水稻开花时间决定的光周期途径分子调控机制研究进展(2)

3光周期反应的分子机制

昼夜节律信号的产生,使得下游开花基因得到激活或抑制,进而引起水稻开花或迟花。CO是拟南芥中第1个被发现受昼夜节律调控的开花基因。拟南芥通过对CO基因转录的丰度同CO蛋白的稳定性的调节将光信号同昼夜节律钟统一起来。水稻Hd1、CO的同源基因,作为昼夜节律钟的下游基因,通过同样的方式在整合光信号和节律信号上起着重要作用。Hd1 mRNA的表达不受日长的影响,受到光敏色素的介导。Takeshi Izawa[13]认为Hd1能与光敏色素形成转录复合物或者受到光敏色素的磷酸化;Hd1单独存在时,促进其下游基因FT-like的表达;同光敏色素相互作用时,Hd1作为FT-like的抑制子。在短日条件下,Hd1 mRNA表达的峰值在夜间,而在长日条件下,Hd1 mRNA出现表达的峰值时,正处于光敏期,此时光敏色素同Hd1的作用比短日强,故抑制水稻开花。因此,Hd1是一个双功能基因,短日促进开花,而长日抑制开花。

拟南芥CO受到上游GI的调控,诱导1个编码移动开花信号的成花素基因FT 的表达。FT蛋白移动至茎尖,同由FD基因编码的转录因子相互作用来激活决定花器官特性的基因AP1,诱导拟南芥开花。

OsGI是拟南芥GI基因的水稻同源基因。OsGI mRNA的表达受到昼夜钟的控制,在长日照和短日照条件下,表达模式与CO类似。OsGI过表达,不论在何种日长条件下均能引起水稻开花推迟,说明OsGI是水稻开花的抑制因子,而在拟南芥中,GI促进开花[7]。Hd3a、FT的同源基因,由Hd1调控,同FT蛋白类似,Hd3a蛋白是水稻中的成花素,在叶片中表达,通过韧皮部运输至顶端分生组织,启动开花[14]。FT-like 1(RFT1),是水稻中13个FT-like家族基因中最接近Hd3a的同源基因,能在缺乏Hd3a的时候能促进开花,在短日下作用是冗余的。Reina Komiya 等[15,16]进一步证明,在短日条件下,主要通过Hd3a激活水稻开花。在长日条件下,RFT1则是主要的开花促进因子。Hd3a/RFT1作用于OsMADS14和OsMADS15基因的上游。OsMADS14和OsMADS15基因均为拟南芥AP1基因的同源基因(OsMADS14/RAP1B、OsMADS 15/RAP1A)[15,16]。这些发现表明光周期开花诱导途径GI-CO-FT-AP1和OsGI-Hd1-Hd3a/RFT1-OsMADS14/OsMADS15,在拟南芥和水稻中是保守的,但是在这些长日照植物和短日照植物中,光周期的反应是有区别的。

除去这些保守的开花时间基因的调控,水稻中还发现存在独特的调控因子。Ehd1编码一个B-型反应调节子,在拟南芥中不存在同源基因,能独立于Hd1促进水稻开花,作用于Hd3a、RFT1、部分MADS-box基因的上游[17]。Ghd7编码1个CCT结构域蛋白的基因,同拟南芥没有明显的同源性,是CCT结构域蛋白家族的新

成员。在长日照条件下,Ghd7抑制Ehd1和Hd3a的表达,但是不影响Hd1的转录水平,从而推迟开花[18]。RID1/OsId1/Ehd2,编码1个半胱氨酸-组氨酸锌指基序的转录因子,同玉米ID1同源,而同拟南芥中的ID基因亲缘关系较远,通过上调Ehd1及其下游基因的转录来促进水稻开花转变。其表达不受日长变化的影响,可能独立于昼夜节律的。此外,Ghd7和Hd1可能部分受到RID1/OsId1/Ehd2的控制[19]。

最近的研究表明Ehd1还受到SE5、OsLFL1、OsMADS 50、OsMADS56的调控。SE5编码参与光敏色素发色基团生物合成的酶。在长日条件下,SE5抑制Ehd1,并且可能通过Hd1的表达的调节来产生对光周期的敏感反应[20]。OsLFL1,包含1个假定的B3-DNA结合结构域的转录因子。但OsLFL1本身可能不是一个开花决定基因,只是通过直接结合到Ehd1基因启动子的RY cis元件(CATGCATG)上,抑制Ehd1

的表达来抑制水稻开花[21]。

OsMADS50和OsMADS56同拟南芥SOC1/AGL20高度同源,均受到昼夜节律钟的影响。长日照条件下,OsMADS50促进水稻开花,调控Hd3a和OsMADS1、OsMADS14、OsMADS 15、OsMADS18。但是OsMADS50和OsMADS56在长日照条件下对水稻开花时间的决定作用是相反的,因此OsMADS56是一个开花抑制基因。OsMADS50和OsMADS56会通过相互作用形成复合物,调控共同的下游基因OsLFL1-Ehd1来控制水稻开花,且独立于Hd1、SE5和RID1/OsId1/Ehd2的开花调控。值得注意的是,在拟南芥中,SOC1/AGL20作为CO 的下游基因,而在水稻中OsMADS50和OsMADS56却在开花时间调控网络的上游位置[22]。OsMADS51是另一个重要的MADS-box基因,参与水稻短日照开花调控途径,受到OsGI的调控,作用于Ehd1、Hd3a和OsMADS14的上游[23]。

最近,又有一些新的参与水稻开花时间决定的基因陆续被发现。Soon-Kap Kim等[24]发现1个新型的COL基因,OsCO3,表现出昼夜节律。该基因包含单一的B-box和单一的CCT结构域,该类COL基因在拟南芥中并不存在。在短日照条件下,OsCO3特异地抑制水稻开花,且独立于Hd1、Ehd1、OsMADS50。Dejun Li等[25]报道了1个编码DNA结合单指Dof蛋白OsDof12。他们的研究发现,OsDof12作用独立于Hd1和Ehd1途径。在长日条件下,OsDof12过表达植株中,Hd3a和OsMADS14的表达被显著上调,而在短日条件下却没有作用,说明OsDof12在长日照条件下能特异地促进水稻开花。

4结语

通过反向遗传学手段,已经克隆出许多与水稻光周期成花相关的基因,这为人们在分子水平上了解水稻的光周期开花决定机制提供了直接的证据。通过同拟南芥相应基因的亲缘比较,发现短日照植物水稻和长日照植物拟南芥在进化上存在一定的保守性。但是,在这2种模式生物之间,光周期开花基因还存在一定的种属特异性,这可以认为是一种进化的适应调节。正是这种进化调节,使得拟南芥和水稻对光周期做出不同的反应。尤其是新开花基因的发现,为人们更加全面地研究禾本科植物开花的多样化提供了新的视角。