植物進化發(fā)育生物學的形成與研究進展_圖文

1、收稿日期:2006-11-03;接受日期:2006-11-17植物進化發(fā)育生物學的形成與研究進展張劍*,徐桂霞,薛皓月,胡瑾中國科學院植物研究所系統(tǒng)與進化植物學國家重點實驗室,北京100093摘要植物進化發(fā)育生物學是最近十幾年來才興起的一門學科,它是進化發(fā)育生物學的主要分支之一。進化發(fā)育生物學的產(chǎn)生經(jīng)歷了進化生物學與胚胎學、遺傳學和發(fā)育生物學的三次大的綜合,其歷史可追溯到19世紀初馮.貝爾所創(chuàng)立的比較胚胎學。相關(guān)研究曾沉寂了近一個世紀,直到20世紀80年代早期,動物中homeobox基因被發(fā)現(xiàn),90年代初花發(fā)育的ABC模型被提出,加之對發(fā)育相關(guān)基因研究的不斷深入,才使基因型與表型聯(lián)系了起來,進

2、而促進了進化發(fā)育生物學的飛速發(fā)展。目前進化發(fā)育生物學已成為21世紀生命科學領(lǐng)域的研究熱點之一。本文詳細闡述了進化發(fā)育生物學產(chǎn)生和發(fā)展的歷程,綜述了最近十幾年來植物進化發(fā)育生物學的主要研究進展。文中重點介紹了與植物發(fā)育密切相關(guān)的MADS-box基因在植物各大類群中的研究現(xiàn)狀,討論了植物進化發(fā)育生物學領(lǐng)域的研究成果對花被演化、花對稱性以及葉的進化等重要問題的啟示。關(guān)鍵詞進化發(fā)育生物學,被子植物,MADS-box,基因家族,系統(tǒng)發(fā)育張劍,徐桂霞,薛皓月,胡瑾(2007.植物進化發(fā)育生物學的形成與研究進展.植物學通報24,130.綜述.進化發(fā)育生物學(evolutionarydevelopmental

3、 biology,簡稱evo-devo,是一門整合了進化生物學(evolutionarybiology、發(fā)育生物學(developmental biology、分子遺傳學(moleculargenetics、胚胎學(embryology及古生物學(paleontology等多個學科的思想和研究方法的綜合性學科。遺傳學家們更愿意把evo-devo 譯為evodevotics,即進化發(fā)育遺傳學(evolutionarydevelopmentalgenetics(Theissen,2000,兩種譯法在本質(zhì)上是一樣的。進化發(fā)育生物學的定義很多,以下是幾個比較有代表性的:(1維基百科Wikipedia

4、中將進化發(fā)育生物學闡釋為通過比較不同生物的發(fā)育過程,來確定生物間的親緣關(guān)系以及發(fā)育過程的進化;(2Hall(2003認為進化發(fā)育生物學是一門揭示生物表型遺傳變化發(fā)育機制的學科,旨在發(fā)現(xiàn)和理解表型起源和進化的分子機制,并由此打開基因型(genotype與表型(phenotype之間的黑匣子(black box;(3Bagu ña和Garcia-Fernandez(2003提出進化發(fā)育生物學的研究目的在于揭示發(fā)育過程和發(fā)育機制在進化中是如何被修飾的,以及曾有或現(xiàn)有的多樣性是如何從這些變化中產(chǎn)生的。本文將回顧進化發(fā)育生物學的發(fā)展歷史,闡述植物進化發(fā)育生物學的形成過程,縱覽植物進化發(fā)育生物學

5、的研究進展,展示這一21世紀前沿學科的概貌。1進化發(fā)育生物學簡史1.1萌芽階段進化生物學與胚胎學的綜合發(fā)育生物學的研究最早是從胚胎學開始的(白書農(nóng),2003。18世紀曾有兩種關(guān)于胚胎發(fā)生的假說:預成論(preformation和漸成論(epigenesis。預成論又稱先成論,該假說認為生物體是從預先存在于生殖細胞(卵子或精子中的雛形發(fā)展而來的。發(fā)育過程中并沒有新的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,只是原本就存在的雛形的機械性擴大。漸成論又稱衍生論或后成論,是1759年由德國胚胎學家沃爾夫(CasparFriedrichWolff,1733-1794年首先提出的,該假說認為從受精卵至新生個體的生長和發(fā)育是個漸變的2 植

6、物學通報24(12007過程,即生物有機體的各種組織和器官是在胚胎發(fā)育過程中由原來未分化的物質(zhì)發(fā)展形成的,在早期胚胎中并沒有預先存在的結(jié)構(gòu)(雛形。1827年,德裔俄國胚胎學家馮.貝爾(KarlErnstvon Baer,1792-1876年出版了OntheMammalianEgg andtheOriginofMan一書。他觀察到人和各種脊椎動物的早期胚胎極為相似,并指出一組動物在胚胎發(fā)育過程中,屬于所有動物共有的結(jié)構(gòu)總是比用以區(qū)分不同種類動物的特征結(jié)構(gòu)先出現(xiàn)。此規(guī)律在1842年被德國比較解剖學家穆勒(JohannesMüller,1801-1858年總結(jié)為馮.貝爾定律(vonBaer

7、slaws。馮.貝爾的研究成果徹底否定了預成論,并創(chuàng)立了比較胚胎學(comparative embryology。這是胚胎學(后來發(fā)展出了發(fā)育生物學與進化生物學的最初接觸,所以,在一定程度上可以說進化發(fā)育生物學最初源于19世紀的比較胚胎學(Arthur, 2002。1859年,英國博物學家達爾文(CharlesRobert Darwin,1809-1882年在OntheOriginofSpecies一書中提出了以自然選擇(naturalselection為基礎(chǔ)的進化學說(Darwin,1859,這標志著科學的生物進化論的誕生。其間,達爾文提出了生物進化的機制,他解釋動物在形態(tài)上的相似是由于它們

8、均來自共同的祖先,而形態(tài)上的差異是在不同環(huán)境中受自然選擇的結(jié)果。他受馮.貝爾定律的影響,指出不同動物早期胚胎的相似性反映了物種起源的共祖性,而后期的相異則是由各種動物所處外界環(huán)境的不同所引起的(Gilbert,2003。他強調(diào)胚胎的相似性可以為不同生物類群的共祖性提供證據(jù),胚胎發(fā)育是探索生物進化的可靠線索。德國生物學家?？藸?ErnstHaeckel,1834-1919年,是最早提到將進化與發(fā)育相結(jié)合這一革命性主題的科學家(Sander,2002。通過對脊椎動物胚胎發(fā)育的長期研究,海克爾于1866年提出了生物重演律(biogenetic law,亦稱生物發(fā)生律,他將個體發(fā)育(ontogeny與

9、系統(tǒng)發(fā)育(phylogeny聯(lián)系起來,提出個體發(fā)育是系統(tǒng)發(fā)育短暫而快速的重演(recapitulation(Haeckel,1866;G ilbert, 2003。生物重演律的提出促進了進化論與發(fā)育研究的結(jié)合。由于達爾文認為胚胎學可以為生物的進化提供最佳證據(jù),于是在19世紀后三分之一的時間里,大量形態(tài)學家致力于比較胚胎學的研究(Bowler,1996;Hall,1999,并將其應(yīng)用于不同動物胚層同源性(homology與系統(tǒng)發(fā)育問題的研究上,使比較胚胎學中融入了進化的思想,進而產(chǎn)生了進化胚胎學。進化胚胎學在個體水平上探索不同分類階元生物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,使胚胎學與分類學(taxonomy得到了很

10、好的結(jié)合。1.2積累階段進化生物學與遺傳學的綜合19世紀80-90年代,描述胚胎學(d e s c r i p t i v e embryology在解釋一些發(fā)育現(xiàn)象時遇到了困難。但胚胎學的發(fā)展并沒有因此而停滯不前,德國胚胎學家韋爾海姆.魯克斯(WilhelmRoux,1850-1924年和漢斯.杜里舒(HansDriesch,1867-1941年等人分別將實驗手段用于胚胎發(fā)育的研究,由此胚胎學進入了實驗胚胎學(experimentalembryology階段。韋爾海姆.魯克斯預言:(1個體胚胎發(fā)育(個體發(fā)育機制的研究將比系統(tǒng)發(fā)育(進化的研究進展得快;(2發(fā)育與進化最終將會通過個體發(fā)育再次將注

11、意力投向系統(tǒng)發(fā)育來實現(xiàn)二者的整合(Gilbert,2003。他的第一個預言很快得到了驗證,因為從20世紀初開始,胚胎學家對胚胎是如何發(fā)育的就比對胚胎是如何進化的更感興趣,所以他們進行了大量有關(guān)胚胎發(fā)育的實驗研究,而對系統(tǒng)發(fā)育的研究則逐漸減弱(Raft,1996。雖然,這大大促進了實驗胚胎學的發(fā)展,但也導致了發(fā)育研究與進化研究的隔離,進而使進化發(fā)育生物學的發(fā)展趨于停滯。因此,韋爾海姆.魯克斯的第二個預言用了將近一個世紀才得以證實。1900年,被“埋沒”了35年之久的孟德爾(Johann GregorMendel,1822-1884年遺傳定律,由荷蘭的植物學家德弗里斯(HugodeVries,18

12、48-1935年、德國植物學家柯靈斯(CarlErichCorrens,1864-1933年、奧地利植物學家丘歇馬克(ErichvonTschermak-Seysenegg,1871-1962年各自重新發(fā)現(xiàn)。孟德爾遺傳定律的再度問世,標志著遺傳學的誕生。1915年,美國遺傳學家摩爾根(ThomasHuntMorgan,1866-1945年出版了TheMechanismofMendelianHeredity一書,張劍等:植物進化發(fā)育生物學的形成與研究進展3提出了基因在染色體上線性排列的理論,而后又在1926年發(fā)表了名著TheTheoryoftheGene,提出基因?qū)W說,進而使遺傳學與胚胎學正式分

13、離開來(Gilbert,1988。此外,正是摩爾根對果蠅Drosophilamelanogaster的研究,開創(chuàng)了遺傳學研究的模式系統(tǒng),并使該學科迅速發(fā)展起來。1953年,沃森(JamesWatson,1928年-和克里克(FrancisCrick,1916-2004年提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,使生物學進入了一個新的時代分子生物學時代。摩爾根曾指出遺傳學將對進化研究做出極大的貢獻(Morgan,1932。而事實上,遺傳學的發(fā)展彌補了達爾文進化論缺乏遺傳學方面的認識與機制分析的不足,為現(xiàn)代進化論的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。概括地講,將基因?qū)W說和自然選擇學說真正結(jié)合起來的是群體遺傳學(populat

14、iongenetics的3位創(chuàng)建者,英國的費希爾(RonaldAylmerFisher,1890-1962年、霍爾丹(John BurdonSandersonHaldane,1892-1964年和美國的賴特(SewallWright,1889-1988年。三位科學家通過創(chuàng)建群體遺傳學,為現(xiàn)代進化論的形成奠定了數(shù)學基礎(chǔ)。群體遺傳學把生物進化定義為群體內(nèi)基因頻率(genefrequency的改變,這正是現(xiàn)代綜合進化論的核心內(nèi)容之一。歷史上,有很多生物學家致力于將遺傳學與進化論整合在一起。在20世紀30-40年代,眾多生物學家為完成這個目標共同努力,代表人物是4位美國生物學家美籍前蘇聯(lián)遺傳學家杜布贊

15、斯基(T h e o d o r e Dobzhansky,1900-1975年、動物學家邁耶爾(Ernst Mayr,1904-2005年、古生物學家辛普森(George GaylordSimpson,1902-1984年和植物學家斯特賓斯(GeorgeLedyardStebbins,1906-2000年。其中以杜布贊斯基的影響最大。1937年,杜布贊斯基的巨著GeneticsandtheOri-ginofSpecies的出版,標志著現(xiàn)代進化論的誕生。現(xiàn)代進化論認為種群(或居群(population是生物進化的基本單位,進化機制的研究屬于群體遺傳學的范疇;基因突變和染色體畸變是生物進化的原始

16、材料;在物種形成(speciation和生物進化過程中,突變(mutation、選擇(selection和隔離(isolation是3個最基本的環(huán)節(jié),同時遺傳漂變(geneticdrift、基因流(geneflow也是主要動力;進化的動力可引起基因頻率的改變;而環(huán)境也是重要的影響因素。該理論運用孟德爾定律來解釋遺傳變異(inheritablev ariation的性質(zhì)和機制,應(yīng)用群體遺傳學的方法來研究進化機制,并接受了達爾文進化論中的自然選擇學說。此后10年,有關(guān)現(xiàn)代進化論的研究碩果累累。動物學家邁耶爾應(yīng)用現(xiàn)代進化論的思想來研究分類學,并于1942年出版了SystematicsandtheOr

17、iginofSpe-cies一書。他在群體水平上對物種(species進行了定義,并提出了在地理變異和隔離條件下新種產(chǎn)生的模型。古生物學家辛普森的研究表明,現(xiàn)代進化論可以被用于解釋化石記錄,而植物學家斯特賓斯則指出植物的進化同樣能夠通過現(xiàn)代進化論加以解釋。到20世紀40年代,現(xiàn)代進化論已經(jīng)被成功地應(yīng)用于幾乎所有的生物學領(lǐng)域。1942年,朱利安.赫胥黎(JulianHuxley, 1887-1975年出版了Evolution:ModernSynthesis一書,綜合了現(xiàn)代進化論在各個領(lǐng)域的研究成果?，F(xiàn)代進化論也因此被稱為現(xiàn)代綜合學說(t h em o d e r n synthesis,亦稱現(xiàn)代

18、綜合進化論。1947年在普林斯頓成立了遺傳學、分類學和古生物學的共同問題委員會,標志著這個偉大的綜合過程的最終完成。生物的進化可以分為:物種水平以下的進化,即小進化(microevolution、物種形成和產(chǎn)生物種以上的新類群(新屬、新科等等的進化,即大進化(macroevolu-tion?，F(xiàn)代進化論將生物的進化定義為群體內(nèi)基因頻率的改變,這種改變不僅可以產(chǎn)生小進化,還可以導致新種的產(chǎn)生和大進化。達爾文進化論和現(xiàn)代進化論都認為生物進化是漸變的過程,新種產(chǎn)生和大進化都是小進化緩慢累積的結(jié)果。但有一些生物學家卻對此持懷疑態(tài)度,其中最為著名的是德裔美國遺傳學家高茲史密特(RichardGoldsch

19、midt,1878-1958年。1940年,高茲史密特出版了TheMaterialBasisofEvolution一書,他認為微小的遺傳改變并不足以產(chǎn)生進化上的新結(jié)構(gòu),小進化的結(jié)果不能推廣到物種形成和大進化。他還提出了兩個模型:(1新種源于由重要發(fā)育位點發(fā)生突變(發(fā)4 植物學通報24(12007育上的大突變而產(chǎn)生的有希望的怪物(h o p e f u l monsters,這些有希望的怪物產(chǎn)生新的物種、新的類群,完成生物的大進化;(2染色體重排(chromosomal rearrangements可以導致許多發(fā)育上的大突變,進而引起表型方面大的改變(Goldschmidt,1940。此外,高茲

20、史密特還用遺傳學的思想解釋胚胎發(fā)育,從而創(chuàng)立了發(fā)育遺傳學(developmentalgenetics。1.3興起階段進化、發(fā)育和遺傳的綜合生物體既是在發(fā)育過程中自身基因相互作用以及基因與環(huán)境之間相互作用的產(chǎn)物,也是進化過程中突變與自然選擇的產(chǎn)物。通常,發(fā)育生物學家希望通過研究性狀與形態(tài)的變化過程及其間基因表達和功能的改變,來揭示生物體發(fā)育的基本規(guī)律;而進化生物學家的研究目的在于了解生物是如何進化的,以及如何改變自身性狀與形態(tài)的。而生物體自身性狀與形態(tài)改變的根源恰恰需要從控制個體性狀與形態(tài)的發(fā)育機制中尋找(Goodman andCoughlin,2000。當科學家開始利用與個體發(fā)育相關(guān)基因的表達

21、模式來解釋一類生物是如何起源和分化的時候,實際上進化發(fā)育生物學的研究就已經(jīng)開始了,進化生物學與發(fā)育生物學的結(jié)合也就是順理成章的事了。20世紀80年代,曾一度停滯的進化發(fā)育生物學隨著homeobox基因的發(fā)現(xiàn)和研究而又活躍了起來,并實現(xiàn)了發(fā)育生物學與進化生物學在基因水平上的融合。Hox基因是在研究果蠅突變體(mutant時發(fā)現(xiàn)的,是homeobox基因中最早被發(fā)現(xiàn)的一類,其在動物各大類群中普遍存在。Hox基因的發(fā)現(xiàn)是進化發(fā)育生物學發(fā)展史上的一個里程碑,它大大推動了進化發(fā)育生物學前進的步伐。在Hox基因發(fā)現(xiàn)之后,有大量源自不同生物的分子序列數(shù)據(jù)得到收集和比較,這極大地促進了進化發(fā)育生物學的發(fā)展。從

22、20世紀50年代開始,劉易斯(EdwardLewis, 1918-2004年等人對果蠅突變體進行了飽和篩選(saturationselection,發(fā)現(xiàn)了一批由單基因控制的形態(tài)變異的突變體。同時,他們在同源異型基因(homeotic genes的發(fā)現(xiàn)及對其功能與結(jié)構(gòu)的解釋方面也作出了突出的貢獻。1983年,賈博(RichardGarber、庫若瓦(AtsushiKuroiwa、杰瑞(WalterGehring及斯科特(MichellePellissierScott等人首先從果蠅中發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)形態(tài)發(fā)生的homeobox基因(Garberetal.,1983; Scottetal.,1983。198

23、4年,研究人員通過對果蠅、青蛙和人體內(nèi)的h o m e o b o x基因的研究,發(fā)現(xiàn)homeobox基因都包含約180bp的高度保守的DNA序列(即homeobox(McGinnisetal.,1984;Scottand Weiner,1984。這些研究反映了homeobox基因在系統(tǒng)發(fā)育中的普遍的保守性。此后的研究發(fā)現(xiàn),在許多動植物基因組中都有h o m e o b o x基因的存在,這些homeobox基因形成了一個龐大的編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因家族homeobox基因家族,該家族基因所編碼的蛋白質(zhì)擁有一個由60個氨基酸組成的DNA結(jié)合域,被稱為h o m e o b o x結(jié)構(gòu)域。1999年

24、,整合與比較生物學學會(TheSocietyfor IntegrativeandComparativeBiology,SICB正式確定進化發(fā)育生物學成為一個獨立的學科領(lǐng)域(Goodman andCoughlin,2000。生物在時間上有兩種改變:單個生物體的一生(個體發(fā)育和生物譜系的進化歷史(系統(tǒng)發(fā)育。進化發(fā)育生物學的關(guān)鍵點在于其認為第一類改變可為第二類改變提供重要的啟示。新性狀的進化大多源于新的遺傳突變的獲得與固定(Irish,2002。此外,基因重復也可為新性狀的產(chǎn)生提供可能。通過基因重復(g e n e duplication產(chǎn)生的新的位點可能有不同的命運:(1新功能化(neofunct

25、ionalization,即獲得不同于祖先基因的新的功能(function-gain;(2亞功能化(subfunc-tionalization,即與原有的祖先基因的功能部分冗余(partialredundancy;(3假基因化(pseudogenization,即失去基因功能,成為假基因(pseudogenes(Mooreand Purugganan,2005。對于生物體而言,發(fā)育調(diào)控基因(developmental regulatorygenes可能是形態(tài)進化過程中的關(guān)鍵起始點,理解發(fā)育調(diào)控基因的系統(tǒng)發(fā)育對理解動植物形態(tài)的進化十分有益。進化發(fā)育生物學的主要目的是對生物進化過程中的關(guān)鍵創(chuàng)新(k

26、eyinnovation性狀和相關(guān)發(fā)育調(diào)控張劍等:植物進化發(fā)育生物學的形成與研究進展5基因的進化進行研究,了解進化過程中新性狀產(chǎn)生的發(fā)育和遺傳背景,分析主要相關(guān)基因的進化與發(fā)育途徑改變、表型進化之間的關(guān)系。19世紀,馮.貝爾和?？藸枌⑦M化生物學與胚胎發(fā)育研究聯(lián)系了起來,但縱觀二者的發(fā)展歷程(圖1,在大部分時間里,還是沿著各自的發(fā)展路線獨自前行的:進化研究的發(fā)展,從達爾文的進化論到進化生物學的誕生,再到新達爾文主義、現(xiàn)代綜合進化論的提出;發(fā)育研究的發(fā)展,從早期的描述胚胎學到實驗胚胎學,進而是發(fā)育生物學和發(fā)育遺傳學的出現(xiàn)。這其間還穿插著兩條輔線:一是遺傳學研究的發(fā)展,遺傳學的誕生,特別是群體遺傳學

27、的出現(xiàn),給予進化研究極大的啟示,促進了綜合進化論的提出,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)人們進入了分子生物學時代,隨之產(chǎn)生了分子遺傳學,而遺傳學的研究與分子水平上發(fā)育機制的認識,又激起了發(fā)育遺傳學的興起;二是比較胚胎學的發(fā)展,異時性(heterochrony和異位性(heterotopy理論的提出開啟了比較胚胎學研究的新發(fā)展,進而誕生了比較進化系統(tǒng)發(fā)育胚胎學,其被視為進化發(fā)育生物學的源頭之一。20世紀80年代,隨著動物中homeobox基因的發(fā)現(xiàn)和研究,發(fā)育生物學與進化生物學在基因水平上得到了融合。隨后,短短十幾年的時間里,進化發(fā)育的相關(guān)研究得到了飛速發(fā)展。2植物進化發(fā)育生物學研究進展 植物進化發(fā)育

28、生物學從動物進化發(fā)育研究中得到了許多啟示,借鑒了許多技術(shù)、方法和概念。然而,由于動物和植物在發(fā)育過程、形態(tài)建成、營養(yǎng)方式、代謝途徑等諸多方面存在著較大差異,因此它們的多細胞化和結(jié)構(gòu)復雜性的遺傳發(fā)育機制也存在很大不同。近十幾年來,隨著對模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana 、金魚草(Antirrhinummajus 、水稻(Oryzasativa 等的研究不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)了大量與花、葉、根等植物器官發(fā)育相關(guān)的基因,并從結(jié)構(gòu)、表達和功能等各個層面對這些基因進行了研究,提出了一系列與植物關(guān)鍵性狀發(fā)育相關(guān)的模型,例如花發(fā)育的ABC 模型(Coenand Meyerowitz,199

29、1;WeigelandMeyerowitz,1994。在模式植物中所取得的大量研究成果給植物進化發(fā)育生物學的發(fā)展提供了良好的研究基礎(chǔ);而植物分子系統(tǒng)學(plantmolecularphylogenetics的興起,用基因序列的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系來闡釋植物類群間的親緣關(guān)系,又為植物進化發(fā)育生物學提供了有關(guān)進化研究的思路和方法,并使人們意識到對植物發(fā)育機制的進化研究可以由模式物種擴展到其它物種,可對來自不同類群的同源發(fā)育相關(guān)基因進行進化分析,探究發(fā)育基因與植物進化的內(nèi)在聯(lián)系,將發(fā)育相關(guān)基因的進化與植物本身的進化相融合,在遺傳和發(fā)育的水平上解釋進化問題。正是沿著這樣的脈絡(luò),植物進化發(fā)育生物學研究漸漸拉開了

30、序幕。2.1A B C D E 模型的提出及M A D S -b o x 基因的發(fā)現(xiàn) 20世紀90年代,許多植物發(fā)育生物學家通過對擬南芥 和金魚草等模式植物突變體的研究,發(fā)現(xiàn)了類似于動物中的同源異型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,其中典型的與花發(fā)育相關(guān)的突變體可以分為A 、B 、C 三類?；谌愅蛔凅w的表圖1進化發(fā)育生物學發(fā)展史Figrue1Thedevelopmentalhistoryofevolutionarydevelop-mentalbiology(LoveandRaff,2003型,Coen等人提出了ABC模型(ABCmodel(Coenand Meyerowitz,1991;WeigelandMeye

31、rowitz,1994; Theissen,2001:在正?；ㄆ鞴侔l(fā)育的過程中,相應(yīng)地存在A、B、C三類花器官身份基因(floralorganiden-titygenes,分別執(zhí)行A、B、C三種功能。A類基因控制萼片、花瓣的發(fā)育;B類基因控制花瓣、雄蕊的發(fā)育;C類基因控制雄蕊、心皮的發(fā)育。而A、C 類基因互相拮抗,抑制對方在自身所控制的區(qū)域中表達。在擬南芥中,A功能基因有APETALA1(AP1和APETALA2(AP2(Mandeletal.,1992;Jofukuetal., 1994,B功能基因有A P E T A L A3(A P3和PISTILLATA(PI(Jacketal.,19

32、92;Gotoand Meyerowitz,1994,C功能基因有AGAMOUS(AG (Yanofskyetal.,1990。在金魚草中,相應(yīng)的花器官身份基因有SQUAMOSA(SQUA(Huijseretal.,1992; DEFICIENS(DEF和GLOBOSA(GLO(Sommeretal., 1990;Tröbneretal.,1992;PLENA(PLE和FARINELLI(FAR(CarpenterandCoen,1990;Davies etal.,1999。在ABC模型提出后,人們又在矮牽牛(Petunia hybrida中發(fā)現(xiàn)了2個與胚珠(ovule發(fā)育相關(guān)的基因

33、: F B P7(F L O R A LB I N D I N GP R O T E I N7和F B P11 (Angenentetal.,1995;Colomboetal.,1995,并將其命名為D類基因,作為胚珠發(fā)育的主控基因(master controlgene,進而ABC模型擴展為ABCD模型(Colomboetal.,1995;AngenentandColombo, 1996。在擬南芥中該類基因為A G L11(A G A M O U S-LIKE11,或者稱為SEEDSTICK(Rounsleyetal.,1995; Pinyopichetal.,2003。此外,人們在研究擬南芥

34、中AGL2、AGL4和AGL9這3個基因時發(fā)現(xiàn),它們除了在擬南芥花發(fā)育早期表達(Maetal.,1991;Flanagan andMa,1994;MandelandYanofsky,1998之外,還影響各輪花器官的發(fā)育,因為這3個基因的三突變體中,各輪花器官均轉(zhuǎn)變?yōu)檩嗥?說明它們在花瓣、雄蕊和心皮的特征決定中起作用,而且這3個基因在功能上是冗余的(Pelazetal.,2000。后來這3個基因分別被重新命名為SEPALLATA1(SEP1、SEP2、SEP3,并被稱為E類基因,由此,ABCD模型擴展為ABCDE模型(Pelazetal.,2000;HonmaandGoto,2001; Thei

35、ssen,2001;TheissenandSaedler,2001。最近的研究表明,AGL3基因(或者稱為SEP4對萼片的特征決定有作用(Dittaetal.,2004,這填補了E類基因在萼片特征決定中的空缺。上述基因除了擬南芥中的A P2基因?qū)儆贏 P E T A L A2/E R E B P基因家族(R i e c h m a n na n d Meyerowitz,1998外,其它均屬于MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因家族(ShoreandSharrocks,1995;Theissenet al.,2000?？梢?MADS-box基因因其在植物花的形態(tài)建成過程中起著重要作用,而成為了植物進化

36、發(fā)育生物學研究的核心之一。M A D S的名稱來源于M C M1(M i n i c h r o m o s o m e maintenancegene(來自于酵母(Passmoreetal., 1988;Herskowitz,1989,AG(AGAMOUS(來自于擬南芥(Yanofskyetal.,1990,DEF(DEFICIENS(來自于金魚草(Sommeretal.,1990;Schwarz-Sommeret al.,1992和SRF(Serumresponsefactor(來自于現(xiàn)代人(Normanetal.,19884個最早鑒定的家族成員的第一個字母。這些基因的共同特點是:都擁有一

37、段約180 bp的高度保守的DNA序列(ShoreandSharrocks, 1995,被稱為MADS-box;而其所編碼的約60個氨基酸的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域被稱為M A D S結(jié)構(gòu)域(M A D S-d o-main或M-domain,該結(jié)構(gòu)域具有與靶基因上特異DNA序列相結(jié)合的功能(Theissenetal.,2000。相應(yīng)地,具有MADS-box區(qū)域的基因統(tǒng)稱為MADS-box基因(Schwarz-Sommeretal.,1990。MADS-box基因在現(xiàn)存的植物、動物和真菌中都有發(fā)現(xiàn),它們所編碼的蛋白質(zhì)在植物、動物和真菌的生長發(fā)育中起著重要的調(diào)節(jié)作用(ShoreandSharrocks,19

38、95;Theissenand Saedler,1995;Theissenetal.,1996,2000;Riechmann andMeyerowitz,1997。系統(tǒng)發(fā)育分析表明真核生物的MADS-box基因可分為2個主要類型,I型(typeI和II型(typeII(圖2(Alvarez-Buyllaetal.,2000。其中II型MADS-box基因中的MIKC型基因(包括MADS-box、I、K-box和C末端4個保守程度不一的區(qū)域為植物所特有。根據(jù)內(nèi)含子與外顯子的結(jié)構(gòu)差異,MIKC 型M A D S -b o x 基因又可以進一步劃分為M I K C c 型和MIKC*型(Hensche

39、letal.,2002。MIKC c 型與MIKC*型基因在結(jié)構(gòu)上有明顯的不同,MIKC*型基因編碼蛋白質(zhì)的I區(qū)比MIKC c 型基因編碼蛋白質(zhì)的I區(qū)多大約20個氨基酸,而且相比之下MIKC*型基因編碼蛋白質(zhì)的K-box結(jié)構(gòu)域保守性要差些(Henscheletal.,2002;Riese,2005。與植物發(fā)育相關(guān)的基因大多屬于MADS-box基因家族,而且多為MIKC 型基因。植物MIKC 型MADS-box 基因在植物的花分生組織、花器官及各種營養(yǎng)器官中有不同的時空表達式樣,執(zhí)行著不同的功能(Rounsleyet al.,1995;Alvarez-Buyllaetal.,2000,其結(jié)構(gòu)、表

40、達和調(diào)控模式的改變與花的起源與進化密切相關(guān),因此在植物進化發(fā)育生物學研究中,MIKC 型MADS-box 基因備受關(guān)注。植物MIKC 型MADS-box 基因還可以被進一步分為不同的基因亞家族(BeckerandTheissen,2003。本文僅對SQUA/AP1、DEF/AP3、GLO/PI 、G G M 13、A G 和S E P 這幾個主要的亞家族加以介紹。2.2植物大類群的進化發(fā)育生物學研究進展植物進化發(fā)育生物學研究的核心目的在于從發(fā)育的角度探究植物類群的起源與進化,所以了解已有的分類系統(tǒng)、植物大類群的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及其相關(guān)的關(guān)鍵創(chuàng)新性狀是十分必要的。圖3所示為植物主要類群的劃分情況及伴

41、形態(tài)和分子的系統(tǒng)發(fā)育分析表明陸地植物為單系類群,與現(xiàn)存的淡水輪藻(charophycean互為姐妹群(Graham etal.,2000。因此,要研究陸地植物MADS-box基因的起源與進化,淡水輪藻是最好的研究材料之一。已有研究者在3種淡水輪藻球狀輪藻(Charaglobul-aris 、鞘毛藻(Coleochaetescutata 和帶藻(Closteri-um peracerosum -strigosum -littorale 中均克隆到了MADS-box 基因,即球狀輪藻的CgMADS1、鞘毛藻的C s M A D S 1和帶藻的C p M A D S 1。序列分析表明,從3種輪藻中克

42、隆得到的MADS-box基因都屬于MIKC c 型。由此可見,輪藻類和陸地植物的共同祖先中已經(jīng)擁有了MIKC c 型MADS-box 基因(Tanabeetal.,2005。而且,通過研究淡水輪藻中這些基因的表達式樣,研究者推測在陸地植物的祖先中,MADS-box基因可能是單功能基因,主要參與生殖細胞的分化(Tanabeetal.,2005。在苔蘚植物(bryophytes中關(guān)于MIKC 型MADS-box 基因的研究(KroganandAshton,2000;Henscheletal.,2002;Hoheetal.,2002多集中在模式植物劍葉蘚(Physcomitrllapatens 中。

43、到目前為止,已經(jīng)從劍葉蘚中分離到9個M A D S -b o x 基因:P P M 1-P P M 4(Henscheletal.,2002、PPM6(Riese,2005、P P M 7(R i e s e ,2005和P p M A D S 1-P p M A D S 3(Henscheletal.,2002。系統(tǒng)發(fā)育重建和序列結(jié)構(gòu)比較揭示出PPM1、PPM2和PpMADS1基因?qū)儆贛IKC c圖2MADS-box 基因家族的進化Figure2TheevolutionofMADS-boxgenefamily(Beckerand Theissen,2003型;P P M 3、P P M 4、

44、P P M 6、P P M 7、P p M A D S 2和PpMADS3基因?qū)儆贛IKC*型。其中,兩個MIKC*型基因PPM6和PPM7編碼的蛋白質(zhì)具有較長的I 區(qū)和保守性稍差的K-box。蕨類植物的進化發(fā)育研究主要集中在水蕨屬(Ceratopt-erisI 的水蕨(C.richardii (Chasan,1992上。目前已從水蕨中克隆得到超過15個MADS-box 基因(M ünster etal.,1997;diRosa,1998*;Hasebeetal.,1998;Kofujietal.,2003。人們通過序列比較分析,將這些基因都歸為MIKC 型MADS-box 基因(W

45、 e i g e l a n d Meyerowitz,1994。水蕨中的MADS-box 基因又可被進一步分為3類:CRM1-like、CRM3-like和CRM6-like 基因。其中CRM6-like 基因編碼的蛋白質(zhì)還含有附加的N 末端氨基酸序列,與有花植物中AGAMOUS 基因亞家族中的一些基因相似。這一結(jié)構(gòu)上的相似性暗示出蕨類植物與有花植物之間具有潛在的親緣關(guān)系(Hasebe etal.,1998。研究人員還從與水蕨親緣關(guān)系較遠的原始蕨類植物尖頭瓶兒小草(O p h i o g l o s s u m p e d u n c u l o s u m 中克隆到O P M 1、O P

46、M 3、O P M 4和OPM5四個MADS-box 基因,其中OPM1和OPM5可能是CRM6-like 或CRM7-like 基因(M ünster etal.,1997。蕨類植物中MADS-box 基因的主要功能可能是調(diào)控生物體的發(fā)育與細胞分化。它們在配子體和孢子體中都有表達,比種子植物中的MADS-box基因有更廣泛的功能和時空表達范圍。人們還發(fā)現(xiàn)水蕨中的4個M A D S -b o x 基因(C R M 1、C R M 4、C R M 6和C R M 9在轉(zhuǎn)錄過程中存在選擇性剪接(alternativesplicing現(xiàn)象(Olsonetal.,1995;Theissene

47、tal.,1996。此外,除CRM11、CRM12和CMADS5基因由于讀碼框內(nèi)存在終止密碼子或核苷酸的插入或缺失而不能編碼完整的MIKC 型蛋白質(zhì)外,大多數(shù)蕨類植物中的MADS-box 基因都能編碼(NMIKC型蛋白質(zhì)(Hasebeetal.,1998。圖3植物主要類群的劃分與關(guān)鍵創(chuàng)新性狀的出現(xiàn)Figure3Themajorcladesofplantsandtheappearanceofthekeyinnovations*diRosaA (1998.Molekularbiologischeuntersuchungenzumursprunghom öotischergeneinpfl

48、anzenambeispielderMADS-box-genfamilieausdemfarn Ceratopterisrichardii .PhDthesis.Mathematisch-NaturwissenschaftlicheFakult ätderUniversit ätzu K ö ln,Germany.pp.1-87.除MADS-box基因外,人們在水蕨中還發(fā)現(xiàn)了11個HD-Zip基因:Crhb1-Crhb11,該類基因?qū)儆趆omeobox 基因家族,以前僅在被子植物中有報道,其可能參與花的發(fā)育及其它一些生理過程(Aso,1999。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示這1

49、1個Crhb基因分屬于HD-Zip亞家族中的HD-ZipI、II和IV類,其中Crhb4、Crhb8和Crhb11屬于HD-ZipI基因,但是它們與被子植物中的HD-ZipI基因存在差異。此外,Crhb1和Crhb3基因只在配子體中表達,Crhb1參與配子體的性別決定;除Crhb1、Crhb2、Crhb3和Crhb11基因外,其它的Crhb基因在孢子體和配子體中都有表達。在蕨類植物中,雖然配子體世代和孢子體世代中植物在形態(tài)上有很大的不同,但HD-Zip基因在配子體和孢子體中的表達式樣卻十分相似。因此,研究HD-Zip基因在配子體和孢子體發(fā)育過程中的調(diào)控作用的差異,對于理解植物世代交替的進化歷史

50、有重大意義?，F(xiàn)存的裸子植物主要有4類:蘇鐵類(cycads、銀杏類(ginkgoids、松柏類(conifers和買麻藤類(gnetophy-tes。其中有關(guān)植物進化發(fā)育生物學的研究主要集中在松柏類和買麻藤類上,而在蘇鐵類和銀杏類中也有少量研究。人們從挪威杉(P i c e aa b i e s、黑杉(P. mariana和松屬(Pinus的蒙特爾松(P.radiata和美加紅松(P.resinosa中克隆到一些MADS-box基因,并進行了系統(tǒng)發(fā)育分析,發(fā)現(xiàn)它們主要歸為以下幾類基因: AG-、AGL2-、AGL6-、DEF/GLO-和TM3-like基因。研究還顯示這些MADS-box基因在

51、大、小孢子葉球中都有表達,其中一些基因還在營養(yǎng)器官中表達,如蒙特爾松的AGL6-like基因PrMADS3在松針原基中有表達(Mouradovetal.,1998;挪威杉的TM3-like基因DAL3在營養(yǎng)枝條中有表達,AGL6-like基因DAL1在一年生的枝條中有表達(Tandreetal.,1998。此外,原位雜交結(jié)果表明蒙特爾松的AGL6-like基因PrMADS2/ 3和AGL2-like基因PrMADS1在形成珠鱗和小孢子葉的原基中有表達(Mouradovetal.,1998;挪威杉的AG-like基因DAL2在珠鱗中有表達;黑杉的AG-like基因SAG1在雌球花中有表達,在雄球

52、花中僅在絨氈層組織中有極低的表達。這些研究表明松柏類植物中的AG-、AGL2-和AGL6-like基因與生殖結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)。買麻藤類植物有許多與被子植物相似的解剖學特征,該類群植物一直被認為是被子植物的近親。然而,基于分子序列的系統(tǒng)發(fā)育分析卻表明該類群植物與現(xiàn)存的松柏類植物的關(guān)系比與被子植物的近(Winteretal., 1999。人們在顯軸買麻藤(Gnetumgnemon中克隆到了13個MADS-box基因:GGM1-13。其中GGM1屬于TM3-like基因亞家族,在大、小孢子葉球和葉中表達;GGM2與DEF/GLO-like基因很相似,只在小孢子葉球表達;GGM3是AG-like基因,在

53、大、小孢子葉球中均有表達,而在葉中不表達;GGM9和GGM11屬于AGL6-like基因。GGM2基因編碼蛋白質(zhì)的C末端有一個保守的paleoAP3基序(motif,該基序主要存在于基部被子植物和基部真雙子葉植物中的paleo AP3基因譜系與核心真雙子葉植物中的TM6基因譜系所編碼蛋白的C 末端區(qū)域內(nèi)(paleo AP3和TM6譜系是DEF/GLO基因亞家族的兩個分支,這一發(fā)現(xiàn)支持了GGM2基因與DEF/ GLO-like基因親緣關(guān)系較近的說法,但是GGM2基因的外顯子、內(nèi)含子結(jié)構(gòu)比被子植物的DEF/GLO-like基因結(jié)構(gòu)要原始些。研究人員在銀杏(Ginkgobiloba中克隆到了擬南芥A

54、GAMOUS基因的直系同源基因GBM5(Jageretal., 2003。研究表明GBM5基因在雄株和雌株器官發(fā)育的早期表達,而在雌株的雌配子體中則一直表達,這一表達式樣在松柏類植物中也有發(fā)現(xiàn),如挪威杉中的DAL2基因和黑杉中的SAG1基因(Jageretal.,2003。LEAFY(LFY基因主要控制花分生組織的形成,其屬于花分生組織身份基因(floralmeristemidentity gene,對花器官身份基因有調(diào)節(jié)作用。蒙特爾松中有2個LFY同源基因:NLY和PRFLL,其中NLY基因在營養(yǎng)生長期表達,P R F L L基因在小孢子葉球中表達(Mellerowiczetal.,1998

55、。Frohlich和Parker(2000研究發(fā)現(xiàn)LFY基因在裸子植物中有2個拷貝,而在被子植物中僅有1個拷貝,通過深入研究,他們提出花組成的發(fā)育控制主要源于裸子植物祖先中雄性生殖結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)活動,而含有胚珠的雌性生殖結(jié)構(gòu)在最初的花中的異位發(fā)生是次要的,即有名的主雄性理論(themostlymale theory。據(jù)估計在3億年前裸子植物和被子植物的最近共同祖先中,至少有7類不同的MADS-box基因,分別是A G-、A G L2-、A G L6-、D E F/G L O-、G G M13-、STMADS11-和TM3-like基因,這些基因可能與生殖器官的發(fā)育有關(guān)。研究表明在裸子植物中有DEF

56、/AP3和GLO/PI類基因的存在,說明這兩類基因的祖先基因至少存在于3億年前,即在裸子植物與被子植物未分化前就存在B類基因了(Winteretal.,2002a。而由B類基因在裸子植物和被子植物的雄性生殖器官(小孢子葉和雄蕊中表達,可推斷B類基因在所有種子植物中都有原始的性別分化功能,可區(qū)分雌雄生殖器官(雄性生殖器官中B類基因表達,雌性生殖器官中B類基因不表達,而雌雄生殖器官在同一生長軸上產(chǎn)生正是花起源中的重大事件之一(Albertetal.,1998;Winteretal.,1999,2002a; Theissenetal.,2002。隨著被子植物的進化,DEF/ AP3和GLO/PI基因亞家族逐步建立起來,并獲得確定花瓣特征的功能(Winteretal.,2002b。此外,在主要的種子植物類群中都發(fā)現(xiàn)了AG-like基因,但在非種子植物中卻尚未發(fā)現(xiàn),所以AG亞家族可能