花发育 张建晴 08级生物基地.

Presentation on theme: "花发育 张建晴 08级生物基地."— Presentation transcript:

1 花发育 张建晴 08级生物基地

2 引言：花在什么时候进化来的? MYBP

3 被子植物花的定义性状 心皮闭合,并着生有胚珠 珠心包被胚囊，双受精后包含二倍体的胚和三倍体的胚乳

4 研究花发育的方式 （1）研究花颜色，对称性，花部数量，授粉机制等的进化上的原因 （2）在细胞，组织类型，形态学和一些物理物理因子
（3）1980s—19990s 分子遗传学 拟南芥和金鱼草

5 花结构的保守性 只有一个例外 在墨西哥热带雨林单子叶植物Lacandonia schismatica 心皮包围中心雄蕊

6 这种保守性说明控制花发育的基本特征的gene regulation network(GRN)模式在被子植物发育早期就已经建立了，而且在花进化的140,000,000年间在大多数种类中保存了下来。
结构限制对此也有重要的作用

7 STRUCTURAL ASPECTS OF ARABIDOPSIS FLOWER DEVELOPMENT
花序分生组织的结构和花分生组织的来源, 由SAM到IM 花器官原基，由IM到FM 花发育的各个时期 各个花器官的发育、形态学和显微解剖学特征

8 由SAM到IM 在抽薹时，Shoot apical meristem(SAM)在侧面产生叶，顶端的SAM产生花。

9 花序包在完全发育的苞片内，而花则对应于退化的苞片内。拟南芥的花芽在退化的苞片的叶腋处形成。

10 膜 本体 SAM SAM外 发育的结构 L1 垂周分裂 表皮细胞 L2 平周分裂 如叶肉细胞，茎的基本组织 L3 垂周分裂和平周分裂同时进行 最内层的组织，维管组织

11 根据细胞密度和细胞分裂速率，SAM也可分为3部分。
CZ包围着干细胞，CZ产生PZ和RZ区的细胞。 RZ区细胞开始为长方形，其长轴与SAM轴垂直，接下来沿SAM轴伸长，这样使茎伸长。 花从PZ区发育而来，由四个所谓的founder cell。但有人通过做同样的实验得出应该有更多的细胞参与花原基的形成。

12 2.2 花器官原基 花原基形成后，细胞按着同心持续分裂并增大形成同心圆结构的一群细胞，形成一个几近球形的原基。
开始的阶段，拟南芥花分生组织形成4层细胞，呈同心圆结构，细胞分裂方式决定于该细胞在分生组织中的径向位置。 而在第6阶段在器官形成时，ABC同源异型基因控制细胞分裂速率和细胞定位，打破了同心圆的连续性，使每个花部的原基出现。 The initiation and identity of floral organs are also regulated by different and largely independent molecular modules. 花瓣转变为类似萼片的结构时，却不能改变在这个部分应该出现的花器官的数量。

13 扇形边界分析（sector boundary analysis）表明：萼片、心皮从8个细胞起源，雄蕊从4个细胞起源，花瓣从2个细胞起源。每个花器官原基细胞被边界区域内一些分裂较慢的细胞分开。

14 2.3 花发育的时间记录 Stage 1 花原基在IM侧面突起； 花原基形成后，细胞分裂速度加快

15 Stage 2：各个方向快速分裂，体积变大，与IM分界明显，与IM几近形成一个直角。

16 Stage 4：花梗继续伸长，花原基半径增大，花萼盖住部分花原基。

17 Stage 6：萼片将花原基完全覆盖，4个长雄蕊突出于FM，2个短雄蕊生长得较慢。花瓣原基仍然相对较小，原因不明。围绕中心的边缘突起，向上生长形成椭圆形的管状物即雌蕊。

18 Stage 7：这个时期开始于在长雄蕊基部有了柄的结构，柄最终成长为花丝。花瓣原基虽然变成为半球形，但仍然相对较小。

19 Stage 8：雄蕊发育的里程碑——花粉室长雄蕊的近轴侧变得可见，这时的雄蕊主要是发育花药，花丝较短，短雄蕊也很快出现花粉室的分割。花瓣原基发育加快。
A slot here

20 Stage 9：以花瓣原基伸长为开端。所有的器官快速伸长特别是花瓣原基，形状似舌头。蜜腺出现。这个阶段花芽仍完全闭合。

21 Stage 11：始于雌蕊柱头出现柱头乳突毛，但一开始的发育仅限于与萼片无关的区域。这个阶段结束时花瓣与中间的雄蕊等高。

22 Stage 12：各种花器官伸长，花药几乎达到成熟的长度，花丝开始伸长，雌蕊上部分化成为花柱与乳突毛部分有明显的界限。本阶段结束时萼片打开。

23 Stage 13：花瓣在萼片间变得可见，雄蕊急剧伸长超过雌蕊，授粉，进行自交。

24 Stage 16：角果长度达到13阶段的两倍，花瓣和萼片开始干枯，角果中组织持续增长。
Stage 19：瓣（valve）开始从干角果中分离出来明显的与开裂区缺少细胞内聚力有关。 Stage 20：瓣开始与干角果分离，成熟的种子准备散播。

25

26 萼片 L1形成表皮细胞，L2形成叶肉细胞，L3细胞形成维管组织；
花萼是所有花器官中出现最早的原基，在Stage 3出现，在此4个萼片是否位于同一轮引发争议。

27 萼片近轴侧和远轴侧细胞表面不一样。 近轴侧细胞形状不规则，有些细胞相当长，而且细胞核大小不一，在边缘上有许多小细胞。 远轴侧细胞有气孔，也可能有不分叉的毛状体。

28 花瓣 同样地，L1形成表皮细胞，L2细胞形成叶肉细胞，但花瓣中没有发现L3细胞形成的部分。
在Stage 5与雄蕊几乎同时出现，一直到Stage 9原基分化才变得明显。4个花瓣均为扁平、白色，大小、形状相同，越接近基部越窄也变得越绿。

29 近轴侧细胞圆锥形，从底部到基部上表皮加厚。
远轴侧较平坦，多呈圆石状，表皮加厚。 两面均没有气孔。花瓣基部和花丝基部细胞很相似。

30 雄蕊 5 7 8 Stage 5出现，是由花原基的L2或L3细胞进行平周分裂发育而来。
在Stage 6变得可见，Stage 7分化可见，长雄蕊在基部有柄出现，包括L1来的表皮，L2来的亚表皮，L3来的中心（core）。 Stage 8出现花粉室，其中的花药发育是由于来源于L2的细胞的平周分裂造成的。 Stage 14花药超过柱头，成熟的花药中L3细胞仅形成脉管系统。四个长雄蕊较两个短雄蕊更先生长。

31 雄蕊包括花丝和花药，花丝顶端发育生殖和非生殖组织产生、贮存或释放花粉粒。花药为两室的纵裂结构。
花药原基形成3层解剖结构完全不同的 细胞，药室内壁，中间层和绒毡层；其中绒毡层细胞包围着花粉母细胞（pollen mother cell,PMCs） 花粉母细胞一旦形成，被一层葡聚糖包围。减数分裂后，花药含有分化的细胞和组织，四分体小孢子在花粉囊中，每个小孢子被葡聚糖包围，葡聚糖分解小孢子释放。

32 雌蕊 拟南芥的雌蕊为两心皮愈合形成，心皮的原基在Stage 6出现，由L3层细胞平周分裂形成。
雌蕊为两瓣，中间由假隔膜分开，假隔膜上着生胚珠，胚珠由隔膜两侧的亲本胎盘组织发育而来。两瓣从花分生组织向上生长形成闭合的圆筒。Stage 8早期圆筒包括L1的表皮，一层L2的亚表皮，两层L3的中心。末端的L2细胞开始平周分裂，形成心皮的纵向生长。不久萼片的中间生长物的内表面会愈合，顶端闭合，胚珠在愈合的壁上的空隙中发育。

33 雌蕊的末端，柱头由乳突细胞构成，在花粉结合和识别中发挥作用，并参与花粉萌发的诱导。萌发后，花粉管在乳突状细胞中生长至花柱中心的传送管（transmitting tube）中，再到子房中的假隔膜中。

34 蜜腺 蜜腺产生并释放花蜜。花蜜是蛋白和糖的混合液，且每种植物的蜜液组成也不相同。
拟南芥中，每朵花中都有蜜腺，包括两部分，分泌腺和连接腺体的组织。 分泌腺在花丝下形成，整个蜜腺统一体围绕雄蕊群。蜜腺位于花的第3层花部，它的位置独立于其他占据这个花部器官。这些腺体在第9到17阶段形成。

35 花发育的分子机制 SAM（shoot apical meristem）的增生和维持 花分生组织特化和决定 花器官的特化：ABC基因

36 SAM的增生和维持 SAM中细胞增生和细胞分化为不同组织之间的平衡依靠由WUSCHEL这个基因调控机制。
功能：含有同源结构域的WUS转录因子能维持CZ组织中心干细胞的身份。 wus突变体缺少干细胞。 调控：表达wus的细胞位于干细胞之下，表达受受体激酶信号系统调控，包括CLV1，2和3的基因产物。

37 一旦clv突变，分化和持续分裂细胞比例不均衡，表达WUS的区域扩大，使干细胞域扩大。
表达区域 主要在L3干细胞中 文中没有提到 三层细胞中均有主要在L1和L2干细胞中 一旦clv突变，分化和持续分裂细胞比例不均衡，表达WUS的区域扩大，使干细胞域扩大。

38 CLV3 is a secreted CLE-domain peptide。 CLV1/CLV2和BAM1/BAM2是含有LRR域的激酶。
WUS CLV3 CLV1/CLV2 BAM1/BAM2 CLV3 is a secreted CLE-domain peptide。 CLV1/CLV2和BAM1/BAM2是含有LRR域的激酶。 BAM1/BAM2是与CLV1相关的蛋白 Possibly founction by sequestering CLV3

39 STM(SHOOT MERISTEMLESS)
STM是另外一个基因，编码的蛋白在SAM中CZ,RZ,和PZ中未发育为原基中的部分，即在分生组织中均表达，除了发育为原基的芽。 功能：促进干细胞产生更多的细胞，使达到一个能够形成叶或花原基临界的细胞质量； 调控：抑制ASYMMETRIC LEAVES1和2（AS1,2）在SAM中的表达，阻止细胞过早分化。 在SAM维持中起到中枢作用。 ULTRAPETALA1(UTL1)编码一个富含半胱氨酸含有一个类似B-box的蛋白，可以限制茎和花分生组织大小。 它与STM和WUS拮抗，但它有一个独立的基因pathway。

40 Floral Meristem Specification and Determination
大量细胞被召集到注定要成为花分生组织的部分 Floral Meristem Specification and Determination CUP-SHAPED -COTYLEDON2 (CUC2)在纬度方向上表达，即围绕原基的四周，在花原基和IM形成第二个分界。 Four founder cells——confocal laser scanning microscopy More founder cells——sector boundary analysis Expressing LFY, some form bract ,some form floral meristem 调节物包括一个miRNA在内。

41 环境信号 花诱导GRN 体内信号 IM genes LFY APETALA1(AP1) FMI genes APETALA2(AP2)
TERMINAL FLOWER 1(TFL1) IM genes EMBRYONIC FLOWER 1 and 2 (EMF1和2) 环境信号 例如：如果TFL1或EMF1或EMF2突变，LFY、AP1同时或者LFY使IM转变为FM 反过来，如果AP1，CAL，LFY被抑制，FM就有了IM 的特征。 花诱导GRN 体内信号 LFY APETALA1(AP1) APETALA2(AP2) CAULIFLOWER(CAL) FMI genes 退化的苞片原基 STM AINTEGUMENTA（ANT） Correlating with

42 TFL1 编码一个磷脂酰基乙醇胺结合蛋白（PEBP） 在IM中心处合成，到AP1和LFY 表达的地方发挥作用，使二者下调（表达量减少）

43 EMF genes 对营养生长有重要作用，但对开花时间和花序发育也有调控作用。
Loss-of-function mutants in these genes produce flowers immediately after germination skipping the vegetative phase EMF1编码一个抑制AP1的蛋白，但对LFY 没有作用 EMF2编码一个异常的锌指蛋白，属于多梳蛋白家族

44 LFY LFY蛋白浓度在FM中一致，很可能是因为它在细胞之间可以移动。
LFY is necessary and sufficient to specify FMI . In lfy mutants, leaves and secondary shoots are produced instead of flowers. LFY overexpression causes the conversion of leaves and axillary meristems to flowers. LFY蛋白浓度在FM中一致，很可能是因为它在细胞之间可以移动。 强烈表达并转化SAM为IM 外部信号 （春化作用和光等） 内部信号 （赤霉素GA）

45 AP1 CAL FUL AP1在建设FM时，与LFY有重叠的功能。 突变基因 AP1 AP1 LFY AP1或LFY过表达 突变性状
有花序特点的茎 几乎把花完全转化为茎 引起终端成为花 CAL： AP1最近的旁系同源基因， FUL: 位于MADS-box系统发育树内相同基因进化分枝上 Acting redundantly to AP1 in FM specification； 突变基因 CAL FUL CAL/AP1 FUL/AP1 CAL/FUL/AP1 性状 Not showing any FMI disorders The ap1 phenotype is greatly intensified。

46 FUL：初期阶段与LFY同时表达，主要位于IM中，在之后的发育过程中对心皮和角果的发育有重要作用
CAL：过表达不能像AP1一样决定IM 说明CAL和AP1使用不同的调节类型 AP1依赖于赖氨酸残基和COOH域，而CAL没有

47 FT： a homolog of TFL1 FD： a bZip transcription factor Paradoxically, during the establishment of the FM, genes like TFL1 and EMF1 that help to maintain the IM identity are also expressed, keeping the expression of the FMI genes out of the IM。

48 Maintainance of determinate floral meristem
lfy-6的杂合体和ag-1的纯合体导致花的reversion。 LFY PERIANTHIA(PAN) KNUCKLES(KNU) WUS Induction AG Positively regulating ULT KNU represses WUS expression to terminate the stem cell niche after a limited number of organs have been formed。

49 AP2 AP2编码了一个假定的植物特异性的转录因子，是植物特异性基因家族中一员。 突变后可加强ap1和lfy的突变表型。

50 与激素的关系 STM能促进cytokinin(CK)的合成和积累，抑制GA产生。
WUS能通过抑制ARABIDOPSIS TYPE A RESPONSE REGULATORS (ARRs)来激活CK。 STM 高CK：auxin 低GA STM CUC 高auxin浓度 低CK：auxin 高GA

51 Specification of Floral Organs: The ABC Genes

52 经典的ABC基因模型 A类基因：AP1, AP2 B类基因: AP3，PI C类基因：AG
A类基因和C类基因间拮抗，B类基因被限制在第二和第三轮花器官中； A类基因也可与B类基因发生作用。 AP1可与AP3结合； AP1可与UFO在花发育早期，在花瓣发育中共同调节B基因，在花发育后期UFO单独调控。

53 WUS AG SEP LFY AP1 UFO AP3 B-box
(UNUSUAL FLORAL ORGANS) WUS AP1 AP3 AG SEP （SEP1，SEP2，SEP3） B-box UFO在第二和第三轮花部中表达； 编码一个含有F-box的蛋白，F-box是E3泛素连接酶的特征，连接酶可标记依赖于蛋白酶体分解的蛋白 UFO和LFY共同作用直接结合在AP3的启动子上，而且由UFO介导的蛋白酶活性是AP3转录活性激活所必需的。

54 Not full conversion of floral organs
A genes AP1 Important for the establishment of sepal and petal identity as well as the FM。 B genes Positive feedback for maintaining Mutation in genes Strong AP1 allele Weaker AP1 allele Phenotype Lacking petals Not full conversion of floral organs

55 AP2 Not MADS-box genes; The expression pattern of AP2 does not correlate with the site where it exerts its function in floral organ identity. miR172 AG whorls 3 and 4 AP2 AP3,PI All whorls 突变后可加强ap1和lfy的突变表型。

56 (EARLY BOLTING IN SHORT DAYS)
B genes AP3 PI The fact that both single mutants yield the same phenotype shows their interdependence. LFY /UFO Flowering signals B genes AP1 EBS (EARLY BOLTING IN SHORT DAYS) FT ANT (AP2 gene family) Repress induce The proteins encoded by these two genes form heterodimers to exert their B function during petal and stamen development. This oligomerization is necessary for them to move into the nucleus.

57 C genes AG Repressors Activators AG
Important for floral meristem determinancy, besides its role in stamen and carpel identity. The regulation of AG has been much studied; at least ten proteins repress and five activate it to maintain its expression in the appropriate whorl . Repressors Activators AP1 and SEP3’s help LEUNIG (LUG)/ SEUSS (SEU) LEUNIG_HOMOLOG (LUH) BELLRINGER (BLR) histone acetyltransferase GCN5 RABBIT EARS (RBE) ANT STERILEAPETALA (SAP) ENHANCER OF AG-4 (HUA) HUA ENHANCER (HEN) AG Post-transcriptional level Second intron

58

59 ABC 基因调节特点 The ABC proteins exert their regulatory function as multimers. Example:In Antirrhinum majus, a ternary complex between A and B function proteins was found to bind CArG DNA boxes more efficiently than single proteins . More specifically, a higher-order complex consisting of SQUAMOSA (SQUA, the AP1 ortholog), DEFICIENS, and GLOBOSA (DEF and GLO are A. majus AP3 and PI orthologues, respectively) bound DNA more efficiently than DEF/GLO or SQUA alone

60 The ABC genes are necessary but not sufficient to determine floral organ identity。
Having no transcription factor founction. AP3 PI (AP3/PI) SEP3/AP1 Founction as a transcription factor.

61 SEP genes(SEP1,SEP2,SEP3) Single sep mutant Triple sep mutants

62 The SEP genes contribute to each floral organ identity.
The quadruple sep1 sep2 sep3 sep4 mutants produce flowers with leaf-like organs in all whorls. SEP genes are expressed in the whole floral meristem during flower development.

63 MADS domain proteins interaction models
There have been four models, and the most plausible is the quartet model. Binding of one dimer within the tetramer to DNA could increase the affinity of the second dimer for local DNA binding. CArG-binding site One of the dimers could function as the activation domain of the tetramer allowing for efficient transcriptional activation。

64 THANKS!!