百合花发育的分子生物学研究进展
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Development Biology, The China Academy of Sciences, Beijing 100101, China )
Abstract:Lily is one of the most important flowering plants, with big flowers and high value for appreciation. Be cause of its big genome, lily is very little studied at molecular level. Recently molecular researches on the development of flowers grow rapidly in lily. Now several genes have been cloned, including some MADS box genes involved in the devel opment of flower organs and other genes as LGC1 , LLA 23 , etc. In this article we make a brief depiction about part of genes cloned in lily.
百合科植 物( 以百合 为代表) 花 的结构 也有 4 轮, 由外向内为花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊。与拟南芥、 水稻等的花器官不同的是, 百合花的花萼和花瓣十 分相似, 合称花被。为解释百合科植物花器官发育 的调控, 在 ABC 模型 的基础上, 1993 年 Tunen 等提 出了修饰的 ABC 模型 [ 11, 12] , 即 B 功能基因不只在 第 2 和第 3 轮器官中表达, 而且在第 1 轮器官中表 达, 这样, 第 1 轮和第 2 轮器官都表达 B 功能基因, 从而有相同的花瓣状结构。
来源 Source
L . longiflorum L . longiflorum L . longiflorum L . longiflorum L . regale L . regale L . regale L . longiflorum L . longiflorum
克隆方法 Clone method
增刊
杨 梁等: 百合花发育的分子生物学研究进展
83
到的[ 17] 。LMADS2 基因也是 MADS 盒基因, 控制百 合花器官中 胚珠的发育, 为 D 功能基 因。LMADS2 基因的 cDNA 全长 105 7 bp, 含一个 ORF ( 开放阅读 框架) , 编码一个含 233 个氨基酸的蛋白。Noethern blot 分析 表明 LMADS2 基因 的表 达仅 存在 于胚珠 中, 在花的其它器官及营养生长的叶片中无表达。
控制植物花器官发育的基因大多都含有一个保
守的 MADS( MCM1, AGAMOUS, DEFICIENS and SRF ) 结构域, 为 MADS box 基因[ 13] 。克隆花器官发育相 关的基因, 对于研究花器官发育和调控的机制并最 终通过基因工程对花的结构进行改造有重要意义。
1. 1. 1 LMADS1 基因 B 功能基因与花的第 2 轮器 官的发育相关。LMADS1 基因是 Yang 等 2001 年以 麝香百合为材料, 通过同源基因克隆的策略克隆得 到的百合的 B 功能基因[ 14] 。LMADS1 基因的 cDNA
同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 差异筛选法 文库筛选法
功能 Function
B 功能基因, 与雄蕊和花 瓣发育有关 D 功能基因, 与胚珠发育有关 E 功能基因, 与花的内三 轮器官发育相关 同上 B 功能基因 B 功能基因 B 功能基因 与受精作用相 关基因 干燥相关基因 , 与花粉发育和成熟相关
全长 1 021 bp, 编码含 228 个氨基酸的蛋白。百合的 LMADS1 基因与拟南芥的 AP3 类基因有高度的序列 同源性, 他们都含有两个保守的结构基元, PI derived motif : YEFRVQPSQPNLH 和 PaleoAP3 mot if: YGSHDLR LA; LMADS1 基 因与水稻 的 B 功能基 因 OsMADS16 的同源性为 70% , 与玉米的 B 功能基因 Silky 的同源 性为 76% , 其中 MADS 盒结构域和 K 盒结构域的同 源性更高。三者都是 AP3 同源物。
花的形成和花器官的发育是显花植物的重要性 状, 对模式植物拟南芥和单子叶模式作物水稻的花 发育 的 分 子 调 控 机 制 研 究 已 取 得 了 重 要 的 成 果[ 5~ 7] 。由于花是百合的重要的经济性状, 对百合 花发育的研究也一直受到人们的关注, 近年来对百 合花发育的分子水平的研究进展迅速, 已克隆了多 个相关的基因( 表 1) , 并进行了功能研究。本文对 部分已克隆的百合花发育相关的基因做一简述。
状, 花器官的发育调控是由一套控制花器官发育的 基因协调控制的。1991 年 Cone 提出了解释花器官 发育的 ABC 模型 [ 8] , 即正常的花器官的发育是受 A, B 和 C 3 类基因控制的, A 功能基因控制花萼的 发育, A 和 B 共同控制花瓣的发育, B 和 C 共同控制 雄蕊的发育, C 功能基因控制雌蕊的发育, A 与 C 功 能基因相互拮抗。在 ABC 模型 的基础上, 又衍生 有 ABCD 模型 或 ABCDE 模型 [ 9, 10] 。D 功能基因 主要与胚珠的发育相关, 而 E 功能基因与花的内三 轮器官的发育都相关。
登录号 Entry code AF50391 3 AY522502
AB0 71378 AB0 71379 AB0 71380 AF11077 9 AY101194
文献 Referen ce
14, 15, 16 17 21 21 23 23 23 24
25, 26
1. 1 花器官发育相关基因的克隆 花的形成和花器官的发育是显花植物的重要性
1 百合的花发育相关的基因的克隆和
功能研究
目前克隆基因的方法有很多, 主要分为 2 类, 对
收稿日期: 2006- 09- 20 作者简介: 杨 梁( 1975- ) , 男, 山东潍坊人, 硕士, 助理研究员, 主要从事十字花科蔬菜育种工作; 陈振德为通讯作者。
82
华北农学报
21 卷
已知基因的克隆常用同源基因克 隆法和筛选文库 通过同源基因克隆或筛选文库的方法得到的, 包括 法; 对新基因的克隆主要包括插入片断标签法和图 与花器官形成相关的基因和受精作用相关的基因等 位克隆法。迄今为止, 在百合上克隆的基因主要是 ( 表 1) 。
YANG Liang1, WANG Ai ju2, TANG Jin fu2, CHEN Zhen de1
( 1 Qingdao Academy of Agricultural Science, Qingdao 266100, China; 2 National Laboratory for Biotechnology of Institute of Genetics and
表 1 部分花发 育相关的百合基因
Tab. 1 Part of genes involved in the development of flowers in lily
基因 Gene
LMADS1 LMADS2 LMADS3 LMADS4 LRDEF LRGL OA LRGL OB LG C LLA_2 3
将含全长的 LMADS2 基因的 cDNA 克隆到双元 载体 pBI 121 中, 转化拟南芥, 转基因植株呈现新的 表型, 新表型与转 35S AGAMOUS 的 植株相似, 即 植株矮小, 开花提前, 同时, 花萼转变成心皮状结构, 花瓣转变成雄蕊状结构。 1. 1. 3 LMADS3 和 LMADS4 基因 根据 ABCDE 模型, E 功能基因在花 的内三轮 器官中表 达, 与花 瓣、雄蕊和雌蕊的发育都相关。在拟南芥、矮牵牛上 都已克隆了 E 功能基因[ 18~ 20] 。拟南芥的 AG 基因 与内三轮器 官的发 育密 切相关, 在 sep1/ sep2/ sep3 的三突变体中, 所有花器官都变成类似花萼的结构, 与 B, C 基因的缺失双突变体的表型一致。
关键词: 百合; MADS box 基因; LGC1 基因; LLA _23 基因; 基因工程 中图分类号: S68 文献标识码: A 文章编号: 1000- 7091( 2006) 增刊- 0081- 05
ResearBaidu Nhomakorabeah Progress of Molecular Biology about Flower Development in Lily
拟南芥的 AP3 基因是典型的 B 功能基因[ 15] , AP3 和 PI 的异源二聚体对于花瓣和雄 蕊的发育起 着决定性的作用。同时, 水稻的 OsMADS16 基因和 玉米的Silky 基因也是重要的 B 功能基因, 由此推测 LMADS1 基因是百合花器官发育的 B 功能基因。实 验也证明了这一点。
华 北 农 学 报 20 06 , 21 ( 增 刊 ) : 81 8 5
百合花发育的分子生物学研究进展
杨 梁1, 王爱菊2, 唐金富2, 陈振德1
( 1. 青岛市农业科学研究院, 山东 青岛 266100; 2. 中科院遗传与发育研究所生物技术重点实验室, 北京 100101)
摘要: 百合是重要的花卉植物, 其花朵硕大, 具有很 高的观 赏价值。由 于百合 的基因 组较大, 对其 分子水 平的研 究较少。近年来对百合花发 育相关的分子生物学研究 进展迅 速, 已 克隆了 多个相 关的基 因, 包 括与花 器官发 育相关 的 MADS box 基因, LGC1 基因, LLA_23 基因等。本文对百合 部分已克隆的与花发育相关的基因做一简述。
用 35S LMADS1 转化拟南芥, 使 LMADS1 基因 在拟南芥中过量表达, 转基因拟南芥的花瓣和雄蕊 变短, 但未发生不同轮器官间的同源异型转换。用 截短的 LMADS1 MADS( 即缺失了 MADS 盒结构域的 LMADS1 基因) 转化拟南芥, 转基因植株产生了类似 于 ap3 突变体的表型, 其中花瓣变为类似于花萼的 结构, 雄蕊转变为类似于心皮的结构。同时, 酵母双 杂交结果表明: LMADS1 MADS 能与拟南 芥的 PI 蛋 白互 作, 表明 百合 中的 LMADS1 基因 与拟 南芥 的 AP3 基因在功能上是对应的; 而且与其他的高等植 物的 B 功能基因相比, LMADS1 MADS 有很强的形成 同源二聚体的能力。其中 LMADS1 的 C- 端对其二 聚体化起重要的作用[ 16] 。 1. 1. 2 LMADS2 基因 D 功能基因是与 C 功能同 源性很 高的基因, 它控制胚珠 的发育。LMADS2 基 因也是 Yang 等在麝香百合中用同源克隆的方法得
Key words: Lily; MADS box genes; LGC1 gene; LLA 23 gene; Gene engineering
百合是单子叶多年生宿根花卉植物, 有 球根花 卉之王 的美誉。由于其基因组较大, 传统的对百合 研究主要集中在其分类学、组织培养和利用传统技 术进行品种培育和改良等方面[ 1, 2] , 而对百合基因 组水平的研究很少。如党本元等曾以王百合( Lili um regale) 为材料建立了快速分离植物单条染色体 及扩增和克隆单染色体 DNA 的方法[ 3] , 构建了单染 色体 DNA 文库, 但未见进一步研究报道。EST( 表达 序列标签, Expressed sequence tags) 是 cDNA 的部分 序列, 可以作为表达的基因的分子标记, 目前在百合 中测定的 EST 序列仅有 140 条。另外, 有研究者已 试图构建百合的遗传图谱, 取得了初步进展[ 4] 。
Abstract:Lily is one of the most important flowering plants, with big flowers and high value for appreciation. Be cause of its big genome, lily is very little studied at molecular level. Recently molecular researches on the development of flowers grow rapidly in lily. Now several genes have been cloned, including some MADS box genes involved in the devel opment of flower organs and other genes as LGC1 , LLA 23 , etc. In this article we make a brief depiction about part of genes cloned in lily.
百合科植 物( 以百合 为代表) 花 的结构 也有 4 轮, 由外向内为花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊。与拟南芥、 水稻等的花器官不同的是, 百合花的花萼和花瓣十 分相似, 合称花被。为解释百合科植物花器官发育 的调控, 在 ABC 模型 的基础上, 1993 年 Tunen 等提 出了修饰的 ABC 模型 [ 11, 12] , 即 B 功能基因不只在 第 2 和第 3 轮器官中表达, 而且在第 1 轮器官中表 达, 这样, 第 1 轮和第 2 轮器官都表达 B 功能基因, 从而有相同的花瓣状结构。
来源 Source
L . longiflorum L . longiflorum L . longiflorum L . longiflorum L . regale L . regale L . regale L . longiflorum L . longiflorum
克隆方法 Clone method
增刊
杨 梁等: 百合花发育的分子生物学研究进展
83
到的[ 17] 。LMADS2 基因也是 MADS 盒基因, 控制百 合花器官中 胚珠的发育, 为 D 功能基 因。LMADS2 基因的 cDNA 全长 105 7 bp, 含一个 ORF ( 开放阅读 框架) , 编码一个含 233 个氨基酸的蛋白。Noethern blot 分析 表明 LMADS2 基因 的表 达仅 存在 于胚珠 中, 在花的其它器官及营养生长的叶片中无表达。
控制植物花器官发育的基因大多都含有一个保
守的 MADS( MCM1, AGAMOUS, DEFICIENS and SRF ) 结构域, 为 MADS box 基因[ 13] 。克隆花器官发育相 关的基因, 对于研究花器官发育和调控的机制并最 终通过基因工程对花的结构进行改造有重要意义。
1. 1. 1 LMADS1 基因 B 功能基因与花的第 2 轮器 官的发育相关。LMADS1 基因是 Yang 等 2001 年以 麝香百合为材料, 通过同源基因克隆的策略克隆得 到的百合的 B 功能基因[ 14] 。LMADS1 基因的 cDNA
同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 同源基因克隆 差异筛选法 文库筛选法
功能 Function
B 功能基因, 与雄蕊和花 瓣发育有关 D 功能基因, 与胚珠发育有关 E 功能基因, 与花的内三 轮器官发育相关 同上 B 功能基因 B 功能基因 B 功能基因 与受精作用相 关基因 干燥相关基因 , 与花粉发育和成熟相关
全长 1 021 bp, 编码含 228 个氨基酸的蛋白。百合的 LMADS1 基因与拟南芥的 AP3 类基因有高度的序列 同源性, 他们都含有两个保守的结构基元, PI derived motif : YEFRVQPSQPNLH 和 PaleoAP3 mot if: YGSHDLR LA; LMADS1 基 因与水稻 的 B 功能基 因 OsMADS16 的同源性为 70% , 与玉米的 B 功能基因 Silky 的同源 性为 76% , 其中 MADS 盒结构域和 K 盒结构域的同 源性更高。三者都是 AP3 同源物。
花的形成和花器官的发育是显花植物的重要性 状, 对模式植物拟南芥和单子叶模式作物水稻的花 发育 的 分 子 调 控 机 制 研 究 已 取 得 了 重 要 的 成 果[ 5~ 7] 。由于花是百合的重要的经济性状, 对百合 花发育的研究也一直受到人们的关注, 近年来对百 合花发育的分子水平的研究进展迅速, 已克隆了多 个相关的基因( 表 1) , 并进行了功能研究。本文对 部分已克隆的百合花发育相关的基因做一简述。
状, 花器官的发育调控是由一套控制花器官发育的 基因协调控制的。1991 年 Cone 提出了解释花器官 发育的 ABC 模型 [ 8] , 即正常的花器官的发育是受 A, B 和 C 3 类基因控制的, A 功能基因控制花萼的 发育, A 和 B 共同控制花瓣的发育, B 和 C 共同控制 雄蕊的发育, C 功能基因控制雌蕊的发育, A 与 C 功 能基因相互拮抗。在 ABC 模型 的基础上, 又衍生 有 ABCD 模型 或 ABCDE 模型 [ 9, 10] 。D 功能基因 主要与胚珠的发育相关, 而 E 功能基因与花的内三 轮器官的发育都相关。
登录号 Entry code AF50391 3 AY522502
AB0 71378 AB0 71379 AB0 71380 AF11077 9 AY101194
文献 Referen ce
14, 15, 16 17 21 21 23 23 23 24
25, 26
1. 1 花器官发育相关基因的克隆 花的形成和花器官的发育是显花植物的重要性
1 百合的花发育相关的基因的克隆和
功能研究
目前克隆基因的方法有很多, 主要分为 2 类, 对
收稿日期: 2006- 09- 20 作者简介: 杨 梁( 1975- ) , 男, 山东潍坊人, 硕士, 助理研究员, 主要从事十字花科蔬菜育种工作; 陈振德为通讯作者。
82
华北农学报
21 卷
已知基因的克隆常用同源基因克 隆法和筛选文库 通过同源基因克隆或筛选文库的方法得到的, 包括 法; 对新基因的克隆主要包括插入片断标签法和图 与花器官形成相关的基因和受精作用相关的基因等 位克隆法。迄今为止, 在百合上克隆的基因主要是 ( 表 1) 。
YANG Liang1, WANG Ai ju2, TANG Jin fu2, CHEN Zhen de1
( 1 Qingdao Academy of Agricultural Science, Qingdao 266100, China; 2 National Laboratory for Biotechnology of Institute of Genetics and
表 1 部分花发 育相关的百合基因
Tab. 1 Part of genes involved in the development of flowers in lily
基因 Gene
LMADS1 LMADS2 LMADS3 LMADS4 LRDEF LRGL OA LRGL OB LG C LLA_2 3
将含全长的 LMADS2 基因的 cDNA 克隆到双元 载体 pBI 121 中, 转化拟南芥, 转基因植株呈现新的 表型, 新表型与转 35S AGAMOUS 的 植株相似, 即 植株矮小, 开花提前, 同时, 花萼转变成心皮状结构, 花瓣转变成雄蕊状结构。 1. 1. 3 LMADS3 和 LMADS4 基因 根据 ABCDE 模型, E 功能基因在花 的内三轮 器官中表 达, 与花 瓣、雄蕊和雌蕊的发育都相关。在拟南芥、矮牵牛上 都已克隆了 E 功能基因[ 18~ 20] 。拟南芥的 AG 基因 与内三轮器 官的发 育密 切相关, 在 sep1/ sep2/ sep3 的三突变体中, 所有花器官都变成类似花萼的结构, 与 B, C 基因的缺失双突变体的表型一致。
关键词: 百合; MADS box 基因; LGC1 基因; LLA _23 基因; 基因工程 中图分类号: S68 文献标识码: A 文章编号: 1000- 7091( 2006) 增刊- 0081- 05
ResearBaidu Nhomakorabeah Progress of Molecular Biology about Flower Development in Lily
拟南芥的 AP3 基因是典型的 B 功能基因[ 15] , AP3 和 PI 的异源二聚体对于花瓣和雄 蕊的发育起 着决定性的作用。同时, 水稻的 OsMADS16 基因和 玉米的Silky 基因也是重要的 B 功能基因, 由此推测 LMADS1 基因是百合花器官发育的 B 功能基因。实 验也证明了这一点。
华 北 农 学 报 20 06 , 21 ( 增 刊 ) : 81 8 5
百合花发育的分子生物学研究进展
杨 梁1, 王爱菊2, 唐金富2, 陈振德1
( 1. 青岛市农业科学研究院, 山东 青岛 266100; 2. 中科院遗传与发育研究所生物技术重点实验室, 北京 100101)
摘要: 百合是重要的花卉植物, 其花朵硕大, 具有很 高的观 赏价值。由 于百合 的基因 组较大, 对其 分子水 平的研 究较少。近年来对百合花发 育相关的分子生物学研究 进展迅 速, 已 克隆了 多个相 关的基 因, 包 括与花 器官发 育相关 的 MADS box 基因, LGC1 基因, LLA_23 基因等。本文对百合 部分已克隆的与花发育相关的基因做一简述。
用 35S LMADS1 转化拟南芥, 使 LMADS1 基因 在拟南芥中过量表达, 转基因拟南芥的花瓣和雄蕊 变短, 但未发生不同轮器官间的同源异型转换。用 截短的 LMADS1 MADS( 即缺失了 MADS 盒结构域的 LMADS1 基因) 转化拟南芥, 转基因植株产生了类似 于 ap3 突变体的表型, 其中花瓣变为类似于花萼的 结构, 雄蕊转变为类似于心皮的结构。同时, 酵母双 杂交结果表明: LMADS1 MADS 能与拟南 芥的 PI 蛋 白互 作, 表明 百合 中的 LMADS1 基因 与拟 南芥 的 AP3 基因在功能上是对应的; 而且与其他的高等植 物的 B 功能基因相比, LMADS1 MADS 有很强的形成 同源二聚体的能力。其中 LMADS1 的 C- 端对其二 聚体化起重要的作用[ 16] 。 1. 1. 2 LMADS2 基因 D 功能基因是与 C 功能同 源性很 高的基因, 它控制胚珠 的发育。LMADS2 基 因也是 Yang 等在麝香百合中用同源克隆的方法得
Key words: Lily; MADS box genes; LGC1 gene; LLA 23 gene; Gene engineering
百合是单子叶多年生宿根花卉植物, 有 球根花 卉之王 的美誉。由于其基因组较大, 传统的对百合 研究主要集中在其分类学、组织培养和利用传统技 术进行品种培育和改良等方面[ 1, 2] , 而对百合基因 组水平的研究很少。如党本元等曾以王百合( Lili um regale) 为材料建立了快速分离植物单条染色体 及扩增和克隆单染色体 DNA 的方法[ 3] , 构建了单染 色体 DNA 文库, 但未见进一步研究报道。EST( 表达 序列标签, Expressed sequence tags) 是 cDNA 的部分 序列, 可以作为表达的基因的分子标记, 目前在百合 中测定的 EST 序列仅有 140 条。另外, 有研究者已 试图构建百合的遗传图谱, 取得了初步进展[ 4] 。