分析显示 , 拟南芥的 D谱系有 STK (AGL11)
一个成员 , 该基因控制珠柄形成和种子脱落 , 但它不是惟一决定胚珠形成的所谓 D功能基因。拟南
芥 AG亚家族的 4个成员 (AG, SHP1, 2和 STK) 对胚珠的正常发育皆有贡献 ( Pinyop ich et al. ,
2003)。FB P7和 FB P11受抑制时种子的发育受影响 , 表现为种皮皱缩、胚乳降解 , 但种子保持活力
(Colombo et al. , 1997)。
212　AGL2 ( SEP) 亚家族
拟南芥 SEP亚家族共有 SEP1、2、3、4 (又称 AGL2、4、9、3) 4个成员 , 它们主要在内 3轮花
器官中表达 , 在花瓣、雄蕊、心皮形成和花分生组织决定中发挥作用 ( Zahn et al. , 2005) , 它们的功
能是冗余的 , 被称为 E功能基因。
在矮牵牛中现已鉴定出 6个 SEP亚家族成员 : FB P2、FB P4、FB P5、FB P9、FB P23和 PMADS12
(图 2)。其实 , SEP亚家族基因的功能最先是在矮牵牛中得以研究的。矮牵牛转基因植株中组成型表
达 FB P2后 , 共抑制机制导致 2、3、4轮花器官转变成萼片状 , 同时花分生组织决定受到影响 , 有的
植株花的胎座和胚珠完全消失 , 在第 4轮长出新的花序 (Angenent et al. , 1994)。后来研究发现 , 在
该转基因植株中 , FB P2和 FB P5同时受到抑制 ( Ferrario et al. , 2003)。Vandenbussche等 (2003) 鉴
定并分析了 FB P2, FB P5和 FB P9基因的转座子插入突变体 , 发现单基因突变体的花结构仅发生轻微
的形态变化 , fbp2突变体花的第 3轮有次级花序的发生 ; fbp2fbp5双突变体花器官形态变化较单突变
体明显 , 说明 FB P2、FB P5的功能是冗余的。但是 , 双突变体 (插入突变 ) 的表型变异仍不及共抑
制突变体的严重。与 fbp2单基因突变体一样 , fbp2fbp5双突变体在第 3轮有次级花序长出 , 但第 4轮
子房内部的结构仍保持完整 , 这说明在 FB P2共抑制突变体中可能还有其它基因受抑制。于静娟等
(1999) 也克隆了 FB P2基因 , 并将其与 35S启动子连接导入烟草中 , 观察到转基因烟草花型改变 ,
在雄蕊上产生了花瓣。
由于矮牵牛 B、C、E功能基因的成员较拟南芥的多 , B、C、E功能蛋白结合形成多聚体时可能
的组合就更多。但酵母杂交试验表明 : E功能蛋白、B功能蛋白异二聚体、C功能蛋白相互作用形成
二聚体、三聚体、四聚体时 , 成员之间的组合不是随机的 , 有形成固定搭配的倾向 , 这种倾向的生物
学意义尚不清楚 ( Ferrario et al. , 2003)。
213　D EF /AP3亚家族和 GLO /P I亚家族
金鱼草 DEF亚家族和 GLO亚家族都各有一个成员 , 它们形成异二体 DEF /GLO发挥 B功能作用 ,
调控花瓣和雄蕊的形成。D EF和 GLO在轮 2和轮 3中表达 , 其表达的维持是相互依存的 , 一个基因
的突变将同时影响另一基因的表达。拟南芥基因组中 DEF亚家族和 GLO亚家族也各有一个成员 A P3
和 P I, 它们发挥作用的方式与金鱼草相同 ( Kramer et al. , 1998)。
矮牵牛 DEF /AP3亚家族基因已发现两个成员 PhD EF (又称 PMADS1, GP) 和 PhTM 6。PhD EF在
花萼和花瓣中表达 , 突变后花瓣变成萼片 , 但雄蕊不受影响。PhTM 6与另几个 B功能基因的表达部
位不同 , 它在雄蕊和心皮中表达 , 与 C功能基因的表达相似。phtm6突变体无明显表型变化。 tm6def
双突变体表现花瓣向花萼 , 雄蕊向心皮转变 (Vandenbussche et al. , 2004)。GLO /P I亚家族基因也发
现了两个成员 PhGLO1 (又名 FB P1) 和 PhGLO2 (又名 PMADS2) , 它们都在花瓣和雄蕊中表达。 glo1
029
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　6期 郭余龙等 : 矮牵牛 MADS2box基因 　
突变体花瓣中脉膨大、绿色 , 中脉两翼细胞有花萼细胞的特征 , glo2突变体形态特征无明显的变化。
glo1glo2双突变体表现花瓣向花萼、雄蕊向心皮转变。双突变体 tm6def、 glo1glo2的表型变化表明 ,
矮牵牛 DEF /AP3和 GLO /P I亚家族基因的功能与拟南芥和金鱼草的中一样 , 是相互依存的 (Vanden2
bussche et al. , 2004)。
酵母双杂交试验中 , PhDEF与 PhGLO1和 PhGLO2相互作用 , 但 PhTM6却强烈地倾向选择与 Ph2
GLO2发生作用 , 这种选择性得到 tm6def、glo1def和 glo2def表型的印证。双突变体 tm6def与 glo2def
都表现花瓣向花萼、雄蕊向心皮的转变 , 即 B功能缺失。双突变体 glo1def花瓣变成花萼 , 但雄蕊的
发育完全没有受到影响 , 说明 B功能在轮 3仍得到完整保留。这是由于 PhTM6只与 PhGLO2相互作
用 , 敲除 PhGLO2后 , PhTM6参与实现 B功能的作用消失 , 但若敲除 PhGLO1, 轮 3雄蕊中 PhTM6仍
可与 PhGLO2相互作用实现 B功能。也就是说 , 矮牵牛花瓣的发育受 PhDEF /PhGLO1和 PhDEF /PhG2
LO2异二聚体冗余调控 ; 雄蕊的正常发育可以通过 PhDEF /PhGLO1、PhDEF /PhGLO2或 PhTM6 /PhG2
LO2之一的存在促进。通过对 B功能基因纯合体和杂合体表型的分析还揭示 , 矮牵牛 B功能基因存
在剂量效应 (Vandenbussche et al. , 2004)。
其它被子植物基因组中 , 已经发现还存在像矮牵牛基因组那样有多个 DEF和 GLO亚家族成员的
例子 ( Kramer et al. , 1998; R ijpkema et al. , 2006) , 因此 , 植物花器官发育 B功能基因间的相互作用
和 B功能的实现要比对金鱼草和拟南芥中研究揭示的情况复杂。
214　GGM 13亚家族
GGM13亚家族基因最先在裸子植物 G. genom 中发现 , 它是 B基因的姊妹支 , 所以又称 B sister
(B s) 亚家族基因 (Becker et al. , 2002)。拟南芥中该亚家族只有一个成员 , 称为 AB S、 TT16 或
AGL32。AB S的表达量很低 , 不能被原位杂交检测到。RT2PCR检测表明 , 它在生殖器官和种子发育
过程中表达。abs突变体珠被绒粘层缺失 , 原本应在其中积累的原花色素随之缺乏 , 导致种子种皮呈
黄色 , 但种子仍保持活力 (Nesi et al. , 2002)。
矮牵牛的 FB P24是该亚家族基因 , 它只在胚发育过程中表达 , 表达量高。在发育后期 , 其表达
部位限于珠被绒粘层。共抑制法抑制 FB P24表达后 , 矮牵牛突变体的珠被绒粘层缺失 , 胚珠在受精
后退化 , 只有少数能够发育成有活力的种子 , 但种皮中原花色素的积累没有受影响。共抑制可能影响
了其它尚未被克隆的基因 , 因为 dTph1转座子插入敲除 FB P24后 , 突变体无任何表型变化。虽然 ,
FB P24与 AB S的序列相近 , 突变体也有近似的表型 , 但用 35S或 FB P11启动子驱动 FB P24在 abs拟
南芥突变体中表达后 , 转基因植株的种子仍为黄色 , 没有恢复正常的棕色。用相同的启动子驱动 AB S
基因表达 , 突变体的种皮颜色恢复正常。说明 FB P24不能代替 ABS。蛋白质研究表明矮牵牛中形成
B s2C2E和 B s2D2E类 MADS框蛋白的高级复合体 , 这与拟南芥中的情况相似 , 提示这些复合体参与了
珠被绒粘层的决定 ( de Folter et al. , 2006)。
215　SQUA亚家族 ( AP1 /FUL亚家族 )
克隆了许多双子叶植物 SQUA亚家族基因 , 它们主要在花序和花分生组织中表达 , 大多数是作为
花分生组织决定基因。拟南芥 SQUA亚家族有 3个成员 A P1, CAL和 AGL8 /FUL , 它们与分生组织决
定、花器官发育 A功能、果荚发育有关 (L itt & Irish, 2003)。
矮牵牛中已克隆 4个该亚家族成员 : PFG (又称 FPB P10) , FB P26, FB P29和 PhFL (部分 ORF
框 ) (图 2)。Northern杂交显示 , PFG在茎、叶、苞叶、花萼、花瓣、花柱 (含柱头 ) 和子房中表
达 , 在幼苗、根和雄蕊中无表达。FB P26的表达滞后于 FFG, 在苞叶、花蕾、花萼、花瓣和心皮中
表达。外源 PFG在矮牵牛中超量表达后 , 部分转基因植株发生共抑制现象 , 共抑制纯合体一直保持
营养生长状态 , 不能向生殖生长阶段转变 , 只偶尔在枝条顶部长出一朵顶花。杂合子开花正常 , 但有
时花序逆转向营养生长 , 产生营养芽。这说明 PFG不仅与营养生长向生殖生长的转变有关 , 同时在
129
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
园 　　艺 　　学 　　报 35卷
生殖生长状态的保持中发挥作用。共抑制植株中 , PFG的表达受到抑制 , FB P26的表达也同时受到
抑制 , 但尚不清楚是否有其它同一家族的基因受到抑制 , 因此 , 与 PFG共抑制表型形成有关的基因
尚不能完全确定 ( Imm ink et al. , 1999)。共抑制植株偶尔出现的花的结构没有变化 , 看起来 , 该亚家
族基因与矮牵牛花发育 A功能无关。目前尚无关于 FB P29和 PhFL功能研究的文献。
216　STM AD S11亚家族
该亚家族基因的主要功能在营养器官中 , 与诸如营养器官发育阶段的时间调控、营养生长向生殖
生长转变有关。在裸子植物和被子植物中皆有发现 , 分布广泛。拟南芥中有两个成员 , AGL24和
SHOR T V EGETA TIV E PHASE (SV P)。SV P在幼叶和茎端分生组织中表达 , 在花序分生组织中无表达。
AGL24除在幼叶和花序分生组织中表达外 , 还在花分生组织和花序中表达。AGL24和 SV P与营养生长
向生殖生长的转变有关 , 但作用相反 (Becker & Theissen, 2003)。
Prakash等 (2003) 在研究矮牵牛叶盘再生植株与基因的甲基化状态的关系时克隆了一个 MADS
框基因 (O PU 22) 的片段。该基因在诱导再生培养条件下培养 7 d的矮牵牛叶盘外植体、茎端分生组
织中表达 , 在添加有甲基化酶抑制剂的培养基中培养的叶盘外植体、花、和根端组织中没有表达。序
列分析表明 , O PU 22 (AF315464) 是 STMADS11亚家族的成员 (图 2) , 它可能与矮牵牛芽的形成有
关。该亚家族基因中 , PkMADS1的表达是 Pau low nia叶片培养中不定芽的形成和发育所需要的 , 这与
矮牵牛中的情况相似。而番茄中该亚家族的成员 JO IN TL ESS是与叶和果实花果的脱落有关的。该亚
家族基因的功能在不同物种中可能有所不同。矮牵牛中 , 该亚家族还克隆了两个基因 , FB P13和
FB P25, 其功能与表达尚无报道。
217　TM 3亚家族
与 STMADS11相似 , 该亚家族基因主要在营养器官中表达。可能与营养器官发育、营养生长向
生殖生长转变有关。拟南芥中有 6个成员 , A t5g1860、A t5g51870、AGL42、AGL14、AGL19和 SOC1 /
AGL20。SOC1在茎尖表达 , 是拟南芥开花时间调控中的一个关键基因 , 在长日照条件下促进开花。
AGL14和 AGL19都在根中表达 (Becker & Theissen, 2003)。
矮牵牛该亚家族基因已克隆了 6 个 : UN SHAV EN ( UNS , 又称 FB P20 )、 FB P21、 FB P22、
FB P28、PMADS10和 PBMADS16 (图 2)。原位杂交显示 , UNS在营养器官分生组织和第一片正在分
化的幼叶的维管束中表达量特别高 , 正在分化的苞叶中表达量高 , 在花序分生组织中有很低量的表
达 , 在花分生组织的花原基中无表达 ( Ferrario et al. , 2004)。
超量表达 UNS的植株花期提早 ; 花蕾明显短、绿 ; 成熟花的花冠小、不能完全展开 ; 子房变长 ,
外表面有表皮毛 , 子房中间隔 ( sep tum) 的基部有柄 ; 花瓣两面都着生表皮毛 , 散布整个表面 , (野
生型的花瓣仅背面有表皮毛 , 量少 ) , 表皮细胞的形状也受影响 , 呈现叶和花萼的表面特征。表达
UNS△M I (剪去了 M和 I区的 UNS ) 的转基因矮牵牛植株花期推迟 , 其它表型变化与 UN S转基因植
株相同。UNS△M I与 UN S超量表达植株有相似的花形态特征 , 但在花诱导方面有相反的作用 , 表明
UNS蛋白促进开花。转基因对花器官发育的影响可能是外源基因的显性负效应 ( dom inant2negative
effects) , 这得到了酵母杂交试验和蛋白质细胞定位研究结果的支持。酵母双杂交试验中 , UNS和
UNS△M I与 FBP2, FBP5, FBP9, FBP23, 和 FBP13都发生相互作用 , 并且 UNS△M I还与 UNS和
PFG相互作用 (UNS不与自身和 PFG作用 )。UNS与 FBP9作用后 , 异二聚体定位到叶肉原生质体的
细胞核 ; UNS△M I与 FBP9相互作用形成的异二聚体不能定位到核 ( Ferrario et al. , 2004)。
218　其它亚家族
AGL6亚家族 : AGL6亚家族是 AGL2亚家族的姊妹支 , 它在裸子植物和被子植物中均有发现。但
迄今尚未有关于其缺失突变体的报道 , 其功能尚不清楚 (Becker & Theissen, 2003)。矮牵牛中已克隆
了一个 AGL6亚家族基因 PMADS4, 它在萼片、花瓣、心皮中表达量高 , 在雄蕊中无表达 ( van der
229
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　6期 郭余龙等 : 矮牵牛 MADS2box基因 　
Krol et al. , 1993; Tsuchimoto et al. , 2000)。
AGL12亚家族 : 目前克隆的该亚家族的基因不多 , 对其研究不多 , 功能也不清楚。矮牵牛中还
没有克隆到该亚家族的基因。
AGL15亚家族 : 拟南芥 AGL15和 AGL18是这一亚家族的两个冗余基因 , 它们是开花抑制因子
(Adamczyk et al. , 2007)。该亚家族的成员在单子叶植物和裸子植物中尚未被发现 , 可能是新近进化
形成的一个亚家族。矮牵牛中克隆了该亚家族的成员 PMADS9, 并获得了其插入突变体 , 但没有关于
该突变体性状变异的报道 (Vandenbussche et al. , 2003)。我们正在对该基因进行研究。
AGL17亚家族 : 该亚家族基因的表达主要限制在营养器官 , 但表达位置是多样的 , 提示其功能的
多样性。拟南芥中有 4个成员 , 其中 ANR1的功能已得到阐明 , 它与根趋向土壤的富 N区生长有关
( Zhang & Forde, 1998)。矮牵牛中克隆的 PMADS14是该亚家族的成员 , 其功能尚不清楚。
FLC亚家族 : 拟南芥 FLC亚家族基因主要与春化作用、开花时间的控制有关 (Becker & Theissen,
2003)。矮牵牛中已克隆的 PMADS15, PMADS6和 PMADS17是该亚家族的成员 (图 2) , 但尚未对它
们的功能进行研究。
关于 BL基因 : 矮牵牛 BL IND (BL ) 基因一度被认为是 A类花器官基因 , 因为 blind突变体花萼
顶部着生柱头状细胞 , 花冠顶端着生花药状结构并产生有活力的花粉 ( van der Krol & Chua, 1993;
Tsuchimoto et al. , 2000)。最近克隆了 BL基因 , 发现它是一个属 m iR169家族的 m iRNA基因 (m iR2
BL ) , 其靶标为 N F2YA基因家族的成员。在 bl突变体中 , 可能通过增强 PhYA基因的表达来控制 C类
花器官基因表达的空间位置 , 导致 C类基因 ( PMADS3) 在轮 2和轮 1表达量增加 , 引起轮 1和 2花
器官的同源异型转化 (Cartolano et al. , 2007)。其表型与外源 C类基因组成型表达引起的表型是相似
的 ( Kater et al. , 1998)。最近国内学者报道了一个 blind2like突变体 (宁国贵和包满珠 , 2006) , 其表
型与 bl突变体相似 , 其分子机理是否与 bl突变体相同还有待进一步研究。
3　问题与展望
拟南芥、金鱼草和矮牵牛是 MADS2box基因得到最早、最深入研究的 3个物种。对矮牵牛 MADS2
box基因的研究不仅直接导致花器官发育 D功能的提出 , 同时为 E功能的存在提供了最早的证据 , 还
为 A、B功能在不同物种间的差异提供了细节上的注释 , 为 MADS2box基因功能的多样性和同源基因
在物种间功能的差异性提供了丰富例证 , 但矮牵牛 MADS基因的研究依然存在一些值得注意的问题。
311　研究方法有待进一步完善
植物 MADS2box基因家族存在大量的基因重复 (吕山花和孟征 , 2007) , 矮牵牛中这一现象似乎
更为严重 , 它的有些亚家族成员明显比拟南芥的多 (如 AGL2亚家族 )。新近的基因重复常会造成基
因功能的冗余 , 这为研究基因功能带来困难。因为 , 如果要确定每个基因的功能就要求获得全套的冗
余基因单突变体 , 对大多数物种而言 , 要实现这一目标是困难的。矮牵牛 MADS2box基因功能的研
究 , 最初一直采用的是共抑制方法 , 其不足之处在于它往往会造成多个序列相似的基因同时被抑制 ,
从而无法将观察到的表型变化分配给每个基因。最近 , Vandenbussche等 (2003, 2004) 对矮牵牛转
座子插入突变体进行了系统的筛选 , 获得了 36个 MADS2box基因突变体 , 并用获得的材料确定了已
知的 B类基因成员的功能和相互关系。但插入突变体的获得具有随机性 , 要用这种方法确定每组冗
余基因各个成员的功能是相当困难的 , 例如重要的 C类基因各已知成员的功能在矮牵牛中直到目前
尚未弄清楚。我们需要研究一套能灵活敲除单个、两个和多个具有相似序列基因的方法。
312　对非花器官身份基因研究不够
目前关于矮牵牛 MADS2box基因的研究主要集中在 B, C, D , E类基因 , 对其它几个亚家族的研
究不够 , 这不利于全面认识和比较基因的功能。矮牵牛在条件合适时能周年开花 , 与拟南芥开花特性
329
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
园 　　艺 　　学 　　报 35卷
完全不同。拟南芥 MADS2box基因中有一大部分是与花期调控相关的 , 这些基因在矮牵牛的同源基因
中究竟发挥什么作用 , 是否被赋予新的功能 , 是值得研究的。另外 , 植物 TypeⅠMADS2box基因的成
员众多 , 但它们的功能仍不为人们的所知 , 在矮牵牛中甚至还没有克隆到其中的成员 , 这是令人感到
遗憾的。对矮牵牛 TypeⅠMADS2box基因的克隆和研究可能会有助于我们揭开这一大类基因的功能之
谜。
References
Adamczyk B J, Lehti2Shiu M D, Fernandez D E. 2007. The MADS domain factors AGL15 and AGL18 act redundantly as rep ressors of the floral
transition in A rabidopsis. Plant J, 50: 1007 - 1019.
Angenent G C, Franken J, BusscherM, van D ijken A, van W ent J L, Dons H J, van Tunen A J. 1995. A novel class ofMADS box genes is in2
volved in ovule development in petunia. Plant Cell, 7: 1569 - 1582.
Angenent G C, Franken J, BusscherM, W eiss D, van Tunen A J. 1994. Co2supp ression of the petunia homeotic gene fbp2 affects the identity of
the generative meristem. Plant J, 5: 33 - 44.
Becker A, Kaufmann K, Freialdenhoven A, V incent C, L iM A, Saedler H, Theissen G. 2002. A novelMADS2box gene subfam ily with a sister2
group relationship to class B floral homeotic genes. Mol Genet Genom ics, 266: 942 - 950.
Becker A, Theissen G. 2003. The major clades ofMADS2box genes and their role in the development and evolution of flowering p lants. Molecular
Phylogenetics and Evolution, 29: 464 - 489.
Cartolano M, Castillo R, Efremova N, KuckenbergM, Zethof J, Gerats T, Schwarz2Sommer Z, Vandenbussche M. 2007. A conserved m icroRNA
module exerts homeotic control over Petunia hybrida and Antirrh inum m ajus floral organ identity. Nature Genetics, 39: 901 - 905.
Colombo L, Franken J, Koetje E, van W ent J, Dons H J, Angenent G C, van Tunen A J. 1995. The petunia MADS box gene FB P11 determ ines
ovule identity. Plant Cell, 7: 1859 - 1868.
Colombo L, Franken J, van der Krol A R, W ittich P E, Dons H J, Angenent G C. 1997. Down regulation of ovule2specific MADS box genes from
petunia results in maternally controlled defects in seed development. Plant Cell, 9: 703 - 715.
Davies B, Motte P, Keck E, Saedler H, Sommer H, Schwarz2Sommer Z. 1999. PLENA and FAR IN ELL I: Redundancy and regulatory interactions
between two Antirrh inum MADS2box factors controlling flower development. The EMBO Journal, 18: 4023 - 4034.
de Folter S, Shchennikova A V, Franken J, BusscherM, Baskar R, Grossniklaus U, Angenent G C, Imm ink R G. 2006. A B sisterMADS2box
gene involved in ovule and seed development in Petunia and A rabidopsis. Plant J, 47: 934 - 946.
Ferrario S, Imm ink R G, Shchennikova A, Busscher2Lange J, Angenent G C. 2003. The MADS box gene FB P2 is required for SEPALLATA
function in petunia. Plant Cell, 15: 914 - 925.
Ferrario S, Busscher J, Franken J, Gerats T, Vandenbussche M, Angenent G C, Imm ink R G. 2004. Ectop ic exp ression of the petunia MADS
box gene UNSHAVEN accelerates flowering and confers leaf2like characteristics to floral organs in a dom inant2negative manner. Plant Cell,
16: 1490 - 1505.
Gerats T, Vandenbussche M. 2005. A model system for comparative research: Petunia. Trends in Plant Science, 10: 251 - 256.
Imm ink R G, Hannapel D J, Ferrario S, BusscherM, Franken J, Lookeren CampagneM M, Angenent G C. 1999. A petuniaMADS box gene in2
volved in the transition from vegetative to rep roductive development. Development (Cambridge, England) , 126: 5117 - 5126.
Kapoor M, Baba A, Kubo K, Shibuya K, Matsui K, Tanaka Y, Takatsuji H. 2005. Transgene2triggered, ep igenetically regulated ectop ic exp res2
sion of a flower homeotic gene pMADS3 in Petunia. Plant J, 43: 649 - 661.
KapoorM, Tsuda S, Tanaka Y, Mayama T, Okuyama Y, Tsuchimoto S, Takatsuji H. 2002. Role of petunia pMADS3 in determ ination of floral or2
gan and meristem identity, as revealed by its loss of function. Plant J, 32: 115 - 127.
Kater M M, Colombo L, Franken J, BusscherM, Masiero S, Van Lookeren Campagne M M, Angenent G C. 1998. Multip le AGAMOUS homologs
from cucumber and petunia differ in their ability to induce rep roductive organ fate. Plant Cell, 10: 171 - 182.
Kramer E M, Dorit R L, Irish V F. 1998. Molecular evolution of genes controlling petal and stamen development: Dup lication and divergence
within the APETALA3 and PISTILLA TA MADS2box gene lineages. Genetics, 149: 765 - 783.
Kramer E M, Jaram illo M A, D i Stilio V S. 2004. Patterns of gene dup lication and functional evolution during the diversification of the AGAMOUS
subfam ily of MADS box genes in angiosperm s. Genetics, 166: 1011 - 1023.
L itt A, Irish V F. 2003. Dup lication and diversification in the APETALA1 / FRU ITFULL floral homeotic gene lineage: Imp lications for the evolution
of floral development. Genetics, 165: 821 - 833.
429
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　6期 郭余龙等 : 矮牵牛 MADS2box基因 　
LüShan2hua, Meng Zheng. 2007. Gene dup lication and functional diversification in the MADS2box gene fam ily. Chinese Bulletin of Botany, 24
(1) : 60 - 70. ( in Chinese)
吕山花 , 孟　征. 2007. MADS2box基因家族基因重复及其功能的多样性. 植物学通报 , 24 (1) : 60 - 70.
Nam J, Kim J, Lee S, An G, Ma H, Nei M. 2004. Type I MADS2box genes have experienced faster birth2and2death evolution than type Ⅱ
MADS2box genes in angiosperm s. PNAS, 101: 1910 - 1915.
Nesi N, Debeaujon I, Jond C, Stewart A J, Jenkins G I, Caboche M, Lep iniec L. 2002. The TRANSPAREN T TESTA16 locus encodes the ARA2
B IDOPSIS BSISTER MADS domain p rotein and is required for p roper development and p igmentation of the seed coat. The Plant Cell, 14:
2463 - 2479.
N ing Guo2gui, Bao Man2zhu. 2006. Morphological characteristics and anatomy of a novel floral mutant of petunia. Acta Horticuturae Sinica, 33
(5) : 1121 - 1124. ( in Chinese)
宁国贵 , 包满珠. 2006. 矮牵牛花器官突变体 blind2like的表型和解剖结构. 园艺学报 , 33 (5) : 1121 - 1124.
Pinyop ich A, D itta G S, Savidge B, L iljegren S J, Baumann E, W isman E, YanofskyM F. 2003. A ssessing the redundancy ofMADS2box genes
during carpel and ovule development. Nature, 424: 85 - 88.
Prakash A P, Kush A, Lakshmanan P, Kumar P P. 2003. Cytosine methylation occurs in a CDC48 homologue and a MADS2box gene during ad2
ventitious shoot induction in Petunia leaf exp lants. Journal of experimental botany, 54: 1361 - 1371.
R ijpkema A S, Royaert S, Zethof J, van derW eerden G, Gerats T, Vandenbussche M. 2006. Analysis of the Petunia TM 6 MADS box gene re2
veals functional divergence within the DEF /AP3 lineage. Plant Cell, 18: 1819 - 1832.
Tsuchimoto S, Mayama T, van der Krol A, Ohtsubo E. 2000. The whorl2specific action of a petunia classB floral homeotic gene. Genes Cells, 5:
89 - 99.
Tsuchimoto S, van der Krol A R, Chua N H. 1993. Ectop ic exp ression of pMADS3 in transgenic petunia phenocop ies the petunia blind mutant.
Plant Cell, 5: 843 - 853.
van der Krol A R, B runelle A, Tsuchimoto S, Chua N H. 1993. Functional analysis of petunia floral homeotic MADS box gene pMADS1. Genes
& Development, 7: 1214 - 1228.
van der Krol A R, Chua N H. 1993. Flower development in petunia. Plant Cell, 5: 1195 - 1203.
Vandenbussche M, Zethof J, Royaert S, W eterings K, Gerats T. 2004. The dup licated B2class heterodimer model: W horl2specific effects and
comp lex genetic interactions in Petunia hybrida flower development. Plant Cell, 16: 741 - 754.
Vandenbussche M, Zethof J, Souer E, Koes R, Tornielli G B, PezzottiM, Ferrario S, Angenent G C, Gerats T. 2003. Toward the analysis of the
petunia MADS box gene fam ily by reverse and forward transposon insertion mutagenesis app roaches: B, C, and D floral organ identity func2
tions require SEPALLATA 2like MADS box genes in petunia. Plant Cell, 15: 2680 - 2693.
Yoo S K, Lee J S, Ahn J H. 2006. Overexp ression of AGAMOUS2L IKE 28 (AGL28) p romotes flowering by up regulating exp ression of floral p ro2
moters within the autonomous pathway. B iochem ical and B iophysical Research Communications, 348: 929 - 936.
Yu J ing2juan, Guo Feng2li, Zhao De2gang, Fu Yong2fu, Han Yu2zhen, Ao Guang2m ing, Meng Fan2jing. 1999. Cloning of the homeotic gene fbp2
from Petunia hybrida and its effects in tobacco flower. Acta Botanica Sinica, 41 (1) : 45 - 50. ( in Chinese)
于静娟 , 国凤利 , 赵德刚 , 傅永福 , 韩玉珍 , 敖光明 , 孟繁静. 1999. 矮牵牛花同源异型基因 fbp2的克隆及其对烟草花形态的影
响. 植物学报 , 41 (1) : 45 - 50.
Zahn L M, Kong H, Leebens2Mack J H, Kim S, Soltis P S, Landherr L L, SoltisD E, Depamphilis C W , Ma H. 2005. The evolution of the SE2
PALLATA subfam ily of MADS2box genes: A p reangiosperm origin with multip le dup lications throughout angiosperm history. Genetics, 169:
2209 - 2223.
Zhang H, Forde B G. 1998. An A rabidopsisMADS box gene that controls nutrient2induced changes in root architecture. Science 279: 407 - 409.
Zhang J ian, Xu Gui2xia, Xue Hao2yue, Hu J ing. 2007. Foundation and current p rogress of p lant evolutionary development biology. Chinese Bulle2
tin of Botany, 24 (1) : 1 - 30. ( in Chinese)
张　剑 , 徐桂霞 , 薛皓月 , 胡　　. 2007. 植物进化发育生物学的形成与研究进展. 植物学通报 , 24 (1) : 1 - 30.
529
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net