蕓薹屬作物抽薹開花調(diào)控途徑的研究進展

丁寧，湯青林，王志敏，宋明

（西南大學(xué)園藝園林學(xué)院，重慶，400715）

蕓薹屬作物抽薹開花調(diào)控途徑的研究進展

丁寧，湯青林，王志敏，宋明

（西南大學(xué)園藝園林學(xué)院，重慶，400715）

抽薹及開花對于蕓薹屬作物來說是非常重要的兩個性狀，對該性狀的深入研究對蕓薹屬作物有著重要的理論及實際意義。通過綜述蕓薹屬作物抽薹開花調(diào)控途徑的最新研究進展，指出蕓薹屬作物的研究仍主要在確定具體基因位點標(biāo)記和基因功能方面，而對相關(guān)基因的整體系統(tǒng)研究還明顯不足。

蕓薹屬作物；抽薹；開花；調(diào)控途徑

蕓薹屬（BrassicaL.）是十字花科（Cruciferae）中經(jīng)濟價值最大的屬，共有約40個種，我國共有該屬13個栽培種、11個變種和1個變型。抽薹是指葉菜類、根菜類、鱗莖類等二年生蔬菜花莖從葉叢中伸長生長的現(xiàn)象，是其進入生殖生長的形態(tài)標(biāo)志。在生產(chǎn)上，常由于播種時期不當(dāng)或環(huán)境條件影響而導(dǎo)致蕓薹屬作物出現(xiàn)先期抽薹現(xiàn)象，造成經(jīng)濟損失；在育種上，常為加代繁殖、縮短育種周期以及加快育種進程等而需要提早抽薹開花；在F1制種上，常為調(diào)節(jié)親本材料花期相遇而需要對雙親抽薹開花的一致性進行調(diào)控。因此，抽薹作為蕓薹屬蔬菜從營養(yǎng)生長階段向生殖生長階段轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時期，研究其“促”、“控”效應(yīng)，無論從生產(chǎn)上、育種上、還是F1制種上，都具有非常重要的實踐意義[1]。

1 蕓薹屬作物抽薹開花特性

蕓薹屬作物的抽薹開花特性是植物在進化繁衍中形成的一種生物學(xué)現(xiàn)象，其通過春化階段后，在一定日照條件下即可由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)為生殖生長進而抽薹開花。蕓薹屬作物的抽薹開花過程非常復(fù)雜，主要受內(nèi)因和外因的雙重作用。Zeevaart[2]和Pharis等[3]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源激素在需低溫春化植物的花芽分化和抽薹過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用，而且越來越多的研究表明，抽薹開花受多種激素綜合調(diào)節(jié)[4]。蕓薹屬作物經(jīng)過外部因子誘導(dǎo)后，經(jīng)一系列信號傳導(dǎo)過程，啟動開花決定過程中的控制基因，并在諸多關(guān)鍵基因的相互作用以及諸多代謝途徑的相互制約下，引起花芽分化[5]。其抽薹開花的遺傳基本上屬于多基因控制的數(shù)量性狀遺傳，相關(guān)基因?qū)?shù)和顯隱效應(yīng)尚不清楚。蕓薹屬作物具有通過溫光刺激調(diào)整自身發(fā)育進程并逐漸向開花轉(zhuǎn)變的能力，通常認為春化作用決定其開花啟動，且是需低溫春化植物成花誘導(dǎo)的關(guān)鍵[6]。除了上述影響因素外，營養(yǎng)代謝作用和植物生長調(diào)節(jié)劑也是影響蕓薹屬作物抽薹開花特性必不可少的因素。所有已知的激素如生長素、赤霉素（GA3）、細胞分裂素等，在某種意義上來說，都參與植物抽薹開花時間的調(diào)控。

2 蕓薹屬作物抽薹開花調(diào)控途徑

近年來通過對雙子葉模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）的深入研究，目前已確定擬南芥有51個與開花相關(guān)的基因位點，并且確定至少存在4條主要調(diào)控其抽薹開花時間的遺傳途徑：光周期途徑、春化途徑、自主途徑和赤霉素途徑。

2.1 光周期途徑

光受體和晝夜節(jié)律鐘是植物感受光周期必需的兩個組份。研究表明，擬南芥中至少存在5種光敏色素和2種隱花色素，其中PHYA，CRY1和CRY2促進開花，PHYB，PHYD和PHYE抑制開花[7～9]。而晝夜節(jié)律鐘則使植物的生理狀態(tài)與外界節(jié)律保持同步[10]，目前已在擬南芥中克隆了4個晝夜節(jié)律相關(guān)基因TOC1、ELF4、LHY和CCA1，它們直接參與節(jié)律系統(tǒng)構(gòu)成的反饋環(huán)。光周期途徑下游基因CO是光周期途徑中的關(guān)鍵基因，該基因可將光信號轉(zhuǎn)換為開花信號[11]，通過誘導(dǎo)開花整合因子LFY、FT和SOCl的表達進而誘導(dǎo)蕓薹屬作物抽薹開花。有研究表明，CO、CRY2、Gl、PHYA、FT、FWA和EBS等均屬于光周期途徑基因[12]。

2.2 春化途徑

通過對擬南芥的分子遺傳研究表明，春化途徑主要是引起開花抑制基因FLC染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，使其處于關(guān)閉狀態(tài)，進而解除對作物抽薹開花的抑制。Levy等[13]的研究證明，擬南芥中與抽薹開花相關(guān)的51個基因位點中有27個位點皆與春化作用相關(guān)，這些基因的產(chǎn)物均具有抑制活性。在擬南芥中存在6個與春化作用直接相關(guān)的基因VRN1、VRN2、VRN3、VRN4、VRN5和VIN6[14]，在其春化途徑中，已鑒定了FLC-、AGL24-和AGL19-這3條獨立的分子春化反應(yīng)支路[15]。進一步研究證明，此途徑中有2個顯性基因FLC和FRI位點控制春化需求型作物的抽薹開花時間，此兩者基因中的顯性等位基因協(xié)同造成晚開花，其中1個突變即會導(dǎo)致過早開花。并且，F(xiàn)LC的表達受FRI正調(diào)控，受自主途徑和春化作用負調(diào)控，是調(diào)控擬南芥抽薹開花時間的樞紐基因[16]。

2.3 自主途徑

控制自主途徑的基因絕大多數(shù)情況下是促進作物抽薹開花的，這些基因能抑制FLC的表達，但它們之間并不是簡單的線性關(guān)系，而是通過彼此獨立相互平行的途徑調(diào)控FLC的表達[17]。迄今，自主途徑的7個突變體都已克隆，分別為fca、fpa、fy、fld、ld、fve和flk[18]，其通過不同機制進而調(diào)控蕓薹屬作物抽薹開花的時間。而陳瑞強等[19]分離鑒定的FLD等位突變體fld-5在FLD編碼區(qū)有一個移碼突變，導(dǎo)致其可讀框的提前終止，F(xiàn)LC的表達顯著增加，從而可能導(dǎo)致該突變體呈現(xiàn)出異常的晚花表型。李建琴等[20]也研究證明，膜系留轉(zhuǎn)錄因子ANAC089在擬南芥開花誘導(dǎo)過程中起負調(diào)控作用。肖朝文等[21]研究指出，AHL27基因的過量表達，可抑制開花基因FT的表達，同時促進FLC的表達，從而延遲擬南芥在長日和短日條件下的開花時間。

2.4 赤霉素途徑

有研究表明，外源赤霉素（GA）對開花時間的調(diào)控在一定程度上是通過激活開花決定基因LFY的啟動子，加強LFY的轉(zhuǎn)錄活性，從而啟動開花[22]。目前已成功克隆了部分GA生物合成基因，如GA1、GA4和GA5。Moon等[23]研究得出，在短日照調(diào)節(jié)下GA途徑是激活SOCl表達的正調(diào)節(jié)途徑。目前還沒有證據(jù)表明GA途徑參與調(diào)節(jié)開花整合因子FT的表達。

2.5 其他途徑

除上述4條主要調(diào)控途徑之外還有FRI依賴途徑，F(xiàn)RI是影響擬南芥開花時間的關(guān)鍵基因，在植物發(fā)育過程中表達量很低且不受春化作用的影響，它通過對FLC表達的促進作用推遲植物開花。目前在模式植物擬南芥中已成功克隆得到能夠促進FLC表達的FRI同源基因FRL1、FRL2，且證實二者是FRI促進FLC表達所必需的基因。FLC需要FRI參與延遲植物開花，通過分子水平分析，在大多數(shù)攜帶FRI等位基因的擬南芥早花類型中，都存在該基因兩個特定區(qū)域的缺失或一個區(qū)域的缺失，這些區(qū)域的缺失可中斷FRI的開放閱讀框，關(guān)閉該基因[24]。

光周期途徑和春化途徑分別對環(huán)境中光信號和低溫作出反應(yīng)，而自主途徑和赤霉素途徑在很大程度上獨立于上述這些外部信號，受作物自身內(nèi)部發(fā)育狀況和內(nèi)源激素水平的影響[25，26]。自主途徑和春化途徑最終作用于FLC；光周期途徑通過調(diào)控CO的表達而間接作用于FT基因等。4種途徑將各自產(chǎn)生的抑制或促進開花的效應(yīng)作用于SOC1、FT、LFY這些關(guān)鍵基因，效應(yīng)之和最終決定蕓薹屬作物的抽薹開花特性[27]。

3 展望

近年來，蕓薹屬作物抽薹開花相關(guān)基因的研究已取得較為深入的進展，同時利用QTL等方法也大大簡化了相關(guān)工作，但目前對于蕓薹屬作物相關(guān)抽薹開花調(diào)控基因的研究還主要集中在基因位點的標(biāo)記和部分基因功能的確定上，而就整個蕓薹屬作物來說，利用其與雙子葉模式植物擬南芥的共線性，對相關(guān)基因的整體系統(tǒng)研究還明顯不足。目前，雖然已經(jīng)克隆了許多調(diào)控擬南芥開花時間的基因，但對各種途徑的理解只是一個整體框架，而對各種途徑成分的生化功能及信號傳遞方式有待進一步研究。隨著對蕓薹屬作物分子標(biāo)記研究的不斷深入，將逐步弄清蕓薹屬作物抽薹期及開花期的數(shù)量性狀位點、控制基因以及彼此間的系統(tǒng)聯(lián)系，相信一定會為將來育種工作奠定良好的理論基礎(chǔ)。

[1]徐明怡，王超.蕓薹屬作物開花相關(guān)性狀的遺傳和分子標(biāo)記研究進展[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，20（2）：14-17.

[2]Zeevaart J A D.Gibberellins and flowering In:Crozier A (ed).The Biochemistry and Physiology of Gibberellin-s[J].New York:Praeger Scientific,1983,12:333-374.

[3]Pharis R P,King R W.Gibberellins and reproductive development in seed plants[J].Annual review of Plant Physiology,1985,36:517-568.

[4]惠麥俠，張魯剛，鞏振輝，等.春化溫度對大白菜花芽分化和抽薹的影響[J].西北植物學(xué)報，2004，24（12）：2 359-2 361.

[5]種康，雍偉東，譚克輝.高等植物春化作用研究進展[J].植物學(xué)通報，1999，16（15）：481-487.

[6]張華鋒，孟慶忠，張認軍.環(huán)境因子在植物成花誘導(dǎo)中的作用及其機理[J].生物學(xué)通報，2000，35（7）：16-18.

[7]Aukerman M J,Sakai H.Regulation of flowering time and floral organ identity by a microRNA and itsAPETALA2-like target genes[J].Plant Cell,2003,15(11):2 730-2 741.

[8]Devlin P F,Patel S R,Whitelam G C.Phytochrome E influences internode elongation and flowering time inArabidopsis[J].Plant Cell,1998,10(9):1 479-1 487.

[9]Weller J L,Beauchamp N,Kerckhoffs L H,et al.Interaction of phytochromes A and B in the control of de-etiolation and flowering in pea[J].the Plant Journal,2001,26(3):283-294.

[10]Dunlap J C,Loros J J.Molecular bases for circadian clocks[J].Cell,1999,96(2):271-290.

[11]Suárez-LópezP,Wheatley K,Robson F,etal. CONSTANS mediates between the circadian clock and the control of flowering inArabidopsis[J].Nature,2001,410 (6 832):1 116-1 120.

[12]EI-Assal S E D,Alonso-Blanco C,Peeters A J,et al.The role of cryptochrome 2 in flowering inArabidopsis[J]. Plant Physiol,2003,133(4):1 504-1 516.

[13]Levy Y Y,Dean C.The transition to flowering[J].Plant-Cell,1998(10):1 973-1 998.

[14]Levy Y Y,Mesnage S,Mylne J S,et al.Multiple roles ofArabidopsis VRN1in vernalization and flowering time control[J].Science,2002,297(5 579):243-246.

[15]Alexandre C M,Hennig L.FLCor notFLC:the other side of vernalization[J].Journal of Experimental Botany,2008, 59(6):1 127-1 135.

[16]Michaels S D,Amasino R M.Loss ofFLOWERING LOCUS Cactivity eliminates the late-flowering phenotype ofFRIGI-DAand autonomous pathway mutations but not responsiveness to vernalization[J].Plant Cell,2001,13(4):935-942.

[17]Koornneef M,Alonso-Blanco C,Peeters A J M,et al.Genetic control of flowering time inArabidopsis[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 1998,49:345-370.

[18]Lim M H,Kim Y S,Chung K S,et al.A newArabidopsisgene,FLK,encodes an RNA binding protein with K homology motifs and regulates flowering time viaFLOWERING LOCUS C[J].Plant Cell,2004,16(3):731-740.

[19]陳瑞強，張素芝，孫姝蘭，等.分離鑒定擬南芥開花調(diào)控基因 Flowering Locus D（FLD）的一個新等位突變[J].科學(xué)通報，2005，55（22）：2 495-2 500.

[20]李建琴，張娟，王學(xué)臣，等.膜系留轉(zhuǎn)錄因子ANAC089在擬南芥開花誘導(dǎo)過程中起負調(diào)控作用[J].中國科學(xué)：生命科學(xué)，2010，40（5）：408-417.

[21]肖朝文，陳福祿，傅永福.AT-hook基因AHL27過量表達延遲擬南芥開花 [J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2009，11（4）：89-94.

[22]Blázquez M A,Green R,Nilsson O,et al.Gibberellins promote flowering of Arabidopsis by activating theLEAFYpromoter[J].Plant Cell,1998,10(5):791-800.

[23]Moon J,Suh S S,Lee H,et al.TheSOCIMADS-box gene integrates vernalization and gibberellin signals for flowering inArabidopsis[J].the Plant Journal,2003,35(5):613-623.

[24]Johanson U,West J,Lister C,et al.Molecular analysis ofFRIGIDA,a major determinant of natural variation inArabidopsisflowering time[J].Science,2000,290(5 490):344-347.

[25]Boss P K,Bastow R M,Mylne J S,et al.Multiple Pathways in the decision to flower:enabling,promoting,and resetting[J].Plant Cell,2004(16):518-531.

[26]Putterill J,Laurie R,Maeknight R.It's time to flower:the genetic control of flowering time[J].Bioessays,2004,26(4): 363-373.

[27]Corbesier L,Coupland G.The quest for florigen:a review of recent progress[J].Journal of Experimental Botany, 2006,57(13):3 395-3 403.

Research Progress of Control Methods of Bolting and Flowering inBrassicaCrops

DING Ning,TANG Qinglin,WANG Zhimin,SONG Ming
(College of Horticulture and Landscape Architecture,Southwest University,Chongqing 400715)

Both bolting and flowering were very important traits ofBrassicacrops,the in-depth study of them had important theoretical and practical significance forBrassicacrops.Through summarized the latest control methods ofBrassicacrops,it was indicated that the study onBrassicacrops was still mainly about specific gene locus markers and gene function,and the study of unity on related genes was significantly lacking.

Brassicacrops;Bolting;Flowering;Control method

10.3865/j.issn.1001-3547.2011.12.001

國家自然科學(xué)基金（31000908），中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（XDJK2009C124，XDJK2009C126），高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（20090182120003），重慶市自然科學(xué)基金（2009BB1307，2011BA1002），西南大學(xué)博士基金（SWU110009）

丁寧（1988-），女，碩士，研究方向為蔬菜遺傳育種與生物技術(shù)，電話：13650580275，E-mail：370632932@qq.com

宋明（1956-），男，通信作者，主要從事蔬菜遺傳育種、植物生物學(xué)與生物技術(shù)等研究，電話：023-68251093，E-mail：swausongm@yahoo.com.cn

2011-05-09