MADS-box基因在水稻和太行花中的相关研究& SAGE 在水稻上应用的生物信息学分析

本论文主要涉及两部分内容：第一部分是水稻和太行花中MADS-box基因的相关研究，第二部分是水稻中SAGE技术的生物信息学分析。 MADS-box基因家族在花发育过程中起着重要的作用。水稻是单子叶植物的模式植物，其基因组序列的公布为在基因组水平上鉴定MADS-box基因提供了条件。根据已发表的水稻MADS-box基因序列，利用关键词搜索、HMMER分析、同源比较、系统进化树分析等手段，对GeneBank和TIGR水稻基因组注释中所有已知和未知的水稻MADS-box基因进行了分析。结果表明，水稻中有64个MADS-box基因编码不同氨基酸，其中已知cDNA序列的为43个。在64个基因中，有23个属于ABCDE类基因，并且其cDNA序列已知，其中的10个已有功能方面的研究。通过3’-RACE和筛选水稻花器官的cDNA文库，得到了一个A类基因片断（A5B2），两个E类基因片断（MW1，MW2）。这三个基因分别与OsMADS14，OsMADS7和OsMADS5相似或相同。禾本科植物花器官的起源，尤其是内外稃的起源仍存在疑问，A功能基因是否以及如何参与其形成成为问题的关键。初步原位杂交分析表明，OsMADS14在花发育的早期开始表达。在小穗原基发育过程中，OsMADS14在内外稃原基中有较强的表达。随着小穗的发育，OsMADS14在整个花序中都有表达。在小穗发育的后期，OsMADS14在胚珠中有较强的表达。OsMADS14的表达模式与FUL类基因一致，并且证明了其在花发育的后期仍然表达强烈，暗示其可能与胚珠发育有重要关系。 SEPALLATA基因被认为是花的特异因子，参与了花的四轮花器官的决定过程。在本文中，通过3’-，5’-RACE，从太行花花芽中克隆了一个MADS-box基因。该基因推导的的氨基酸序列含有典型的M，I，K和C四个结构域，与FBP2和SEP3的相似性较高，系统进化树分析表明该基因属于SEP3亚家族，于是将其命名为TrSEP3。TrSEP3首先在花分生组织中表达，然后在雌雄蕊原基及花瓣中表达;在成熟花中，TrSEP3仅在花瓣和雌蕊中表达。这种表达模式与其它的SEP-like基因有稍不同。TrSEP3拟南芥中过量表达后并未导致表型的改变，暗示其功能与拟南芥的SEP基因可能存在差异。选择压力分析显示TrSEP3受到了不显著的负选择压力。这些结果暗示TrSEP3的功能可能与其它的SEP-like基因有差别，值得进一步研究。 SAGE(Serial Analysis of Gene Expression)是对比样品间转录谱的差异、发现新基因的有效的方法。tag mapping是将SAGE-tag与其转录本匹配的过程，其效率直接影响对转录谱的解释，该过程受多种因素影响。目前，对水稻tag mapping过程缺少详细研究，导致其效率不高。为了确定参考数据库和其它合适的条件，我们利用EST序列和基因组序列构建了不同的参考图谱，从全长cDNA数据库中提取虚拟的SAGE-tag，研究了参考图谱、锚定酶、tag长度以及匹配方法对tag mapping效率的影响，并比较了tag mapping的准确率。结果表明，用EST序列构建的参考图谱能够匹配大多数的SAGE-tag，并具有较高的准确率;利用迭代的方法，可以充分利用基因组序列。各种锚定酶之间的差别不明显，其中NlaIII， HpyCH4V 和 AluI 表现较好;17bp的tag比较适合水稻;而用双锚定酶和17bp的tag则可以显著提高tag mapping的效率和准确率。

MADS-box基因在单子叶植物花发育中的功能研究

第一部分 水稻E类MADS-box 基因在花发育中的功能分析 MADS-box 基因是一个大的转录因子家族，在花发育过程中起重要作用。根据对双子叶模式植物拟南芥、金鱼草和矮牵牛遗传突变体的研究，提出了花发育的ABCDE模型。该模型认为：A、B、C、D、E代表了5类功能不同的花器官特征基因，单独或联合控制花器官的发育。A类基因控制萼片的发育;A、B和E类基因控制花瓣的发育;B、C和E类基因控制雄蕊的发育;C和E类基因控制心皮的发育;D类基因控制胚珠的发育;A和C类基因相互抑制。在这5类基因中，E类基因的功能较为复杂，它不仅是花器官特征基因，而且具有花分生组织决定性（Floral meristem determinency）。在单子叶植物中，E类基因的功能发生了很大的分化。水稻是单子叶植物的模式植物，水稻中至少有5个E类基因，分别是OsMADS1、OsMADS5、OsMADS7、OsMADS8和OsMADS34，在这5个E类基因中，除了对OsMADS1基因有较深入的研究外，对其它几个E类基因的功能了解甚少。我们在现有的研究基础上，根据对双子叶植物中E类基因的研究结果，以OsMADS8基因为出发点，利用组织原位杂交，RNAi技术对水稻中的E类基因进行了深入的研究。结果表明：OsMADS8/7基因早在花序枝梗分生组织原基就有转录，随着小穗的生长发育，逐渐集中在小穗分生组织原基，小花分生组织原基，浆片、雄蕊和心皮中表达;在胚珠形成时，内外珠被有很强的杂交信号，而且在幼胚和胚乳中也有表达。OsMADS5在幼花时期，四轮花器官均有表达，在小穗发育后期及受精后的表达方式与OsMADS8/7基因相同。OsMADS8基因被抑制后，转基因植株没有任何表型变化，说明很可能有其它E类基因弥补了OsMADS8基因的功能缺失;当同时抑制其它E类基因的表达时，转基因植株抽穗期明显延长，四轮花器官的发育均受到影响：稃片类似叶片状;浆片转变为稃片类的结构;雄蕊没有花粉;心皮具有了稃片的特点;没有胚珠结构的形成，同时失去了花分生组织决定性，在心皮的部位产生了新的花器官或花分生组织逆转为花序分生组织。说明水稻四轮花器官及胚珠的正常发育需要E类基因的参与，但其功能与双子叶植物如拟南芥，西红柿、矮牵牛等直系同源基因相比已经发生变化;水稻中的E类基因在维持花分生组织特征性方面起重要作用;另外对抽穗期有影响。 第二部分 玉米MADS-box基因ZAG2转录调控区的研究 基因的时空表达受基因中的顺式作用元件及其反式作用因子调控。顺式作用元件由位于基因编码区上游的启动子区域和位置不确定的增强子区域组成。顺式作用元件对基因表达的开启至关重要。MADS-box 基因编码一类控制花器官发育的转录因子，在花的发育过程中顺序表达。MADS-box 基因突变，花器官发生同源异型转换。研究MADS-box 基因的调控序列可以进一步揭示影响基因时空表达的内外因素。ZAG2是玉米MADS-box 基因中的D类基因，控制胚珠的发育，在胚珠和心皮的内表面特异表达。ZAG2基因有7个外显子和6个内含子。我们从玉米基因组分离到了ZAG2基因翻译起始点上游3040bp的序列，并利用5’-RACE方法鉴定出了转录起始点的位置。序列比较发现，在 5’-UTR内有一个1299bp的内含子，这个内含子可能对基因的表达有调控作用，因此构建了两个与GUS基因融合的表达载体：一个是pZAG2-1::GUS，包括翻译起始点以上所有的调控序列;另一个是pZAG2-2::GUS，去掉了5’-UTR中的内含子序列，转化水稻。结果这两个构建都没有使GUS基因在正确的位置表达。pZAG2-1::GUS构建在心皮基部类似花托的部位及稃片顶端着色，pZAG2-2::GUS构建在内外稃片沿稃脉的部位有很强的着色，说明翻译起始点上游的调控序列不足以使基因正常表达。两个构建着色方式不同，可能pZAG2-1::GUS构建在5’-UTR部分含有抑制ZAG2基因在稃片表达的顺式元件，或者启用了在5’-UTR中的转录起始点，因为在5’-UTR的内含子中也有一个很典型的TATA-box。我们推测，在ZAG2基因编码区的第一内含子可能存在另外一些使基因正常表达的增强元件，需要进一步的序列缺失实验加以验证。

太行花MADS-box基因克隆、表达模式及功能分析

基因的重复（duplication）及其功能的多样性（diversification）为生物体新的形态进化提供了原材料。重复的基因通过表达方式和（或）编码序列的改变而导致其亚功能化（subfunctionalization）和（或）新功能化（neofunctionalization），从而使这些重复基因有可能保留在生物体中，增添生物的遗传稳定性（robustness）和多样性。MADS-box基因在植物（特别是在被子植物）的进化过程中发生了大量的基因重复事件而形成一个多基因家族。MADS-box基因家族的不同成员在植物生长发育过程中起着非常重要的作用，在调控开花时间、决定花分生组织和花器官特征，以及调控根、叶、胚珠及果实的发育中起着广泛的作用。开展对MADS-box基因家族成员的序列结构、表达模式及编码蛋白的功能研究可以为这些同源基因在生物体中的可能命运提供很好的实验依据。本研究以我国特有的蔷薇科物种太行花做实验材料，通过3’ RACE和5’ RACE方法从太行花中克隆了7个MADS-box家族的基因。序列和系统进化树分析表明这7个基因分别与拟南芥的MADS-box基因AG、SHP（SHP1/2）、PI、AP1、FUL和SEP1以及与矮牵牛MADS-box基因PhTM6具有很高的同源性并聚为一支，从而将这7个MADS-box基因分别命名为TrAG（Taihangia rupestris AG）、TrSHP（Taihangia rupestris SHP）、TrPI（Taihangia rupestris PI）、TrAP1（Taihangia rupestris AP1）、TrFUL（Taihangia rupestris FUL）、TrSEP1（Taihangia rupestris SEP1）和TrTM6（Taihangia rupestris PhTM6）。针对克隆的这些基因，具体进行了以下几方面的研究： 第一，对TrAG和TrSHP两个MADS-box基因进行了研究，它们分别属于AG亚家族中旁系同源进化系euAG和PLE进化系的成员。通过原位杂交的方法分析了旁系同源基因TrAG和TrSHP的表达方式是否发生了分化;构建组成型表达载体转化野生型拟南芥，分析了TrAG和TrSHP的编码蛋白的功能是否发生了改变;并进一步通过酵母双杂交的方法比较了TrAG和TrSHP的相互作用方式是否发生了分化。原位杂交分析表明，TrAG和TrSHP主要在雄蕊、心皮和胚珠中表达。在花发育过程中，TrAG起始表达比TrSHP早，在随后将形成雄蕊和心皮原基的分生组织区域以及雄蕊原基中表达;然而直到雄蕊原基出现前未检测到TrSHP的表达。在雄蕊原基形成之后，TrAG和TrSHP在发育的雄蕊、随后将产生心皮原基的分生组织区域以及心皮原基中表达。在花发育的晚期，TrAG在发育的柱头、花柱以及胚珠中均有表达，而TrSHP仅在胚珠中表达。35S::TrAG和35S::TrSHP转基因拟南芥植株表现出相似的表型，包括开花提前;莲座叶和茎生叶向腹卷曲、变小;花芽在时期13前即开放，萼片包裹不住花芽;萼片和花瓣分别被同源异型转化为心皮化和雄蕊化器官，并在萼片向腹面产生异位的胚珠;在茎生叶上产生柱头化的乳突和胚珠;子房弯曲;果实提前沿着开裂区裂开，暴露出胚珠。此外，也观察到35S::TrAG和35S::TrSHP转基因拟南芥植株的一些表型差异，35S::TrAG转基因拟南芥植株花芽呈暗绿色，而35S::TrSHP转基因拟南芥植株花芽呈黄绿色;不同与35S::TrAG转基因植株表型的是，35S::TrSHP转基因拟南芥植株花被脱落受到了抑制，偶尔可以观察到花丝基部融合，果实变短、育性降低。酵母双杂交分析表明TrAG可以与TrSEP3相互作用，而TrSHP不能与TrSEP3形成异源二聚体。以上研究结果表明做为旁系同源基因，TrAG和TrSHP在表达方式上发生了改变，在蛋白编码序列上保持了其祖先的功能，但是编码序列的一些差异还是导致它们之间生化作用方式的不同和一定程度上的亚功能化。基于以上研究结果并结合先前报道的在拟南芥、金鱼草和矮牵牛等物种中旁系同源基因的表达和功能数据，我们提出在不同物种中旁系同源基因在进化过程中维持部分功能冗余（redundant），但是也通过改变表达方式、编码蛋白的功能及蛋白相互作用方式呈现出不同形式的亚功能化和（或）新功能化。 第二，对TrPI基因的功能也进行了初步研究，它属于AP3/PI亚家族PI-like进化系的成员。原位杂交结果表明，TrPI主要在花瓣、雄蕊和胚珠中表达。显示出TrPI与拟南芥同源基因PI保守的表达模式。35S::TrPI转基因拟南芥植株莲座叶发生延迟、变小、并且第一至第三片莲座叶呈白色针状;莲座叶和茎生叶并不像野生型呈有规则的螺旋状排列;花序茎基部、中间或顶端发生2-3个分支;在茎生叶的叶腋内的花序抽出时间明显晚于野生型，并且很小甚至不能完全抽出而藏在叶腋内。低温条件下转基因植株莲座叶的表型更加明显，表现为莲座叶变为针状，无叶片，仅有叶柄结构。这明显不同于35S::PI转基因拟南芥植株的表型。此外，酵母双杂交分析表明TrPI自身可以形成同源二聚体。这种相互作用方式也不同与拟南芥中PI的相互作用方式。以上研究结果表明，TrPI可能与拟南芥PI具有保守的表达模式但编码的蛋白可能获得了新的功能。 第三，构建了一个AP1-like基因（TrAP1）的过量表达载体，转化野生型拟南芥植株，通过反向遗传学分析了TrAP1的功能。35S::TrAP1转基因拟南芥植株开花提前;花序以两朵花终止，形成terminal flower的表型;偶尔可以观察到雄蕊转化为花瓣化的器官;莲座叶呈黄绿色并且其边缘呈锯齿状。酵母双杂交分析表明TrAP1蛋白自身可以形成同源二聚体。这些结果表明TrAP1可能与拟南芥同源基因AP1具有保守的功能。