跳到主要内容gydF4y2Ba

b类MADS-box基因对光周期变化的响应与花的裂花和闭锁花发育有关gydF4y2Ba中提琴philippicagydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

背景gydF4y2Ba

一些植物发展出一种繁殖系统,既能产生交配花(CH)又能产生闭锁花(CL)。然而,潜在的分子机制仍然难以捉摸。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

在本研究中,我们观察到gydF4y2Ba中提琴philippicagydF4y2Ba在较短的日照条件下形成CH花,而延长的光周期诱导形成中间CL和CL花。在长时间的光照下,花瓣和雄蕊的数量和大小均低于正常发育的CH花,至少14小时的光照诱导出没有花瓣的完整CL花,但发育出两个雄蕊,育性降低。花ABC模型表明,b类MADS-box基因在很大程度上影响了受影响的双轮花器官的发育;因此,我们重点研究了这些基因的特征gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba来理解这种特殊的发展转变。分离出3个这样的基因,分别命名为gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba.这些基因在花的发育过程中(特别是在花瓣和雄蕊中)有差异表达,在CH花中表达量最高;在中度花中含量极低,在中度花中含量最低。观察到的花诱导和器官发生后表达水平的变化明显是对光周期变化的响应。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

因此,花瓣和雄蕊发育受到抑制可能是由于长时间光照下调了b类MADS-box基因的表达,从而诱导了CL花的产生。我们的工作有助于理解植物中二态花的适应性进化形成。gydF4y2Ba

背景gydF4y2Ba

花通常由四种器官组成:萼片、花瓣、雄蕊和心皮,它们从花的外部延伸到花的中心。花发育的ABC模型解释了三个主要功能类基因(A-、B-和c -类)如何指定四种花器官类型的身份。a级单独控制萼片,a级与b级组合控制花瓣,b级与c级组合控制雄蕊,c级单独控制心皮[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。一对MADS-box基因gydF4y2BaAPETALA3gydF4y2Ba(gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba),gydF4y2BaPISTILLATAgydF4y2Ba(gydF4y2BaπgydF4y2Ba)gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba,gydF4y2BaDEFICIENSgydF4y2Ba(gydF4y2BaDEFgydF4y2Ba),gydF4y2BaGLOBOSAgydF4y2Ba(gydF4y2Ba如果留意gydF4y2Ba)gydF4y2Ba金鱼草majusgydF4y2Ba,编码b函数活动[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。基因突变gydF4y2BaAP3 / DEFgydF4y2Ba或gydF4y2BaπgydF4y2Ba/gydF4y2Ba如果留意gydF4y2Ba基因导致了相似的表型变异,其中花瓣转化为萼片,雄蕊转化为心皮[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。b类世系在一些核心花冠上明显经历了复制和随后的功能分化,可能在进化过程中发挥了花形态多样化的作用[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。例如,在茄科和豆科植物中gydF4y2BaπgydF4y2Ba血统复制成两个gydF4y2Ba如果留意gydF4y2Ba类基因(gydF4y2BaGLO1gydF4y2Ba和gydF4y2BaGLO2gydF4y2Ba),以及gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba世系经历了一个复制事件的核心euudicots的基础,产生了两个gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba像谱系称为gydF4y2BaeuAP3gydF4y2Ba和gydF4y2BapaleoAP3gydF4y2Ba基因(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。的gydF4y2BaeuAP3gydF4y2Ba基因包括gydF4y2BaAP3 / DEFgydF4y2Ba,以及gydF4y2BapaleoAP3gydF4y2Ba类型基因被命名为gydF4y2Ba番茄狂箱基因6gydF4y2Ba(gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba)基因,在第一个分离的成员之后gydF4y2Ba茄属植物lycopersicumgydF4y2Ba[gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。虽然这些副同源基因部分是多余的,但它们在很大程度上促进了雄蕊和花瓣的发育。有趣的是,gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba世袭随后在gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba和gydF4y2Ba金鱼草属植物gydF4y2Ba[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。相比之下,gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba世系曾在木瓜中丢失,现在只含有gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。这些结果表明,有可能保留其中一种或两种gydF4y2BaAP3 / TM6gydF4y2Ba对偶,仍开花[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

b类MADS-box基因不仅参与花瓣和雄蕊器官特性的规范,还参与器官成熟的控制。击倒gydF4y2BaAP3 /πgydF4y2Ba在中间阶段(8-10阶段)gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba花诱导花瓣到萼片的转变,逐渐发生在连续的芽中。然而,虽然这些花的雄蕊保留了它们的特性,但它们变得越来越不发达,不开裂花粉[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。毛茛科(毛茛科)中独立花瓣的丢失与单个花器官身份基因表达的减少或消除密切相关,gydF4y2BaAP3-3gydF4y2Ba[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]。在水稻中,b类MADS-box基因,gydF4y2BaSUPERWOMAN1gydF4y2Ba(gydF4y2BaSPW1gydF4y2Ba),表示叶柄(相当于花瓣)和雄蕊的身份。这得到了对该基因突变体的观察的支持,gydF4y2Basuperwoman1-cleistogamygydF4y2Ba(gydF4y2Baspw1-clsgydF4y2Ba),在正常雄蕊中,叶柄同源地转变为叶柄-颖片镶嵌器官,从而产生闭锁交配[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。表型效应观察到的下调gydF4y2Ba截叶苜蓿TM6gydF4y2Ba(gydF4y2BaMtTM6gydF4y2Ba)的活性包括花瓣形状的改变,以及一些雄蕊分化成花丝和花药不能产生花粉粒[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。此外,也要严厉下调gydF4y2BaPhysalis floridana GLO2gydF4y2Ba(gydF4y2BaPFGLO2gydF4y2Ba)或gydF4y2Ba佛罗里达酸浆草TM6gydF4y2Ba(gydF4y2BaPFTM6gydF4y2Ba)只会导致花粉成熟不良[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

几种植物,包括属中的大多数种gydF4y2Ba中提琴gydF4y2Ba堇菜科是二形态的闭锁交配植物,既能开出开放的潜在异交花,又能开出封闭的自交花[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。有两个例子gydF4y2Ba中提琴odoratagydF4y2Ba[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba29gydF4y2Ba),gydF4y2Ba诉下毛竹gydF4y2Ba[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。开放的花也被称为交配花(CH),而闭合的花被称为闭锁花(CL)gydF4y2Ba.gydF4y2BaCL花的生产成本可能更低,从而产生更多的资源用于种子生产和破坏局部适应的基因复合体。另一方面,CH花产生遗传变异的后代,在空间或时间的异质生境中受到青睐[gydF4y2Ba31gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。因此,当每一种花都生长在最适合它的环境中时,二态花在同一事件中的进化就会表现出最高的适应度[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]gydF4y2Ba.gydF4y2Ba与CH花相比,CL花瓣发育不全,功能雄蕊变小,数量减少。此外,gydF4y2Ba诉odoratagydF4y2BaCH花因日光较短而形成,而CL花则因日光较长而出现[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba29gydF4y2Ba]。在gydF4y2Ba诉下毛竹gydF4y2Ba,赤霉素20氧化酶的同源基因(gydF4y2BaVGA20oxgydF4y2Ba)和赤霉素3氧化酶(gydF4y2BaVGA3oxgydF4y2Ba)在CH花中比CL花中表达上调,从而表明赤霉素(GA)在花型差异产生中起作用[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。然而,这种发育转变背后的分子机制在很大程度上尚不清楚gydF4y2Ba中提琴gydF4y2Ba.在本研究中,我们揭示了花瓣和雄蕊的发育变化,花瓣和雄蕊是影响二异型花形成的主要花器官gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba在不同光周期下。此外,我们还研究了b类MADS-box基因在CH-CL育种体系发展中的潜在作用。克隆了3个b类MADS-box基因,命名为gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba.我们确定了这些基因在不同光周期下花发育后期的差异表达与CH和CL花的发育相关,从而为植物二态花的发育和进化提供了新的见解。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

不同类型的花形态gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba

诉philippicagydF4y2Ba可以同时开出CH和CL花,尽管CL花大约比CH花小5 - 6倍(图2)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba).CH花有五个大而艳丽的花瓣,最底部的花瓣在基部略微突出成一个距,五个雄蕊围绕着雌蕊形成一个锥体。每个雄蕊有四个花粉囊,最低的两个雄蕊有明显的花蜜腺附着在它们上面。gydF4y2Ba1a d g jgydF4y2Ba).CL花有两个雄蕊,没有花蜜腺,每个雄蕊有两个花粉囊,五个花瓣都没有发育。gydF4y2Ba1b e h jgydF4y2Ba).在一定条件下,可发育出中间花,且表现出不同的特征。典型的观察结果是:有一到三个发育不良的花瓣,两到五个发达的雄蕊,每个雄蕊有两到四个花粉囊,但没有花蜜腺(图5)。gydF4y2Ba1c f i和jgydF4y2Ba).在极端情况下,inCL花中少数发育不良的雄蕊只有一个花粉囊,甚至没有花粉囊,只有一个膜性附属物(图2)。gydF4y2Ba1i和jgydF4y2Ba).此外,我们发现CH花的雄蕊长、花药长、雌蕊长、下瓣长和宽度均显著大于CL和inCL花。相反,CL和inCL雄蕊的花丝与CH花的花丝相比明显,这是无法检测到的。gydF4y2Ba1d e f kgydF4y2Ba).在CH-CL转化过程中未观察到花器官的同源性。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

不同光周期下的花形态变化gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.gydF4y2Ba一个gydF4y2BaCH花。gydF4y2BabgydF4y2BaCL花。gydF4y2BacgydF4y2Ba包括花。gydF4y2BadgydF4y2BaCH花雄蕊。五雄蕊发育有看不见的花丝,显示不同的花蜜腺。gydF4y2BaegydF4y2BaCL花雄蕊。只有两个雄蕊有可见的花丝发育。gydF4y2BafgydF4y2Ba包括花蕊。3到5个雄蕊发育,可见花丝。g -gydF4y2Ba我gydF4y2Ba花的横截面。gydF4y2BaggydF4y2BaCH花。观察到五个雄蕊和五个花瓣。每个雄蕊有四个花粉囊。gydF4y2BahgydF4y2BaCL花。两个雄蕊,没有发现花瓣。每个雄蕊有两个花粉囊。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba包括鲜花。这些花有两到三个花瓣,两到五个雄蕊。每个雄蕊有0到4个花粉囊。部分雄蕊的小孢子发生受到抑制。Bars = 500 um (gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba).Bars = 200 um (gydF4y2BaggydF4y2Ba和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba), 100 um (gydF4y2BahgydF4y2Ba).se,萼片;体育,花瓣;苏,刺激;圣,雄蕊;ca,心皮;一个花药;Sc,雄蕊帽;fi,灯丝;Ne,蜜腺。gydF4y2BajgydF4y2Ba花器官数量的变化gydF4y2BakgydF4y2Ba花器官大小的变化。测量雄蕊(St)、花药(An)、花丝(Fi)、下花瓣(LpeL)和雌蕊(Pi)的长度和下花瓣(LpeW)的宽度。gydF4y2BalgydF4y2Ba不同光周期下CH-CL花的转变。提供了标准误差,小写字母(a, b和c)表示显著差异(gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.05)gydF4y2Ba

光周期影响花的发育gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba

在自然条件下,gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2BaCH花在早春发育完全,CH和inCL花在春末和秋末发育混花,CL花在夏秋初秋发育完全gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba可能是由光周期调节的。因此,我们设置了5个光周期(8小时、10小时、12小时、14小时和16小时日光)来检验这一假设。结果表明,在这种条件下,三种类型的花发育。完整的CL花在长日照(14和16小时日照)下形成,而CH花在8小时日照下发育。光照10 ~ 12 h时,CH和inCL花同时发育,花芽中90%为CH花。随着光周期的延长,CH/inCL + CLratio显著降低(图。gydF4y2Ba1 lgydF4y2Ba),表明CL花的发育是由长日照诱导的。因此,不同的光周期可能会影响花瓣和雄蕊的发育,从而调节不同类型花形态的形成gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.为了进一步了解这种形成,我们接下来研究了花器官的起始过程。gydF4y2Ba

植物不同花型的器官发生发育gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba

诉philippicagydF4y2Ba多年生植物是否具有(2 + 3)分叶状芽系统,类似于gydF4y2Ba诉odoratagydF4y2Ba[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。根据叶向性的位置,通过一系列的标志性事件和扫描电子显微镜的观察,大致确定了花的五个发育阶段。总的来说,靠近中央嫩叶的花芽相对较年轻。对比描述了短日照条件下的CH花和长日照和过渡日照条件下CL和inCL花的花发育情况。第一个阶段是花分生组织的形成,第二个阶段是花器官的发生。在花分生组织中,CH的花器官原基为四旋体,inCL和CL花的花器官原基为四旋体,表明这三种花的第一阶段和第二阶段没有明显差异(图2)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BafgydF4y2Ba,gydF4y2BaggydF4y2Ba,gydF4y2BakgydF4y2Ba,gydF4y2BalgydF4y2Ba).然而,在第三阶段,经过四轮器官原基形成后,CH花有5个明显的花瓣和雄蕊,而CL花有2个雄蕊,其他雄蕊和所有花瓣只有器官原基结构(图2)。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba和gydF4y2Ba米gydF4y2Ba).在inCL花中,有2 ~ 5个雄蕊,至少下部花瓣发育不良。gydF4y2Ba2 hgydF4y2Ba).第四阶段(图;gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,gydF4y2BangydF4y2Ba), CH花的四轮花器官继续发育,花柱高于雄蕊。CL和inCL花的花柱开始向两个发育完全的雄蕊弯曲。在第五阶段(图;gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba,gydF4y2BajgydF4y2Ba,gydF4y2BaogydF4y2Ba)时,两雄蕊基部的花腺开始出现。inCL花的下部花瓣、侧花瓣或其他雄蕊在一定程度上发育不良,后来变得更加明显,而CL花的5个花瓣和其他3个雄蕊(除了两个大雄蕊)仍保持器官原始状态(图2)。gydF4y2Ba2 jgydF4y2Ba和gydF4y2BaogydF4y2Ba).CL和inCL雄蕊的花丝变得相对明显。gydF4y2Ba2 jgydF4y2Ba和gydF4y2BaogydF4y2Ba).3个雄蕊和所有花瓣的发育被完全阻止,这些花器官在长日照条件下发育的CL花中仍然作为原基。这些对比观察表明,CH和CL花的早期花发育无明显差异,而形态分化导致花的二态化发生在第3期。这种差异主要是由于光周期延长导致花瓣和雄蕊发育受阻。由于ch - inclc - cl花的转变在一定程度上抑制了花瓣和雄蕊的生长和分化gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba随着光周期的延长,我们接下来研究了b类MADS-box基因在这些双轮花器官发育中的作用。gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

花的开始、器官发生和发育gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2BaCH花。gydF4y2BafgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BajgydF4y2Ba包括鲜花。gydF4y2BakgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaogydF4y2BaCL花。扫描电镜(SEM)分析显示,花的诱导和发育大致分为五个阶段(阶段1至5)。se,萼片;体育,花瓣;圣,雄蕊;ne花蜜;π,雌蕊;fi,灯丝;Fm,花分生组织。Bars = 50 um (gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba,gydF4y2BafgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BajgydF4y2Ba,gydF4y2BakgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaogydF4y2Ba)及500 um (gydF4y2BaegydF4y2Ba)gydF4y2Ba

植物b类MADS-box基因的分离与测序分析gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba

利用同源片段扩增和cDNA末端快速扩增(RACE)相结合的方法,我们获得了这三个基因的cDNA,作为两者的假定成员gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba- - -gydF4y2BaπgydF4y2Ba- MADS-box基因谱系。这两个谱系基因通常在c末端区域末端有一个古ap3、euAP3或PI基序[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。BLAST分析发现gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba在氨基酸水平上与推定的同源同源序列最高(66.8%和64.6%)gydF4y2Ba佩妮gydF4y2BaTM6蛋白(附加文件gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S1),表明这些是gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba类基因,因此被指定为gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-2。gydF4y2Ba的开放阅读框(ORF)gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba基因长度分别为693 bp和687 bp,分别编码230和228个氨基酸长度的预测多肽。在这两个cDNA序列之间观察到包括41个核苷酸改变位置在内的Indels和单核苷酸多态性(SNPs),导致19个氨基酸取代(图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba).此外,这两个平行序列在氨基酸水平上有92.6%的序列相同(附加文件)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S1)。mads结构域蛋白的四个结构域(M、I、K和C)在dna结合和蛋白-蛋白相互作用中起着至关重要的作用[gydF4y2Ba35gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。在假设的VpTM6蛋白的每个结构域中观察到2 ~ 10个氨基酸取代的分布,包括缺失(图5)。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba).与VpTM6-1相比,VpTM6-2中的大多数氨基酸取代具有不同的性质,其中两种(K66M和S63_T64insYV)被预测在功能上是有害的(图6-2)。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba;额外的文件gydF4y2Ba2gydF4y2Ba:表S2)。因此,这些差异表明两个副本的功能差异。这两个基因的多序列比对,以及一些先前功能推断的代表gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba像基因一样,表明这两个gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba副同源基因有一个gydF4y2BapaleoAP3gydF4y2Ba主题而不是gydF4y2BaeuAP3gydF4y2Bamotif在c端端(附加文件gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba:图S1a),进一步表明这些都是假定的gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba直接同源。采用邻居连接(NJ)方法的系统发育分析进一步表明,这两个gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba副同源基因与先前报道的一样被归为一类gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba类似基因,比如来自番茄的紧密同源基因,gydF4y2Ba佩妮gydF4y2Ba,gydF4y2Ba酸浆属gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba).这些分析清楚地证实了分离出的两种gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba谱系基因gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba直接同源。不幸的是,gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba本研究中未分离到具有euAP3基序的-谱系基因。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

分子特性gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba像MADS-box基因gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba的orfgydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba基因及其推测的肽。引入间隙来显示两个平行线之间的索引。的序列gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,和相同的序列gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba用圆点突出显示。星号表示停止密码子。假设VpTM6蛋白的M, I, K和C结构域被指出。M域由实框突出显示,K域由虚线框表示。M域和K域之间的区域是I域,而C域在K域的后面。有害的氨基酸替换用粗体突出显示(详细信息,参见附加文件)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba:表S2)。gydF4y2BabgydF4y2Ba的邻域连接树gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba例如基因。gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba盒装。所使用的其他序列的接入号为gydF4y2BaLeTM6gydF4y2Ba(X60759.1),gydF4y2BaLeAP3gydF4y2Ba(DQ674532.1),gydF4y2BaPhTM6gydF4y2Ba(AF230704.1),gydF4y2BaPhDEFgydF4y2Ba(X69946.1),gydF4y2BaMtTM6gydF4y2Ba(JN412097.1),gydF4y2BaMtNMH7gydF4y2Ba(JN412096.1),gydF4y2BaAtAP3gydF4y2Ba(NM115294.5),gydF4y2BaAmDEFgydF4y2Ba(AB516402.1),gydF4y2BaNtDEFgydF4y2Ba(X96428.1),gydF4y2BaPfDEFgydF4y2Ba(KC174703.1),gydF4y2BaPfTM6gydF4y2Ba(KC174704.1)。gydF4y2BaOsMADS16gydF4y2Ba(AF077760.1)作为外组。物种名称列在基因名称之前。节点旁边的数字是引导值。NJ树的多序列对齐显示在附加文件中gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba:(图S1a)gydF4y2Ba

BLAST分析也表明我们分离出agydF4y2BaπgydF4y2Ba推定的正交正交gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba,我们指定为gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba.的ORFgydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba全长636 bp,其cDNA编码了长度为211个氨基酸的预测多肽(图;gydF4y2Ba4gydF4y2Ba),这与gydF4y2BaMedicagoπgydF4y2Ba(氨基酸同一性为71.3%)和来自各种植物的其他PI同源物(附加文件)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S1)。多重序列比对结果表明,该菌株的氨基酸序列gydF4y2BaV.菲律宾gydF4y2Ba同族体(gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba)显然有gydF4y2BaπgydF4y2Bamotif在c端区域(附加文件gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba:图S1b)。重建NJ树gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba聚类和gydF4y2BaπgydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba).因此,gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba属于b类MADS-box基因同源序列。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

分子特性gydF4y2BaπgydF4y2Ba像MADS-box基因gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba的ORFgydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba和它假定的肽。星号表示停止密码子。gydF4y2BabgydF4y2BaMP树gydF4y2BaπgydF4y2Ba例如基因。gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba盒装。所使用的其他序列的接入号为gydF4y2BaNtGLOgydF4y2Ba(X67959.1),gydF4y2BaPhGLO1gydF4y2Ba(M91190.1),gydF4y2BaPhGLO2gydF4y2Ba(X69947.1),gydF4y2BaPfGLO1gydF4y2Ba(JX467691.1),gydF4y2BaPfGLO2gydF4y2Ba(KC174706.1),gydF4y2BaAmGLOgydF4y2Ba(AB516403.1),gydF4y2BaLeGLO2gydF4y2Ba(DQ674531.1),gydF4y2BaMtNGL9gydF4y2Ba(FJ403469.1),gydF4y2BaMtPIgydF4y2Ba(FJ403468.1),gydF4y2BaAtPIgydF4y2Ba(NM122031.3)。gydF4y2BaOsMADS2gydF4y2Ba(L37526.1)作为外组。物种名称列在基因名称之前。节点旁边的数字是引导值。NJ树的多序列对齐显示在附加文件中gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba:(图S1b)gydF4y2Ba

的表达gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba在花诱导和器官发生过程中gydF4y2Ba

inCL和CL花的花瓣和雄蕊是否发育不良gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba与b类MADS-box基因表达的变化有关吗?为了回答这个问题,我们首先用原位杂交技术研究了不同花型花器官发生和发育过程中的表达时空模式。因为gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba高度相似,探测器是由gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba用原位杂交法检测这两个平行碱基(指定为gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba).结果显示gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba从花器官发生发育的早期(第二阶段)到后期(第五阶段)是否连续表达gydF4y2Ba.gydF4y2Ba在花器官发生阶段,gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba不仅在CH、inCL和CL花中正常发育成花瓣、雄蕊和雌蕊的原基中表达,而且在产生发育不良的花瓣和雄蕊或发育迟缓的原基中也表达(补充文件gydF4y2Ba4gydF4y2Ba:图S2a-l)。此外,在花蕾发育的后期,gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba不仅在CH、inCL和CL花发育的花瓣和雄蕊中表达,也在inCL和CL花发育不良或未发育的花瓣和雄蕊中表达。gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba共享类似的表达式域为gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba在花器官发生和发育的CH, inCL,和CL花(附加文件gydF4y2Ba4gydF4y2Ba:图S2m-x)。感觉探针没有显示任何杂交信号(附加文件gydF4y2Ba4gydF4y2Ba:图S2y)。我们希望在发育完全的花器官和发育不良或未发育的花器官之间观察到与三种不同类型的花相关的这些基因的表达水平的显著差异。然而,在各试验条件下,花器官发生发育过程中b类基因表达的时空格局均无明显差异。这些意想不到的观察结果背后的原因可能是由于原位杂交技术用于定量的适用性下降。因此,我们研究了的表达gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba使用中存在。gydF4y2Ba

花的晚期表达gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba响应不同的光周期gydF4y2Ba

为了揭示基因表达变化在响应光周期中的潜在作用,我们选择了CH、inCL和CL花蕾,分别对应3个光周期(日光10小时、12小时和16小时)进行表达研究。使用了两种类型的花蕾:CH、inCL和CL花中开始表现出明显形态差异的第三阶段花蕾(Fl1);第4至5期花蕾,指定为Fl2。成熟的花(Mf)和叶子也包括在内。以CH花的Fl1为对照(图;gydF4y2Ba5gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba),我们确定gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba在叶片中表达量极低(图;gydF4y2Ba5gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba).相比之下,这些基因主要在花组织中表达,并且在所有条件下都有增加的趋势(图2)。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba).此外,gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba日光照射10小时后,各花组织的活性均高于日光照射12小时和16小时的花组织。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba和gydF4y2BabgydF4y2Ba),从而表明的表达水平gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba随着日照时间的延长而减少。相似的表达模式在gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba5度gydF4y2Ba).这些结果表明,分离到的MADS-box基因主要表达在花器官中,提示这些基因在花发育后期的表达可能受到光周期的调控。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
图5gydF4y2Ba

b类MADS-box基因的花表达对光周期变化的响应。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba相对表达式gydF4y2BaVpTM6-1, VpTM6-2gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba在花蕾和成熟的花朵中。gydF4y2Ba一个gydF4y2BaVpTM6-1。gydF4y2BabgydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba.gydF4y2BacgydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba.采用qRT-PCR方法,分别在光照10-(开柱)、12-(灰柱)和16-h(黑柱)条件下测定了第三期(Fl1)、第四~第五期(Fl2)前后花芽、成熟花(Mf)和叶片(Le)的基因表达。Fl1在10h日光下的基因表达量为1。gydF4y2BadgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Bab类MADS-box基因在成熟花花器官中的相对表达gydF4y2BadgydF4y2BaVpTM6-1。gydF4y2BaegydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba.gydF4y2BafgydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba.采用qRT-PCR技术测定了CH、inCL和CL花在指定光周期下雄蕊(开柱)、花瓣(黑色柱)和雌蕊(灰色柱)的基因表达。在各种条件下萼片均未检测到可见的表达信号。#表示inCL花中雄蕊发育不良。灰色的“CL”表示花瓣不是从CL花中采集的。日照10h的CH花雄蕊基因表达水平设置为1。所有这些分析都使用了三个独立的生物样本。给出了平均误差和标准误差gydF4y2Ba

为了进一步研究,我们检测了gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba在成熟花的花器官中(图;gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba).从CH、inCL和CL花中采集了不同光周期对应的花器官,包括萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊。没有表达gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba),gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba5 egydF4y2Ba),gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba5 fgydF4y2Ba)在所有花型的萼片中均有表达,在所有雌蕊中均有较低水平的表达。相反,这些在所有花的花瓣和雄蕊中都有高度表达。gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba).我们还观察到的表达水平gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2BaCH花的雄蕊和花瓣的含量远高于inCL和CL花相应器官的含量(图2)。gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba).特别是在发育不良的inCL花的雄蕊和花瓣中,这些基因的表达水平显著降低(图2)。gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba).gydF4y2Ba

这些结果表明,花器官发生后b类MADS-box基因表达的显著降低是由光周期延长引起的,在CL花的形成中起着至关重要的作用。gydF4y2Ba

VpTM6s与VpPI之间的蛋白-蛋白相互作用gydF4y2Ba

区分…的散度gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba,我们利用酵母GAL4双杂交系统研究了三种b类mads结构域蛋白之间的蛋白-蛋白相互作用(PPI)。两个激活gydF4y2Ba他的gydF4y2Ba3和gydF4y2BaLacZgydF4y2Ba记者分别使转化酵母的细胞生长和在非致命ß-半乳糖苷酶试验中产生蓝色用于演示PPIs。在酵母中观察到这些蛋白质没有毒性和自激活,并且在酵母中细胞生长和ß-半乳糖苷酶活性方面有显着差异(附加文件gydF4y2Ba5gydF4y2Ba:图S3)表明VpTM6-1在酵母中与VpPI有很强的相互作用gydF4y2Ba,gydF4y2Ba而VpTM6-2与VpPI之间的相互作用非常弱,进一步表明两种异源二聚体的转录活性存在显著差异。这些结果表明两个VpTM6平行序列在功能上存在分歧。然而,没有观察到这些b类mads结构域蛋白的同型二聚体(附加文件)gydF4y2Ba5gydF4y2Ba:图S3)。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

一些植物在生长周期的不同生态条件下同时开出CH和CL花。广泛的研究集中在各种生态因素,包括水、光强、光周期、土壤肥力和温度如何影响CH-CL混合育种系统[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba39gydF4y2Ba]。总的结论是,花的二态发育可能是适应进化的结果。本文研究了在不同光周期条件下不同形态花的发育gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba,包括其潜在的分子机制。gydF4y2Ba

二态花发育与光周期调节gydF4y2Ba

在自然界中,花器官的发育可能受到抑制;然而,在花的早期发育阶段,所有的花器官原基一般都已形成。例如,在大多数单性植物中,一些花器官在启动后发育迟缓或停止。雌雄异株植物(如白剪影和酢浆草)和雌雄同株植物(如黄瓜和伦敦树)在花的发育早期都经历了雌雄同体的阶段,然后在不同的阶段发生不同的流产或性器官停止[gydF4y2Ba40gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]。这一现象也在二形闭锁生殖植物中观察到。CL花gydF4y2BaLamium amplexicaulegydF4y2Ba与CH花相比,在花粉发生减数分裂之前,没有观察到显著的形态差异[gydF4y2Ba44gydF4y2Ba]。在本研究中,在花诱导和器官发生方面未发现形态学差异gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.在花发育后期,CH花的花结构正常,CL花的花瓣和部分雄蕊发育迟缓。在大多数情况下,CL花没有花瓣,只有少数可育花药。由于各种原因,花器官的停止在自然界中是普遍存在的[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba40gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]。与温带植物的观察结果相似[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba],两种花型的物候特征gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba主要是由光周期决定的。这一现象在gydF4y2Ba诉odoratagydF4y2Ba,其中CH花对11小时或更少的日光产生反应,CL花对14小时或更多的日光产生反应,inCL花则在过渡时期产生[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。因此,我们证实了花器官的形态分化gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba在花诱导后的器官发生过程中确定,在二形花植物中受光周期的影响。gydF4y2Ba

花卉表达gydF4y2BaVpTM6gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba响应光周期的变化gydF4y2Ba

来自跨物种微阵列分析的全基因组基因表达模式gydF4y2BaCardamine kokaiensisgydF4y2Ba芸苔科的研究表明,CH花和CL花的大量基因,包括花瓣和雄蕊发育基因,在表达上存在差异[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]。然而,控制CH-CL转变的关键调控基因还没有被确定。在本研究中,随着光周期的延长,花器官在CH-CL转变中受影响最大的是花瓣和雄蕊。花ABC模型表明b类MADS-box基因决定了两种花器官的发育[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]。这些基因无论是在序列上还是在不同植物中的表达上进行修饰,都会导致相关花器官的形态多样化[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba47gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba52gydF4y2Ba]。为了了解与CH-CL转变相关的分子开关,我们研究了这些基因gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.3个b类MADS-box基因,gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba是孤立的。这些b类基因同源体的编码序列变异并没有立即表明与非二态花模型植物的功能新奇性,例如gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba和gydF4y2Ba佩妮gydF4y2Ba.然而,这些基因的表达在CH、CL和inCL花发育过程中显著改变。这些基因在CH、CL和inCL花的花器官发生过程中具有相对相似的表达模式,这与CH、CL和inCL花的早期花发育过程中无明显差异,也未观察到花的同源性。然而,在花发育后期,在CL和inCL花中观察到不同的花形态(特别是花瓣和雄蕊的大小/数量),表达gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba在花中(尤其是花瓣和雄蕊中),CL和inCL花显著低于CH花。表达模式的变化与花器官分化相一致,从而在较长的光周期内产生CH、inCL和CL花。这些b类MADS-box基因在发育后期的下调不可能改变花瓣和雄蕊的器官特性,但可能导致器官尺寸减小和发育性流产。这进一步得到了观察的支持,即器官大小/数量的减少程度并不严格等同于这些器官中b类基因表达的减少程度(附加文件)gydF4y2Ba6gydF4y2Ba:表S3),表明CL和inCL花的花瓣/雄蕊组织比例低于CH花的花瓣/雄蕊组织比例不应是表达量下降的原因。但不能排除CH-CL转变是这些b类基因表达下调的间接结果。鉴于b类MADS-box基因的后发育作用[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba52gydF4y2Ba],因此我们得出结论,长时间的日光通过直接或间接地抑制花粉的表达来抑制花瓣和雄蕊的发育gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba产生CL花的基因。gydF4y2Ba

b类MADS-box基因编码双功能转录因子,可激活或抑制大量下游靶标[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba],从而作为一个依赖于环境的转录开关,指导花的发育:花器官的身份或后发育。由于花在CH-CL转化过程中没有发生同源性,因此b类基因的后发育机制可能gydF4y2Ba中提琴gydF4y2Ba进一步讨论。在gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba,gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba和PI正调控的表达gydF4y2BaSPOROCYTELESS /喷嘴gydF4y2Ba(gydF4y2BaSPL /出处gydF4y2Ba),gydF4y2Ba午睡gydF4y2Ba(gydF4y2Banac样,ap3 / pi激活gydF4y2Ba,也被称为gydF4y2Ba没有顶端分生组织gydF4y2Ba) [gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba53gydF4y2Ba]。gydF4y2BaSPL /出处gydF4y2Ba是花药壁形成所必需的,在雄蕊发育的后期,小孢子发生和随后花粉形成所必需的[gydF4y2Ba54gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba57gydF4y2Ba]。另一方面,gydF4y2Ba午睡gydF4y2Ba参与花瓣和雄蕊生长过程中细胞分裂和细胞扩张阶段的过渡[gydF4y2Ba53gydF4y2Ba]。gydF4y2BaAP3 /πgydF4y2Ba也抑制了某些下游基因,比如gydF4y2BaGNCgydF4y2Ba和gydF4y2BaGNC-LIKEgydF4y2Ba(gydF4y2BaGNLgydF4y2Ba),它们编码两种gata型锌指蛋白,进而调节糖反应和硝酸盐代谢基因,从而在器官发育和营养感应之间建立联系[gydF4y2Ba58gydF4y2Ba]。短光周期诱导表达gydF4y2BaVGA20oxgydF4y2Ba和gydF4y2BaVGA3oxgydF4y2Ba这增加了赤霉素,赤霉素也参与了CH-CL花的发育gydF4y2Ba诉下毛竹gydF4y2Ba[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。赤霉素调控植物特定花基因的表达gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba例如b类MADS-box基因[gydF4y2Ba59gydF4y2Ba,gydF4y2Ba60gydF4y2Ba]。因此,在感知光周期(或赤霉素)等调控信号后,我们假设这些信号的差异表达gydF4y2Ba中提琴gydF4y2Bab类MADS-box基因可能通过调控同源基因影响二态花发育gydF4y2BaSPL /出处gydF4y2Ba,gydF4y2Ba午睡gydF4y2Ba,gydF4y2BaGNCgydF4y2Ba,进而影响花瓣和雄蕊的生长和发育。然而,进一步的功能研究涉及基因操作gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba应该进行验证这一假设。gydF4y2Ba

b类MADS-box基因在二态花发育中的新作用gydF4y2Ba

b类MADS-box基因包括两者gydF4y2BaAP3gydF4y2Ba和gydF4y2BaπgydF4y2Ba进化到在花瓣和雄蕊发育和雄蕊功能建立中起主要作用的谱系[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba61gydF4y2Ba]。导致与这些蛋白质相关的不同PPIs的编码序列变异在这一功能进化过程中发挥着至关重要的作用[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba],而改变其表达模式有助于获得额外的功能,从而导致新的花形态[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba52gydF4y2Ba]。这些基因的转录调控大致包括在花的早期阶段开始表达和在花的大部分器官发育过程中维持表达[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba46gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba48gydF4y2Ba,gydF4y2Ba62gydF4y2Ba,gydF4y2Ba63gydF4y2Ba]。当表达在花起始阶段受到影响时,通常会发生同型异型改变,导致多花冠或花盏[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba64gydF4y2Ba,gydF4y2Ba65gydF4y2Ba]。然而,当该表达在发育后期发生改变时,器官的成熟或功能就会受到影响[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba40gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]。与之前鉴定的b类MADS-box基因相比[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba6gydF4y2Ba],gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba在gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba在花发育过程中具有相似的表达模式,表明这些基因可能在建立花器官身份方面发挥保守作用。然而,我们发现这些基因在CH和CL花发育后期的差异表达受到光周期变化的调控,从而表明这些b类MADS-box基因在二态花发育中的新作用。gydF4y2Ba

花的形态,如花瓣的大小/形状,而不是器官身份的改变,可以通过人工控制b类基因的表达来调节,如在gydF4y2Bam . truncatulagydF4y2Ba[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]和番茄[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba],而严重降低gydF4y2BaPFGLO2gydF4y2Ba或gydF4y2BaPFTM6gydF4y2Ba只会导致花粉产生不成熟gydF4y2Bap . floridanagydF4y2Ba[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。有趣的是,调节基因表达以产生不同的花形态也发生在自然界中,如b类MADS-box基因的减少以产生CL花gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.b类MADS-box基因响应花瓣和雄蕊光周期调控的分子机制有待进一步研究。目前,至少观察到两种程度的分歧。gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-2,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba花瓣中表达量高于雄蕊。然而,这种表达水平的下降在花瓣中比在雄蕊中更广泛,这与花瓣的缺失和CL花中可育雄蕊的减少有关。此外,VpPI与VpTM6-1的相互作用较强,但与VpTM6-2的相互作用较弱,这表明gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba二聚体活性和转录活性的差异。这种异二聚能力的差异已经在拥有复制基因的物种中被观察到gydF4y2Ba佩妮gydF4y2Ba和gydF4y2Ba酸浆属gydF4y2Ba[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。由于I多巴胺中单个氨基酸的变化足以改变玉米驯化过程中pi样二聚活性[gydF4y2Ba66gydF4y2Ba],这种类型的分化可能是由于两个VpTM6蛋白广泛的序列分化,特别是I结构域的两个有害改变(K66M和S63_T64insYV),在理解b类MADS-box基因的功能分化时也应考虑gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

对花MADS-box基因的全面研究有助于更好地了解CH和CL花的发育过程gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba.然而,据我们所知,我们首次揭示了b类MADS-box基因在花诱导和器官发生后对光周期变化的差异花表达与CH-CL育种系统的发展有关gydF4y2Ba中提琴gydF4y2Ba.我们的发现为二态花的发育和进化提供了新的视角。gydF4y2Ba

方法gydF4y2Ba

植物材料和生长条件gydF4y2Ba

的种子gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba采集并保存于西北师范大学(甘肃兰州)。它们可根据要求提供。种子在30%次氯酸钠溶液中浸泡20分钟灭菌,然后用蒸馏水冲洗三次,然后在装有MS (Murashige和Skoog)培养基的三角形烧瓶中播种。在第四个真叶发育后,将幼苗移栽到直径为100毫米(0.5 L)的装有泥炭和蛭石的塑料盆中(v/v = 2:1)。植物分别在8、10、12、14和16小时日光下,在22-28°C的生长室中生长。温度是由空调保持的。湿度保持在48%左右,光照强度为116 μmol mgydF4y2Ba−2gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba.不同日照条件下的植物在不同的架子上平行生长。通过时间控制器控制各栽培架的日照长度。为了避免相互影响,每个货架都用黑布封闭起来,每天上午10:00手动拆除黑布,保持8小时通风。gydF4y2Ba

花形态观察gydF4y2Ba

在立体显微镜下观察花蕾形态(Olympus SZ61, Tokyo, Japan)。分别在光照8、10、12、14和16 h条件下测定CH、inCL和CL花的比例。在每个光周期内观察到100株植物,每种情况下约有200个花蕾。以各类型(CH、inCL和CL)成熟花10朵为研究对象,测定花器官大小。这些图像是使用连接到立体显微镜(Olympus SZ61, Tokyo, Japan)的相机拍摄的。gydF4y2Ba

扫描电镜和组织学分析gydF4y2Ba

将不同阶段的花芽固定在3:1 (v/v)乙醇:冰醋酸溶液中,4℃保存,通过增加乙醇梯度至100%乙醇脱水,并在临界点干燥器中干燥。样品使用扫描电子显微镜成像(日立S-450,东京,日本)。组织学分析用Love 's苏木精将整个绿色花蕾染色30 h至深红色。然后,染色的花蕾在自来水中冲洗5小时,以去除多余的染料,直到花蕾变成蓝色。最后,蓝色花蕾通过增加乙醇梯度脱水,用二甲苯清除,并嵌入Paraplast (Sigma P3683,圣路易斯,密苏里州,美国)。将花蕾切片(厚度为7 μm)置于40℃的水载玻片上。用100%二甲苯清洗载玻片上的蜡。最后在徕卡显微镜(DMI4000B, Wetzlar, Germany)下拍摄清除的载玻片的图像。gydF4y2Ba

序列隔离gydF4y2Ba

利用简并引物分离目标基因的cDNA片段(附加文件)gydF4y2Ba7gydF4y2Ba的保守区域为基础而设计的gydF4y2BaAPETALA3 AP3) (gydF4y2Ba和gydF4y2BaPISTILLATA(π)gydF4y2BaGenBank中不同植物品种的直系植物(gydF4y2Bahttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/gydF4y2Ba).利用3 ' /5 ' - cDNA末端快速扩增(RACE)技术组装全长cDNA。通用3 '和5 ' PCR引物由SMARTer™cDNA文库构建试剂盒(Clontech, Mountain View, California, USA)提供。RACE实验结束后,使用基因特异性引物通过常规RT-PCR扩增全长cDNA(附加文件)gydF4y2Ba7gydF4y2Ba:表S4)。循环程序包括在94°C初始变性5分钟,随后在94°C 30秒,55°C(简并引物)或68°C(基因特异性引物)30秒,72°C 30秒,最终在72°C延长10分钟,进行35次循环。gydF4y2Ba

序列差异评价及系统发育分析gydF4y2Ba

中性或有害氨基酸突变由PROVEAN预测,PROVEAN是蛋白质变异效应分析仪,默认参数设置(gydF4y2Bahttp://provean.jcvi.org/index.phpgydF4y2Ba).这些基因的氨基酸序列在默认设置下使用CLUSTALW1.81进行比对,并进行手动调整。为了正确对齐,引入了间隙。利用蛋白质序列构建邻居连接系统树,使用MEGA5 [gydF4y2Ba67gydF4y2Ba]。自举值基于1000个重复。gydF4y2Ba

中存在gydF4y2Ba

植物的生长周期gydF4y2Ba诉philippicagydF4y2Ba时间过长,在8小时日光下几乎没有花蕾发育出来。因此,在温室光照期为10、12和16 h的条件下,分别采集成熟花的花蕾、幼叶和花器官的第3、4和5期。总RNA采用TRIzol试剂(TIANGEN, Beijing, China)提取。用于qRT-PCR分析,使用PrimeScript RT试剂试剂盒(TaKaRa,中国大连)、SYBR Premix EX Taq II (TaKaRa,中国大连)和基因特异性引物(附加文件)gydF4y2Ba7gydF4y2Ba:表S4)。内参基因为18S核糖体RNA (AB354544.1)。引物采用DNAMAN设计,对引物的特异性和引物效率进行了评估,结果表明引物适用于qRT-PCR对比分析(附加文件)gydF4y2Ba8gydF4y2Ba:图S4)。扩增条件为95°C, 30 s,循环1次,95°C, 5 s, 60°C,循环40次。使用了三个独立的生物样本。表达量根据Livak和Schmittgen [gydF4y2Ba68gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

RNA原位杂交gydF4y2Ba

将不同发育阶段的花芽固定在4% (wt/vol = 4 g/100 mL)的多聚甲醛中,并嵌入Paraplast (Sigma P3683,圣路易斯,密苏里州,美国)。当ATG设为1时,约356 bp片段gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba(位置331-687)和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba(位置236-591)作为模板,使用DIG RNA标记试剂盒(Roche, Mannheim, Germany)和T7 RNA聚合酶(Roche, Mannheim, Germany)合成正义和反义探针。杂交按Javelle [gydF4y2Ba69gydF4y2Ba],我们在50°C的温度下清洗玻片。将CH、inCL和CL花的花组织切片在相同的杂交溶液中培养。图像由徕卡显微镜(DMI4000B, Wetzlar, Germany)捕获。gydF4y2Ba

酵母双杂交分析gydF4y2Ba

的orfgydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba,gydF4y2BaVpTM6-1,gydF4y2Ba和gydF4y2BaVpPIgydF4y2Ba克隆到pGADT7或PGBKT7载体(Clontech, Mountain View, California, USA)。通过在缺乏亮氨酸(Leu)和色氨酸(Trp)的SD板上生长,选择BD和AD融合质粒共转化的酵母细胞。在缺乏Leu、Trp、腺嘌呤(Ade)和组氨酸(His)的SD板上分析相互作用,并通过酵母菌株AH109的非致死ß-半乳糖苷酶活性测定进一步证实。在检查PPIs之前,我们检查了这些b类mads结构域蛋白的毒性和自激活能力。这些实验是根据Gong和He [gydF4y2Ba70gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

测序和引物信息gydF4y2Ba

所有结构物的测序和引物合成由Huada(北京,中国)完成。本研究中使用的所有引物均在附加文件中列出gydF4y2Ba7gydF4y2Ba:(表S4)。gydF4y2Ba

缩写gydF4y2Ba

AP3gydF4y2Ba,gydF4y2BaAPETALA3gydF4y2Ba;互补DNA;CH,开花受精的;CL, cleistogamous。gydF4y2Ba如果留意gydF4y2Ba,gydF4y2BaGLOBOSAgydF4y2Ba;新泽西,neighbor-joining;ORF,开放式阅读框;gydF4y2BaπgydF4y2Ba,gydF4y2BaPISTILLATAgydF4y2Ba;PPI,蛋白质-蛋白质相互作用;qRT-PCR,定量RT-PCR;RACE, cDNA末端快速扩增;SNP,单核苷酸多态性;gydF4y2BaTM6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba番茄狂箱基因6gydF4y2Ba

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    Stellari GM, Jaramillo MA, Kramer EMgydF4y2BaAPETALA3gydF4y2Ba和gydF4y2BaPISTILLATAgydF4y2Ba基被子植物中含有MADS-box基因的谱系。Mol Biol Evol 2004; 21:506-19。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Kramer M, Holappa L, Gould B, Jaramillo MA, Setnikov D, Santiago PM。B基因功能的阐述,以包括新花器官的身份,在低花萼gydF4y2Ba耧斗菜gydF4y2Ba.《植物科学》2007;19:750-66。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    郭春霞,郭春霞,王晓明,等。植物叶片亚功能化的研究进展gydF4y2BaAPETALA3gydF4y2Ba毛茛属植物的拟长及其对花瓣进化的意义。新植物,2011;191:870-83。gydF4y2Ba

    文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    沙尔玛,克雷默等。神经网络的新功能化与亚功能化gydF4y2BaAPETALA3gydF4y2Ba平行类群对植物花器官特征的演化有重要作用gydF4y2Ba耧斗菜gydF4y2Ba(哥伦比亚,毛茛科)。新植物,2013;197:949-57。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Sablowski RWM, Meyerowitz EMgydF4y2Ba没有顶端分生组织gydF4y2Ba是花同源基因的直接目标吗gydF4y2BaAPETALA3 / PISTILLATAgydF4y2Ba.细胞。1998;92:93 - 103。gydF4y2Ba

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    Schiefthaler U, Balasubramanian S, Sieber P, Chevalier D, Wisman E, Schneitz K.分子分析gydF4y2Ba喷嘴gydF4y2Ba,是一种参与生殖器官发育过程中模式形成和早期孢子发生的基因gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba.中国科学院学报(自然科学版),1999;26(1):1 - 8。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    杨卫文,叶东,徐娟,孙达山gydF4y2Ba喷嘴gydF4y2Ba,是一种参与生殖器官发育过程中模式形成和早期孢子发生的基因gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba.基因开发1999;13:2108-17。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    伊藤T,韦默F,余H, Das P,伊藤N, alvs - ferreira M, Riechmann J, Meyerowitz EM.同型异型蛋白gydF4y2Ba无性生殖的gydF4y2Ba调控小孢子发生gydF4y2BaSPOROCYTELESSgydF4y2Ba.大自然。2004;15:356-60。gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    刘小东,黄杰,Parameswaran S, Ito T, Seubert B, Auer M, Rymaszewski A,贾gx。的gydF4y2BaSPOROCYTELESS /喷嘴gydF4y2Ba基因参与控制花蕊的同一性gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba.植物科学进展。2009;gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    玛拉CD,爱尔兰VF。两个GATA转录因子是花同源异型基因作用的下游效应因子gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba.植物物理学报。2008;147:707-18。gydF4y2Ba

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    于海红,伊藤涛,赵艳,彭军,马建平,等。花的同源异型基因在花发育中的作用。中华自然科学研究院,2004;21(2):366 - 366。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    李志强,王志强,王志强,王志强,王志强,等gydF4y2Ba佩妮TM6gydF4y2BaMADS盒基因揭示了基因内部的功能分化gydF4y2BaDEF / AP3gydF4y2Ba血统。植物细胞。2006;18:1819-32。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Schwarz-Sommer Z, Hue I, Huijser P, Flor PJ, Hansen R, Tetens F, Lonnig WE, Saedler H, Sommer HgydF4y2Ba金鱼草属植物gydF4y2Ba花同源异型MADS-box基因gydF4y2BadeficiensgydF4y2Ba:在花的发育过程中,DNA结合和其持续表达的自动调节的证据。杨晓明,王志强,1992;11:51 - 51。gydF4y2Ba

    中科院gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    中科院gydF4y2Ba文章gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba公共医学中心gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

感谢Gong PC博士(中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室)在酵母双杂交分析和PROVEAN预测方面的贡献。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

本文得到国家自然科学基金(NSFC)项目(31560066、31260054)、西北师范大学青年教师发展计划(NWNU-LKQN-13-20)、中国科学院/国家外资局“系统与进化植物学”创新研究团队国际合作伙伴计划的支持。gydF4y2Ba

数据和材料的可用性gydF4y2Ba

所有相关的支持数据都可以在本文附带的附加文件中找到。本文描述的序列数据可以在GenBank (gydF4y2Bahttp://www.ncbi.nlm.nih.govgydF4y2Ba),以KU318322 (gydF4y2BaVpTM6-1gydF4y2Ba), ku318323 (gydF4y2BaVpTM6-2gydF4y2Ba),以及KU318324gydF4y2Ba(VpPIgydF4y2Ba).gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

QXL, KS和CYH构思并设计了作品。KS鉴定了植物种类。QXL完成所有实验。JZ参与了原位杂交。QDH和JW参与RNA提取和表达研究。QXL, KS和CYH分析了数据。QXL, CYH和KS撰写了手稿。所有作者均已阅读并批准稿件。gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者宣称他们之间没有利益冲突。gydF4y2Ba

发表同意书gydF4y2Ba

不适用。gydF4y2Ba

伦理批准并同意参与gydF4y2Ba

不适用。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

从属关系gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba库恩的太阳gydF4y2Ba或gydF4y2BaChaoying他gydF4y2Ba.gydF4y2Ba

附加文件gydF4y2Ba

附加文件1:表S1。gydF4y2Ba

AP3- (a)和pi -谱系(b)基因的蛋白序列变异。(PDF 166kb)gydF4y2Ba

附加文件2:表S2。gydF4y2Ba

两个VpTM6平行序列之间的氨基酸差异。(PDF 177kb)gydF4y2Ba

附加文件3:图S1。gydF4y2Ba

b类MADS-box基因多序列比对。(PDF 312kb)gydF4y2Ba

附加文件4:图S2。gydF4y2Ba

花器官发生与发育过程中的基因表达。(PDF 590kb)gydF4y2Ba

附加文件5:图S3。gydF4y2Ba

酵母中的蛋白质-蛋白质相互作用。(PDF 188kb)gydF4y2Ba

附加文件6:表S3。gydF4y2Ba

CH-CL转化中器官大小和基因表达的减少程度。(PDF 336kb)gydF4y2Ba

附加文件7:表S4。gydF4y2Ba

本研究使用的引物。(PDF 252kb)gydF4y2Ba

附加文件8:图S4。gydF4y2Ba

qRT-PCR引物的评价。(PDF 342 kb)gydF4y2Ba

权利和权限gydF4y2Ba

开放获取gydF4y2Ba本文根据创作共用属性4.0国际许可协议(gydF4y2Bahttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/gydF4y2Ba),允许在任何媒介上不受限制地使用、分发和复制,前提是您对原作者和来源给予适当的赞扬,提供到创作共用许可证的链接,并注明是否进行了更改。创作共用公共领域奉献弃权书(gydF4y2Bahttp://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/gydF4y2Ba)除另有说明外,适用于本条所提供的资料。gydF4y2Ba

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引用本文gydF4y2Ba

李,Q,霍,Q,王,J。gydF4y2Baet al。gydF4y2Bab类MADS-box基因对光周期变化的响应与花的裂花和闭锁花发育有关gydF4y2Ba中提琴philippicagydF4y2Ba.gydF4y2BaBMC植物生物学gydF4y2Ba16日,gydF4y2Ba151(2016)。https://doi.org/10.1186/s12870-016-0832-2gydF4y2Ba

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关键字gydF4y2Ba

  • 自适应进化gydF4y2Ba
  • 二态的花gydF4y2Ba
  • 基因表达gydF4y2Ba
  • MADS-box基因gydF4y2Ba
  • 光周期gydF4y2Ba
  • 中提琴philippicagydF4y2Ba