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Abstract：GIGANTEA (GI) and CONSTANS (CO) gene pla ydriving roles in the pathway of plant photoperiod flowering induction.GI and CO genes were regulated by biological clock, and their expression varied regularly within one day.Under long-day condition, GI and CO genes promotethe flowering of Arabidopsis, but under short-day condition, they have little effect on the flowering time of Arabidopsis.GI is an important gene that affects the output of circadian clock and normal life of plants, which encodes a nuclear protein and positively regulates the expression of CO.CO is a protein that encodes a B-box zinc finger, which is an important element to monitor sunshine duration.Also, it activates the expression of the FT and induces plant flowering.This review summarized the structures and functions of GI and CO genes in recent years, providing a reference for further researches on GI and CO genes.
Keyword：GIGANTEA; CONSTANS; Photoperiod; Circadian rhythm;
植物开花是植物生长发育的重要过程 (彭凌涛, 2006) 。成花过程由自身遗传因子和外界环境因子共同决定, 并受基因网络调控 (孙昌辉等, 2007) 。对拟南芥的研究发现, 主要存在五条开花促进途径:光周期途径、自主途径、赤霉素途径、春化途径和温敏途径 (孙昌辉等, 2007;Faure et al., 2007;Igaseki et al., 2008;Komiya et al., 2008;宋杨等, 2014) 。在调控植物开花的5个途径中, 对光周期途径的研究最为清楚 (孙昌辉等, 2007) 。GI和CO是光周期诱导途径的关键基因。长日照条件下, GI和CO促进拟南芥开花, 但在短日照条件下, 对拟南芥开花时间没有影响 (Wigge et al., 2005) 。在拟南芥和水稻的光周期诱导途径中, PHYA、CRY1和CRY2基因之间相互作用, 影响生物节律钟GI基因, 从而促进CO基因的表达, CO编码转录因子作用于FT, FT与FD特异结合 (Abe et al., 2005;Wigge et al., 2005;Kim et al., 2008;Pazhouhandeh et al., 2011) , 作用于LFY和AP1, 这些基因的连锁反应导致花器官的发育 (Ahn et al., 2006) 。在该途径中, FT基因起成花素的作用, 它首先在叶片中转录合成FTm RNA并翻译成蛋白, 并通过韧皮部运输到茎尖, 促使茎尖转变为花芽, 从而诱导植物开花 (Chen et al., 2010;Ho and Weigel, 2014) 。
1、GI基因的研究进展
1.1、GI的结构
GI首先在拟南芥中被克隆, 编码1 173个氨基酸 (Park et al., 1999) 。在拟南芥中, gi-1和gi-2突变体表现为极晚花表型, 而gi突变体植株在长日照下表现为晚花, 短日照下表型不明显, 推测GI调节长日照开花。GI也在植物生物钟调控途径中起重要作用, 参与昼夜节律、开花时间和逆境胁迫等一系列植物代谢过程 (Martin-Tryon et al., 2007) 。拟南芥中的GI主要定位在细胞核和细胞质中 (Abe et al., 2008) 。虽然GI不含有任何已知的保守功能结构域, 但GI同源基因在其它物种不断被克隆。如水稻 (Oryza sativa) 的OSGI (Hayama et al., 2002) , 小麦 (Triticum aestium) 的Ta GI (Zhao et al., 2005) , 大麦 (Hordeum vulgare) 中的Hv GI基因 (Dunford et al., 2005) 和二穗短柄草 (Brachypodium distachyon) 中的Bd GI基因 (Hong et al., 2010) 。在这些植物中, GI基因编码一个包含多个跨膜结构的核蛋白, 亚细胞定位在细胞核中 (Hong et al., 2010) 。在长短日照条件下, GI在拟南芥、水稻、小麦和大麦中的转录表达模式相似。当植物从长日条件转移到连续光照或连续黑暗条件下, GI的表达模式并不改变, 说明了GI的转录水平受生物钟调控 (Sawa and Kay, 2011) , 但GI也可以反过来影响生物钟基因CCA1、LHY、TOC1和ELF3的表达水 (Mizoguchi et al., 2005) 。
1.2、GI的功能
GI是一种核蛋白 (唐维等, 2014) , 最先在拟南芥中发现GI作为开花调控因子, 调控植物成花 (Suárez López et al., 2001) 。在LD条件下, 拟南芥gi突变体延迟开花 (Fowler et al., 1999) , 而在拟南芥中过表达GI则出现早花表型 (Mizoguchi et al., 2005) 。深入研究发现, At GI蛋白能与FKF1 (F-BOX 1) 蛋白形成At GIFKF1复合体, 通过降解CO抑制因子CDF1 (Cycling Doe Factor1) 的表达来激活CO基因。为研究GI的功能和作用, 分别在拟南芥的叶肉、维管束、表皮、顶端分生组织和根部表达GI。研究发现, 在LD和SD下, 叶肉和维管束中gi-2突变株表型都能得到恢复;而SD条件下GI能激活FT表达, 表明GI在调控开花过程中具有多种功能 (Sawa and Kay, 2011) 。对长日照单子叶模式植物二穗短柄草中, GI诱导开花的功能和在拟南芥中相似, 也具有功能保守性 (Dunford et al., 2005) 。
在短日照植物水稻中也发现GI、CO和FT的同源异构基因Os GI、Hd1和Hd3。在LD和SD下, 在水稻中过表达Os GI都能延迟开花;而过表达Os GI, 出现Hd1表达上调, Hd3a表达下降, 表明Hd1对Hd3a的调控与拟南芥完全相反的。对短日照植物牵牛花 (Ipomoea nil) 的研究中也发现, 过表达Pn GI表现出开花延迟, 且Pn FT1表达量降低, 推测Pn GI通过抑制Pn FT1的表达来抑制开花 (Higuchi et al., 2011) 。对玉米GI基因功能研究发现, 玉米gi1突变体在长日照下表现为早花, 但短日照下与野生型没有区别, 推测gi1仅在长日照下调控开花途径。大豆 (Glycine max) Gm GI能与FKF1/FKF2蛋白互作而促进开花。综上所述, 说明GI是调控植物成花中起重要作用, 但在不同日照长度植物中, GI基因功能存在明显差异。
昼夜变化的生律钟是植物正常代谢的重要方式, 在植物光合作用、叶片运输、细胞生长中起重要作用。GI受多个昼夜节律基因的调控表达, 如LHY、CCA1、PRR7/9、TOC1和ELF4 (Mc Watters et al., 2007) 。LHY和CCA1都编码一个MYB转录因子, 在早晨光照开始时, LHY和CCA1的表达量达到最高水平。LHY和CCA1能够上调PRR7/9表达, 但PRR7/9可以反过来抑制CCA1和LHY, 这样就形成另一个早间生理节律循环系统 (董昭桐等, 2016) 。TOC1也是昼夜节律调控的核心因子, 在黑暗环境中, TOC1的表达量可以达到最大值。TOC1与CHE蛋白相互作用, 抑制CHE蛋白功能, 从而促进CCA1和LHY的表达;但CCA1和LHY可以结合TOC1启动子区域抑制TOC1的表达 (Alabad et al., 2001) , 形成了一个夜间生理节律循环系统。GI基因突变会引起CCA1、LHY和TOC1的表达, GI促进TOC1的表达水平, 而TOC1抑制GI的表达。
在拟南芥中, GI对节律钟的调控是通过与F-box蛋白ZTL (Zeitlupe) 在蓝光条件下相互作用实现 (Pokhilko et al., 2012) 。ZTL通过翻译N末端的LOV结构域从而调控GI蛋白在细胞核与细胞质中的分布, 继而GI通过调控CO或mi R172的表达间接激活FT基因;GI也可以直接结合FT启动子, 调控开花。ZTL也能够通过降解TOC1蛋白引起生理节律发生改变。研究发现, At GI受生物钟调控, 在光照8~10 h时表达量最高, 并且At GI突变会使生物节律发生变化, 致使LHY和CCA1表达量下调 (Dalchau et al., 2011) 。
GI基因不仅参与调控生物节律钟和植物成花途径, 在植物逆境胁迫中也起着重要作用。研究发现, GI参与氧化胁迫、低温胁迫、盐胁迫和干旱胁迫等多种逆境反应 (Park et al., 2013;Han et al., 2015) 。拟南芥gi突变体除了延迟开花时间外, gi突变能够激活超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的合成, 从而对除草剂和百草枯产生抗逆性, 其中开花最迟的gi-3的抗氧化能力最强。在拟南芥中, GI可以通过非依赖CBF途径正调控耐冻性。拟南芥中, GI基因可以正向调控植株对盐胁迫耐性, 盐胁迫可以改变植物的开花时间, 导致野生型植株开花延迟, 而gi突变体植株没有影响。GI是通过SOS调节盐胁迫。正常盐浓度下, GI蛋白与SOS2蛋白激酶形成复合体, 抑制SOS1蛋白的活性;但盐胁迫下, 该复合体被降解释放出SOS2, 从而开启SOS耐盐反应 (Park et al., 2013) 。在干旱下, 植株体内的ABA含量升高, 从而激活成花基因FT/TSF和SOC1的表达, 开启逃旱反应。GI也能通过GIm R-NA172E途径下调WRKY44的表达, 调节植物的抗旱性 (Han et al., 2015) 。在植物生长发育过程中GI也起着重要作用, 比如参与种子休眠和萌发 (Penfield and Hall, 2009) ;调控细胞壁的生长发育 (Edwards et al., 2010) 和生物钟对蔗糖的响应 (Dalchau et al., 2011) ;GI还参与拟南芥水分信号调控途径, GI通过调节下游CO和FT基因的表达, 从而控制植物的气孔开闭, 进而控制植物的蒸腾作用 (唐维等, 2014) 。
2、CO基因的研究进展
CO是响应光周期调节的重要基因。Putterill等 (1995) 首先在拟南芥中分离出CO基因, RT-PCR分析表明CO基因在植物的根和叶中表达。在长日照下, CO促进拟南芥开花, 但短日下不起作用。进一步研究发现, CO可以将光信号转变为开花信号, 并受复杂的基因网络调控。Yano等 (2000) 在水稻中克隆到CO的同源基因Hd1Hd1突变后使水稻对光周期的敏感性降低, Hd1和CO在成花过程中作用相反 (Hayama et al., 2003) 。随后不同物种的CO被不断克隆和认知, 如小麦 (Tritivum aestivum) 的Ta Hd1 (Nemoto et al., 2003) 和衣藻 (Chlamydomonas reinhardtii) 的Cr CO。克隆发现, CO基因常以多拷贝的形式存在于植物中, 如拟南芥有17个CO家族成员 (Robsonetal., 2001) , 水稻存在16个家族成员 (Griffiths et al., 2003) , 甘蓝型油菜 (Brassica napus) 中也克隆到4个CO同源基因 (Robert et al., 1998) , 但CO拷贝的功能存在明显差异。
2.1、CO的结构
在拟南芥中, CO与另外16个COL (CONSTANS-LIKE) 基因组成CO基因家族 (Robson et al., 2001) 。该家族包含两个非常保守的结构域:近N端的B-box结构域和近C末端的CCT (CO, CO-like, TOC1) 结构域。B-box结构域是一个锌指结构, 参与调节蛋白间的相互作用。CCT结构域大约由43个碱基组成。包含一个核定位域 (Robson et al., 2001) 。通过对18种植物 (包含裸子植物和被子植物) 克隆得到的CO同源基因进行多序列比对, 发现CO蛋白的C端都有非常保守的核定位域, 而在N端的锌指结构中, 第1个B-box结构域完全保守, 第2个B-box结构域的保守性降低, 如油菜第2个B-box缺失。总体而言, 核定位域的保守性高于锌指结构域。对拟南芥co突变体分析发现, 突变全部发生在B-box结构域或CCT结构域中, 表明这2个保守结构域对CO基因的功能有重要作用 (Robson et al., 2001) 。基因在B-box结构域内突变会造成基因功能缺失, 而在CCT结构域内突变只会延迟开花。CO蛋白家族中间区域的氨基酸序列保守性较差, 富含谷氨酰胺, 具有转录激活功能, 该区域是否参与调控成花, 还不明确, 但该区域有些固定的残基却是高度保守的 (Ben-Naim et al., 2006) 。
根据B-box的数量和保守性, 可以将拟南芥CO基因家族的17个成员划分成3组。第1组包括CO、COL1、COL2、COL3、COL4和COL5基因, 这组基因在N端含有2个B-box结构;第2组包括COL6、COL7、COL8和COL16基因, 近N端只有1个B-box结构;第3组包括COL9、COL10、COL11、COL12、COL13、COL14和COL15基因, 含有1个B-box结构和另一个锌指。在水稻中也分离出16个基因 (Griffithsetal., 2003) 。Hd1是一个CO-like蛋白, 包含2个B-box和1个CCT。水稻中的CO-like蛋白可以划分为2组:第一组没有典型的B-box结构域但含有CCT结构域, 如Os CO7, 在LD下抑制开花;第二组包含2个不完全的B-box结构域, 如Os CO3, 在SD下抑制水稻开花 (Xue et al., 2008) 。
2.2、CO的功能
CO位于生物钟的输出途径, 是调控光周期途径的重要基因, 通过调控下游开花基因FT的表达促进植物开花。Putterill等 (1995) 在拟南芥中过表达CO基因, 转基因植株比野生型提前开花, 表明CO的活性可以决定植株开花时间。研究发现, CO会诱导植株早花表型和丧失光周期敏感性。Samach等 (2000) 发现在35S∷CO植株和35S∷CO∷GR植株中, SOC1和FT的表达水平增加, 说明SOC1和FT是CO的下游基因。研究表明, FT是CO的直接靶基因, CO整合光信号和生物钟的信号并将其传递给下游开花基因SOC1和FT, 进而调控植物开花 (Yoo et al., 2005) 。研究发现, 在韧皮部过表达CO基因, 植物提前开花;在分生组织过表达CO, 则不能诱导植物开花, 推测CO在韧皮部能够促进植物开花。在LD和SD下, CO基因表达均出现昼夜节律变化。在LD条件下, COm RNA表达量峰值出现在早晨后16 h和24 h;而SD条件下, COm RNA的峰值出现在黑暗中, 表明CO的表达受长日照诱导 (SuárezLópez et al., 2001) 。光周期途径中GI是CO的上游基因, 受生物节律钟调节, 在光介导下可调控CO表达。在拟南芥中, 过表达CO的植株比野生植株提前开花, 但拟南芥CO家族基因对植物开花时间的调控存在差异。过表达COL1和COL2对植株开花时间没有影响 (Ledger et al., 2001) , 但过表达COL9出现晚花表型, 而长日照下COL9缺失型突变体表现为早花。研究发现, 在CO突变体中过表达COL9不改变原有突变性状, 而在转COL9植株中再过量表达CO, 表现为早花, 说明COL9抑制CO表达, 从而调控开花时间, 继而下调FT的表达水平, 延迟开花 (Cheng and Wang, 2005) 。
CO基因家族的功能存在明显分化。在葡萄中, Vv COL1参与调控芽休眠的维持和诱导 (Almada et al., 2009) ;在拟南芥中过表达单细胞衣藻的Cr CO提前早花。研究发现, Cr CO参与细胞分裂和淀粉合成, 推测在高等植物中CO基因也可能调节淀粉合成 (Tenorio et al., 2003) 。大麦 (Hordeum vulgare) Hv CO1与Hd1和CO亲缘关系最近, 可以通过激活Hv FT1诱导植物开花 (Griffiths et al., 2003) ;过表达Hv CO1不能促进拟南芥开花, 但促进大麦开花 (Campoli et al., 2012) 。在拟南芥co突变体中过表达牵牛花 (Ipomoeanil) Pn CO, 促进植物开花 (Hayama et al., 2007) 。黑麦草 (Lolium perenne) Lp CO可以互补拟南芥co突变体的晚花表型 (Martin et al., 2004) 。甜菜 (Betavulgaris) Bv CO1可以修复拟南芥co-2突变体的晚花表型 (Chia et al., 2008) 。大豆 (Glycinemax) Gm CO9影响根的发育, 与种子的成熟密切相关 (Huanget al., 2011) 。毛果杨 (Populus trichocarpa) Pt CO可以使植株提前开花, 也可调控植株的生长和芽的分化 (B觟hlenius et al., 2006) 。
3、问题与展望
GI是生物节律钟输出的重要基因, 也是植物进行正常生命活动的重要基因, 它编码一个含多个跨膜的核蛋白, 在光周期和生物节律钟调控植物开花途径中起重要作用。并且正调控CO和FT基因的表达。深入研究发现, GI能够在植物开花、生理节律调控、抗逆性、蔗糖代谢途径和植物蒸腾作用成重要作用。CO是编码一个B-box的锌指蛋白, 是调控光周期的重要基因, CO通过激活下游成花基因FT的表达, 诱导植物开花。通过对GI研究发现, 其功能与作用具有多样性与复杂性, 参与植物生长发育中多种调控途径。因此, 了解GI在不同途径中的所起的作用, 具有重要意义。CO是光周期途径中调控开花时间的重要基因, 在进化过程中非常保守。CO基因包含两个保守的结构域, 常以多拷贝的形式存在于植物中, 且CO拷贝的功能存在明显差异。有待于进一步研究。只有明确各拷贝在植物成花过程中所起的功能和作用, 才能真正揭示光周期途径的调控过程。
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