张建晴08级生物基地PPT课件

花花发育育张建晴 08级生物基地引言：花在什么时候进化来的?160-147 MYBP被子植物花的定义性状￿心皮闭合,并着生有胚珠￿珠心包被胚囊，双受精后包含二倍体的胚和三倍体的胚乳研究花发育的方式￿（1）研究花颜色，对称性，花部数量，授粉机制等的进化上的原因￿（2）在细胞，组织类型，形态学和一些物理物理因子￿（3）1980s—19990s 分子遗传学 拟南芥和金鱼草花结构的保守性￿只有一个例外只有一个例外 在墨西哥热带雨林单子叶植物在墨西哥热带雨林单子叶植物Lacandonia schismatica 心皮包围中心雄蕊心皮包围中心雄蕊￿这种保守性说明控制花发育的基本特征的这种保守性说明控制花发育的基本特征的gene regulation network(GRN)模式在被子植物发育模式在被子植物发育早期就已经建立了，而且在花进化的早期就已经建立了，而且在花进化的140,000,000年间在大多数种类中保存了下来年间在大多数种类中保存了下来￿结构限制对此也有重要的作用结构限制对此也有重要的作用 STRUCTURAL ASPECTS OF ARABIDOPSIS FLOWER DEVELOPMENT￿花序分生组织的结构和花分生组织的来源, 由SAM到IM￿花器官原基，由IM到FM￿花发育的各个时期￿各个花器官的发育、形态学和显微解剖学特征由SAM到IM￿在抽薹时，Shoot apical meristem(SAM)在侧面产生叶，顶端的SAM产生花。

￿花序包在完全发育的苞片内，而花则对应于退化的苞片内拟南芥的花芽在退化的苞片的叶腋处形成膜本体SAMSAM外外发育的结构发育的结构L1垂周分裂垂周分裂垂周分裂垂周分裂表皮细胞表皮细胞L2垂周分裂垂周分裂平周分裂平周分裂如叶肉细胞，如叶肉细胞，茎的基本组织茎的基本组织L3垂周分裂和平周分裂同时进行垂周分裂和平周分裂同时进行最内层的组织，最内层的组织，维管组织维管组织￿根据细胞密度细胞密度和细胞分裂速率细胞分裂速率，SAM也可分为3部分￿CZ包围着干细胞，CZ产生PZ和RZ区的细胞￿RZ区细胞开始为长方形，其长轴与SAM轴垂直，接下来沿SAM轴伸长，这样使茎伸长￿花从PZ区发育而来，由四个所谓的founder cell但有人通过做同样的实验得出应该有更多的细胞参与花原基的形成2.2 花器官原基￿花原基形成后，细胞按着同心持续分裂同心持续分裂并增大形成同心圆同心圆结构的一群细胞，形成一个几近球形几近球形的原基￿开始的阶段，拟南芥花分生组织形成4层细胞，呈同心圆结构，细胞分裂方式决定于该细胞在分生组织中的径向位置￿而在第6阶段在器官形成时，ABC同源异型基因控制细胞分裂速率和细胞定位，打破了同心圆的连续性，使每个花部的原基出现。

The initiation and identity of floral organs are also regulated by different and largely independent molecular modules.花瓣转变为类似萼片的结构时，却不能改变在这个部分花瓣转变为类似萼片的结构时，却不能改变在这个部分应该出现的花器官的数量应该出现的花器官的数量￿扇形边界分析（sector boundary analysis）表明：萼片、心皮从8个细胞起源，雄蕊从4个细胞起源，花瓣从2个细胞起源每个花器官原基细胞被边界区域内一些分裂较慢的细胞分开2.3 花发育的时间记录￿Stage 1￿花原基在IM侧面突起；￿花原基形成后，细胞分裂速度加快￿Stage 2：各个方向快速分裂，体积变大，与IM分界明显，与IM几近形成一个直角￿Stage 3：花萼原基变得可见，有了初期的花梗，开始竖直生长侧面的两个萼片先出现，但很快被近轴和远轴的两个萼片超过￿Stage 4：花梗继续伸长，花原基半径增大，花萼盖住部分花原基￿Stage 5：花瓣和雄蕊原基可见：中间4个雄蕊先出现在花原基的侧面，4花瓣原基在萼片之间近基部的部分出现。

另外2个雄蕊出现在这个阶段的晚期￿Stage 6：萼片将花原基完全覆盖，4个长雄蕊突出于FM，2个短雄蕊生长得较慢花瓣原基仍然相对较小，原因不明围绕中心的边缘突起，向上生长形成椭圆形的管状物即雌蕊￿Stage 7：这个时期开始于在长雄蕊基部有了柄的结构，柄最终成长为花丝花瓣原基虽然变成为半球形，但仍然相对较小￿Stage 8：雄蕊发育的里程碑——花粉室长雄蕊的近轴侧变得可见，这时的雄蕊主要是发育花药，花丝较短，短雄蕊也很快出现花粉室的分割花瓣原基发育加快A slot here￿Stage 9：以花瓣原基伸长为开端所有的器官快速伸长特别是花瓣原基，形状似舌头蜜腺出现这个阶段花芽仍完全闭合￿Stage 10：花瓣与侧面的雄蕊等高柱头上乳头状的“帽子”开始形成Stage 11：始于雌蕊柱头出现柱头乳突毛，但一开始的发育仅限于与萼片无关的区域这个阶段结束时花瓣与中间的雄蕊等高￿Stage 12：各种花器官伸长，花药几乎达到成熟的长度，花丝开始伸长，雌蕊上部分化成为花柱与乳突毛部分有明显的界限本阶段结束时萼片打开￿Stage 13：花瓣在萼片间变得可见，雄蕊急剧伸长超过雌蕊，授粉授粉，进行自交。

￿Stage 14：角果开始发育，这个阶段被认为是开花后的第0个小时外果皮的细胞持续进行垂周分裂，在胎座框和瓣上纵向扩充，瓣上还有其他方向的扩充￿Stage 15:柱头超过长花药，心皮壁的细胞分裂和扩充仍在继续，中间的维管束继续生长并且木质部木质化，侧面的维管束在中心皮中延伸￿Stage 16：角果长度达到角果长度达到13阶段的两倍阶段的两倍，花瓣和萼片开始干枯，角果中组织持续增长￿Stage 17：花序器官从角果上脱落的时期脱落的时期绿色的角果达到成熟的长度这个阶段持续8天，是所有阶段中持续时间持续时间最长的最长的开裂区也分化出来￿Stage 18：角果从顶端到基部开始变黄外果皮干掉的同时，内果皮中一层细胞进一步木质化，并且分裂成小片推测着可能与角果开裂有关，以喷泉似的方式制造机械张力以喷泉似的方式制造机械张力￿Stage 19：瓣（valve）开始从干角果中分离出来明显的与开裂区缺少细胞内聚力有关￿Stage 20：瓣开始与干角果分离，成熟的种子准备散播17 18 19 20萼片￿L1形成表皮细胞，L2形成叶肉细胞，L3细胞形成维管组织；￿花萼是所有花器官中出现最早的原基，在Stage 3出现，在此4个萼片是否位于同一轮引发争议。

3 4 5 6￿萼片近轴侧和远轴侧细胞表面不一样￿近轴侧细胞形状不规则，有些细胞相当长，而且细胞核大小不一，在边缘上有许多小细胞￿远轴侧细胞有气孔，也可能有不分叉的毛状体花瓣￿同样地，L1形成表皮细胞，L2细胞形成叶肉细胞，但花瓣中没有发现L3细胞形成的部分￿在Stage 5与雄蕊几乎同时出现，一直到Stage 9原基分化才变得明显4个花瓣均为扁平、白色，大小、形状相同，越接近基部越窄也变得越绿5 7 9 11￿近轴侧细胞圆锥形，从底部到基部上表皮加厚￿远轴侧较平坦，多呈圆石状，表皮加厚￿两面均没有气孔花瓣基部和花丝基部细胞很相似雄蕊￿Stage 5出现，是由花原基的L2或L3细胞进行平周分裂发育而来￿在Stage 6变得可见，Stage 7分化可见，长雄蕊在基部有柄出现，包括L1来的表皮，L2来的亚表皮，L3来的中心（core）。

￿Stage 8出现花粉室，其中的花药发育是由于来源于L2的细胞的平周分裂造成的￿Stage 14花药超过柱头，成熟的花药中L3细胞仅形成脉管系统四个长雄蕊较两个短雄蕊更先生长5 7 8￿雄蕊包括花丝和花药，花丝顶端发育生殖和非生殖组织产生、贮存或释雄蕊包括花丝和花药，花丝顶端发育生殖和非生殖组织产生、贮存或释放花粉粒花药为两室的纵裂结构放花粉粒花药为两室的纵裂结构￿花药原基形成花药原基形成3层解剖结构完全不同的层解剖结构完全不同的 细胞，药室内壁，中间层和绒毡细胞，药室内壁，中间层和绒毡层；其中绒毡层细胞包围着花粉母细胞（层；其中绒毡层细胞包围着花粉母细胞（pollen mother cell,PMCs））￿花粉母细胞一旦形成，被一层葡聚糖包围减数分裂后，花药含有分化花粉母细胞一旦形成，被一层葡聚糖包围减数分裂后，花药含有分化的细胞和组织，四分体小孢子在花粉囊中，每个小孢子被葡聚糖包围，的细胞和组织，四分体小孢子在花粉囊中，每个小孢子被葡聚糖包围，葡聚糖分解小孢子释放。

葡聚糖分解小孢子释放雌蕊￿拟南芥的雌蕊为两心皮愈合形成，心皮的原基在拟南芥的雌蕊为两心皮愈合形成，心皮的原基在Stage 6出现，由出现，由L3层层细胞平周分裂形成细胞平周分裂形成￿雌蕊为两瓣，中间由假隔膜分开，假隔膜上着生胚珠，胚珠由隔膜两雌蕊为两瓣，中间由假隔膜分开，假隔膜上着生胚珠，胚珠由隔膜两侧的亲本胎盘组织发育而来两瓣从花分生组织向上生长形成闭合的侧的亲本胎盘组织发育而来两瓣从花分生组织向上生长形成闭合的圆筒Stage 8早期圆筒包括早期圆筒包括L1的表皮，一层的表皮，一层L2的亚表皮，两层的亚表皮，两层L3的中的中心末端的心末端的L2细胞开始平周分裂，形成心皮的纵向生长不久萼片的细胞开始平周分裂，形成心皮的纵向生长不久萼片的中间生长物的内表面会愈合，顶端闭合，胚珠在愈合的壁上的空隙中中间生长物的内表面会愈合，顶端闭合，胚珠在愈合的壁上的空隙中发育￿雌蕊的末端，柱头由乳突细胞构成，在花粉结合和识别中发挥作用，并参与花粉萌发的诱导萌发后，花粉管在乳突状细胞中生长至花柱中心的传送管（transmitting tube）中，再到子房中的假隔膜中蜜腺￿蜜腺产生并释放花蜜花蜜是蛋白和糖的混合液，且每种植物的蜜液组成也不相同。

￿拟南芥中，每朵花中都有蜜腺，包括两部分，分泌腺和连接腺体的组织￿分泌腺在花丝下形成，整个蜜腺统一体围绕雄蕊群蜜腺位于花的第3层花部，它的位置独立于其他占据这个花部器官这些腺体在第9到17阶段形成花发育的分子机制￿SAM（shoot apical meristem）的增生和维持￿花分生组织特化和决定￿花器官的特化：ABC基因SAM的增生和维持￿SAM中细胞增生和细胞分化为不同组织之间的平衡依靠由WUSCHEL这个基因调控机制￿功能功能：含有同源结构域的WUS转录因子能维持CZ组织中心干细胞的身份 wus突变体缺少干细胞￿调控：调控：表达wus的细胞位于干细胞之下，表达受受体激酶信号系统调控，包括CLV1，2和3的基因产物CLVCLV1 1CLVCLV2 2CLVCLV3 3表达区域主要在L3干细胞中文中没有提到三层细胞中均有主要在L1和L2干细胞中 一旦一旦clv突变，分化和持续分裂细胞比例不均衡，表达突变，分化和持续分裂细胞比例不均衡，表达WUS的区域扩大，使干细胞域扩大的区域扩大，使干细胞域扩大CLV3 is a secreted CLE-domain peptide。

CLV1/CLV2和和BAM1/BAM2是含有是含有LRR域的激酶域的激酶BAM1/BAM2是与是与CLV1相关的蛋白相关的蛋白Possibly founction by sequestering CLV3WUSCLV3CLV1/CLV2BAM1/BAM2STM(SHOOT MERISTEMLESS)￿STM是另外一个基因，编码的蛋白在SAM中CZ,RZ,和PZ中未发育为原基中的部分，即在分生组织中均表达，除了发在分生组织中均表达，除了发育为原基的芽育为原基的芽￿功能功能：促进干细胞产生更多的细胞，使达到一个能够形成叶或花原基临界的细胞质量；￿调控调控：抑制ASYMMETRIC LEAVES1和2（AS1,2）在SAM中的表达，阻止细胞过早分化￿在SAM维持中起到中枢中枢作用ULTRAPETALA1(UTL1)编码一个富含半胱氨酸含有一个编码一个富含半胱氨酸含有一个类似类似B-box的蛋白，可以限制茎和花分生组织大小的蛋白，可以限制茎和花分生组织大小它与它与STM和和WUS拮抗拮抗，但它有一个独立的基因，但它有一个独立的基因pathway大量细胞被召集大量细胞被召集到注定要成为花到注定要成为花分生组织的部分分生组织的部分Four founder cells——confocal laser scanning microscopyMore founder cells——sector boundary analysisExpressing LFY, some form bract ,some form floral meristemCUP-SHAPED -COTYLEDON2 (CUC2)在纬度方向上表达，即围绕原基的四周，在花原基和IM形成第二个分界。

调节物包括一个miRNA在内 Floral Meristem Specification and Determination花诱导花诱导GRN环境环境信号信号体内体内信号信号IM genesFMI genesEMBRYONIC FLOWER 1 and 2(EMF1和和2) LFYAPETALA1(AP1)APETALA2(AP2)CAULIFLOWER(CAL)TERMINAL FLOWER 1(TFL1)例如：如果例如：如果TFL1或或EMF1或或EMF2突变，突变，LFY、、AP1同时或同时或者者LFY使使IM转变为转变为FM反过来，如果反过来，如果AP1，，CAL，，LFY被抑制，被抑制，FM就有了就有了IM 的的特征TFL1￿编码一个磷脂酰基乙醇胺结合蛋白（PEBP）￿在IM中心处合成，到AP1和LFY 表达的地方发挥作用，使二者下调（表达量减少）EMF genes￿对营养生长有重要作用，但对开花时间和花序发育也有调控作用￿ Loss-of-function mutants in these genes produce flowers immediately after germination skipping the vegetative phase￿EMF1编码一个抑制AP1的蛋白，但对LFY 没有作用￿EMF2编码一个异常的锌指蛋白，属于多梳蛋白家族￿LFY is necessary and sufficient to specify FMI .￿In lfy mutants, leaves and secondary shoots are produced instead of flowers.￿LFY overexpression causes the conversion of leaves and axillary meristems to flowers.LFY外部信号（春化作用和光等）内部信号（赤霉素GA）强烈表达并强烈表达并转化转化SAM为为IMLFY蛋白浓度在蛋白浓度在FM中一致，很可能是因为它在细胞之间中一致，很可能是因为它在细胞之间可以移动。

可以移动AP1 CAL FUL￿AP1在建设FM时，与LFY有重叠的功能突变基因突变基因AP1AP1 LFYAP1或或LFY过表过表达达突变性状有花序特点的茎几乎把花完全转化为茎引起终端成为花CAL：： AP1最近的旁系同源基因，最近的旁系同源基因，FUL: 位于位于MADS-box系统发育树内相同基因进化分枝上系统发育树内相同基因进化分枝上Acting redundantly to AP1 in FM specification；；突变基因突变基因CALFULCAL/AP1FUL/AP1CAL/FUL/AP1性状Not showing any FMI disordersThe ap1 phenotype is greatly intensified￿FUL：初期阶段与LFY同时表达，主要位于IM中，在之后的发育过程中对心皮和角果的发育有重要作用￿CAL：过表达不能像AP1一样决定IM 说明CAL和AP1使用不同的调节类型 AP1依赖于赖氨酸残基和COOH域，而CAL没有Paradoxically, during the establishment of the FM, genes like TFL1 and EMF1 that help to maintain the IM identity are also expressed, keeping the expression of the FMI genes out of the IM。

FT：： a homolog of TFL1FD：： a bZip transcription factorMaintainance of determinate floral meristem￿lfy-6的杂合体和ag-1的纯合体导致花的reversionLFYPERIANTHIA(PAN)AGKNUCKLES(KNU)InductionPositively regulating ULTWUSKNU represses WUS expression to terminate the stem cell niche after a limited number of organs have been formedAP2￿AP2编码了一个假定的植物特异性的转录因子，是植物特异性基因家族中一员￿突变后可加强ap1和lfy的突变表型与激素的关系￿STM能促进cytokinin(CK)的合成和积累，抑制GA产生￿WUS能通过抑制ARABIDOPSIS TYPE A RESPONSE REGULATORS (ARRs)来激活CKSTM高高CK：：auxin低低GA高高auxin浓度浓度STMCUC低低CK：：auxin高高GA－－A A类突变的第一轮器官由花萼变成了心皮，第二轮器官由花瓣变成了雄类突变的第一轮器官由花萼变成了心皮，第二轮器官由花瓣变成了雄蕊；形成了蕊；形成了心皮心皮- -雄蕊雄蕊- -雄蕊雄蕊- -心皮心皮。

－－B B类突变的第二轮器官由花瓣变成了花萼，第三轮由雄蕊变成了心皮；类突变的第二轮器官由花瓣变成了花萼，第三轮由雄蕊变成了心皮；形成了形成了萼片萼片- -萼片萼片- -心皮心皮- -心皮心皮结构－－C C类突变的第三轮器官由雄蕊变成了花瓣，第四轮由心皮变成了花萼；类突变的第三轮器官由雄蕊变成了花瓣，第四轮由心皮变成了花萼；形成了形成了萼片萼片- -花瓣花瓣- -花瓣花瓣- -萼片萼片的的““花中花花中花”” Specification of Floral Organs: The ABC Genes经典的ABC基因模型A类基因和类基因和C类基因间拮抗，类基因间拮抗，B类基因被限制类基因被限制在第二和第三轮花器官中；在第二和第三轮花器官中；A类基因也可与类基因也可与B类基因发生作用类基因发生作用A类基因：类基因：AP1, AP2B类基因类基因: AP3，，PIC类基因：类基因：AGAP1可与AP3结合；AP1可与UFO在花发育早期，在花瓣发育中共同调节B基因，在花发育后期UFO单独调控LFYUFO(UNUSUAL FLORAL ORGANS)WUSAP1AP3AGSEP（（SEP1，，SEP2，，SEP3））B-boxUFO在第二和第三轮花部中表达；在第二和第三轮花部中表达；编码一个含有编码一个含有F-box的蛋白，的蛋白，F-box是是E3泛素连接酶的特征，连泛素连接酶的特征，连接酶可标记依赖于蛋白酶体分解的蛋白接酶可标记依赖于蛋白酶体分解的蛋白UFO和和LFY共同作用直接结合在共同作用直接结合在AP3的启动子上，的启动子上，而且由而且由UFO介导的蛋白酶活性是介导的蛋白酶活性是AP3转录活性激活转录活性激活所必需的。

所必需的B genesPositive feedback for maintainingA genes Important for the establishment of sepal and petal identity as well as the FM AP1Mutation in genesStrong AP1 alleleWeaker AP1 allelePhenotypeLacking petals Not full conversion of floral organsAP2Not MADS-box genes;The expression pattern of AP2 does not correlate with the site where it exerts its function in floral organ identity.miR172AGwhorls 3 and 4AP2AP3,PIAll whorls 突变后可加强ap1和lfy的突变表型B genesAP3 PIThe fact that both single mutants yield the same phenotype shows their interdependence.The proteins encoded by these two genes form heterodimers to exert their B function during petal and stamen development.This oligomerization is necessary for them to move into the nucleus.LFY /UFOFlowering signalsB genesAP1EBS(EARLY BOLTING IN SHORT DAYS)FTANT(AP2 gene family)Repress Repress induceinduceC genesAG Important for floral meristem determinancy, besides its role in stamen and carpel identity.The regulation of AG has been much studied; at least ten proteins repress and five activate it to maintain its expression in the appropriate whorl . LEUNIG (LUG)/ SEUSS (SEU)LEUNIG_HOMOLOG (LUH) BELLRINGER (BLR)histone acetyltransferase GCN5 RABBIT EARS (RBE)ANTSTERILEAPETALA (SAP)AGRepressorsActivatorsAP1 and SEP3’s helpENHANCER OF AG-4 (HUA)HUA ENHANCER (HEN)Second intron Post-transcriptional levelABC 基因调节特点lThe ABC proteins exert their regulatory function as multimers. Example:In Antirrhinum majus, a ternary complex between A and B function proteins was found to bind CArG DNA boxes more efficiently than single proteins . More specifically, a higher-order complex consisting of SQUAMOSA (SQUA, the AP1 ortholog), DEFICIENS, and GLOBOSA (DEF and GLO are A. majus AP3 and PI orthologues, respectively) bound DNA more efficiently than DEF/GLO or SQUA alonelThe ABC genes are necessary but not sufficient to determine floral organ identity。

Having no transcription factor founction.AP3 PI (AP3/PI)SEP3/AP1Founction as a transcription factor.SEP genes(SEP1,SEP2,SEP3)Triple sep mutantsSingle sep mutantThe quadruple sep1 sep2 sep3 sep4 mutants produce flowers with leaf-like organs in all whorls. SEP genes are expressed in the whole floral meristem during flower development.The SEP genes contribute to each floral organ identity.CArG-binding siteCArG-binding siteBinding of one dimer within the tetramer to DNA could increase the affinity of the second dimer for local DNA binding.One of the dimers could function as the activation domain of the tetramer allowing for efficient transcriptional activation。

MADS domain proteins interaction modelsThere have been four models, and the most plausible is the quartet model.。