油菜開花時間遺傳調(diào)控的研究進展

譚勇俊，魯軍雄，劉忠松

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128)

開花是顯花植物生長過程中一個重要轉(zhuǎn)折點，代表植物從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長。選擇合適的開花時機對植物避開不利的自然環(huán)境條件和獲得盡可能多的后代具有重要意義［1］。

油菜與模式植物擬南芥同屬十字花科，具有較近的親緣關(guān)系［2］。研究表明，擬南芥開花受到溫度、光周期和生長年限、營養(yǎng)條件等因素影響，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，參與調(diào)控的基因有170多個［3］。根據(jù)信號因子的來源以及參與基因的不同，將擬南芥開花調(diào)控途徑分為 5 條［3，4］，即:春化途徑(vernalization pathway)、自主途徑(autonomous pathway)、光周期途徑(photoperiod pathway)、赤霉素途徑(gibberellin pathway)和年齡途徑(aging pathway)。

春化是指某些植物需經(jīng)過一段時間的低溫處理才能正常開花的現(xiàn)象。春化途徑中的2個關(guān)鍵基因是 FLC［5］和 FRI［6］，F(xiàn)LC 編碼具有 MADS － box 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，抑制開花調(diào)控途徑下游的 FT、SOC1、LFY等基因的表達從而抑制開花。

光周期途徑是光周期控制開花的一條途徑。其中處于中心位置的基因是CO(CONSTANS)。CO基因在葉片中表達，其表達量直接或間接地受多種感知不同波長的色素的控制，具有明顯的晝夜周期性［7］。CO基因的蛋白產(chǎn)物為一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，能促進葉片中FT基因轉(zhuǎn)錄。葉片中FT基因編碼的蛋白合成后被轉(zhuǎn)運到莖尖分生組織，促進開花［8］。

1 油菜及其近緣植物開花時間的QTL定位

對油菜開花時間的研究主要集中于白菜型油菜和甘藍型油菜。由于甘藍型油菜是白菜與甘藍種間雜交后加倍形成的異源四倍體，含有來源于甘藍的基因組(C基因組)，因此，有關(guān)甘藍的研究成果對甘藍型油菜的相關(guān)研究具有參考意義。早期主要通過分離群體的表型分析來研究油菜開花時間的控制基因數(shù)目、遺傳力以及各基因之間的效應(yīng)。Zaman等［9］的研究認為，開花時間為多基因控制，且存在主效基因。在分子標記以及QTL定位方法提出后，研究者們紛紛將其應(yīng)用于油菜及相關(guān)植物開花時間的研究:Teutonico等［10］在白菜中定位出2個主效QTL;Ferreira等［11］在甘藍型油菜LG9(該連鎖群對應(yīng)A2染色體)上定位了1個主效QTL;Carmago等［12］在甘藍中也檢測到3個開花時間QTL。所進行的QTL定位使用的分子標記主要是RFLP和一些形態(tài)學(xué)標記，分離群體主要為臨時群體F2群體，同時，因標記類型的限制，用于定位的標記數(shù)也較少(不到 200個)。隨著研究的深入，SSR、AFLP、SCAR、SRAP、CAPS、SNP、DArT 等多種類型標記被應(yīng)用于開花時間QTL定位，定位所使用的標記數(shù)量也迅速增加(幾百至上千個)，且主要使用DH、RIL群體等永久群體并在多個環(huán)境條件下考察表型數(shù)據(jù)，從而能區(qū)分環(huán)境方差以及實驗誤差的影響。

在甘藍型油菜大部分定位結(jié)果中，A2、A3、C2、C3、C9連鎖群存在開花時間主效QTL，并且QTL的置信區(qū)間重合或非常接近;其次，A1、A7、A10、C6 等染色體也在多個試驗中檢測到含有開花時間QTL。

已有的油菜開花時間QTL定位結(jié)果中存在QTL認定標準不統(tǒng)一的問題。因使用的計算軟件、算法以及對數(shù)據(jù)的處理不一致，不同研究者得到的QTL數(shù)量存在較大差異，其中表現(xiàn)最突出的是在對微效QTL的認定上。

甘藍型油菜及其親本部分已發(fā)表的開花期QTL定位結(jié)果統(tǒng)計如表1。

表1 甘藍型油菜及其親本種開花時間QTL定位結(jié)果

(續(xù)表1)

2 油菜開花關(guān)鍵基因的克隆

油菜及其近緣植物中開花相關(guān)基因的研究主要集中于FLC、CO等少數(shù)幾個關(guān)鍵基因。

2.1 FLC基因

FLC即FLOWERING LOCUS C，屬于 MADS－box轉(zhuǎn)錄因子家族，主要參與春化途徑，對開花起負調(diào)控作用。Kole等［29］在白菜的回交分離群體中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LC基因序列與春化主效 QTL共分離，推斷FLC基因在白菜中與在擬南芥中功能相同。Tadege等［30］將擬南芥 FLC基因轉(zhuǎn)入甘藍型油菜中，發(fā)現(xiàn)擬南芥FLC基因的表達對甘藍型油菜的開花時間具有推遲作用;而將甘藍型油菜cDNA文庫中分離得到的5個擬南芥FLC基因的同源序列進行表達分析發(fā)現(xiàn)，其表達量與春化及開花時間相關(guān)，轉(zhuǎn)入這些基因序列的擬南芥植株的開花時間也出現(xiàn)推遲，說明FLC基因在擬南芥與甘藍型油菜中功能比較保守且作用機理相近。Kim等利用白菜BAC測序獲得的基因全長進行的表達分析以及轉(zhuǎn)化擬南芥實驗也驗證了這一結(jié)論［31］。但 Razi等［32］對甘藍 QTL區(qū)間與FLC拷貝的位置的研究認為，F(xiàn)LC參與春化作用，但并不是造成甘藍開花時間差異的主要基因。在甘藍型油菜中，至今已找到FLC基因的9個拷貝，這些拷貝已分別定位于 A2、A3、A10、C2、C3 和C9等6條染色體上，其中A3、C3和C9染色體各有2個拷貝［33］，A10染色體的FLC基因拷貝是A10染色體上開花時間QTL的候選基因［34］。

2.2 FRI基因

FRI正向調(diào)控FLC基因的表達，對開花起負調(diào)控作用。早期通過對油菜和擬南芥的比較作圖發(fā)現(xiàn)，開花時間QTL所在位置與擬南芥FRI基因所在的4號染色體頂端存在共線性關(guān)系［35］。目前，已經(jīng)在油菜及其相關(guān)物種中克隆得到了多個FRI基因拷貝。Wang等［36］在甘藍型油菜BAC文庫中克隆得到了4個FRI基因的拷貝，發(fā)現(xiàn)其中定位于A3染色體的拷貝位于一個開花時間QTL的置信區(qū)間內(nèi);進一步的研究發(fā)現(xiàn)，多個材料中該拷貝的序列多態(tài)性與對應(yīng)材料的開花時間相關(guān)。Irwin等［37］在甘藍中也鑒定出了2個FRI拷貝。

2.3 CO 基因

CO即CONSTANS，是含有鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，主要參與光周期途徑，是開花的正向調(diào)控因子。Robert等［38］以擬南芥CO基因序列為探針，從甘藍型油菜基因組文庫中分離了4個CO基因拷貝，均具有特異性的鋅指結(jié)構(gòu);定位發(fā)現(xiàn)N10(A10)和N19(C9)連鎖群各有2個拷貝;轉(zhuǎn)化擬南芥對應(yīng)突變體發(fā)現(xiàn)，其中位于A10染色體的一個拷貝可使植株提前開花。Martynov等［39］通過同源克隆得到白菜CO基因的2個同源序列;Lagercrantz等［40］在黑芥中定位了CO基因的2個拷貝并使用RT－PCR的方法檢測到兩者都表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，僅其中拷貝BniCOa對開花時間有影響，而拷貝BniCOb雖表達，但不影響開花時間［41］。

2.4 FT 基因

FT基因即FLOWERING LOCUS T基因，它在葉片中表達的產(chǎn)物被運輸?shù)缴L點，促進開花，是一直尋找的“成花素”。目前，F(xiàn)T基因在甘藍型油菜中已克隆出6個拷貝，其中A2、C2染色體各1個拷貝，A7、C6染色體各有 2個拷貝［42］。A2染色體上FT基因拷貝在白菜和甘藍型油菜中都轉(zhuǎn)錄，C2染色體拷貝在甘藍和甘藍型油菜中因插入以及甲基化修飾而不轉(zhuǎn)錄，A7與C6染色體上FT基因拷貝在冬性油菜中發(fā)生沉默［43］，可能與油菜感光性的強弱有關(guān)。

除以上幾個與開花相關(guān)的主要基因外，Lee等［44］在多個白菜品系中克隆并分析SVP基因，發(fā)現(xiàn)SVP基因影響開花時間，但其表達量不受春化的影響。An等［45］通過使用酵母雙雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)甘藍的AP1基因與SVP之間存在互作，這與擬南芥中情況一致。Baum等［46］分析了LEAFY基因在十字花科植物中的差異以及進化情況。

3 展望

油菜開花時間是一個復(fù)雜的數(shù)量性狀，受光周期、溫度、激素水平、營養(yǎng)條件等多因素的影響。前期研究因相關(guān)信息的缺乏，主要以擬南芥等模式植物研究結(jié)果為參考，具有一定價值。但油菜是多倍體，經(jīng)歷了多倍化，與擬南芥存在顯著差異，依賴擬南芥的研究結(jié)果具有局限性。白菜、甘藍基因組測序的完成以及甘藍型油菜全基因組測序的開展，為進一步的研究提供了更加有利的條件。

油菜中已經(jīng)定位了大量開花時間QTL，但其中只有少數(shù)進行了解析［48，49］，這與物種相對復(fù)雜的基因組背景、標記定位精度以及現(xiàn)有技術(shù)的不足等有關(guān)。相關(guān)物種全基因組測序結(jié)果、DArT和SNP等高通量標記、轉(zhuǎn)錄組測序以及遺傳轉(zhuǎn)化體系的成熟將大大加速Q(mào)TL的解析。

培育早熟品種是當前油菜育種的主要目標之一。而油菜開花時間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，某一基因可能參與多條調(diào)控途徑，同一基因的不同拷貝可能具有不同的功能，因此，在透徹研究開花調(diào)控機理的基礎(chǔ)上，對開花控制途徑中的多個基因進行選擇或者修飾，應(yīng)能培育出理想的品種。

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