ELF3基因与植物分类系统探讨

冯媛媛

摘要：ELF3基因对植物生物钟的调节具有重要作用，而目前对ELF3基因在各种植物之间的序列与表达的差异还不够清楚，为此，用拟南芥等植物对该基因及其序列做出了分析。

关键词：ELF3基因;植物分类;进化树

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.08.096

1节律行为和生物钟

节律行为或称周期性行为是行为随自然因素规律变化呈现的周期性。其特点为随自然因素变化而有规律的变动，并与生物钟相关。根据外界环境周期变化的不同因素，生物节律可分为：昼夜节律，与热、光、温度、风向昼夜的综合变化相一致，如：日行性、夜行性、晨昏性、蜜蜂采蜜、果蝇羽化等;月运节律，行为与日月位移引力周期性变化相一致，如：蚁狮满月时所建沙穴比其他时间更大，矶沙蚕的排卵受精、女性月经周期等;潮汐节律，行为与潮涨潮落的变化相一致，如潮洞带动物的捕食行为;半月节律，与大潮小潮的规律一致，如银汉鱼的产卵及按蚊羽化的14日规律;季节节律和年节律，其行为与地球绕太阳公转一圈接受日照的时数相一致，如树木的生长，动物的季节性繁殖，冬眠以及鸟类的季节性迁徙等。而生物钟作为一种生物节律的调节机制，被研究得较为广泛。生物因对昼夜的适应，而产生生理上有周期性波动的内在节奏称为生物钟（bological clock），亦称生理钟（Physiological clock）。

菜豆叶在不变化条件（微弱光及20度）下的运动如图1。由此图1可以看到，在没有昼夜变化和温度变化的稳恒条件下，叶子的升起和下降运动的每一个周期接近27小时，由于这个周期并非正好是24小时，而只接近这个数值，因此，这样的周期叫作近似昼夜节律（Circadian rhythm）。除叶片的感夜运动，还有气孔开闭、蒸腾速率、细胞分裂等也属于近似昼夜节律。

生物钟调控有以下三种特征：

（1）生物钟调控的周期节律是一个内源机制，并且独立于外界环境信号的周期性驯化，生物节律一旦被信号引起就在稳恒条件下继续显示。如在菜豆叶子的运动中，这个信号就是暗期跟随着一个光期。节奏开始后，就以大约24小时的节律自由运行。

（2）生物钟调控的节律可以被周围环境信号（如：光、照、温度等）所驯化（Entrainable）进而被重新设定。这有利于生物更好的调节自身而适应环境，在进化上有重要意义。

（3）生物钟的调控具有温度补偿现象（Temperature compensation）（见图2）。由于酶的催化反应的速率随温度而增加，但每一种酶活性的发挥都有最适温度范围，低温限与高温限，故在外温动物和植物中，代谢速率在低温下是相对较慢的，当环境变温暖时，代谢速率变化较快。

代谢速率随温度增加能够用温度系数（Tempreature coefficient，Q10）描述，公式为Q10=t摄氏度体温时的代谢率/（t-10）摄氏度体温时的代谢率，其中Q约等于2，其前提是在一定的温度范围内，因为过高温会导致酶失活。但是在生物钟控制的节律中，该公式并不成立，其Q约等于1，即在一定温度范围内节律性可以维持稳定状态。

以下对植物生理钟系统的基本模式进行阐述。植物生理钟系统有三个组分：输入途径、中央振荡器和输出途径。输入途径起源于外界光信号，以光受体光敏色素和隐花色素为媒介，把光信号从细胞质转移到细胞核，导入到中央振荡器。中央振荡器定位于单个细胞内，调节钟控基因的表达，控制并产生近似24小时的昼夜节律的振荡。单个振荡器控制多个输出途径，所以近似昼夜节律表现为多种生理活动。

2植物调控生物钟的基因简介

ELF4-ELF3-LUX复合体对植物生物钟的调节有重要作用。研究表明，缺失ELF4的突变体拟南介植株失去了节律性，且ELF3和LUX对于ELF4的缺失具有补偿作用。但也有人预测三种基因中只要有一个突变，就会使植物的生物钟有所改变。即三个基因中没有任何单独的一个基因可以维持生物节律。ELF3是一个被ELF4抑制的基因，需要被信号刺激所激活，比如光照;且当ELF4基因失活时方可表达。ELF4主要分布在细胞核中，ELF3在细胞核、细胞质中均有较广泛的分布。ELF3是一种蛋白质，具有多种功能，如将生物钟与光刺激连接 。ELF3的主要作用范围和ELF4密不可分。此外，该复合体对于具昼夜节律的植物的下胚轴生长有控制作用。

3植物分类系统

这里主要介绍APG分类系统（见图3）。

被子植物APG分类法是一种对被子植物的现代分类法;与传统的分类系统如克朗奎斯特系统不同，APG系统是主要依照植物的三个基因组DNA的顺序，以亲缘分支的方法分类，包括两个叶绿体和一个核糖体的基因编码。主要根据分子生物学手段分类。

4MEGA及进化树

通过ELF3基因可以对植物的亲缘关系进行鉴定，然后再与APG分类系统进行比对，得到相关结果。

我们需要在NCBI中找到有关ELF3基因的信息。NCBI（Nationnal center of Biotechnology Information 美国国家生物技术信息中心），其内储存了大量分子数据。本次研究所用到的程序为BLAST，是NCBI开发的序列相似搜索程序，可以用来鉴别基因和遗传特点。

得到相关序列信息后，将其输入MEGA软件（Molecular Evolutionary Genetics Analysis 分子进化遗传分析）。该软件可用于序列比对、制作进化树等。将各种植物的ELF3基因输入MEGA制作进化树，结合APG4系统得到以下结果（图4）。

（1）参与比对的植物属于以下几个目：葡萄目、金虎尾目、豆目、蔷薇目、壳斗目、桃金娘目、无患子目、锦葵目、十字花目、石竹目、茄目、唇形目。其中，金虎尾目、豆目、蔷薇目、壳斗目属于豆类植物，桃金娘目、无患子目、锦葵目、十字花目属于锦葵类植物;茄目、唇形目属于唇形类植物，葡萄目属于蔷薇类植物，石竹目属于超菊类植物，与菊类植物为并列关系。而这几大类植物都属于核心真叶子植物，这在一定程度上说明了这些植物存在共同祖先，并且ELF3基因的起始进化从核心真双子叶植物开始。

（2）用ELF3基因制作的进化树与APG4系统进行比较，发现存在如下差异：

APG4系统中亲缘关系较近或较远的两科，在进化数中有可能得到不到很好的体现，如：锦葵目（可可）与石竹目（莙荙菜），金虎尾目（胡杨、青杨、麻风树）与壳斗目（核桃），十字花目（亚麻荠）与桃金娘目（巨桉）等。

（3）分析造成此种差异的原因，有如下可能：

①全基因组测序得到的APG分类系统能更好反映出植物之间的亲缘关系远近，而单纯用ELF3基因不能够全部地说明植物间亲缘关系。这就好比全基因组文库与部分基因组文库的区别，部分基因组文库只能提供生物部分基因的序列信息而没有全基因组文库信息的覆盖量大。

②外界因素影响了植物基因的变化。刚才提到这一基因有可能是从核心真双子叶植物的祖先演变而来的，那么后来基因表达的差异就取决于外界因素，如光照、温度等。此外，人为的驯化也改变了植物的生物钟，生物钟与ELF3基因相互协同，促使ELF3基因的進化。

参考文献

[1]潘瑞炽，王小菁，李娘辉.植物生理学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]牛翠娟，娄安如，孙儒泳，李庆芬.基础生态学[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3]陈铭.生物信息学[M].北京：科学出版社，2014.