擬南芥ULTRAPETALA1基因功能的研究進展

楊天越田京京宋靜云王雪RalfMüller-Xing邢倩

(1.東北鹽堿植被恢復與重建教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

2001年Fletcher等人最早報道ULTRAPETALA1(ULT1)基因[1]。ULT1植株會產生額外的花器官；而且花序分生組織更大[1]。ULT1的cDNA全長2.4kb，編碼了一個含有32個氨基酸B-box類和98個氨基酸SAND結構域的小蛋白[2]。Carles等人通過亞細胞定位發(fā)現(xiàn)ULT1在核和細胞質中都有表達[2]。ULT1屬于三胸蛋白復合體(Trithorax Group，TrxG)[3]，三胸蛋白復合體(TrxG)是表觀遺傳修飾因子，通過激活基因表達在真核發(fā)育中發(fā)揮關鍵作用，對植物TrxG因子的功能還有待進一步深入研究[4]。ULT1似乎具有表觀遺傳分子開關的特征，通過TrxG和多梳蛋白(Polycomb Group，PcG)復合物調節(jié)抑制和激活過程[5]。ULT1和ULT2在莖尖分生組織、花序和花分生組織、發(fā)育中的雄蕊、心皮和胚珠中協(xié)同表達[2,4]。ULT基因在物種進化中相對保守，ULT基因除了已知的調控根、莖、葉和花的發(fā)育之外，還調控果實的發(fā)育和成熟[6]。本文綜述了ULT1基因在擬南芥分生組織、葉和花發(fā)育等方面發(fā)揮的功能。

1 ULT1與CLAVATA在莖尖分生組織中的調控關系

高等植物分生組織是細胞增殖和器官分化的中心[7]。在植物發(fā)育過程中，對莖和花分生組織大小的調控是通過多因子復雜信號網絡來實現(xiàn)的[8]。有研究發(fā)現(xiàn)，ULT1突變體典型的表型是分生組織較大從而導致花器官增多，其中在萼片和花瓣數(shù)量上的增加明顯[1]。ULT1在調控擬南芥莖和花分生組織細胞積累中是必需的[1]。

CLV1控制莖尖分生組織(Shoot apical meristem，SAM)大小[9]。clv1和clv3的突變體導致莖尖分生組織增大和束狀莖的形成[10]。在ult1 clv1-4和ult1 clv3-2雙突變體中，SAM表型變得更加明顯；當植物抽薹時，ult1-1 clv1-4和ult1-1 clv3-2植物的分生組織極度叢生；與clv1-4和clv3-2花序相比，雙突變體花序分生組織的寬度超過兩倍；ult1與clv1和clv3突變之間的這種強協(xié)同作用揭示了ULT1在CLV路徑上控制SAM的大小具有冗余性；由于SAM細胞在clv1和clv3突變植株的整個生命過程中逐漸積累，這些表型表明ULT1可能在發(fā)育早期，即在ult1突變植物中首次檢測到表型的階段之前，在限制分生組織增殖上起作用[1]。

2 ULT1與KAN參與葉軸極性的調控

在自然界中，廣泛的葉片特征，包括大小和形狀，使高等植物能夠適應不相同的自然環(huán)境和棲息地[11]。ULT1調節(jié)擬南芥的多種發(fā)育過程，在葉發(fā)育中也有作用。

在擬南芥中，葉沿其近—遠軸(背—腹)軸極化，正—背面葉片極性的建立導致正面(頂部)和背面(底部)域內不同組織的發(fā)育[12]。葉的正面富含毛狀體，而背面表皮是無光澤的灰綠色[12]。擬南芥葉片的遠軸同一性主要由KANADI(KAN)和激素響應因子(AUXIN RESPONSE FACTOR，ARF)轉錄因子家族調控[13]。葉軸極化，在擬南芥中，這種差異在前2個蓮座葉中尤為明顯，其近軸面上有毛狀體(葉毛)，但在遠軸面上沒有[13]。

KAN是調節(jié)擬南芥器官極性的因子[13,14]。KAN突變在前2片葉上產生遠軸毛狀體。KAN對于葉的遠軸同源性是必需的[13]。在形態(tài)學水平上，葉片形態(tài)發(fā)生過程中細胞的早期膨大和增殖與伸長之間協(xié)調配合密切相關[15]。野生型和ult1蓮座葉都由一個幾乎平的葉片組成，該葉片沿著正面和背面之間的界面向外生長[3]。相比之下，kan1幼苗的第1輪蓮座葉以直立的姿態(tài)出現(xiàn)，并在整個發(fā)育過程中保持杯狀，這是由于其部分正面化導致的[13]。已經表明，這種表型是近軸柵欄葉肉細胞橫截面積減少的結果，伴隨著遠軸海綿狀葉肉細胞橫截面積和數(shù)量的增加[13]。ult1 kan1植物的一個顯著特征是抑制kan1正面化的葉表型，幼苗顯示出與野生型植物難以區(qū)分的平葉[16]。

在中脈，野生型和ult1-2葉在正面都含有多層較小的葉綠體致密的柵欄葉肉細胞，在背面含有多層較大的更圓的海綿狀葉肉細胞[12]。此外，遠軸細胞在中脈下方呈U形排列，而近軸中脈上方形成直的行[12]。然而，在kan1幼苗中，葉底部區(qū)域的細胞更小，葉綠體更致密，類似于正面細胞，并且失去了U形彎曲。在ult1-2 kan1中，葉片不對稱得到恢復，正面的柵欄葉肉細胞和背面的海綿狀葉肉細胞與野生型葉片非常相似。這些結果證實了ULT1活性是kan1正面化的葉片極性缺陷所必需的，并且表明ULT1和KAN1通過建立內部細胞層的不對稱性，對葉片的近—遠軸方向起相反作用[12]。

ULT1還可以與轉錄因子KAN1互作,影響花形態(tài)發(fā)育[16]?；騏LT1和基因KANADI1(KAN1)沿著2個不同的極性軸組織擬南芥雌蕊群，表明ULT1活性是kan1正面極性缺陷所必需的。ULT1和KAN1反向調節(jié)正—背面軸；通過促進雌蕊群中的基底細胞命運來建立頂端—基底極性[16]。2014年Monfared等人發(fā)現(xiàn)，ult1莢果含有相當比例的敗育胚珠[4]。kan突變最初被認為是在心皮中指定遠軸同一性crabs claw(crc)突變花表型的增強子[17]。ULT1在作用于頂—基部雌蕊軸的模式上和KAN1是冗余的。由于花柱組織擴張，kan1和ult1 kan1雌蕊期可見異位生長。異位外生體由花柱和柱頭組織組成，表明KAN1和ULT1共同限制了啟動子在雌蕊頂端的活性。也說明ULT1和KAN1促進雌蕊群的基本極性[16]。

3 ULT1參與花發(fā)育的分子調控途徑

花由未分化的細胞群發(fā)育而來，從頂端分生組織的側翼生長出來；細胞在花原基中分裂然后在適當?shù)牡胤椒只苫ㄆ鞴賉18,19]。作為植物的生殖器官，花的典型結構由4個基礎部分組成，即花瓣、萼片、雌蕊和雄蕊?；òl(fā)育過程一般分為3個階段，即成花誘導、花的發(fā)端和花器官發(fā)育[20]。花的形態(tài)建成和開花是由復雜的轉錄因子和染色質因子的基因調控網絡控制的[21]。ULT1的突變影響花形態(tài)和開花時間，在花發(fā)育調控網絡中具有重要作用[1]。

3.1 在花分生組織中，ULT1與AGAMOUS、WUSCHEL、UIF1的調控關系

花的分生組織是花序分生組織在花向生殖生長轉變完成后發(fā)展而來，在產生一定數(shù)量的花器官后終止[22]。

AGAMOUS(AG)編碼的轉錄因子屬于一類MADS結構域家族蛋白[23]。WUS-AG負反饋回路限制了花分生組織細胞的增殖[24,25]。AG在調節(jié)個體花發(fā)育的后半部分中起到至關重要的作用，表現(xiàn)在調控花柱和心皮的發(fā)育和調控花朵發(fā)育的終止[26]。在擬南芥中，ULT1通過及時激活花同源基因AG，終止花分生組織中心的分生細胞活性[1]。ULT1在花分生組織的早期表達[2]，并且需要在花發(fā)育的適當階段激活AG表達，從而成為花分生組織終止途徑的關鍵因子[3]。在水稻中，ULT1的過表達(35S∷OsULT1)同樣影響水稻花分生組織的正常分化[27]。

WUSCHEL(WUS)是Homeobox轉錄因子[28]。WUS在這些分生組織內部的組織中心細胞中表達[28-30]。對擬南芥的遺傳分析表明，WUS基因在整個發(fā)育過程中對分生組織命運的調控起著關鍵作用；WUS基因的突變導致莖和花分生組織不能夠自我維持[31]。WUS表達和分生組織維持在花發(fā)育期間終止，以允許組織分化，并且該過程依賴于AG活性；在花分生組織中，還需要WUS誘導其自身阻遏物AG的表達[24,32]。AG抑制WUS是在花發(fā)育過程中適當時間點終止分生細胞活性的必要條件，從而使花組織中心的細胞分化為心皮[22]。AG在花發(fā)育早期階段(階段3)表達，而WUS在AG花發(fā)育中期階段(階段6)終止表達[33]。

在開花后，由于分生組織活性降低，wus突變體植株產生異常的花序和花[29,31]。wus花含不多于4個萼片和花瓣，不會形成心皮。ult1 wus雙突變體可含有6或7個萼片和花瓣。在ult1花中觀察到的萼片和花瓣數(shù)目的增加部分獨立于WUS[34]。ULT1的突變一定程度上抑制了wus植株莖和花分生組織表型；然而，在花組織中心，WUS上位于ULT1。wus花組織比野生型小，但ult-1與之相反。ult1花分生組織中WUS被抑制自身轉錄的過程被延遲；ULT1通過WUS-AG暫時性反饋回路負調節(jié)WUS以保證花分生組織發(fā)育成花各部分器官，并且在ult-1花器官確定性部分喪失依賴于WUS活性[34]。大部分wus植物在沒有開花的情況下終止了發(fā)育，然而ult1-1 wus植物在其基部形成分生組織細胞，表明ult1突變體恢復了wus花序分生組織的一些功能[34]。

通過酵母文庫篩選到與ULT1相互作用的因子ULT1 INTERACTING FACTOR 1(UIF1)。UIF1為與ULT1相互作用的一種因子[35]。通過去除ULT1的B-box like motif和UIF1的N-terminus的酵母雙雜實驗，表明UIF1可以與ULT1蛋白相互作用，ULT1 B-box和UIF1 N端是這種相互作用所必需的[35]。UIF1在以下組織中均有表達：根、幼苗、花序、花，在幼苗和花序中表達水平最高，與ULT1相似[35]。ULT1和UIF1表達模式在花器官中重疊，特別是在雄蕊和心皮中[35]。UIF1和ULT1在花的形態(tài)發(fā)生過程中具有重疊的功能。UIF1調節(jié)花的形態(tài)，控制器官數(shù)量，類似于ULT1[35]。此外，UIF1調節(jié)花中的其它特征，如細胞命運和器官確定性[35]。在額外的萼片和花瓣表型方面，uif1 ult1和ult1突變表型之間沒有顯著差異，表明UIF1和ULT1在調節(jié)花被器官數(shù)量的相同途徑中起作用[35]。

在花分生組織發(fā)育過程中，UIF1可為ULT1在WUS等靶位點提供DNA結合特異性，其包含的Myb結構域為特定的DNA結合域[36]。UIF1蛋白表現(xiàn)出轉錄抑制因子活性，UIF1具有DNA結合活性并與WUS調控元件特異結合[35]。UIF1功能喪失導致類似于ult1突變體的表型，如產生更多的花器官；提供了遺傳和分子證據，UIF1在WUS啟動子區(qū)擁有DNA結合位點，此外在AG序列中發(fā)現(xiàn)了3個UIF1結合位點。uif1突變體花產生額外器官，可見ULT1與UIF1通過彼此相互作用，直接抑制WUS表達，在花組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用[35]。

3.2 ULT1與ATX1作用影響花器官發(fā)育的表達模式

ARABIDOPSIS HOMOLOG OF TRITHORAX 1(ATX1)是擬南芥三胸腔同源蛋白[37]，ATX1的SET結構域具有將甲基從供體轉移到組蛋白H3賴氨酸4殘基的能力，是染色質激活因子[37-39]。擬南芥基因ATX1可以調控花器官的發(fā)育，在花器官的發(fā)育、空間排列、形態(tài)等形成過程中表達[37]；atx1-1純合突變植株表現(xiàn)出明顯的形態(tài)表型是其比野生型晚開花5～6d，伴有矮花莖和小花的表型，未開放的花蕾在雄蕊和雌蕊發(fā)育過程中都表現(xiàn)出異常[37]。

ATX1對幾種花的同源基因表達有積極和特異的影響，其中在維持正常的AG表達水平、拮抗CURLYLEAF(CLF)的抑制活性中是必需的[3,37,39]。CURLY LEAF(CLF)是一種組蛋白甲基轉移酶，是多梳抑制蛋白(polycomb repressor complex2，PRC2)的核心組成部分，其通過催化組蛋白27位賴氨酸三甲基化(H3K27me3)來抑制靶基因的轉錄[40,41]。植株clf純合突變表型為小蓮座葉，葉子上卷，早花以及由于未能穩(wěn)定抑制花特異性基因，如植物組織中轉錄因子AG和APETALA3(AP3)，導致的花器官同源轉換，CLF一直被認為是控制葉和花形態(tài)所必需的[41,42]。clf-28在營養(yǎng)器官和生殖器官中表現(xiàn)出多種發(fā)育缺陷，如生物量減少、莢果減少或縮短、種子數(shù)減少，clf-28種子大于野生型種子[43]。功能缺失clf植株和35S∷ULT1表型與35S∷AG植株相似，在葉片和花朵中異位表達AG和AP3；由此看出，ULT1限制了CLF在AG和AP3等靶基因位點沉積H3K27me3的能力，從而充當PcG的抗抑制因子[3]。

ULT1和ATX1屬于TrxG蛋白復合體[3]。ULT1通過與ATX1相互作用直接激活花組織中心AG的表達，導致靶位點組蛋白3第27位賴氨酸的三甲基標記(H3K27me3，抑制染色質標記)減少，從而影響花發(fā)育[3,44,45]。ATX1與ULT1的互作在花發(fā)育中的重要性也是不可忽視的。

4 ULT1在根中參與調節(jié)細胞分裂和生長素信號

ULT1在根中也有表達[2]。ULT1參與根分生組織龕(Root Stem Cell Niches，RSCN)維持所需的調節(jié)網絡新組分，其中SCN是維持周圍分生組織不分化的靜態(tài)中心(Quiescent Center，QC)分裂組織細胞[46,47]。生長素信號維持QC的特征[48]。

與野生型植物不同的是，ult1-3突變體的SCN表現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)，包括位于QC下方、和側根冠/表皮分生組織的明顯組織破壞；表明ULT1參與調控QC細胞分裂和維持SCN形態(tài)[49]。在ult1-3突變根中觀察到的QC細胞分裂的增加，表明ult1對于限制QC細胞中的細胞分裂速率是必要的[49]。

據報道，ULT1和ATX1在SAM中可以相互作用，ULT1參與ATX1催化H3K4me3[3,50]。在擬南芥根尖分生組織(Root Apical Meristem，RAM)中，ULT1在不同于ATX1的機制中發(fā)揮作用[49]。atx1-1突變體植物的初生根比野生型植物的短，因為atx1調節(jié)細胞增殖和從細胞增殖到細胞伸長的轉變過程[51]。ult1-3中的根長度不受影響。atx1-3 ult1-3雙突變體表現(xiàn)為atx1-3單突變體的表型，根系比野生型(Wild Type，WT)短。此外，雙突變體的RAM皮層細胞數(shù)和細胞長度與atx1-3單突變體相似。因此，這種表型是由于ATX1功能的缺失，這表明ULT1似乎不與ATX1一同調節(jié)RAM細胞增殖或初生根長度[49]。

然而，雙突變體植株的小柱分生組織(ColumellaStem Cells，CSCs)更靠近ult1-3沒有細胞層的表型；在分化的小柱細胞層數(shù)上(Differentiated ColumellaCells，DCCs)，atx1-3 ult1-3雙突變體似乎具有介于單突變體之間的中間表型。對比單突變體和雙突變體，無論是在RAM還是在SCN中，都表明ULT1和ATX1在根發(fā)育的不同過程中獨立起作用。ATX1似乎對調節(jié)近端分生組織更重要，而ULT1似乎在遠端中起作用，特別是在CSC分化的調節(jié)中。雖然ATX1和ULT1對DCC層的形成都是必要的，但作用方式不同：ATX1似乎促進了DCC層的形成，而ULT1似乎限制了DCC層的形成[49]。

Ornelas-Ayala等人研究ult1-3突變體是否在SCN的生長素反應中有缺陷，發(fā)現(xiàn)在根尖中生長素集中于QC區(qū)[49]；在QC和小柱細胞中，ult1-3的表達水平都降低了[49]。可見，ULT1對靜態(tài)中心細胞分裂率和根尖生長素信號都有調節(jié)作用[49]。同時，ULT1調節(jié)小柱分生組織分化[49]。

此外，2018年Xu等人發(fā)現(xiàn)ULT1在種子萌發(fā)過程中在維持染色質的完整性以實現(xiàn)表觀遺傳沉默上發(fā)揮作用，調節(jié)幼苗中種子基因的表達，而且ATX1、EMF1、ULT1 3個基因功能同時喪失導致幼苗根系腫脹[50]。

5 ULT1參與脅迫調控過程

生物脅迫是指對植物生存與發(fā)育不利的生物因素，如病害、蟲害、雜草等。而非生物脅迫是指非生物因素對植物不利的影響，如干旱、鹽堿、礦物質等。在生長發(fā)育中，靈活性是響應脅迫生存的必要條件。植物通過執(zhí)行一個信號響應網絡來維持這種靈活性，使其能夠快速地重新規(guī)劃自身的發(fā)育、生理和新陳代謝，以應對環(huán)境脅迫[52]。

5.1 ULT1與EMF1響應鹽脅迫反應

EMF1優(yōu)先同參與生物和非生物脅迫反應的基因結合[53]。并且發(fā)現(xiàn)鹽會增加這2種鹽反應基因的轉錄水平[54]。在鹽脅迫下，EMF1的根比野生型和ult1-3的根更長，表明EMF1幼苗比野生型和ult1-3幼苗更耐鹽[54]。與野生型和ult1-3根長度相比，EMF1 ult1-3根長度的適度變化表明：ult1-3突變的引入，EMF1幼苗在耐鹽性上的生長優(yōu)勢被削弱。野生型、ult1-3、EMF1 ult1-3植物通過鹽處理表現(xiàn)出的莖生長抑制強于EMF1的生長抑制。因此，EMF1植物的幼苗和成體生長都更耐鹽，并且這種耐鹽性由于ult1-3突變的引入而降低[54]。

為了闡明EMF1介導的鹽響應的分子機制，經鹽處理，與野生型植物相比，在EMF1中進一步增加了鹽響應基因的轉錄水平[54]。ult1-3中鹽響應基因轉錄水平高于野生型植物，對EMF1和EMF1ult1-3植物之間的轉錄水平的比較表明，ult1-3的引入大大降低了EMF1植物中鹽響應基因的轉錄水平[54]。去除ULT1活性,恢復了EMF1植物中這些基因的失調，這與EMF1 ult1植物的耐鹽性降低到接近野生型和ult1-3植物的水平一致。ULT1和EMF1共同響應鹽脅迫[54]。

由于其固著的性質，植物在其一生中可能面臨來自不斷變化的環(huán)境條件的各種非生物脅迫。TrxG和PcG因子對非生物脅迫反應的貢獻尚不清楚。然而，H3K4me3標記在某些應激反應基因上的富集與由環(huán)境脅迫如干旱和熱誘導的細胞記憶系統(tǒng)有關，前者涉及TrxG因子ATX1[55]。目前唯一描述的ULT1與非生物脅迫反應的關系是證明ult1-3等位基因可以減弱EMF1活性降低的植物的耐鹽表型[54]。在ult1-3植物中觀察到的非生物脅迫應答基因轉錄水平的變化是否足以賦予可量化的表型仍是一個未解決的問題。需要進一步的分子和生理分析來確定ULT1在這些基本生物過程中的作用。

5.2 ULT1調控脅迫響應基因

ULT1影響生理和代謝途徑中的基因轉錄以及發(fā)育途徑脅迫響應基因和防御響應基因富集，如在硫代葡萄糖苷代謝途徑的基因，揭示了ULT1在調控生物和非生物響應途徑中先前所未知的作用[48]。在ult1-3中，對刺激的響應過多，包括內源性激素反應以及非生物和生物脅迫反應[48]。植物也不斷受到動物、昆蟲和各種病原體的威脅，發(fā)現(xiàn)ULT1調節(jié)許多參與生物應激途徑的基因。ULT1在調節(jié)誘導的以及先天的植物防御反應中具有迄今未知的作用，特別是在營養(yǎng)期[56]。此外，除了在發(fā)育中起作用的FLOWERING LOCUS C(FLC)和CRC基因外，幾乎所有ULT1調控的轉錄因子都參與了非生物和/或生物脅迫反應[57]?？梢?，ULT1在脅迫方面值得進一步研究。ULT1參與調控多種途徑和表型。表1介紹了擬南芥中參與ULT1作用相關基因的功能，為后續(xù)研究提供依據。

表1 擬南芥中與ULT1相關的基因的功能

6 總結與展望

對ULT1的研究主要集中在分生組織和花發(fā)育方面，其負調節(jié)分生組織的積累，通過與因子作用調節(jié)花發(fā)育。ULT1功能仍有許多方面待進一步研究：在ULT1表觀遺傳學修飾方面，已有報道ULT1與ATX1、UIF1、KAN1等調控發(fā)育，植物生長發(fā)育過程中普遍受到表觀遺傳的調控，迄今為止，已經開展了多種植物表觀遺傳現(xiàn)象的研究，ULT1作為TrxG因子，在擬南芥生命周期中，ULT1與具有不同表達模式的轉錄因子如UIF1和KAN相關聯(lián)，說明ULT1可能同樣在多個蛋白質復合物中發(fā)揮作用，對不同過程進行階段性和組織特異性調控，ULT1與PcG調控網絡還需進一步研究；植物生長發(fā)育受內在調節(jié)機制影響也受外在環(huán)境的影響，如溫度、光照等協(xié)調作用進行調控，ULT1是否也被調控；ULT1基因功能的缺失沒有十分明顯的葉表型，其是否影響葉生長激素的含量；在根和種子方面，有關ULT1研究報道相對較少。

任何研究都需要有一些實用的價值，擬南芥作為模式植物有其生長周期短的特點，加快了研究進程，為其它作物的研究奠定了基礎。到目前為止，國內外學者在水稻、玉米、楊樹、葡萄等植物中得到ULT1的同源基因。關注理論研究的同時，要側重在農業(yè)生產中對優(yōu)質種選育的實用價值等方面的研究。隨著美好生活到來，花卉觀賞也成為人們熱衷的，該基因在花發(fā)育中功能的研究也為園藝花卉開發(fā)提供新可能。