被子植物MADS-box基因研究進(jìn)展

王鵬洋，付澤元，曲姍姍，梁 源

（東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

MADS-box基因作為重要的調(diào)控基因，在植物生長和發(fā)育的許多方面發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)功能[1]。現(xiàn)如今，已經(jīng)在許多被子植物中發(fā)現(xiàn)數(shù)以百計(jì)的MADS-box基因[2]。MADS-box蛋白作為一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在控制植物開花時間、花器官形成和分生組織特異性等方面的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著關(guān)鍵作用[3]。MADS-box基因還是一類家族基因的總稱，該家族基因在長期進(jìn)化的過程中發(fā)生了不同程度的重復(fù)事件，這就導(dǎo)致了MADS-box基因家族成員具有功能差異，即亞功能化或新功能化[4]。MADS-box基因的名稱是由4個物種的重要轉(zhuǎn)錄因子名字的第1位字母拼接而成，它們分別是：M來源于酵母的MCM1，A為調(diào)控?cái)M南芥花器官形成的AG，D是金魚草的DEF，S是人血清應(yīng)答因子SRF[5]。在被子植物中MADS-box是一個巨大的基因家族，該家族成員分散在被子植物整個基因組中。

1 MADS-box基因的分布

MADS-box基因分布十分廣泛，在植物、動物、微生物中都已經(jīng)有學(xué)者將其克隆出來。在植物中，MADS-box基因遍布整個植物界。在被子植物（如水稻、小麥、玉米等） 單子葉植物和核心雙子葉植物擬南芥中都有大量的分布[6]。在植物生長發(fā)育的不同時期，均有MADS-box家族的基因表達(dá)。在植物不同的部位（如根、莖、葉） 或者作為生殖器官的花、果、種子中，不同的MADS-box基因會有不同的特異性表達(dá)[7]，以實(shí)現(xiàn)特異性的調(diào)控作用。

2 MADS-box蛋白的結(jié)構(gòu)

植物MADS-box基因主要為MIKC型基因，典型的MIKC型MADS-box蛋白有相對保守的結(jié)構(gòu)域，其由 MADS-box（M）、Intervening（I）、K-box（K） 和C-terminal（C） 共 4個部分組成[8]。其中，MADS-box的結(jié)構(gòu)域最為保守，由60多個氨基酸殘基組成，MADS-box具有與特定DNA結(jié)合的活性，同時也在二聚體和輔助因子結(jié)合中發(fā)揮作用；I區(qū)約由35個氨基酸殘基構(gòu)成，可變性較大，為弱保守結(jié)構(gòu)域，是調(diào)控DNA結(jié)合二聚體形成的決定性因素；K-box結(jié)構(gòu)域可以形成參與蛋白二聚化的兩性螺旋，介導(dǎo)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用；C區(qū)位于K-box的下游末端，是最易變的區(qū)域，它參與轉(zhuǎn)錄激活和多轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物的形成[9]。根據(jù)I區(qū)和K-box的不同，MIKC型的MADS-box蛋白可以進(jìn)一步細(xì)分為2類，分別是MIKCC型蛋白和MIKC*型蛋白[10]。MIKCC型蛋白的I結(jié)構(gòu)域其基因僅有一個外顯子；而MIKCC型蛋白的I結(jié)構(gòu)域的基因有4～5個外顯子[11]。

3 MADS-box基因的進(jìn)化

研究表明，MADS-box基因在早先年代只有一個共同的祖先，而MADS-box基因家族中的基因復(fù)制被認(rèn)為是進(jìn)化的關(guān)鍵過程[12]。在基因復(fù)制之后，一個基因可以有幾種不同的命運(yùn)。如果一個基因是完全復(fù)制的，這通常會導(dǎo)致功能冗余。另一方面，一個復(fù)制的基因可以保留祖先的功能，而另一個獲得突變成為偽基因，在這種情況下如果獲得突變的基因是有益的積極突變，就會被自然所選擇，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的新功能；還有一種可能性是，這2個基因都獲得了功能缺失突變，然而突變結(jié)果是2個基因功能互補(bǔ)，2個基因會在長期進(jìn)化的過程中一同保留下來，因?yàn)樗鼈冊谝黄鸩拍軐?shí)現(xiàn)它們唯一祖先的原始功能，這也被稱為復(fù)制-退化-互補(bǔ) （DDC） 模型[13]。以上這些獲得性突變變化分別稱為去功能化、新功能化和亞功能化。不同物種間MADS-box基因家族的大多數(shù)差異也被認(rèn)為是由基因復(fù)制引起的。

4 被子植物MADS-box基因的生物學(xué)功能——ABCDE模型

MADS-box基因在被子植物中是一類有著重要功能的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，尤其在被子植物的花中至關(guān)重要，科學(xué)家對MADS-box基因的功能了解得還不夠多，現(xiàn)在對其研究最完備的功能依然為控制植物花器官的識別和發(fā)育，尤其是在被子植物中雌雄同體的物種中。MADS-box基因通過在花的不同部位、不同時間特異性表達(dá)，控制著開花的時間、花的性別的確立、花器官的形成等重要生理過程。

在雌雄同體被子植物中，花器官的特性是由MADS-box基因編碼的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子控制的，該基因在此作為花器官識別基因，被分為A，B，C，D，E共5類[14]，學(xué)者對控制花器官識別遺傳機(jī)制的詳細(xì)分析提出了ABCDE模型。在該模型中，在花分生組織中表達(dá)不同類別的基因來決定未來形成非生殖器官的萼片（sepals） 或花瓣（petals），還是形成作為生殖器官的雄蕊 （stamens） 或心皮（carpel）。在模式植物擬南芥和其他雌雄同體物種中，共分為4輪，第1輪A類和E類基因可以一起調(diào)控萼片識別；第2輪A類結(jié)合B類和E類基因一起調(diào)控花瓣識別；第3輪B類結(jié)合C類和E類基因可明確識別雄蕊；第4輪C類與D類、E類基因可以明確識別心皮[15-16]。其中，E類基因在每一輪中都有表達(dá)，A類和C類基因的表達(dá)產(chǎn)物相互抑制不能同時共存，A，B，C類基因是該模型中最核心的部分。A類基因主控萼片和花瓣的識別，當(dāng)A類基因失去功能時，失去對C類的抑制效應(yīng)，則C類基因會一反常態(tài)的表達(dá)于第1輪與第 2輪中，第1輪的花器官識別不再是萼片而是心皮，第2輪的花器官識別會由花瓣轉(zhuǎn)化為雄蕊。B類基因主要在花瓣和雄蕊的識別期發(fā)揮作用，如果B類基因失活，第2輪和第3輪就會完全由A和C類控制形成萼片和心皮。C類基因主控雄蕊和心皮的發(fā)育，如果C類基因失去功能無法抑制A類基因在此時表達(dá)，第3輪和第4輪就會生成萼片和花瓣[17-19]。

ABCDE模型見圖1。

圖1 ABCDE模型

MADS-box蛋白能與DNA結(jié)合的能力是其發(fā)揮功能的基礎(chǔ)，以此決定花器官的識別，而蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的能力也可能是花器官形成過程中可能涉及的發(fā)育過程的一部分[20]。MADS-box蛋白早先被認(rèn)為是以二聚體形式存在來調(diào)控靶基因的表達(dá)。如通過酵母雙雜交試驗(yàn)得到，PI能夠與AP3或TM6結(jié)合形成異源二聚體；AG，AP1，AP3和AGL1還可以自二聚。隨著進(jìn)一步研究有學(xué)者提出了四聚體模型，即2組二聚體通過蛋白互作效應(yīng)來組成一個四聚體結(jié)構(gòu)，如在擬南芥中，AtAP1-AtAP1同源二聚體與AtSEP-AtSEP異源二聚體形成四聚體控制萼片的發(fā)育；2個異源二聚體AtAP3-AtPI和At-SEP-AtAP1形成四聚體，決定花瓣的識別；2個異源二聚體AtAP3-AtPI和AtSEP-AtAG形成的四聚體決定雄蕊的形成；AtAG-AtAG和AtSEP-AtSEP的四聚體控制心皮的發(fā)育。ABCDE模型已被成功地用于解釋被子植物中花器官組織的識別，這似乎是一種較為保守的機(jī)制。

5 結(jié)語

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，目前關(guān)于MADS-box基因與花器官識別取得了重要的研究進(jìn)展。因?yàn)榛蛑貜?fù)導(dǎo)致MIKC型MADS-box基因的進(jìn)化，進(jìn)而導(dǎo)致這一類基因去功能化、亞功能化或新功能化。對MADS-box基因研究最多的是在花器官識別方面，在近幾十年內(nèi)，對被子植物中雌雄同株的物種進(jìn)行了研究，指出MADS-box的ABCDE類基因是控制雄雌器官發(fā)育的分子開關(guān)之一；而在雌雄異株物種中，ABCDE基因能調(diào)控單性花的形成過程。隨著研究的深入，由ABCDE引申出的滑動邊界模型和模糊邊界模型還可以解釋裸子植物、單子葉植物等的花發(fā)育過程，這2個模型都表明，這些物種的非常規(guī)花的表型主要是由于A類和C類基因表達(dá)邊界的改變而實(shí)現(xiàn)的。

研究MADS-box基因發(fā)揮功能的分子機(jī)制，對于解釋植物花發(fā)育過程中各種生理生化現(xiàn)象具有重要的研究意義，在未來，可以根據(jù)MADS-box基因在花器官發(fā)育的時間、空間上特異性表達(dá)的特點(diǎn)來對花卉進(jìn)行人工改造；對于有關(guān)于花器官的經(jīng)濟(jì)作物可以大量生產(chǎn)等應(yīng)用，將理論研究置于實(shí)際應(yīng)用中，創(chuàng)造更高的價值。