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摘 要： 摘 要 ：小穗是否正常發(fā)育直接影響水稻的產(chǎn)量和后代繁殖，其發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制一直是作物生殖發(fā)育研究的熱點(diǎn)之一。水稻小穗發(fā)育包括花分生組織命運(yùn)決定及轉(zhuǎn)變、退化穎片和不育外稃的發(fā)育、花器官屬性確立和形態(tài)建成，以及花分生組織終止生長等一系列連續(xù)的
摘 要 ：小穗是否正常發(fā)育直接影響水稻的產(chǎn)量和后代繁殖，其發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制一直是作物生殖發(fā)育研究的熱點(diǎn)之一。水稻小穗發(fā)育包括花分生組織命運(yùn)決定及轉(zhuǎn)變、退化穎片和不育外稃的發(fā)育、花器官屬性確立和形態(tài)建成，以及花分生組織終止生長等一系列連續(xù)的過程。重點(diǎn)介紹近年來國內(nèi)外研究者在四聚體模型、內(nèi)外稃屬性、花分生組織命運(yùn)轉(zhuǎn)變以及小穗發(fā)育的表觀遺傳調(diào)控等方向的最新研究進(jìn)展。
關(guān)鍵詞 ：水稻 ;小穗器官發(fā)生 ;四聚體模型 ;激素 ;表觀遺傳調(diào)控
花器官發(fā)育是植物生命周期中至關(guān)重要的一步，不僅關(guān)系到植物物種的延續(xù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還直接決定種子的形成和農(nóng)作物的產(chǎn)量 [1-2]。因此，花器官發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制一直是植物和作物學(xué)家研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn) [3-6]。經(jīng)典的花器官發(fā)育 ABCDE 模型是建立在對擬南芥、金魚草和矮牽牛的同源異型突變體研究的基礎(chǔ)上提出的，用以闡述花器官屬性建立與發(fā)育的遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制，其主要內(nèi)容為 ： A 類基因單獨(dú)決定最外輪花萼的屬性建立和發(fā)育， A 類和 B 類基因共同控制第二輪花瓣的屬性建立和發(fā)育，B 類和 C 類基因共同決定第三輪雄蕊的屬性建立和發(fā)育，C 類基因控制第四輪心皮的屬性建立和發(fā)育，C 類和 D 類基因冗余決定心皮內(nèi)胚珠的屬性建立和發(fā)育，而 E 類基因確定花屬性并參與每一輪花器官的屬性建立和發(fā)育 [7-8] ( 圖 1)。在該模型中， A 類基因與 C 類基因表達(dá)是相互拮抗的，抑制對方在自身所控區(qū)域的表達(dá) [5]。后續(xù)研究表明，除了 A 類 APETALA2 (AP2) 基因編碼 AP2/EREBP (ethyleneresponsive element binding protein) 轉(zhuǎn)錄因子外 [9]，其他 ABCDE 基因都屬于 MADS-box 家族，編碼 MIKCC 型的 II 類 MADS-box 轉(zhuǎn)錄因子 [10-12]。進(jìn)一步的生物化學(xué)和分子生物學(xué)研究結(jié)果闡明了 ABCDE 模型的分子基礎(chǔ)——花發(fā)育的“四聚體模型”，即花器官發(fā)育過程中，MADS-box 蛋白組合成特異的四聚體來調(diào)控靶基因的表達(dá)，從而調(diào)控各輪花器官的屬性建立和發(fā)育，其中 E 類蛋白在四聚體中具有“膠水”的作用，可以和 A、B、C、D 類蛋白形成不同的四聚體 [8,13]( 圖 1)。上述調(diào)控模型在雙子葉植物研究中被廣泛接受，但相較于雙子葉植物，單子葉植物的花器官不論是形態(tài)還是發(fā)育過程都存在很大的差別，同時單子葉植物外輪花器官的屬性和起源一直存在爭議，與雙子葉植物各輪花器官的對應(yīng)關(guān)系仍無法完全確定 [14-15]。因此，單、雙子葉植物花的發(fā)育過程可能具有不同的分子調(diào)控機(jī)制。近年來，國內(nèi)外科學(xué)家以單子葉植物水稻為模式植物，在水稻等作物小穗器官發(fā)育的研究中取得了長足進(jìn)展，本文就水稻小穗器官發(fā)育分子調(diào)控機(jī)制的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
1 水稻小穗發(fā)育的ABCDE模型及四聚體模型的最新進(jìn)展
小穗是禾本科植物所特有的結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成禾本科花序結(jié)構(gòu)的基本單位，其發(fā)育與產(chǎn)量高低密切相關(guān) [16]。水稻是理想的單子葉模式植物和最重要的糧食作物之一，相較于擬南芥的花，水稻小穗具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，它由兩對穎片 (glume) 和一朵可育小花 (floret) 構(gòu)成。基部一對退化的穎片 (rudimentary glume) 呈高度縮減的葉狀，一對不育外稃 (sterile lemma，或稱為空穎，empty glume) 互生在退化穎片上部 [17-18]( 圖 2)。水稻小花結(jié)構(gòu)呈兩側(cè)對稱，具有數(shù)目特定的五類花器官，由外向內(nèi)依次為一個苞葉狀的外稃，一個內(nèi)稃，第二輪外稃側(cè)的兩個肉質(zhì)或鱗片狀的漿片，第三輪的六枚雄蕊與第四輪的一枚雌蕊 [15-16]( 圖 2)。除了最內(nèi)兩輪生殖器官，其余各非生殖器官的起源與屬性存在爭議，因?yàn)槠湫螒B(tài)不同于雙子葉植物，甚至是其他禾本科植物 [14-15,19]。近年來的研究進(jìn)展為這些爭議提供了新的視角和思路。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，水稻中 B、C、D 類基因的表達(dá)模式和功能在被子植物中，甚至在裸子植物中都是十分保守的 [20-27]。相較于 B、C、D 類基因，被子植物 A 和 E 類基因的功能僅被部分揭示。下文主要對水稻中這兩類基因的最新研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。
1.1 水稻A類基因的最新進(jìn)展
被子植物 A 類基因的概念一直以來存在爭議。 ABCDE 模型的定義是 ：擬南芥的兩個 A 類基因 APETALA1 (AP1) 和 APETALA2 (AP2) 功能缺失后，與之拮抗的 C 類基因異位表達(dá)，在第一、二輪會分別產(chǎn)生異位的心皮和雄蕊。然而受到環(huán)境條件和遺傳背景的影響，二者的功能缺失突變體 ap1 和 ap2 的最外兩輪器官可能發(fā)育成葉狀或苞葉狀的結(jié)構(gòu)，甚至缺失 [28-29]。因此，即使在擬南芥中，A 類基因的功能也未被明確定義。另一方面，在除擬南芥以外的幾乎所有被研究的植物中，科研人員并沒有發(fā)現(xiàn)第一、二輪花器官屬性同時受影響的隱性突變體。因此，A 類基因的界定和功能發(fā)掘等科學(xué)問題仍亟待解決。
由于相關(guān)突變體的缺乏，單子葉植物 A 類基因 AP1/FUL (FRUITFULL) 的同源基因的功能研究進(jìn)展緩慢。水稻基因組中有4個AP1/FUL類基因，分別為 OsMADS14 ( 或 RAP1B)、OsMADS15 ( 或 RAP1A)、 OsMADS18 ( 或 OsMADS28) 和 OsMADS20[30-33]。截至 2010 年，人們僅獲得 OsMADS15 的突變體 dep (degenerative palea) [30]。AP1/FUL 類基因的功能研究在近期取得了突破，Wu 等 [34] 的研究結(jié)果表明， OsMADS14 和 OsMADS15 的表達(dá)受溫度影響。在低溫下 osmads14 的內(nèi)稃變小，漿片同源異型轉(zhuǎn)化為雄蕊狀或紙片狀器官 ;在低溫下 osmads15 的內(nèi)稃也變小，但內(nèi)輪花器官無明顯缺陷。隨后，Wu 等 [34] 對以上突變體進(jìn)行雜交，發(fā)現(xiàn) osmads14 osmads15 雙突變體的花序不能從劍葉中抽出，因此利用雜合雙突變體開展研究。osmads14 osmads15/+ 雜合雙突變體的內(nèi)稃向紙片狀或心皮狀器官轉(zhuǎn)化，漿片向紙片狀或雄蕊狀器官轉(zhuǎn)化。osmads14/+ osmads15 雜合雙突變體的表型更為強(qiáng)烈，莖節(jié)上長出腋芽和根狀器官，花序變短且不能伸出劍葉，退化點(diǎn)上苞葉減少而長出葉，一些小穗甚至轉(zhuǎn)變成幼苗，退化穎片、不育外稃和外稃向葉狀器官轉(zhuǎn)化。這些結(jié)果表明 OsMADS14 和 OsMADS15 不僅決定分生組織屬性，也決定第一輪的內(nèi)稃和第二輪的漿片的屬性。
特異干擾 OsMADS18 僅導(dǎo)致結(jié)實(shí)率稍微下調(diào)，而特異干擾 OsMADS20 不引起任何表型，表明二者可能并不參與花器官屬性的決定 [32,34]。另外，不論在 osmads15 的背景下同時敲除 OsMADS14 和 OsMADS18，還是在野生型中同時干擾 OsMADS14、OsMADS15、 OsMADS18 和 OsMADS20，均能引起相似的花器官缺陷，包括穎片和外稃向葉狀器官轉(zhuǎn)化，內(nèi)稃向心皮狀轉(zhuǎn)化，以及漿片轉(zhuǎn)化成紙片狀或雄蕊狀等。此外，水稻 OsMADS14 和 OsMADS15 能很好地互補(bǔ)擬南芥 ap1 突變體，但僅能使擬南芥 ful 果莢的表型部分恢復(fù) ;OsMADS18 完全不能互補(bǔ) ap1，但能完全恢復(fù) ful 的果莢大小 [34]。因此，上述研究證明 OsMADS14 和 OsMADS15 是水稻中的花同源異型 A 類基因，二者調(diào)控水稻內(nèi)外稃和漿片的屬性建立，在被子植物中具有調(diào)控花分生組織活性和非生殖器官屬性建成這一保守的功能。
1.2 水稻E類基因的最新進(jìn)展
行使 E 類功能的 SEPALLATA (SEP) 類 MADSbox 轉(zhuǎn)錄因子與被子植物和花的出現(xiàn)密切相關(guān) [35-36]。 SEP 亞家族能與其他花同源異型 MADS-box 亞家族形成蛋白復(fù)合體，決定各輪花器官的屬性 [13,37]。在被子植物進(jìn)化過程中，SEP 類基因通過復(fù)制事件產(chǎn)生了兩個主要分支——LOFSEP 分支和 SEP3 分支 [35-36]。在單子葉模式植物水稻中，LOFSEP 分支包含三個基因 OsMADS1、OsMADS5 和 OsMADS34，而 SEP3 分支包括兩個基因 OsMADS7 和 OsMADS8。目前在水稻中已有一些關(guān)于 LOFSEP 基因功能的研究報道 [31,38-46]。我們團(tuán)隊(duì)前期對 OsMADS1 和 OsMADS34 基因的功能及二者的遺傳互作進(jìn)行了研究，揭示了 OsMADS1 與 OsMADS34 在水稻花發(fā)育中的作用，二者共同調(diào)控包括內(nèi)外稃、漿片、雄蕊和雌蕊在內(nèi)的水稻花器官的發(fā)育 [41,44,47]。
Cui 等 [48] 利用 RNAi 技術(shù)將除 OsMADS34 以外的所有水稻 SEP 基因沉默，結(jié)果導(dǎo)致除外稃以外的所有花器官向葉狀器官同源異型轉(zhuǎn)化。但是，水稻 LOFSEP 與 SEP3 分支的特異功能并不明確。研究表明，不管分別或者同時抑制 OsMADS1 和 OsMADS34 都足以引起劇烈的表型 [31,38-40,42,44,48]，暗示水稻中 LOFSEP 類基因存在更多的功能分化。另一方面，前期的研究僅報道一個 OsMADS5 等位突變體具有微弱表型，所以推測該基因在小穗發(fā)育中可能只扮演了次要角色 [39]。
為了深入研究水稻 LOFSEP 分支在小穗屬性建立及形態(tài)建成中的功能，我們構(gòu)建了 osmads1/5/34 (lofsep) 三突變體及所有的雙突變體組合 [49]，發(fā)現(xiàn) lofsep 單、雙、三突變體的小穗呈現(xiàn)出逐漸的、劑量依賴的向葉狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從遺傳和分子水平上揭示了 LOFSEP 基因 OsMADS1、OsMADS5 和 OsMADS34 冗余調(diào)控水稻小穗屬性建立和花分生組織決定性。與雙子葉植物不同的是，在內(nèi)三輪小穗器官發(fā)育過程中，LOFSEP 基因通過對 B、C、AGL6 和 SEP3 類基因的轉(zhuǎn)錄激活來行使調(diào)節(jié)功能。此外，我們的研究還證明 LOFSEP 具有植物 SEP 類蛋白典型又保守的特性 ：可與其他 MADS-box 同源異型蛋白互作形成蛋白復(fù)合體 [49]。這些結(jié)果有助于更好地理解 SEP 類轉(zhuǎn)錄因子在被子植物進(jìn)化過程中的保守性和多樣性。
1.3 水稻ABCDE類蛋白的互作關(guān)系
上述對水稻 SEP 蛋白功能的研究進(jìn)一步暗示，花發(fā)育“四聚體模型”同樣適用于解釋水稻小穗發(fā)育的分子機(jī)制，水稻中甚至可以形成非 MADS 轉(zhuǎn)錄因子的更高階復(fù)合物 [13,50-53]。但是，SEP 蛋白如何特異地在不同花器官發(fā)育時期起到“膠水”的作用，介導(dǎo) A、B、C、D 以及 AGL6 類花同源異型蛋白裝配成各輪花器官屬性決建立特有的 MADSbox 蛋白復(fù)合體仍然缺少深入的研究。Wu 等 [34] 的研究表明，OsMADS14 和 OsMADS15 能分別形成同源二聚體，而 OsMADS18 不能 ;此外，OsMADS14、 OsMADS15 和 OsMADS18 能兩兩形成異源二聚體。 OsMADS1被報道能與OsMADS14和OsMADS15 (A 類 )、OsMADS16 (B 類 )、OsMADS3 和 OsMADS58 (C 類 )、OsMADS13 (D 類 )、OsMADS6 (AGL6 類 )、 OsMADS7 和 OsMADS8 (SEP3 類 ) 互作，以及自身形成較弱的同源二聚體 [41,48,54-55]。OsMADS34 同樣能形成同源二聚體，或與 OsMADS14、OsMADS15、 OsMADS18、OsMADS58、OsMADS6 和 OsMADS17 形成異源二聚體 [43,45]。我們的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn) OsMADS5 與 OsMADS34 具有類似的功能，可與候選的 A、B、C、D、E 和 AGL6 類花同源異型蛋白互作 [49]。水稻 MADS-box 同源異型蛋白的互作關(guān)系總結(jié)于圖 3 [23,32,34,36,41,43,45,48-49,54-59]。由此可見，水稻小穗發(fā)育過程中，MADS-box 蛋白可形成不同階的蛋白復(fù)合體，精確調(diào)控各輪花器官的屬性建立和形態(tài)建成 ( 圖 2)。
1.4 水稻小穗發(fā)育的轉(zhuǎn)錄激活與高階蛋白復(fù)合體模型
基因表達(dá)調(diào)控的時空特異性可能在蛋白四聚合體形成中扮演著重要的角色。擬南芥中的研究結(jié)果顯示，SEP 蛋白很可能會結(jié)合到 B、C 基因的啟動子上，以確保其正確的表達(dá)水平 [60]，但 B、C 類基因在花原基中的表達(dá)模式并不嚴(yán)格依賴于 SEP 的激活 [61]。擬南芥 sep1 sep2 sep4 (lofsep) 三突變中 SEP3 仍在表達(dá)且足以獨(dú)自提供 E 類功能 [62]，暗示 SEP3 并非是 LOFSEP 基因的下游。不同的是，在水稻 lofsep 突變體中，B、C、AGL6 和 SEP3 類基因表達(dá)劇烈下調(diào)，暗示 LOFSEP 基因可能會通過對其他花同源異型 MADS-box 基因的初始激活來調(diào)控花器官的屬性建立與分生組織的決定性 [49]。一種可能的解釋是，其他花同源異型 MADS-box 基因是 LOFSEP蛋白的直接作用靶標(biāo)，但這一猜想的驗(yàn)證有賴于獲得可用于染色質(zhì)免疫共沉淀 (ChIP) 試驗(yàn)的高效抗體。目前已經(jīng)證明水稻 AGL6 類成員之一的 OsMADS17 是 OsMADS1 的直接下游 [41]，為上述猜測提供了部分依據(jù)。但是，LOFSEP 通過怎樣的機(jī)制來激活其他花同源異型基因的表達(dá)仍然是一個值得深入研究的生物學(xué)問題。
擬南芥中的研究結(jié)果表明，SEP-AP1 復(fù)合體是 B、C 功能基因的激活子 [53,63-64] ;通過構(gòu)建 AP1、 CAL、SEP1/2/4 間的高階突變體和過表達(dá) SEP4，進(jìn)一步證實(shí)了擬南芥 LOFSEP 基因確實(shí)是花分生組織屬性的促進(jìn)子 [62]。有意思的是，近期的研究顯示水稻 osmads14 osmads15 雙突變體花器官呈現(xiàn)外輪葉狀苞葉、紙片狀漿片及其他花發(fā)育缺陷，表型與 osmads1-z osmads5-3 osmads34-1 (lofsep) 三突變體非常相似 [34,49]，暗示在內(nèi)三輪小穗器官發(fā)育過程中，水稻 LOFSEP 類和 AP1 類蛋白可能形成復(fù)合體，共同激活 B、C、D、AGL6 和 SEP3 類基因的表達(dá)。這也說明了在內(nèi)輪生殖器官進(jìn)化過程中，禾本科與雙子葉植物存在著十分相似的分子調(diào)控機(jī)制。而在外輪小穗器官 ( 不育外稃、外稃和內(nèi)稃 ) 的發(fā)育中，水稻 LOFSEP 類和 AP1 類基因的功能出現(xiàn)了分化，被招募來特異調(diào)控這些非生殖器官的發(fā)育。水稻的不育外稃、外稃以及內(nèi)稃是單子葉禾本科進(jìn)化產(chǎn)生的，特有地包圍著花的苞葉類器官，下文將對其屬性和發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制進(jìn)展進(jìn)行概述。
相關(guān)期刊推薦：《中國水稻科學(xué)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年，是由中國水稻研究所主辦的學(xué)術(shù)性季刊。主要報道以水稻為研究對象的未經(jīng)發(fā)表的原始論文。所設(shè)欄目包括研究報告、研究簡報、研究快報、研究簡訊、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、學(xué)術(shù)專論、文獻(xiàn)綜述等。有投稿需求的，可以直接與在線編輯聯(lián)系。
2 水稻不育外稃的屬性及發(fā)育調(diào)控機(jī)制
不育外稃是僅存于稻屬，而不存在于其他禾本科中的一個特有結(jié)構(gòu) [65]，關(guān)于不育外稃的起源存在諸多猜測 [18-19,66]。其中，被廣泛認(rèn)可的是“三花小穗” 假說，該觀點(diǎn)認(rèn)為水稻小穗可能是由三朵小花退化而來，水稻祖先的小穗包括一朵可育的頂生花以及兩朵側(cè)生小花，在進(jìn)化過程中兩朵側(cè)生小花的外稃退化成不育外稃，其內(nèi)稃和內(nèi)輪生殖器官則完全消失 [18,67]。近年來的多篇報道為這一猜想提供了直接的理論依據(jù)。
G1/ELE (LONG STERILE LEMMA/ELONGATED EMPTY GLUME) 編碼陸生植物所特有的 ALOG (ARABIDOPSIS LSH1 AND ORYZA G1) 類蛋白，G1 功能缺失會導(dǎo)致不育外稃延長、向外稃狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，表明不育外稃可能是由外稃退化而來 [68]。OsMADS34/ PAP2 (PANICLE PHYTOMER2) 也是決定不育外稃屬性的基因，突變后不育外稃的表型與 g1/ele 類似 [42,44-45]。G1/ELE 與 OsMADS34 同時突變后，與各 單 突 變 相 比， 不 育 外 稃 變 得 更 長 更 寬， 且 OsMADS34 與 G1/ELE 互不影響對方表達(dá)，揭示 G1/ELE 與 OsMADS34 協(xié)同調(diào)控水稻不育外稃的形態(tài)建成 [69]。表達(dá)模式分析表明，在野生型水稻不育外稃中檢測不到 OsMADS1 的表達(dá)，而 OsMADS5 與 OsMADS34 均在不育外稃原基及成熟的不育外稃中表達(dá) [49]。OsMADS34 通過直接或間接抑制外稃屬性基因來調(diào)控不育外稃發(fā)育 [46]。OsMADS34 可能在不育外稃發(fā)育過程中抑制外稃屬性基因 OsMADS1 的表達(dá)，而異位表達(dá) OsMADS1 能產(chǎn)生外稃狀的不育外稃 [38,70]。OsMADS5 與 OsMADS34 同時突變后，不育外稃表現(xiàn)出較單突變程度更深的像外稃狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，其長度和維管束數(shù)目均顯著增加 [49]，揭示了 OsMADS5 與 OsMADS34 在不育外稃屬性決定中的冗余作用，同時暗示不育外稃起源于外稃。
LF1 (LATERAL FLORETS 1)編碼HD-ZIP III (CLASS III HOMEODOMAIN-LEUCINNE ZIPPER) 轉(zhuǎn)錄因子，其表達(dá)受 miRNA165/166 調(diào)控。在 miRNA165/166 靶序列上發(fā)生突變后，不育外稃處會長出 1~2 朵包含內(nèi)輪花器官的側(cè)生小花。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，LF1 可通過直接激活分生組織維持基因 OSH1 (ORYZA SATIVA HOMEOBOX 1) 的異位表達(dá)來促進(jìn)側(cè)生花分生組織的起始，證明 miRNA165/166–LF1–OSH1 途徑在誘導(dǎo)側(cè)生小花形成中具有重要調(diào)控作用 [71]。該研究為“三花小穗”假想提供了強(qiáng)有力的分子和遺傳證據(jù)。然而，lf1 突變體額外的側(cè)生小花中并沒有外稃這一結(jié)構(gòu)，僅存在內(nèi)稃、漿片、雄蕊和雌蕊等花器官 [71]，表明在 lf1 突變體中，不育外稃并不能回復(fù)成外稃類器官，而上述 g1/ele、osmads34 等突變體的不育外稃卻能夠回復(fù)為外稃狀器官。這一差異可能是由于稻屬植物從“三花”到“一花”的進(jìn)化中，外稃向不育外稃退化的過程由上述 G1/ELE、 OsMADS34、OsMADS5 等基因調(diào)控，而其余花器官的退化則受到 miRNA165/166–LF1–OSH1 途徑調(diào)控;這也暗示了水稻內(nèi)、外稃的屬性是不同的，外稃和不育外稃可能只是外輪苞葉類器官，內(nèi)稃才是第一輪花器官。進(jìn)一步分析相關(guān)高階突變體的表型將為該方向的研究提供新的證據(jù)。