高等植物基因 Microsoft Word 文档 (3)

高等植物CO 基因研究进展及转基因对农业的影响摘要开花是植物由营养生长向生殖生长转变的重要时程。

光周期和温度在这一过程中起主要作用。

在拟南芥和水稻中，CONSTANS (CO)基因位于生物钟的输出途径，是生物钟和开花时间基因之间监测日照长度的重要元件，它可以整合光信号和生物钟信号，节律性地激活FLOWERING LOCUS T (FT)的表达，从而诱导开花。

本文作者在追踪国内外对该基因的研究中发现，目前研究者已经从30 余个物种中克隆到CO 同源基因并对其序列特征、表达模式和功能特性进行了研究。

国内外这些关于CO 基因家族的研究成果为进一步研究该基因功能和进化关系，并通过转基因调节植物开花期提供了有价值的参考资料。

转基因作物转基因植物对农业生态系统尤其是对农业生物多样性的影响受到了广泛的关注。

关键词光周期开花时间CO 基因转基因农业植物在恰当时间开花可以保证植物授粉以及种子充分发育成熟，因此它与作物产量和品质密切相关，是作物生产的关键所在，也成为发育生物学研究的重点问题。

成花转变过程由植物自身遗传因子和外界环境因素两方面共同决定，并受错综复杂的网络信号传导途径调控。

在实际生产中，人们通过调整光照时间长短调节光周期敏感的栽培植物的开花时间，从而进行周年生产，满足消费者的周年需求。

随着分子遗传学及分子生物学的快速发展，许多与光周期途径开花相关的基因已经被发现并克隆。

研究表明，CO 是光周期途径中的关键基因，它位于生物钟的输出途径，是生物钟和开花时间基因之间监测日照长度的重要元件，它可以进行光信号和生物钟信号的整合，并激活下游基因FT 的表达从而诱导植物开花。

本文对国内外关于CO 基因家族的研究进展进行了清楚的分析。

一、CO 基因的分离及其序列结构特征Putt等通过图位克隆的方法首先在拟南芥开花延迟突变体中分离到CO 基因，随后，人们又在拟南芥中分离到16 个CONSTANS-LIKE (COL)基因，这些基因组成一个CO 基因家族。

COL 基因编码的COL 蛋白包含两个同源结构域：靠近氨基端的B-box 结构域即锌指结构域和靠近羧基端CCT(COCO-Like, TOC1)结构域。

根据这一基因家族B-box 结构域的变化情况可以将其分为三类：第一类(CO 和COL1 到COL5)含有两个B-box 结构域，根据B-box 和CCT 结构域之间中间区域的保守区域又可以将其分为5个类：Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅰd、Ⅰe；第二类(COL6 到COL8 和COL16)含有一个B-box 结构域；第三类含有一个COL 类B-box 和一个二级结构发生改变的锌指蛋白结构Robson。

除此之外，第一亚组的CO 蛋白羧基端还存在另外六个氨基酸，保守结G-I/V-V-已有研究表明，许多动物转录因子的B-box 结构域具有调节蛋白之间相互作用的功能。

CCT 结构域则参与核定位和蛋白之间的相互作用。

对7 个典型co 突变体的等位基因进行分析表明，基因突变要么发生在锌指结构域，要么发生在CCT 结构域，因此，这两个同源结构域对CO 基因发挥正常功能意义重大。

锌指结构域发生突变的基因功能丧失，而B-box2结构域发生突变的植株严重开花延迟。

随后，人们在水稻中发现至少有16 个COL 基因，与拟南芥一样，这些基因也可以分为三个亚组。

相对于拟南芥的co1 或co3 突变体而言，水稻有功能的Hd1 基因第二个B-box 结构域的保守氨基酸发生了消除或改变，表明Hd1 基因发挥功能不需要第二个B-box (Yano et al)。

大麦的CO 基因也缺乏B-box2 结构域，说明谷类作物的CO 基因不需B-box2 结构域发挥功能，谷类作物的CO 基因倾向于向一个B-box 结构域进化。

系统发育分析表明，COL基因家族的一些成员在裸子植物和被子植物分化之前就已进化，分子进化分析表明，COL 基因在十字花科植物中进化迅速。

利用模式植物拟南芥CO 基因和水稻HD1 基因的序列，人们利用同源克隆或筛选文库的方法在多个科(属)的植物中均克隆到了CO 同源基因。

基因家族是指基因组内一个祖先基因经过基因重复和变异所产生的一组同源基因的现象。

CO 基因在植物基因组中并不是只有一个拷贝，而是一个存在多个拷贝的基因家族，目前的研究结果表明：拟南芥中这个基因家族共有17 个成员，水稻中这个基因家族共有16 个成员，利用同源分析的方法在其它物种中也鉴定出来。

二、CO 基因的表达特性CO mRNA 的表达和蛋白的稳定性受生物钟和光照调节。

外部同步模型指出：当CO基因的表达高峰与光照同步时才能激活拟南芥的光感知和一系列成花基因如FT、SOC1 和LFY的表SCO mRNA 的含量在长日照条件下比短日照条件下高，表明CO 受长日照信号诱导，CO 的表达水平是长日照条件下拟南芥开花的关键决定因素。

并发现昼夜节律突变体植株CO 表达模式也有所改变，即使将拟南芥由长日照条件转移到持续光照条件下，CO mRNA 的水平仍呈现昼夜节律的表达模式，因此CO 基因的表达受昼夜节律钟调控。

CO 整合生物钟和光受体接受的环境信号诱导下游基因FT。

的表达从而促进拟南芥开花。

CO mRNA 的表达水平在长日照条件和短日照条件的不同阶段均产生变化，在长日照条件下，其表达高峰出现在黎明阶段和黄昏阶段；在短日照条件下，其表达高峰仅仅出现在黑暗阶段，CO mRNA 的表达水平在长日照条件下比短日照条件高。

Simon 等首先运用组织原位杂交的方法检测到CO mRNA 在茎尖分生组织和幼叶原基中表达。

运用GUS 报告基因对CO基因的启动子进行分析表明，CO 基因在子叶和叶片的维管组织表达。

运用组织特异性启动子使CO 基因在不同组织中表达表明：CO 基因只有在韧皮部中表达才能激活。

三、CO 基因的功能CO 基因整合光受体和生物钟接受的环境信号并通过激活下游基因的表达促进植株开花。

拟南芥co 突变体植株在诱导的长日照条件下开花延迟，在短日照条件下开花时间与野生型植株一致。

组成型表达CO 基因使拟南芥对日长反应不敏感，无论日照长短均提前开花等将构建的CONSTANS-EAR 基序抑制基因CO-Rep)转入拟南芥植株后发现：33%的T1代植株株型变矮，44%的T2代植株形态发生了改变：如须根增多、初生根很少或几乎没有初生根，仅有一个子叶或两个子叶大小不一致或没有子叶，而形态正常的植株茎生叶和莲座叶在诱导条件下增多、花期延迟，表明CO-Rep 在正确的时间、正确的空间表达即韧皮部中表达才可以避免转基因植株形态异常而使O 功能得以正常发挥。

拟南芥中其它COL 基因对拟南芥开花时间的影响与CO 基因有所不同(表2)。

水稻中CO 基因的同源基因Hd1 在短日照条件下促进开花，长日照条件下抑制开花。

短日照条件下过表达水稻的一个COL 基因OsCO3 特异性地延迟水稻开花时间。

将长日植物小麦的TaHd1-1基因转入水稻Hd1 突变体中，转基因植株恢复了Hd1 的功能：短日照条件下促进转基因水稻抽穗，长日照条件下延迟水稻抽穗，表明长日植物和日植物具有相同结构和功能的Hd1 蛋白。

番茄中的SlCO2 基因似乎与调控开花时间无关，但其在拟南芥中过量表达可以使拟南芥花期延迟，而牵牛花的P 基因则可以弥补拟南芥co 突变体的晚花表型并使其比野生型拟南芥开花期提前。

双子叶植物的COL 基因如油菜BnCO1 基因可以互补拟南芥co-2突变体的晚花表型，牵牛花P基因可以互补拟南芥co-1 突变体的晚花表型，而单子叶植物的COL基因如黑麦基因也可以互补拟南芥co-2 突变体的晚花表型，说明CO 基因在调控单子叶植物和双子叶植物成花方面具有保守性。

四、CO 基因与其它基因的互作GI 基因的表达高峰比CO 基因的表达高峰早大约3~6 h。

无论长日照条件还是短日照条件，过表达CO 基因均可恢复突变体的晚花表型，表明CO 基因作用于GI 基因可以恢复co 突变体的晚花表型，表明CO 基因作用于FT 和SOC1 的上游(。

CO 蛋白HEMEACTIVATORPROTEIN 3 (HAP3)和5 (HAP5)结合诱导FT 基因在叶片中表达，而CCT结构域在这一过程中发挥重要作用。

其它一些昼夜节律类基因感受昼夜变化并最终激活CO 基因在叶片中表达。

CO 蛋白在蓝光和远红光条件下稳定，在红光和黑暗条件下不稳定，所以PHYB 和CRY2 在稳定CO 基因转录产物方面起到了非常重要的作用，因此CO 蛋白仅在长日照条件下才能积累达到最大值当CO 蛋白含量超过临界阈值时就可以激活FT 的表达进而促进拟南芥植株在长日照条件下开花(。

DOF转录因子———和GI 在昼夜节律类基因和下游基因CO 之间起到了桥梁的作用CDF1 和GI 感受昼夜节律基因的变化，并把信号传递给CO 基因。

研究表明：CDF1 蛋白通过结合到CO 基因启动子上抑制CO 的表达，而FKF1 和GI 可以使CDF1 蛋白降解。

五、问题与展望CO 基因是植物光周期途径中重要的调控开花时间的基因，在植物进化中十分保守。

各个物种中的CO 基因都包含有一个保守的锌指结构域和一个CCT 结构域。

不同植物的CO 同源基因在二倍体基因组中的拷贝数有所不同，各个拷贝发挥的功能也不一致，因此有必要对每物种的各个CO 同源基因进行表达和功能验证。

现有的研究在CO 同源基因编码区结构和功能方面已取得了一定进展，这为利用基因工程进行植物的花期改良工作奠定了良好的基础。

但这些基因的上游调控序列和下游调控区域还不清楚，因此，有必要对各个物种基因调控网络中的各个基因进行分离与功能验证，这将为从整体上揭开各个植物的开花之谜奠定良好基础。

随着各个物种基因调控网络的解析，人们根据需要调节植物花期将成为可能。

六、转基因作物的发展美国有10 多年的转基因园艺作物和大田作物的商业销售经验，在转基因作物领域占据主要的地位。

最早的转基因商业作物是由cal研发的莎弗西红柿和由孟山都公司研发的马铃薯。

莎弗西红柿是一种晚熟西红柿，它是通过基因沉寂法完成的，即利用反义RNA干扰基因转化并减少那些促使西红柿成熟的特定蛋白质的产生，因此，相比传统的西红柿具有更长的保质期，能够无损伤地采摘和运输。

马铃薯能够抵抗薯虫（一种主要的马铃薯害虫）。

莎弗西红柿和f马铃薯均于1994 年被解除管制，随即开始商业销售。

莎弗西红柿起初销量很好，但后来由于味道、品种的适应性、价格等多方面的原因，发展并不理想。

马铃薯则由于来自消费者的压力，1999 年，孟山都公司不得不将该种转基因马铃薯撤出零售市场[2]。

迄今为止，美国商业化最成功的是利用输入性状开发的具有抗虫（Bt）和抗除草剂（羟色胺HT 或抗草甘磷RR）基因的转基因作物。