ELF3基因與植物分類系統探討

馮媛媛

摘要：ELF3基因對植物生物鐘的調節具有重要作用，而目前對ELF3基因在各種植物之間的序列與表達的差異還不夠清楚，為此，用擬南芥等植物對該基因及其序列做出了分析。

關鍵詞：ELF3基因;植物分類;進化樹

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.08.096

1節律行為和生物鐘

節律行為或稱周期性行為是行為隨自然因素規律變化呈現的周期性。其特點為隨自然因素變化而有規律的變動，并與生物鐘相關。根據外界環境周期變化的不同因素，生物節律可分為：晝夜節律，與熱、光、溫度、風向晝夜的綜合變化相一致，如：日行性、夜行性、晨昏性、蜜蜂采蜜、果蠅羽化等;月運節律，行為與日月位移引力周期性變化相一致，如：蟻獅滿月時所建沙穴比其他時間更大，磯沙蠶的排卵受精、女性月經周期等;潮汐節律，行為與潮漲潮落的變化相一致，如潮洞帶動物的捕食行為;半月節律，與大潮小潮的規律一致，如銀漢魚的產卵及按蚊羽化的14日規律;季節節律和年節律，其行為與地球繞太陽公轉一圈接受日照的時數相一致，如樹木的生長，動物的季節性繁殖，冬眠以及鳥類的季節性遷徙等。而生物鐘作為一種生物節律的調節機制，被研究得較為廣泛。生物因對晝夜的適應，而產生生理上有周期性波動的內在節奏稱為生物鐘（bological clock），亦稱生理鐘（Physiological clock）。

菜豆葉在不變化條件（微弱光及20度）下的運動如圖1。由此圖1可以看到，在沒有晝夜變化和溫度變化的穩恒條件下，葉子的升起和下降運動的每一個周期接近27小時，由于這個周期并非正好是24小時，而只接近這個數值，因此，這樣的周期叫作近似晝夜節律（Circadian rhythm）。除葉片的感夜運動，還有氣孔開閉、蒸騰速率、細胞分裂等也屬于近似晝夜節律。

生物鐘調控有以下三種特征：

（1）生物鐘調控的周期節律是一個內源機制，并且獨立于外界環境信號的周期性馴化，生物節律一旦被信號引起就在穩恒條件下繼續顯示。如在菜豆葉子的運動中，這個信號就是暗期跟隨著一個光期。節奏開始后，就以大約24小時的節律自由運行。

（2）生物鐘調控的節律可以被周圍環境信號（如：光、照、溫度等）所馴化（Entrainable）進而被重新設定。這有利于生物更好的調節自身而適應環境，在進化上有重要意義。

（3）生物鐘的調控具有溫度補償現象（Temperature compensation）（見圖2）。由于酶的催化反應的速率隨溫度而增加，但每一種酶活性的發揮都有最適溫度范圍，低溫限與高溫限，故在外溫動物和植物中，代謝速率在低溫下是相對較慢的，當環境變溫暖時，代謝速率變化較快。

代謝速率隨溫度增加能夠用溫度系數（Tempreature coefficient，Q10）描述，公式為Q10=t攝氏度體溫時的代謝率/（t-10）攝氏度體溫時的代謝率，其中Q約等于2，其前提是在一定的溫度范圍內，因為過高溫會導致酶失活。但是在生物鐘控制的節律中，該公式并不成立，其Q約等于1，即在一定溫度范圍內節律性可以維持穩定狀態。

以下對植物生理鐘系統的基本模式進行闡述。植物生理鐘系統有三個組分：輸入途徑、中央振蕩器和輸出途徑。輸入途徑起源于外界光信號，以光受體光敏色素和隱花色素為媒介，把光信號從細胞質轉移到細胞核，導入到中央振蕩器。中央振蕩器定位于單個細胞內，調節鐘控基因的表達，控制并產生近似24小時的晝夜節律的振蕩。單個振蕩器控制多個輸出途徑，所以近似晝夜節律表現為多種生理活動。

2植物調控生物鐘的基因簡介

ELF4-ELF3-LUX復合體對植物生物鐘的調節有重要作用。研究表明，缺失ELF4的突變體擬南介植株失去了節律性，且ELF3和LUX對于ELF4的缺失具有補償作用。但也有人預測三種基因中只要有一個突變，就會使植物的生物鐘有所改變。即三個基因中沒有任何單獨的一個基因可以維持生物節律。ELF3是一個被ELF4抑制的基因，需要被信號刺激所激活，比如光照;且當ELF4基因失活時方可表達。ELF4主要分布在細胞核中，ELF3在細胞核、細胞質中均有較廣泛的分布。ELF3是一種蛋白質，具有多種功能，如將生物鐘與光刺激連接 。ELF3的主要作用范圍和ELF4密不可分。此外，該復合體對于具晝夜節律的植物的下胚軸生長有控制作用。

3植物分類系統

這里主要介紹APG分類系統（見圖3）。

被子植物APG分類法是一種對被子植物的現代分類法;與傳統的分類系統如克朗奎斯特系統不同，APG系統是主要依照植物的三個基因組DNA的順序，以親緣分支的方法分類，包括兩個葉綠體和一個核糖體的基因編碼。主要根據分子生物學手段分類。

4MEGA及進化樹

通過ELF3基因可以對植物的親緣關系進行鑒定，然后再與APG分類系統進行比對，得到相關結果。

我們需要在NCBI中找到有關ELF3基因的信息。NCBI（Nationnal center of Biotechnology Information 美國國家生物技術信息中心），其內儲存了大量分子數據。本次研究所用到的程序為BLAST，是NCBI開發的序列相似搜索程序，可以用來鑒別基因和遺傳特點。

得到相關序列信息后，將其輸入MEGA軟件（Molecular Evolutionary Genetics Analysis 分子進化遺傳分析）。該軟件可用于序列比對、制作進化樹等。將各種植物的ELF3基因輸入MEGA制作進化樹，結合APG4系統得到以下結果（圖4）。

（1）參與比對的植物屬于以下幾個目：葡萄目、金虎尾目、豆目、薔薇目、殼斗目、桃金娘目、無患子目、錦葵目、十字花目、石竹目、茄目、唇形目。其中，金虎尾目、豆目、薔薇目、殼斗目屬于豆類植物，桃金娘目、無患子目、錦葵目、十字花目屬于錦葵類植物;茄目、唇形目屬于唇形類植物，葡萄目屬于薔薇類植物，石竹目屬于超菊類植物，與菊類植物為并列關系。而這幾大類植物都屬于核心真葉子植物，這在一定程度上說明了這些植物存在共同祖先，并且ELF3基因的起始進化從核心真雙子葉植物開始。

（2）用ELF3基因制作的進化樹與APG4系統進行比較，發現存在如下差異：

APG4系統中親緣關系較近或較遠的兩科，在進化數中有可能得到不到很好的體現，如：錦葵目（可可）與石竹目（莙荙菜），金虎尾目（胡楊、青楊、麻風樹）與殼斗目（核桃），十字花目（亞麻薺）與桃金娘目（巨桉）等。

（3）分析造成此種差異的原因，有如下可能：

①全基因組測序得到的APG分類系統能更好反映出植物之間的親緣關系遠近，而單純用ELF3基因不能夠全部地說明植物間親緣關系。這就好比全基因組文庫與部分基因組文庫的區別，部分基因組文庫只能提供生物部分基因的序列信息而沒有全基因組文庫信息的覆蓋量大。

②外界因素影響了植物基因的變化。剛才提到這一基因有可能是從核心真雙子葉植物的祖先演變而來的，那么后來基因表達的差異就取決于外界因素，如光照、溫度等。此外，人為的馴化也改變了植物的生物鐘，生物鐘與ELF3基因相互協同，促使ELF3基因的進化。

參考文獻

[1]潘瑞熾，王小菁，李娘輝.植物生理學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]牛翠娟，婁安如，孫儒泳，李慶芬.基礎生態學[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3]陳銘.生物信息學[M].北京：科學出版社，2014.