植物发育生物学 严海燕

营养生长 生殖生长

生殖发育可以分为三个阶段： 花的发育 配子体的发育和配子形成 传粉受精与合子的形成

第一章 植物花的发育 包括开花决定、花的发端和花器官形成 开花决定过程使营养生长茎端转变形成花序生长顶端（或花生长分生组织）， 由花序生长顶端生长延长形成花序，在花序上的顶端和腋间分生组织形成花分生组织。 花的发端，将未来花器官的各部分预先规划定位。 花的发端在基因表达调控网络中处于关键阶段。 最后定位好的花器官的各部位分别发育形成完整的花器官。

第一节 开花决定 开花决定是在整个生活周期中一系列环境因素和内在因素共同控制的有序的基因表达调控控制下植物营养生长向生殖生长的转变，即茎营养分生组织向花序分生组织的转变。 从种子或幼苗阶段开始，就已经开始了花决定的基因表达调控，春化作用（vernalization）决定开花与否就是一种早期控制花发育的表达调控的例子，营养生长过程中环境中光周期的长短、光质（红外/远红外、蓝光的照射）以及植物内在的因素如赤霉素、碳水化合物代谢等因素都能诱导花的形成。这些内外因素通过开花决定基因的表达调控，诱导花的发端，从而决定开花的时间。

决定开花的途径被Boss等人（plant cell,16:S18）分为使能够开花（花决定）和促进开花两类。 促进开花的途径有光周期、激素、光质、环境温度等，这类途径激活开花基因的表达，被称为综合者（integrator）。 另一类基因通过控制开花抑制基因的表达影响开花，这类基因是enable pathway的基因，它们使开花能够进行。

Resetting, Repression, and Promotion Phases in the Life Cycle Boss, P. K., et al. Plant Cell 2004;16:S18-S31 Copyright ©2004 American Society of Plant Biologists

Pathways That Enable or Promote the Floral Transition Determine Flowering Time Boss, P. K., et al. Plant Cell 2004;16:S18-S31 Copyright ©2004 American Society of Plant Biologists

一、使开花能够进行的途径 指调节与激活开花途径的综合因子（integrator）相佶抗的抑制因子(repressor)的途径，其中包括增强和降低抑制因子的活性调节。 抑制因子：Flowering lotus C（FLC）、Terminal Flower1(TFL1)、Short vegetative phase(SVP)、Target of eat1/2(TOE1/2)， 以及FLC类似基因 FLC 是一个关键的抑制因子 ，FLC 基因编码MADS类型的转录因子，通过抑制FLOWERING LOCUS T(FT) 和SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANTS(SOC1) 而抑制决定花分生组织特性的基因LEAFY(LFY)和APETALA1(AP1)的表达，从而抑制开花 。

Pathways That Enable the Floral Transition Boss, P. K., et al. Plant Cell 2004;16:S18-S31 Copyright ©2004 American Society of Plant Biologists

(From The Plant Cell, Vol. 16, S1–S17, Supplement 2004, Thomas Jack)

co-2、 fca-1、 ga1-3分别是拟南芥影响长日、自控制、以及依赖赤霉素促进的开花途径的突变。三突变体无论在长日还是短日条件下始终没有开花，只有在春化（vernalization）处理下才开花 。在突变体中， FLOWERING LOCUS C （FLC）有很高浓度的积累，说明FLC 是一个关键的抑制因子。

春化作用和自调控途径的一些基因通过不同的分子机制抑制和下调FLC的表达，使开花能够进行。 抑制FLC表达的基因有FCA、 FY、 FPA、 FVE、 LD、 FLD。 FCA 编码含有两个RNA结合位点和C端一个WW蛋白质结合位点的基因，它的转录产物被有选择性地加工剪切成四种可探测到的转录产物，只有一种翻译出有控制开花时间活性的蛋白质。FCA 通过促进在第三个内含子中切断链并进行多聚腺苷酸的修饰，形成一条无活性的转录产物，降低活性产物的量而实现对其本身表达的负调控。FCA的这种负调控需要与其C端WW蛋白质结合位点结合的FY基因蛋白产物的共同作用。 FCA mRNA前体 活性mRNA 无活性mRNA RNA binding WW-蛋白结合 FY

FY 编码一个含WD重复序列、C端含有两个PPLP序列、在真核生物中高度保守的蛋白，它的酵母同源基因Pfs2p编码参与RNA 3’加工的蛋白质复合体的一个必需组分蛋白,因此一个可能的模式是通过FCA 的WW domain 和 FY 的PPLP domain的相互作用把FCA的两个 N-端 RNA 结合区域与3‘端目标RNA结合起来进行作用，FCA pre-mRNA就是一个目标 FCA RNA binding WW-蛋白结合 WD-repeat PPLP FY mRNA FPA 编码一个RNA 结合蛋白， FVE 编码一个含有WD重复序列蛋白，在抑制 FLC 表达方面，它们属于同一个上位效应组。然而它们的作用机制还不清楚。 LUMINIDEPENDENS (LD) 和 FLOWERING LOCUS D (FLD)是另外两个抑制FLC表达的基因。LD也是 RNA结合蛋白，位于核中，可能在核中通过与上述两种蛋白相似的作用对FLC进行RNA加工的调控。而FLD则可能通过对与FLC所在的染色质组蛋白末端脱酰基化阻止 FLC的转录，从而促进开花。

2、春化作用对FLC表达的抑制 春化作用指过冬植物经过冬季的低温逐渐积累某种物质，下调FLC的表达，加速开花的过程。 在一定时间范围内，春化作用的低温处理具有数量累积效应，低温处理的时间越长，开花越早。 低温处理的过程发生在营养生长期间，低温处理的效果不受有丝分裂影响，可以保持到开花。 经过低温处理的枝条剪切插枝后仍能开花。 在种子发育过程中，母体受到的低温处理的春化效果要消除掉，使种子在萌发后重新设置新的低温循环 。 春化作用对FLC的抑制主要通过对覆盖FLC基因的系列染色质H3k9和H3K27修饰

Brassicaceae 十字花科、Poaceae禾本科 、Amaranthaceae 苋科三科植物春化作用机理不同 十字花科拟南芥： 在冬季低温过程中，VIN3和分别在FLC第一个内 含子和3’起始转录的非编码RNA COLDAIR和COOLAIR 转录，VIN3与Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2）复合物结合形成冷专一的复合物PRC2，使FLC沉默。COLDAIR在这个过程中引导PRC2到FLC位点。而PRC2（含VRN2）在FLC位点将H3K27甲基化。VERNALIZATION1(VRN1) 和LIKE-HETEROCHROMATIN PROTEIN1将FLC位点的H3K9甲基化，使FLC沉默稳定。稳定的FLC沉默使FT表达，FT从叶中运输到顶端分生组织，与碱性亮氨酸拉链蛋白FD结合，激活开花同源复合物，促进开花。

VRN1 、VRN2的功能是抑制FLC的转录，它们提供了对春化的记忆 在对春化作用不反应的突变体vrn1 和 vrn2中，FLC RNA 经过低温处理降低了含量，但在后续的温暖温度下的生长过程中，FLC RNA的含量增加，而不是正常的保持低表达。 VRN2 同Suppressor of zeste12 [Su(Z)12] 最为类似，Su(Z)12是 果蝇 (Drosophila )中的polycomb group蛋白,对组蛋白H3上的特定赖氨酸残基进行甲基化，使该组蛋白覆盖的染色质处于沉默表达状态。这与vrn2突变体中FLC 基因内含子1部位的染色质对DNAase I超敏感现象一致，这种敏感性通常与转录活性有关。 春化作用的一些突变导致FLC位点组蛋白赖氨酸-27和-9甲基化的增加和组蛋白乙酰化的减少，这种染色质变化是导致基因沉默的原因。其中受到甲基化组蛋白覆盖的区域包括FLC基因上游启动子调控序列中一个正和一个负调控因子，这个区域具有抑制和保持大的内含子1已经受春化抑制的效果

VRN1 含有两个与DNA序列非专一性结合的B区域，能与DNA在体外非专一地结合。在春化前FLC的表达不受VRN1影响VRN1需要通过春化专一的因子锚定FLC。 VIN3参与建立对FLC的抑制 在春化反应突变体vin3 中， FLC水平在低温下并不降低。 VIN3 编码一个含有植物Homeodomain和一个fibronectin III类的区域（常参与蛋白-蛋白相互作用）,类似动物的Polycomb Repressive Complex2 (PRC2)。 VIN3 低温的晚期表达，在温暖的温度下含量降低。 VRN1、VRN2、VIN3 都是Polycomb complex 组成成分，通过染色质修饰，抑制FLC的表达。

苋科甜菜sugar beets (Beta vulgaris）： 显性BvBTC1植物一年生，隐性BvBTC1两年生。BvBTC1编码假调控因子类似AtPRR3,7。隐性基因导致的两年生植物需要春化作用促进开花。显性BvBTC1在甜菜中与FT家族中抑制因子BvFT1低水平mRNA和引起迅速开花的BvFT2的高水平表达有关，从而造成一年生植物。在未春化的甜菜中，Bvbtc1隐性引起BvFT1高水平mRNA和引起迅速开花的BvFT2的低水平。BvFT1在BvFT2上游，抑制BvFT2的表达。经过低温，Bvbtc1表达，降低BvFT1的表达，使BvFT2得以表达，从而促进开花。

Poaceae禾本科小麦和大麦： 类似AtFLC和BvFT1, VRN2抑制FT从而抑制开花。春化过程中，VRN2表达下降，VRN1表达上升。春化后保持VRN1高水平和 VRN2低水平，使得开花基因得以表达。 因此，春化机理在拟南芥、甜菜和禾本科中各不相同。

3、对FLC促进的基因 Frigida(FRI)是含有两个螺旋-螺旋区域的蛋白，它能促使FLC表达到克服强的长日的促进开花的水平，使拟南芥保持营养状态到冬季结束，成为一年生越冬植物。FRI对FLC表达的促进是定性而不是定量的效果。FRI的多拷贝或过量表达并不能很大程度上增加开花的时间，反之，在活性FRI的存在下，过量额外拷贝或过量表达FLC却延迟开花。FRI的表达不受春化影响 其他上调FLC表达的基因: Early flowering in short days(efs)， early in short days4(esd4)， photoperiod independ early flowering1(pie1)。 ESD4编码一个SUMO引导的蛋白酶，其目标未知。Pie1是类似于ISWI和SWI2/SNF2家族的基因，是依赖于ATP的染色质重建蛋白，抑制FRI和自调控突变体的晚开花。 其他FLC正调控发生在抑制FRI活性水平，具有春化作用独立性（vernalization independence，vip），vip突变体花期比flc还早，且花型异常，说明VIP调控多种基因的表达，包括开花时间基因和花的发育基因。VIP3 编码 富含WD重复序列的蛋白。

不同植物中FLC与开花激活时间可能有不同

二、促进开花的途径

光周期指一天中光/暗循环照明的时间长度。伴随着对季节的适应，植物对光周期（或日长）变化的生物反应称为光周期反应（photoperiod responses） 。 由于植物对环境适应的不同，植物开花需要不同的光周期条件，如长日照植物（Long Day Plants, LDP）、短日照植物(Short Day Plants,SDP)、中性日照植物(Day Neutral Plants)。 生物体内本身都存在类似24小时周期的生理活动，包括代谢、运动等多方面的活动，称为生理节奏（circadian rhythm）。植物中的生理节奏也同样调控生理生化、发育、运动等多方面的活动，包括对光周期的反应。

1、光周期途径 ZTL TOC1 低幅照度蓝光 CRY1 高幅照度红光 PHYB 低幅照度红光或蓝光 PHYA 高幅照度蓝光 CRY2 LHY CCA1 GI CO FT 开花

三种光周期反应模型： 光诱导某种产物积累到一定阈值。触发植物的光周期反应。 外在共发生模型(external coincidence model)，是Erwin Bunning1936年提出的。他假设，对季节反应的时间和日长的测量依赖于生理节律震荡器来控制一些调控分子的水平，它们的活性由光调节。当日照部分与内在分子变化的一定阈值相重合，就触发光周期反应。光具有促进（长日植物）或抑制（短日植物）的作用，同时，也具有建立控制关键调节因子水平的生理节奏相的作用。第二个作用称为Entrainment,即一个生理节奏与另一个周期相似的循环的同步化(synchronization)或调整(adjustment)。例如生理节奏与太阳运动造成的黎明与黄昏的昼夜和温度变化的同步，24小时周期。

内在共发生模型(internal coincidence model)，植物体内两种或更多的节奏在一定光周期下达到重叠，诱导光周期反应。这是1960s Pittendrigh 提出的。在这个模型中，光周期通过调节生物钟，保证两个或更多的生物节律只在诱导性的光周期下重叠，这在某些生物节律的时间以固定的间隔从黎明开始，而另一些从黄昏开始时是可能发生的。

光受体FKF1 蛋白的表达受生物钟调控，在长日和短日下表现出昼夜节律。 FKF1受光调控，长日下增加 CO mRNA 含量。 fkf1 突变体CO RNA水平下降如图中虚线。 实线是野生型植物CO mRNA 水平。 由于蓝光和远红光通过CRY 和PHYA稳定CO，黑暗中CO降解，因此在光下CO 蛋白水平上升。phyB 作用相反，在早晨促进CO降解，因此修饰长日下CO蛋白表达波谱。长日下 phyB 促进CO降解和FKF1 提高CO mRNA水平的综合结果在拟南芥FT形成和开花过程中起重要作用。 FKF1 CDF1 CO CO mRNA

生物钟的分子机理： 拟南芥生物节律震荡器的分子模式 ：生物节律震荡器是由一些生物节律基因组成的互锁的反馈连锁环构成。 在这个生物钟连锁环中， CCA1 (Circadian and clock associated1),LHY(late elongated hypocotyls)), TOC1(Time of cab expression)组成了反馈循环的中心环。 TOC1与ELF4(early flower 4),LUX( LUX arrhythmo),GI(gigantean),ELF3(early flower 3)共同激活CCA1和LHY的表达, 被CK2(casin kinase II)磷酸化的CCA1和LHY抑制TOC1、GI、ELF3、ELF4、LUX的表达，从而完成了一个循环。 白天表达的TOC1基因类似物prr5/7/9的表达受被CK2(casin kinase II)磷酸化的CCA1和LHY的正调控，而这三个基因产物反过来抑制CCA1和LHY的表达，且三个基因需要共同作用。

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生物钟的调控也发生在转录后水平。LHY蛋白酶体降解调控，这与Det1有关。 N- 乙酰基葡萄糖氨基转移酶SPINDKY通过修饰GI影响生物节律。 一个含有PAS/LOV区域， kelch重复序列和F-box的新的基因家族，包括ZEITLUPE(ZTL)、 LOV KELCH PROTEIN2(LKP2)、 FLAVIN binding KELCH REPEAT F-BOX(FKF)在拟南芥生物种途径的蛋白降解起重要作用。LOV区域和趋光素（phototropin）相似，FKF的LOV区域受光激活，限制于光周期的调节。 ZTL的表达在黄昏达到高峰而在黎明降到谷底，在白天发生蛋白酶介导的ZTL降解。F-box通过与目标蛋白专一性结合，并将目标蛋白泛素化而降解。ZTL是SCF的组成成分，结合TOC1进入蛋白降解途径，是TOC1降解的关键成分。而TOC1通过CCA1和LHY的抑制和经ZTL介导的蛋白质降解，是决定节律周期的关键成分。

光质对生物钟的影响： 生物钟的调控受光的调节，首先经过光受体蛋白光敏素（phytochromes，吸收红光/红外光）、 隐花素（cryptochromes，对蓝光/紫外光反应）、趋光素（phototropin）和ZTL/FKF1/LKP2输入光信号,光的质量也通过这些光受体发生作用。 黎明和黄昏都是光调节的信号 ELF3 和TIC(TIME FOR COFFEE)对光的输入进行负调控。 光信号输入被SENSITIVITY TO RED LIGHT REDUCED1(SRR1)正向调控。 一个bHLH（basic helix-loop-helix）转录因子光敏素相互作用因子3(PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR3, PIF3)通过与CCA1和LHY的G-box结合诱导它们的表达。 在酵母中PIF3和TOC1相互作用，因此PIF3是联系光受体和生物钟关键基因表达调控的重要因子。

光敏素B（PHYTOCHROME， PHY）通过其C-端的PAS 重复序列以活性形式与DNA结合的PIF3专一和可逆地结合，表明对光的感受直接调控生理钟的负调控分支。 隐花素（cryptochromes）通过其N端结合的蝶呤（pterin）和黄素发色团（flavin chromophore）感受蓝光/紫外光，通过其C-端使COP1(constitute photomorphogenic 1)失活。 COP1是一般光形态反应的抑制因子。 趋光素的两个PAS/LOV区域结合黄素单核苷酸发色团[flavin mononucleotide(FMN) chromophore],蓝光的吸收触发FMN和PAS/LOV区域的半胱氨酸基团共价结合，诱导构象变化，激活C端Ser/thr激酶活性，启动信号传导系列反应。 Zeitlupe(ZTL),flavin-binding kelch repeat F-box 1(FKF1), LOV kelch protein 2(LKP2)具有共同的结构。其中的F-box收集要进行泛醌化的蛋白，六个kelch 重复序列介导蛋白蛋白之间的相互作用，使蛋白质进行降解。

黄素flavin 蝶呤pterin kinase 黄素单核苷酸发色团FMN FMN 光周期的光受体蛋白的作用和结构

植物的光敏素有五种形式：PHYA、 B、 C、 D、 E。PHYA在光下不稳定，是将远红光与黑暗区别的主要光受体。缺乏PHYA的拟南芥在短日条件下开花延迟。长日植物豌豆中PHYA也有相似的作用。PHYB、D、E在光下稳定，是短日植物水稻的主要光周期光受体。 CO(Constants)基因在介导各种光周期信号包括光质、温度、生理钟到开花时间的调控中起重要作用。 长日植物拟南芥中， CO蛋白激活FT基因，从而促进开花。 CO基因的转录和翻译受到生理钟的调控，而且不稳定。生物钟调控的FKF1控制周期性Dof转录因子(cycling Dof transcription factor 1, CDF1)的稳定性， 而CDF1是CO转录的抑制因子。FKF1可能是蓝光激活，使CDF1降解，CO可以被转录。所以在白天只有在较迟的时候才能积累到足够的转录产物进行翻译。 CRY2和PHYA具有稳定CO的作用。在长日下，由于光照时间长，白天内既有转录产物也有翻译产物，而短日下，白天只有转录产物，翻译产物在黄昏后形成就降解。

拟南芥CO在韧皮部和分生组织表达，通过与14-3-3蛋白的相互作用，促进FT和SOC表达。

短日植物水稻中，CO类似基因HD1对FT类似基因HD3A有抑制子和激活子两种状态。 短日下，活性光敏素促进激活态的转录后修饰的HD1形式形成，保证长夜激活HD1表达，从而诱导开花。 其他植物机理又有不同。(Pharbitis)

韧皮部 筛管 伴胞 CRY2 FT FTIP1 ER 内质网膜蛋白FT结合蛋白 + SAM 茎顶端分生组织 14-3-3 FD1\HD3a (FT) AP1 水稻

生物钟的温度补偿（Temperature compensation）效应： 生物钟内的关键基因GI、CCA1、LHY的作用是温度补偿的分子基础。 高温下TOC1和GI表达量升高、LHY表达量降低，CCA1的表达高温下对温度没有依赖性。TOC1、GI和LHY对高温的反向反应构成了高温下生理钟温度补偿效应。 低温下TOC1表达量变化不大，但在gi突变体中节律周期缩短，成为12小时的周期，同时表达量降低。GI表达量低温下在节律的峰值以外升高，峰值降低，CCA1低温下野生型的表达同样变化不大、但在gi突变体中节律周期缩短，表达量下降。说明GI通过TOC1对LHY和CCA1进行性温度依赖性的调控，这几个基因的共同作用在扩展保持生理节奏正常运行的温度范围中起重要作用。

FLC同样是生物钟中温度补偿的重要元件，在高温下生物钟的温度补偿中起重要作用。高温下FLC 引起周期的延长，由于 LD和LFD基因抑制FLC的表达，突变型ld和fld同样在高温下延长周期，但与flc突变型的共突变就没有周期的变化，说明LD和LFD对周期的影响需要FLC的存在。 FLC作用的目标基因并没有上述提到的生物钟的关键基因。而其下游基因AGL20是一个重要基因。在基因组水平的研究中，132个受FLC调控的基因中，32个基因表达幅度最大，其中MYB类型的调控因子LUX（LUX ARRHYTHMO,also called PHYTOLOCK1）受FLC调控的变化有明显的周期性，并且与生物钟有关，可能在TOC1、LHY和CCA1生物钟循环中起着关闭循环的作用。

2、激素的作用 赤霉素是开花决定过程中的重要激素，促进短日条件下的开花，独立于春化作用，不同于光周期的作用。在一些植物中可以取代春化作用。在长日条件下对开花决定影响较小。GA信号传导途径中的一个成分Flowering promotive factor 1的过量表达和恒定激活GA信号的突变体都能使开花提前。GA合成步骤的第一步突变体，使拟南芥在短日下不开花。对GA不敏感的突变体gai在短日下开花延迟。 开花关键基因LFY8bp的启动子区域是GA信号作用的一个目标，通过增加LFY基因表达促进开花。这种作用与光周期对开花的作用不同。开花途径中其他整合因子SOC1以及FT都受到GA信号途径的调控。 脱落酸抑制开花，其他激素乙烯、菜子甾醇等也对开花有调控作用

第二节 花序(inflorescence)的发育 开花植物中有两种基本花序，有限（determinate）花序和无限(indeterminate)花序（确定的和未确定的）。 在确定花序中，花序分生组织最终转变成花分生组织(floral identity)，成为终端花(terminal flower)结构。 无限花序(indeterminate inflorescence)只形成花序分生组织（inflorescence meristem），花序分生组织只从其外围形成花分生组织（floral meristem）。 植物花序的结构决定于什么时候在植株的什么位置开花 决定花序结构的关键是决定花序分生组织的终端性基因以及分支基因

无限的花序分生组织 金鱼草（Antirrhinum）中的CEN基因和拟南芥的TFL1基因决定无限的花序分生组织向有限条件转变。它们相似。 然而，金鱼草cen突变体开花时间不受影响，拟南芥tfl1开花时间大大减少，说明TFL1还具有别的功能 野生型拟南芥营养生长阶段生长原基以螺旋型形成，叶的节间很短，营养叶成簇生长。受到环境信号的影响后，顶端分生组织转变成花序分生组织，茎间延长（抽薹），此后形成的两、三片叶子的腋间分生组织也成为次生花序（或共生花序coflorescence），叶子上方都形成花。 tfl1突变型与野生型的不同在于它的花序顶端分生组织变成花分生组织，整个花序最多开5个花，营养叶很少。金鱼草cen突变体开花特性除了开花时间外与拟南芥tfl1突变型植株相似。

TFL1/CEN序列比较（From SCIENCE z 275(3):80-83,Carpenter R and Coen E,）

TFL1基因在顶端花序分生组织（图A-I，图B的紫色）、次生花序分生组织（图A-c）的圆形表层下方转录表达。 决定花分生组织的LFY基因在叶腋包被的腋间分生组织表达（图 B，红色部分） tfl1突变体中LFY在花序顶端异位表达（图c紫色）

在长日照处理5天以前，野生型营养叶数目较多，同时TFL1的表达很少，5天以后急剧下降，TFL1的表达增加

野生型和tfl1突变体顶端分生组织在发育过程中的结构变化。数字表示花分生组织的发育阶段 阶段1是花序分生组织，2是同顶端分开，3花萼原基形成，4花萼原基发育，5花萼覆盖分生组织，6花瓣雄蕊原基形成 突变体顶端分生组织成为花，而野生型还是花序分生组织，说明野生型TFL1在花序分生组织形成后具有抑制花在顶端形成、保持花序分生组织状态的功能 TFL1与金鱼草的CEN基因结构相似，且突变体表型相似，表明在植物花序分生组织的终端决定性具有相似的分子机理。

TFL AP1 LFY

有限花序形成的分子机理 lfy wox

UFO类似基因DOT是FM形成的关键