拟南芥SPOROCYTELESS基因调控生长素生物合成介导的叶片形态建成的功能研究

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叶片是植物进行光合作用和呼吸作用的主要器官,对植物生命活动起着重要作用。植物叶片形态多样,是植物单株形态的重要成分。拟南芥叶片发育包括叶原基起始,腹背性建立和居间分生组织的发育三个主要过程。叶片在叶长和叶宽两个方向进行极性伸展。典型的叶片表型包括单叶-复叶、叶缘裂、表面皱褶和卷叶等。卷叶作为一种特殊的叶片形态,在拟南芥中得到了深入的研究。拟南芥中主要存在三条控制叶片扁平形态结构的遗传学途径,即生长素途径,CLF-AG途径和microRNA途径。除了调控叶片扁平结构维持外,越来越多的研究发现生长素的稳态调控、极性运输和信号传导与叶片发育和叶片形态建成具有紧密联系:生长素可以决定叶原基的起始过程,参与叶片腹背性的建立,调控细胞分裂和维管束的模式建成,这表明生长素在叶片生长发育过程中具有关键的调控功能。拟南芥中生长素生物合成过程主要是以YUC为限速酶的色胺途径,该途径对植物是必不可少的。 SPOROCYTELESS(SPL)基因又称为NOZZLE(NZZ),最初是在分析几个雌雄都不育的突变体时鉴定得到的,这些突变体的胚珠和花粉囊都不能形成(Schiefthaleretal.,1999;Yangetal.,1999)。深入分析表明SPL可能在孢囊(sporoctye)的发生中行使功能。SPL基因的表达具有很强的时空特异性,仅在特定时期的花药和心皮中表达(Schiefthaleretal.,1999;Yangetal.,1999)。SPL编码一个定位于核内的蛋白,在拟南芥基因组中没有同源基因(Yangetal.,1999)。在胚珠发育过程中,SPL和AINTEGUMENTA(ANT)、INNERNOOUT(INO)以及BELL相互调控,控制了胚珠近远轴和腹背轴建立(BalasubramanianandSchneitz,2000,2002)。体外酵母双杂和pull-down实验表明SPL和YABBY蛋白家族成员相互作用(Sieberetal.,2004)。此外,AGAMOUS(AG)蛋白可以结合SPL3’非翻译区(UTR)的CArG-box类似序列,从而直接激活SPL的转录(Itoetal.,2004),调控小孢子的发生。 本文报道了一例拟南芥显性突变体spl-D(SPOROCYTELESSdominant)和SPL基因在生长素稳态以及植物发育中的作用。spl-D突变体具有强烈的叶片上卷表型,遗传学互补实验证明是SPL基因的过量表达导致了该表型。除了卷叶表型外,spl-D突变体还具有多种发育缺陷,包括侧根数目少、维管模式简单、顶端优势降低等。spl-D突变体和SPL过量表达转基因植株的叶片和花的表型与yucca基因家族成员的三突变体以及四突变体的表型类似,暗示SPL可能调控生长素的稳态。与该假设相符的是,SPL过量表达导致了生长素报告启动子DR5-GUS的下调。定量RT-PCR分析进一步发现许多生长素响应基因在spl-D叶片中下调表达。有趣的是,生长素生物合成的两个关键基因YUC2和YUC6在spl-D叶片中受到显著抑制。通过YUC2和YUC6启动子报告株系与spl-D突变体杂交,进一步确定spl-D突变对YUC2和YUC6的时空表达都有影响。对spl-D/yuc6-D双突变体遗传学和表型分析表明,SPL可能通过抑制YUC2和YUC6的转录来调控生长素代谢,进而参与调控侧生器官,尤其是叶片的形态建成。
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