表观遗传对植物开花相关基因表达的调控

农业基础科学现代农业科技2012年第6期1表观遗传1.1表观遗传学基本概念表观遗传学的概念是1957年由Waddington[1]提出的。

随着现代生物科学的发展，表观遗传学的定义也在逐渐完善。

目前，研究领域对其的定义为：基因功能的改变凡未牵涉到DNA的序列，又可通过细胞的有丝分裂而遗传者，称为“epigenetics”[2]。

由此说明，在基因组中，除序列含有遗传信息外，也有一部分遗传信息记载在其修饰上。

当前，学者对植物表观遗传学的研究集中在DNA甲基化、组蛋白密码、染色质重塑等方面内容。

1.2DNA甲基化DNA甲基化（DNA Methylation）普遍存在于动植物细胞以及细菌基因组中，是在DNA甲基转移酶的作用下，使S 腺苷甲硫氨酸（Sadomet，SAM）的甲基基团转移到胞嘧啶或腺嘌呤残基上（主要是胞嘧啶，腺嘌呤偶有发现），从而完成DNA的修饰[3]。

DNA甲基化能够影响DNA和蛋白质的相互作用，抑制基因的表达。

因此，在基因表达、植物细胞分化以及系统发育中起着非常重要的作用。

1.3组蛋白密码组蛋白在翻译后的共价修饰中会发生改变，如发生甲基化、乙酰化、泛素化等，从而提供一种识别的标志，为其他蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为组蛋白密码（histone code）[4]。

这些组蛋白密码可以被一些特定的蛋白质识别，继而将其翻译成一种特定的染色质状态，进而实现对特定基因的调节。

因此，组蛋白密码能够显著地扩大DNA密码子对所携带遗传信息的存储量。

1.4染色质重塑染色质通常通过核小体改变结构。

这类伴随着基因表达调节的染色质结构产生的变化被称作染色质重塑（chromatin remodeling），其包括2种类型：一种是依赖共价结合反应的化学修饰，也就是所谓的组蛋白密码[5]；另一种是依赖ATP的物理修饰，靠ATP水解所释放的能量改变染色质。

2植物开花过程的调控植物能否开花的重要环节就是植物由营养生长向生殖生长转变的过程。

随着分子生物学分子遗传学的发展，对植物开花途径的研究也逐渐明确[6]。

2.1春化作用途径温度是影响植物开花的重要环境因素之一。

对于冬性和二年生植物，如果不经低温诱导处理，其开花过程可以推迟几周甚至几个月。

低温对开花的促进作用称为春化作用[7]。

目前，十字花科的拟南芥和禾本科的小麦、大麦等应用于春化相关的基因研究[8-9]。

在拟南芥中，与春化作用有关的基因有FRI、FLC、VRN1、VRN2和VIN3等[10]。

研究表明，单基因FRI控制冬性发育特性的拟南芥[11]，如果其编码的盘绕蛋白发生突变，可导致拟南芥过早开花。

FLC属于MADS盒基因[12]，其编码的蛋白转录因子是一个强的开花抑制因子，高水平表达对开花具有抑制作用。

FLC对开花的抑制作用由于显性等位基因FRI的存在而加强。

促进植物开花的过程中，低温春化抑制FLC的表达是通过FRI转录及蛋白表达水平的负调控来实现的[13]。

研究发现，拟南芥的春化作用进程中还有基因VRN1、VRN2和VRN3的参与[14]。

2.2光周期途径光是植物生长发育的一个重要条件，只有通过光周期的调控影响，植物才能顺利完成整个生长发育进程[15-16]。

拟南芥是典型的长日照植物，其光周期途径是由光受体感受光信号开始的，在短日照条件下抑制开花，长日照条件下促进表观遗传对植物开花相关基因表达的调控燕瀚翔1纳小凡2蒋玉婷3史程圆1乌日汗1毕玉蓉4*（1中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081；2宁夏大学生命科学学院；3内蒙古农业大学农学院；4兰州大学生命科学学院）摘要综述表观遗传对植物开花过程中基因表达的调控。

目前，对表观遗传的研究越来越深入，对植物开花过程中的基因调控过程也有很大程度上的把握，但二者的结合即表观遗传对植物开花过程中基因表达的调控还处于初级的探索阶段。

因此，对这方面进行深入的研究有助于加深对植物生命周期调控机制的理解，并且对农业生产具有较大的指导意义。

关键词表观遗传；春化作用；基因表达；调控中图分类号Q943.2文献标识码A文章编号1007-5739（2012）06-0034-03Regulation of Related Gene Expression about Flowering in Plants by EpigeneticYAN Han-xiang1NA Xiao-fan2JIANG Yu-ting3SHI Cheng-yuan1Wurihan1BI Yu-rong4*（1College of Life and Environmental Sciences，Minzu University of China，Bejing100081；2College of Life Science，Ningxia University；3Agricultural College of Inner Mongolia Agricultural University；4College of Life Science，Lanzhou University）Abstract This paper reviewed the flowering plant epigenetic regulation of gene expression process.The research about epigenetic became more deeply，heprocess of flowering plants in the process of gene regulation have the extent of certainty，but the combination of the two flowering plants that epigenetic process of gene expression at an early exploration stage.Consequently，depth of research in this area would gain a deeper understanding of plant life-cycle regulation mechanisms，and had directive significance for agricultural production.Key words epigenetic；vernalization；gene expression；regulation基金项目宁夏大学科学研究基金项目。

作者简介燕瀚翔（1985-），男，山西长治人，在读硕士研究生。

研究方向：植物开花表观遗传。

*通讯作者收稿日期2012-02-2234开花。

目前，在拟南芥中共发现3种隐花色素（CRY1、CRY2、CRY3）和5类光敏色素（PHYA、PHYB、PHYC、PHYD、PHYE）。

隐花色素感受蓝光和紫外光，光敏色素感受红光和远红光。

二者感受昼夜长短和光的强弱并产生昼夜节律[17]。

其中，远红光、蓝光通过PHYA、CRY1和CRY2促进开花，红光通过PHYB、PHYD和PHYE抑制开花[18-19]。

2.3自主开花途径自主途径也是通过抑制FLC基因的表达而促进开花。

在拟南芥中，相继克隆到FCA、FY、FLD、FPA、FVE、LD和FLK7个基因。

拟南芥开花时间调控中，FCA、FPA、FLK和FY基因都编码RNA结合蛋白，它们对FLC前体mRNA的调节和稳定性在开花控制中是非常关键的，属于转录后的调节[20]。

2.4赤霉素途径GA对拟南芥开花有促进作用，其能加速短日照条件下的野生型拟南芥和长日照下的fb、fac、fd、fe、co、fpa、f、tfve和fwa等晚花突变体开花[21]。

在GA途径中，关键基因GAI、RGA和RGL1序列和功能都非常相似。

研究表明，可能是由于GA合成途径的打断，以致GA生物合成途径突变体减少对GAI、RGA和RGL1的抑制作用，最终导致植物开花推迟。

由此可见，通过GA合成途径影响开花，是通过与GAI、RGA和RGL1基因的作用实现的[8-9]。

目前研究认为，GA启动开花的分子机理是激活花分生组织特异基因LFY的启动子，加强LFY的转录活性，从而启动开花[22]。

3表观遗传对植物开花基因表达的调控表观遗传在植物开花过程中起重要的调控作用。

而在植物开花的多种调节途径中，表观遗传的调节主要是在春化作用途径中实现的。

以拟南芥为例，简要阐述在拟南芥的春化作用途径中表观遗传对基因表达的调控。

3.1春化途径相关基因组成的复合体PAF1样复合体，通过自身编码的蛋白质修饰FLC染色体进而实现对其表达的调控。

FRI复合体，SUF4与FRI、FES1和FRL1相互作用共同组成FRI复合体调节的表达。

SWR1样复合体，由ESD1、SUF3、ARP6和PIE1组成SWR1复合体促进FLC的表达。

PRC2样复合体，PRC2复合体具有组蛋白甲基转移酶的活性，可以使靶基因产生组蛋白的甲基化修饰作用[23]。

3.2组蛋白的修饰组蛋白翻译完成后，其氨基尾巴会发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等共价修饰方式，从而共同构成组蛋白密码（histone code）假说，即在一个或多个组蛋白氨基尾端的多种修饰状态，可以互相联合或依次地被特定的蛋白（酶）或其他复合体等识别、结合而起作用，为发动或阻遏基因转录的染色质相关蛋白提供结合位点[24]。

通常认为，FLC组蛋白甲基化有2个功能：一是可作为信号被开花抑制因子组成的PAF1、SWR1、FRI复合物识别；二是使FCL的组蛋白结构发生变化，为开花促进因子组成的PRC2-Like复合物更容易靠近FLC[25]。

在基因沉默相关的各种组蛋白修饰中，最典型的是组蛋白去乙酰化，自主途径抑制因子FLD和FVE也参与FU染色体的去乙酰化作用[26-27]，且FLD的缺失能够促进拟南芥突变体fri的FLC染色体组蛋白H3的ly4三甲基化。

最近有研究表明，FLC组蛋白H3的S10的磷酸化修饰在拟南芥春化作用过程中起重要作用，LHP1对维持FLC稳定的抑制状态起关键作用，有丝分裂过程中FLC组蛋白H3的S10的低水平磷酸化为LHP1与FLC组蛋白H3的ly9甲基化连接提供结合位点；而减数分裂过程中FLC组蛋白H3的S10的高水平磷酸化阻止LHP1与FLC组蛋白H3的ly9甲基化位点的连接，FLC的抑制状态被解除。

3.3春化记忆多个基因协同控制着拟南芥的春化记忆，基因间相互调节是通过染色质修饰改变的方式来实现对FLC转录活性的抑制，进而实现对下游开花控制基因的调节，最终促使开花的快速转变。

完成春化作用，拟南芥FLC的抑制状态可以稳定地保持在有丝分裂过程中，FLC此种表观遗传特征表明产生细胞记忆的分子机制与其他真核生物不同，拟南芥春化的细胞记忆由长时间的低温诱导产生，应用分子遗传学的方法已经鉴定VRN1、VRN2、VIN3和LHPI是目前鉴定参与拟南芥春化记忆的4个关键基因[28]。