植物发育分子生物学课件.ppt
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- 植物 发育 分子生物学 课件
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1、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。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。花的发端在基因表达调控网络中处于关键阶段。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),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
2、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)使能够开花(花决定)和促进开花促进开花两类。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
3、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。Copyright 2004 American Society of Plant BiologistsBoss,P.K.,et al.Plant Cell 2004;16:S18-S31Resetting,Repression,and Promotion Phases in the Life Cycle Copyright 2004 American Society of Plant BiologistsBoss,P.K.,et al.Plant Ce
4、ll 2004;16:S18-S31Pathways That Enable or Promote the Floral Transition Determine Flowering Time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: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
5、 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。Copyright 2004 American Society of Plant BiologistsBoss,P.K.,et al.Plant Cell 2004;16:S18-S31Pathways That Enable the Floral Transition(From
6、The Plant Cell,Vol.16,S1S17,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。1、自开花调控途径对FLC表达的抑制 抑制FLC表达的基因有FCA、FY、FPA、FVE、LD
7、、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。RNA bindingRNA bindingWW-蛋白结合FCA mRNA前体无活性mRNA活性mRNAFYFY 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
8、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 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
9、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。WD-repeatPPLPPPLPRNA bindingRNA bindingWW-蛋白结合mRNAFCAFY2、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
10、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、十字花科、Poaceae禾本科禾本科、Amaranthaceae 苋科三科植物春化作用机理不同苋科三科植物春化作用机理不同十字花科拟南芥十字花科拟南芥: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。COLDAI
11、R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
12、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
13、和保持大的内含子1已经受春化抑制的效果 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。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 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 都是都是Polycomb c
14、omplex 组成成分,通过染色质修饰,抑组成成分,通过染色质修饰,抑制制FLC的表达。的表达。苋科甜菜苋科甜菜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
15、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: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。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
16、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
17、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(
18、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 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 CRY2TOC1 LHY CCA1GICOFT开花ZTL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 mod
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