ELF3基因與植物分類系統(tǒng)探討

馮媛媛

摘要：ELF3基因?qū)χ参锷镧姷恼{(diào)節(jié)具有重要作用，而目前對(duì)ELF3基因在各種植物之間的序列與表達(dá)的差異還不夠清楚，為此，用擬南芥等植物對(duì)該基因及其序列做出了分析。

關(guān)鍵詞：ELF3基因;植物分類;進(jìn)化樹

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.08.096

1節(jié)律行為和生物鐘

節(jié)律行為或稱周期性行為是行為隨自然因素規(guī)律變化呈現(xiàn)的周期性。其特點(diǎn)為隨自然因素變化而有規(guī)律的變動(dòng)，并與生物鐘相關(guān)。根據(jù)外界環(huán)境周期變化的不同因素，生物節(jié)律可分為：晝夜節(jié)律，與熱、光、溫度、風(fēng)向晝夜的綜合變化相一致，如：日行性、夜行性、晨昏性、蜜蜂采蜜、果蠅羽化等;月運(yùn)節(jié)律，行為與日月位移引力周期性變化相一致，如：蟻獅滿月時(shí)所建沙穴比其他時(shí)間更大，磯沙蠶的排卵受精、女性月經(jīng)周期等;潮汐節(jié)律，行為與潮漲潮落的變化相一致，如潮洞帶動(dòng)物的捕食行為;半月節(jié)律，與大潮小潮的規(guī)律一致，如銀漢魚的產(chǎn)卵及按蚊羽化的14日規(guī)律;季節(jié)節(jié)律和年節(jié)律，其行為與地球繞太陽公轉(zhuǎn)一圈接受日照的時(shí)數(shù)相一致，如樹木的生長(zhǎng)，動(dòng)物的季節(jié)性繁殖，冬眠以及鳥類的季節(jié)性遷徙等。而生物鐘作為一種生物節(jié)律的調(diào)節(jié)機(jī)制，被研究得較為廣泛。生物因?qū)円沟倪m應(yīng)，而產(chǎn)生生理上有周期性波動(dòng)的內(nèi)在節(jié)奏稱為生物鐘（bological clock），亦稱生理鐘（Physiological clock）。

菜豆葉在不變化條件（微弱光及20度）下的運(yùn)動(dòng)如圖1。由此圖1可以看到，在沒有晝夜變化和溫度變化的穩(wěn)恒條件下，葉子的升起和下降運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)周期接近27小時(shí)，由于這個(gè)周期并非正好是24小時(shí)，而只接近這個(gè)數(shù)值，因此，這樣的周期叫作近似晝夜節(jié)律（Circadian rhythm）。除葉片的感夜運(yùn)動(dòng)，還有氣孔開閉、蒸騰速率、細(xì)胞分裂等也屬于近似晝夜節(jié)律。

生物鐘調(diào)控有以下三種特征：

（1）生物鐘調(diào)控的周期節(jié)律是一個(gè)內(nèi)源機(jī)制，并且獨(dú)立于外界環(huán)境信號(hào)的周期性馴化，生物節(jié)律一旦被信號(hào)引起就在穩(wěn)恒條件下繼續(xù)顯示。如在菜豆葉子的運(yùn)動(dòng)中，這個(gè)信號(hào)就是暗期跟隨著一個(gè)光期。節(jié)奏開始后，就以大約24小時(shí)的節(jié)律自由運(yùn)行。

（2）生物鐘調(diào)控的節(jié)律可以被周圍環(huán)境信號(hào)（如：光、照、溫度等）所馴化（Entrainable）進(jìn)而被重新設(shè)定。這有利于生物更好的調(diào)節(jié)自身而適應(yīng)環(huán)境，在進(jìn)化上有重要意義。

（3）生物鐘的調(diào)控具有溫度補(bǔ)償現(xiàn)象（Temperature compensation）（見圖2）。由于酶的催化反應(yīng)的速率隨溫度而增加，但每一種酶活性的發(fā)揮都有最適溫度范圍，低溫限與高溫限，故在外溫動(dòng)物和植物中，代謝速率在低溫下是相對(duì)較慢的，當(dāng)環(huán)境變溫暖時(shí)，代謝速率變化較快。

代謝速率隨溫度增加能夠用溫度系數(shù)（Tempreature coefficient，Q10）描述，公式為Q10=t攝氏度體溫時(shí)的代謝率/（t-10）攝氏度體溫時(shí)的代謝率，其中Q約等于2，其前提是在一定的溫度范圍內(nèi)，因?yàn)檫^高溫會(huì)導(dǎo)致酶失活。但是在生物鐘控制的節(jié)律中，該公式并不成立，其Q約等于1，即在一定溫度范圍內(nèi)節(jié)律性可以維持穩(wěn)定狀態(tài)。

以下對(duì)植物生理鐘系統(tǒng)的基本模式進(jìn)行闡述。植物生理鐘系統(tǒng)有三個(gè)組分：輸入途徑、中央振蕩器和輸出途徑。輸入途徑起源于外界光信號(hào)，以光受體光敏色素和隱花色素為媒介，把光信號(hào)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，導(dǎo)入到中央振蕩器。中央振蕩器定位于單個(gè)細(xì)胞內(nèi)，調(diào)節(jié)鐘控基因的表達(dá)，控制并產(chǎn)生近似24小時(shí)的晝夜節(jié)律的振蕩。單個(gè)振蕩器控制多個(gè)輸出途徑，所以近似晝夜節(jié)律表現(xiàn)為多種生理活動(dòng)。

2植物調(diào)控生物鐘的基因簡(jiǎn)介

ELF4-ELF3-LUX復(fù)合體對(duì)植物生物鐘的調(diào)節(jié)有重要作用。研究表明，缺失ELF4的突變體擬南介植株失去了節(jié)律性，且ELF3和LUX對(duì)于ELF4的缺失具有補(bǔ)償作用。但也有人預(yù)測(cè)三種基因中只要有一個(gè)突變，就會(huì)使植物的生物鐘有所改變。即三個(gè)基因中沒有任何單獨(dú)的一個(gè)基因可以維持生物節(jié)律。ELF3是一個(gè)被ELF4抑制的基因，需要被信號(hào)刺激所激活，比如光照;且當(dāng)ELF4基因失活時(shí)方可表達(dá)。ELF4主要分布在細(xì)胞核中，ELF3在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)中均有較廣泛的分布。ELF3是一種蛋白質(zhì)，具有多種功能，如將生物鐘與光刺激連接 。ELF3的主要作用范圍和ELF4密不可分。此外，該復(fù)合體對(duì)于具晝夜節(jié)律的植物的下胚軸生長(zhǎng)有控制作用。

3植物分類系統(tǒng)

這里主要介紹APG分類系統(tǒng)（見圖3）。

被子植物APG分類法是一種對(duì)被子植物的現(xiàn)代分類法;與傳統(tǒng)的分類系統(tǒng)如克朗奎斯特系統(tǒng)不同，APG系統(tǒng)是主要依照植物的三個(gè)基因組DNA的順序，以親緣分支的方法分類，包括兩個(gè)葉綠體和一個(gè)核糖體的基因編碼。主要根據(jù)分子生物學(xué)手段分類。

4MEGA及進(jìn)化樹

通過ELF3基因可以對(duì)植物的親緣關(guān)系進(jìn)行鑒定，然后再與APG分類系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，得到相關(guān)結(jié)果。

我們需要在NCBI中找到有關(guān)ELF3基因的信息。NCBI（Nationnal center of Biotechnology Information 美國國家生物技術(shù)信息中心），其內(nèi)儲(chǔ)存了大量分子數(shù)據(jù)。本次研究所用到的程序?yàn)锽LAST，是NCBI開發(fā)的序列相似搜索程序，可以用來鑒別基因和遺傳特點(diǎn)。

得到相關(guān)序列信息后，將其輸入MEGA軟件（Molecular Evolutionary Genetics Analysis 分子進(jìn)化遺傳分析）。該軟件可用于序列比對(duì)、制作進(jìn)化樹等。將各種植物的ELF3基因輸入MEGA制作進(jìn)化樹，結(jié)合APG4系統(tǒng)得到以下結(jié)果（圖4）。

（1）參與比對(duì)的植物屬于以下幾個(gè)目：葡萄目、金虎尾目、豆目、薔薇目、殼斗目、桃金娘目、無患子目、錦葵目、十字花目、石竹目、茄目、唇形目。其中，金虎尾目、豆目、薔薇目、殼斗目屬于豆類植物，桃金娘目、無患子目、錦葵目、十字花目屬于錦葵類植物;茄目、唇形目屬于唇形類植物，葡萄目屬于薔薇類植物，石竹目屬于超菊類植物，與菊類植物為并列關(guān)系。而這幾大類植物都屬于核心真葉子植物，這在一定程度上說明了這些植物存在共同祖先，并且ELF3基因的起始進(jìn)化從核心真雙子葉植物開始。

（2）用ELF3基因制作的進(jìn)化樹與APG4系統(tǒng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)存在如下差異：

APG4系統(tǒng)中親緣關(guān)系較近或較遠(yuǎn)的兩科，在進(jìn)化數(shù)中有可能得到不到很好的體現(xiàn)，如：錦葵目（可可）與石竹目（莙荙菜），金虎尾目（胡楊、青楊、麻風(fēng)樹）與殼斗目（核桃），十字花目（亞麻薺）與桃金娘目（巨桉）等。

（3）分析造成此種差異的原因，有如下可能：

①全基因組測(cè)序得到的APG分類系統(tǒng)能更好反映出植物之間的親緣關(guān)系遠(yuǎn)近，而單純用ELF3基因不能夠全部地說明植物間親緣關(guān)系。這就好比全基因組文庫與部分基因組文庫的區(qū)別，部分基因組文庫只能提供生物部分基因的序列信息而沒有全基因組文庫信息的覆蓋量大。

②外界因素影響了植物基因的變化。剛才提到這一基因有可能是從核心真雙子葉植物的祖先演變而來的，那么后來基因表達(dá)的差異就取決于外界因素，如光照、溫度等。此外，人為的馴化也改變了植物的生物鐘，生物鐘與ELF3基因相互協(xié)同，促使ELF3基因的進(jìn)化。

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