植物同源盒基因的克隆与功能研究CloningandFunctionalAnalysisofPlantHomeoboxGenes.pdfVIP

遗传 HEREDITAS Beijing 20 3 :42一471998 植物同源盒基因的克隆与功能研究 刘国振 朱立煌 （中国科学院遗传研究所，北京 100101 CloningandFunctionalAnalysisofPlantHomeoboxGenes LIUGuozhen ZHULihuang InstituteofGenetics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101 摘 要 同源盒基因在植物、动物、菌物的广泛存在说明这种结构在真核生物进化的早期就已出现，并 暗示其具有重要功能。本文对植物同源盒基因的克隆与功能研究进行了综述，包括同源盒基因编码蛋白 的结构特点、类型，并以玉米 Knl、水稻OSHI及拟南芥STM 为例，介绍了同源盒基因功能研究的 现状．现有证据表明，同源盒基因与植物的发育过程有关． 关键词 同源盒基因，同源异型基因，同源结构域蛋白，基因克隆 中图分类号 Q37 同源盒基因 H（omeoboxgene）和同源异型基因 （Homeoticgene）在真核生物中普遍存在，这是长期进化选 择的结果，二者既有联系，又有不同。同源异型基因的发现源于对同源异型突变的研究。同源异型突变 Homeoticmutation 指的是一种器官被另一种器官所取代．这种现象的最早记载甚至可以追溯到中国古代的医 书中．在动物中最常被提到的例子就是果蝇的触角足 A（ntennapedia ,1984年，McGinnis和Scott等发现在果 蝇控制发育的基因中有一些高度保守的序列，这一序列为 180bp,编码的60个氨基酸被称为同源结构域 Homeodomain ，有螺旋一转角一螺旋 H（elix-Turn-Helix）基序 m（otif ，具有转录因子特征。这些基因因此被 称为同源盒基因。随后，从动物和菌物中又陆续克隆了许多含有同源盒并且与发育有关的基因，这些基因既可以 是同源盒基因 （结构），也可以被称为同源异型基因 （功能）。 1991年，Vollbrecht”〔等在对玉米中与Knotted突变有关的基因进行序列分析时，发现该基因序列中也有 与动物中已报道的同源盒高度同源的序列，随后，在其它植物中也发现了各种同源盒基因。在动物、植物及菌物 中的广泛存在，说明这种序列出现在真核生物进化的早期，同时也暗示其具有重要功能。但与动物中不同，植物 中发现的大部分同源盒基因除少数外2 〔，尚没有明确的证据表明它们具有同源异型的功能，所以，一般不能称 为同源异型基因。然而，在植物中另有一类含编码 56个氨基酸的保守的DNA盒的基因，其保守的DNA区段 被称为MADS盒 M（ADS-box ．研究表明在植物中MADS盒基因的突变往往与花器官的同源异型突变有 关cs 。所以，植物的MADS盒基因是一类同源异型基因． 本文拟对结构极为保守、但功能尚不明确的植物同源盒基因的研究作一介绍，目前这方面的工作已成为植物 分子遗传学和发育遗传学研究的一个热点． 1植物同源盒基因的发现与克隆 玉米中有一种．’叶节” Knotted 突变体4（ ，它的特征是植株生长迟缓、无叶舌、叶片上异位着生叶鞘，在 叶片侧脉处会形成节状物。Hake等先用转座子标签方法克隆了一个与突变性状共分离的DNA片段 ’〔〕，随后， 用该片段作探针在cDNA文库中筛选了一个含1240bp长的开放阅读框 O（RF 的基因 K（notted]尸”。序列 分析发现，该基因中具有与动物中已发现的的同源盒基因相似的序列，其编码的蛋白质产物具有转录因子特征。 3期 刘国振等：植物同源盒基因的克隆与功能研究 43 在该突变体中，叶片的细胞分化时间和位置发生了改变，说明这一基因的功能可能是调控决定细胞命运过程的。 含同源盒的Knottedl基因的克隆揭开了植物同源盒基因研究的序幕。利用该基因的保守区段目前已在拟南 芥 6 、玉米 7〔 、水稻 吕〔〕、大麦 2 、番茄 9〔 、大豆 ’〔。，和苹果 （”‘中克隆了一批同源盒基因．但也有一些 例外，如玉米的Zmhox1a是在用26bp的shrunkenfeedback控制因子筛选玉米的.lgt11表达文库时意外获 得的7（ ；拟南芥的GLABRA2是由T-DNA标签法克隆的 1〔2 。目前在植物中克隆的同源盒基因已有几十个 表（ 1 , 裹1植物中克隆的同源盒基因 物 种 同源盒基因 类 型 文 献 物 种 同源盒基因 类 型 文 献 大豆 SBHI classI 10 大麦 Knox3 classI 2 水 稻 OSHI classI 8 欧 芹 PRHP PHD-finger 29 OSH45 classI 22 PRHA PHD-finge