成花素FT的調(diào)控運(yùn)輸及生理功能的研究進(jìn)展

胡帥 肖文君 張騁 王萍 常洪平 王育 袁聰穎 陸秀濤 萬捷 郭新紅

摘 要：開花作為植物從營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，受外界環(huán)境變化影響，對植物發(fā)育和繁殖有著至關(guān)重要的作用。成花素（flowering locus T FT）蛋白作為擬南芥開花信號核心分子，在開花調(diào)控中扮演重要角色。擬南芥葉片在感應(yīng)外界溫度光照等因素變化后，通過生理鐘（constants，CO）等蛋白及部分Mico-RNA正負(fù)協(xié)調(diào)調(diào)控篩管伴胞中的FT基因表達(dá)，F(xiàn)T蛋白通過篩管從葉片運(yùn)輸?shù)角o頂端分生組織后，與一個(gè)堿性亮氡酸拉鏈（basicleucine zipper，bZIP）蛋白FD結(jié)合調(diào)控莖頂端分生組織（shoot apical meristem，SAM）中的花組織形成相關(guān)基因表達(dá).繼而誘導(dǎo)開花對近年來FT基因在葉片中的調(diào)控、FT蛋白的運(yùn)輸及其在頂端分生組織中的開花誘寧機(jī)理進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步完善FT表達(dá)調(diào)控及功能研究提供參考。

關(guān)鍵詞：擬南芥；開花調(diào)控；生理鐘（CO）；成花素（FT）

中圖分類號：Q943.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-7847（2014）06-0527-06

大部分植物的開花具有季節(jié)性，這主要因?yàn)橹参锬軌蚋惺芡饨绛h(huán)境變化，包括光周期、溫度等這些囚素能調(diào)控FT蛋白的表達(dá)量，而擬南芥主要通過FT蛋白促進(jìn)開花，該蛋白在篩管伴胞中合成通過篩管運(yùn)輸?shù)角o端分生組織并促進(jìn)花原基分化。當(dāng)然一些受植物生長發(fā)育自主調(diào)控的相關(guān)開花信號分子在頂端分生組織中的表達(dá)量發(fā)生變化也對花組織誘導(dǎo)形成起重要作用。

1 葉片感應(yīng)外界環(huán)境變化調(diào)控FT基因表達(dá)

葉片能感受外界光照的變化和溫度的變化激活或抑制一些基因的表達(dá)調(diào)控F1基因表達(dá)，從而植物感受因季節(jié)變更引起的光周期和外部溫度變化而保持白身在合適的時(shí)間開花，保證正常的發(fā)育和繁殖。

轉(zhuǎn)錄激活因子CO與FT基因結(jié)合直接誘導(dǎo)其表達(dá)并且強(qiáng)烈影響開花時(shí)間，CO的轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要受光周期影響。光周期調(diào)控的FKFl （flavin-binding， kelch repeat， f-box l）、GI （gigantea）和CDF （cycling dof factor）蛋白在CO轉(zhuǎn)錄調(diào)控中扮演主要角色。轉(zhuǎn)錄因子CDF（包括CDFl、CDF2、CDF3、CDF5）在上午抑制CO基因轉(zhuǎn)錄。大分子核蛋白GI和光受體E3泛素化連接酶KFKI蛋白在長日照條件下在下午同步表達(dá)，但在短日照中不同步，兩者通過藍(lán)光依賴途徑形成復(fù)合體，這種復(fù)合體分解CDF蛋白，從而在長日照白天促進(jìn)CO基因表達(dá)。GI蛋白在核中的分布情況也影響CO基因的表達(dá)，晚上ELF4 （edrly flower-ing 4）蛋白與GI直接結(jié)合并定位GI在核的亞核隔間，ELF4依賴的GI亞核隔問定位使GI與CO啟動子分離而降低CO表達(dá)量。除了FKF1之外還有兩個(gè)E3泛素轉(zhuǎn)移酶參與CO轉(zhuǎn)錄調(diào)控。環(huán)指型E3泛素連接酶DNF （day neutral flowering）在短日照條件下白天抑制CO基因表達(dá)量負(fù)調(diào)控開花。bHLH （basic helix-loop-helix）轉(zhuǎn)錄因子家族成員Flowering hHLH （FBH1、FBH2、FBH3和FBH4）全天激活CO轉(zhuǎn)錄，F(xiàn)BH蛋白與靠近CO轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的E -box結(jié)合促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄，而光周期調(diào)控途徑能影響FBH蛋白活性。

除了轉(zhuǎn)錄方面而受多種光信號調(diào)控，C0蛋白的穩(wěn)定性也受到光信號的影響j白天兩種光敏素拮抗調(diào)控CO蛋白的穩(wěn)定性，光敏索PHYB （phy-tochrome B）在上午促進(jìn)C0蛋白的分解，而光敏素PHYA （phvtochrome A）在長日照中下午維持CO蛋白穩(wěn)定性（圖1）。在晚上一個(gè)環(huán)指型E3泛素連接酶COPl （constitutive photomorphogenesis1）和 supressor of PHYA （SPA1、SPA3和SPA4）結(jié)合高效地分解CO蛋白。而白天藍(lán)光受體隱花素cryptochrome （CRY1和CRY2）優(yōu)先結(jié)合SPAI抑制COPI-SPAI功能，但CRY1和CRY2的抑制機(jī)理不同。 CRY1與SPA1的C端域結(jié)合阻止COPI-SPA1復(fù)合物的形成。而CRY2與SPA1結(jié)合促進(jìn)CRY2-COP1-SPAl三聚物的形成，從而抑制COPI-SPA1的活性，促進(jìn)CO的穩(wěn)定（圖1）。另一個(gè)環(huán)指型E3泛素連接酶HOSl （higll ex-pression of osmotically responsive gene l）也調(diào)控CO蛋白穩(wěn)定。與COPI和SPA1相似，HOSI與CO蛋白的CCT元件結(jié)合，但是HOS1在上午降低CO蛋白而在晚上升高CO蛋白。另外HOSI在4℃冷脅迫下通過降解CO蛋白減少對FT基因表達(dá)起重要作用，而且光敏素B（PHYB）也在冷脅迫下影響HOST1的活性。KFK1在藍(lán)光的激發(fā)下通過LOV域與CO蛋白結(jié)合，這種結(jié)合決定了CO蛋白的穩(wěn)定時(shí)間（圖1）。除了本身結(jié)合FT基因誘導(dǎo)表達(dá)，CO蛋白還通過其兩個(gè)結(jié)合域（CCT元件和B-box域）與其他蛋白形成復(fù)合物調(diào)控FT表達(dá)。CO蛋白通過CCT元件與HAP3（heme activator pratein 3）和HAP5形成的復(fù)合物結(jié)合，而且HAP3和HAP5調(diào)控FT表達(dá)影響開花時(shí)間。CO蛋白還通過B-box域與TCA4 和ASl（asymmetric leaves l）結(jié)合，而ASI在篩管伴胞高表達(dá)，能與FT啟動子直接結(jié)合，并參與CO蛋白依賴的FT誘導(dǎo)表達(dá)。

CO基因在葉片中的表達(dá)高控研究取得顯著的成就，其除了促進(jìn)FT基因的表達(dá)及開花，也有報(bào)道表明CO能在花粉中獨(dú)立于FT基因調(diào)控開花。作為FT基因的轉(zhuǎn)錄因子，C0蛋白除了在葉脈維管束中表達(dá)還在頂端分生組織中表達(dá)，而FT基因不在頂端分生組織中表達(dá)，這說明CO還存在其他功能能在莖頂端分生組織中促進(jìn)相關(guān)開花基因的表達(dá)。

具有活性的赤霉素GA （gihherellic aicd）住長日照和短日照也促進(jìn)FT表達(dá)。葉脈中的GA能夠通過抑制DELLA蛋白來調(diào)控FT表達(dá)。DELLA在葉中抑制FT激活子SPL3 （squanlosa promloterbinding protein-like 3）的表達(dá)。DELLA在長日照下通過減少葉片中miR172水平延遲開花，而miR172誘導(dǎo)分解FT抑制因子的轉(zhuǎn)錄物。RGA （repressor of GA1-3）是DELLA蛋白中的一個(gè)，能與SPL蛋白的C端結(jié)合，并且這種相互作用很可能能減弱SPL9蛋白的活性，而SPL9能促進(jìn)miR172。DELLA蛋白還可能調(diào)控FT激活子PIF4 （'phytochrome interacting Factor4）的結(jié)合活力。通過這些DELLA依賴機(jī)制，活性GA直接影響FT表達(dá)水平（圖2）。

PHYB信號途徑組分也可能調(diào)控激活FT基因表達(dá)。PIF4、VOZ1 （vascular pIant one-zinc fin-gerl）和VOZ2是PHYB結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子，能誘導(dǎo)FT表達(dá)。近期研究表明PIF4是高溫誘導(dǎo)形態(tài)學(xué)變化（包括開花轉(zhuǎn)變）的主要調(diào)控因子。在27 ℃短日照下PIF4蛋白與FT基因啟動子結(jié)合直接激活FT表達(dá)，并且PIF4的表達(dá)量隨溫度增加而增加。組蛋白H2A變體H2AZ在高溫條件與FT基因啟動子結(jié)合減少，從而解除PTF4與FT基因結(jié)合抑制。另一類PHYI3轉(zhuǎn)錄因子vOz蛋白通過降低FLC基因表達(dá)量而不是通過CO途徑調(diào)控間接促進(jìn)FT表達(dá)。

6-磷酸海藻糖信號途徑蛋白TPS1（tre-halose-6- phosphate synthasE 1）也是FT基因表達(dá)激活所必須的。TPSl獨(dú)立CO調(diào)控FT基因表達(dá)，是FT表達(dá)所必須的激活因子。但目前TPS1的調(diào)控機(jī)理尚不清楚。另一個(gè)FT激活子CIB1（cryptochrome interacting bHLH 1）和CRY2的復(fù)合物與FT基因位點(diǎn)直接結(jié)合并誘導(dǎo)其表達(dá)。但CIBl持續(xù)過表達(dá)導(dǎo)致FT表達(dá)在下午到上半晚這段高峰期受到抑制。

FLC、SVP

（short vegetative phase）、TEM1（tempranillo 1）和SMZ（schlafmutze）能與FT基因的特異順式元件結(jié)合抑制其轉(zhuǎn)錄。這些抑制子以及它們的轉(zhuǎn)錄因子在不適宜開花條件下和幼苗時(shí)期抑制FT表達(dá)防止過早開花 。FLC基因表達(dá)一個(gè)MADS-box轉(zhuǎn)錄抑制因子，并抑制一些開花相關(guān)基因的活性。FLC蛋白通過CArG盒與FT基因的啟動子區(qū)及第一個(gè)內(nèi)含子結(jié)合抑制其表達(dá)。春化、自我調(diào)控等途徑均會調(diào)控FLC的表達(dá)低溫等條件能誘導(dǎo)VOZ1和VOZ2表達(dá)而抑制FLC的表達(dá)量。一個(gè)RNA結(jié)合蛋白FCA也負(fù)淵控FLC表達(dá)（圖2）。春化作作中FLC反義RNA COOLAIR調(diào)控使得FLC基因染色體H3組蛋白甲基化修飾（ H3K27me3）。從而抑制FLC基因的轉(zhuǎn)錄。因此春化作用也被廣人實(shí)驗(yàn)室接受以縮短擬南芥培養(yǎng)周期。FLC還與SVP互作通過CArG盒與FT結(jié)合作長期低溫條件下抑制其表達(dá)。TEM1能直接在FT基因5端結(jié)合抑制其轉(zhuǎn)錄，還通過GA途徑間接抑制FT表達(dá)TEM1和TEM2在短日照下抑制CA4 的生物合成基因CA20oxl和 GA 3ox2 的表達(dá)。但AS1蛋白在葉片中止調(diào)控GA20oxl的表達(dá)，這說明ASl和TEMl均可能部分參與葉篩管伴胞中活性GA量變化控制FT表達(dá)（圖2）。另一個(gè)FT基因抑制因子SMZ能與FT基因結(jié)合抑制其表達(dá)。SMZ的表達(dá)受microRNA172 （m1R172）的調(diào)控，m1R172靶標(biāo)基因包括SMZ、SNZ、TOE1、TOE2和TOE3。SNZ.TOE1和TOE2也會抑制FT的表達(dá)，但這3個(gè)蛋白如何抑制還有待研究。

值得一提的是擬南芥中一些microRNA也影響FT或其同源基因TSF （sister of FT）表達(dá)而調(diào)控開花。miR172能通過誘導(dǎo)分解AP2相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因（SMZ、SNZ、TOEI和TOE2）的轉(zhuǎn)錄物影響FT基因的表達(dá)。miR172的含量隨著植物發(fā)育而減少，其含量在長日照下比在短日照下高，而GI參與這種光周期miR172感應(yīng)。SVP蛋白直接與MIRI72α啟動子的CArG元件結(jié)合抑制MIR172α的表達(dá)。低溫降低miR172水平主要通過pri-miR172（轉(zhuǎn)錄后含有5帽子和3'Ploy-A尾巴產(chǎn)物）和pre-miR172（從pri-miR172切割得到的約70 bp的片段）調(diào)控。miR172隨溫度降低而減少，而pri-miR172的表達(dá)量不隨溫度的改變而改變，但過表達(dá)的pre-miR172植株的m1R172不隨溫度變化而變化，這說明pri-miR172到pre-miR172的過程是被溫度調(diào)控的。其中，F(xiàn)CA蛋白直接與pri-miR172轉(zhuǎn)錄物以不連續(xù)特異方式結(jié)合，并正調(diào)控miR172生成（圖2）。miR399在16 ℃下減少，并且也被FCA調(diào)控。miR399的靶基因PH02（Phosphate2）維持磷酸化平衡并通過控制TSF表達(dá)調(diào)控開花。miR156某種程度上與miR172具有拮抗作用，miR156能負(fù)調(diào)控miRl72。miR156水平在16℃下比23 ℃下高幾倍，而miR172的含量在16℃下是23℃下的一半。兩種micoRNA在溫度改變后共同改變FT調(diào)控因子的表達(dá)量而影響開花。miR156過表達(dá)植株在16℃下比23 ℃下開花更晚，同時(shí)伴隨著葉中FT表達(dá)量降低。值得注意的是，16℃下在miR156過表達(dá)植株中其靶基因，SPL3特異性下調(diào)。SPL3蛋白與FT啟動子轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的GTAC元件結(jié)合，感應(yīng)到SPL3轉(zhuǎn)錄量降低后，F(xiàn)T和另一個(gè)SPL3已知靶標(biāo)FUL （Fruitfull）的表達(dá)量增加。這些發(fā)現(xiàn)支持了葉片中miR156-SPL3-FT模式在擬南芥年齡和外界溫度變化影響的開花調(diào)控中起重要作用。

2 FT蛋白的運(yùn)輸

FT mRNA在篩管伴胞中存在，并在該處合成FT蛋白，F(xiàn)T蛋白通過篩管運(yùn)輸?shù)絊AM調(diào)控開花。近期的研究表明FT蛋白的運(yùn)輸與FTIP1（FT-interacting protein l）有很大關(guān)系。FTIPI蛋白在篩管伴胞中與FT蛋白相互作用，而且不影響FT基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白穩(wěn)定，但FTIP1缺失突變體ftipl在長日照下與野生型相比有明顯的晚花表型，這表明FTIP1很可能與FT蛋白相互作用保證FT在篩管中運(yùn)輸?shù)絊AM（圖3）。另外，F(xiàn)T同源基因TSF的堿基序列與FT高度同源，而且TSF功能缺失會進(jìn)一步加劇ft缺失突變體的晚花表型，但FTIP1基因缺失不會加劇tsf和ft缺失突變體的晚花表型，這些結(jié)果支持了TSF的運(yùn)輸也受FTIP1的調(diào)控。FT及TSF是一類20 kD左右的親水球蛋白開花信號分子，這些小型親水開花信號分子在篩管中主要通過共質(zhì)體途徑運(yùn)輸?shù)絊AM。通過FTIP1的作用，F(xiàn)T和TSF能夠從篩管伴胞進(jìn)入篩管，并通過共質(zhì)體的胞間連絲從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞的形式進(jìn)入到SAM中調(diào)控下游開花基因表達(dá)。

3 莖頂端分生組織（SAM） FT蛋白行使的功能

FT蛋白通過篩管從葉片運(yùn)輸?shù)絊AM后與bZIP轉(zhuǎn)錄因子FD蛋白相互作用形成復(fù)合體共同誘導(dǎo)開花。FT與FD的復(fù)合物在SAM中直接激活一些關(guān)鍵的花組織形成基因，如APETALA1（APl），AP1蛋白是一種MADS域轉(zhuǎn)錄因子在擬南芥花組織分化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。FT-FD復(fù)合物還通過促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子SOCl （suppressor of overex-pression of constans l）表達(dá)激活花形成相關(guān)分生組織標(biāo)記基因LEAFY （LFY）基因，SOC1能與LFY啟動子直接結(jié)合激活轉(zhuǎn)錄。另外SOC1與另一個(gè)MADS域轉(zhuǎn)錄因子AGL24 （agamouS-like24）相互作用共同激活LFY的轉(zhuǎn)錄。LFY又激活A(yù)P1的轉(zhuǎn)錄，而AP1反過來有可以促進(jìn)LFY的表達(dá)（圖3）。另外最新研究顯示LFY還直接激活FD表達(dá)。這種相互激活表達(dá)放大了開花信號，保證開花相關(guān)基因的高水平表達(dá)水平。FT-FD復(fù)合體的FD能與SPL基因家族成員啟動子結(jié)合促進(jìn)其表達(dá)，SPL家族成員是一類與年齡相關(guān)的開花信號轉(zhuǎn)錄因子基因，受miR156負(fù)調(diào)控。FT-FD復(fù)合體還通過促進(jìn)SOC1表達(dá)問接促進(jìn)SP/的表達(dá)，因?yàn)镾OC1蛋白能直接與SP/3、SPL4和SPL5基因的啟動子結(jié)合促進(jìn)這些基因的表達(dá)。SPL3蛋白能直接促進(jìn)LFY、FUL和AP1基因表達(dá)。通過SPL3、FT-FD復(fù)合體間接促進(jìn)LFY表達(dá)，這補(bǔ)充了FT-FD通過SOCl促進(jìn)LFY表達(dá)的途徑。

成花同源基因AG（agamous）在頂端分生組織中編碼一種MADS域轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子在雄蕊的形成中起重要作用。AG表達(dá)需要LFY和轉(zhuǎn)錄激活因子WUS（wuschel）蛋白同時(shí)與其第二個(gè)內(nèi)含子結(jié)合才能激活表達(dá).由于LFY缺乏，AG在SAM中幾乎不表達(dá)。而在花原基中LFY表達(dá)，該蛋白和WUS與AG基因的第二內(nèi)含子結(jié)合共同誘導(dǎo)AG表達(dá)，從而促進(jìn)花組織的分化形成。AG在雄蕊的形成調(diào)控中發(fā)揮重要作用，而LFY在AG表達(dá)中不可缺乏，這是以說明AG和LFY是花器官形成基因。

FT-FD復(fù)合物也會受到抑制而延遲花原基的形成時(shí)間BFT （brother of FT and TFL l）在高鹽條件與FT競爭結(jié)合FD從而阻止這種復(fù)合物的形成而延遲開花。最近研究顯示一個(gè)側(cè)枝調(diào)控因子BRCI （branched 1）會與FT蛋白結(jié)合抑制FT-FD的活性并抑制下游開花基因的表達(dá)從而阻礙原基形成。另外，與FT氨基酸序列高度同源的TFLl （terminal flower 1）也會對這些促進(jìn)開花基因有負(fù)調(diào)控作用，TFLl的mRNA只分布在SAM 的中心位置，而其蛋白幾乎分布在SAM所行部位，這說明TFL1發(fā)生了轉(zhuǎn)移，而LFY可促進(jìn)這種蛋白的遷移。TFL1在SAM中與FD結(jié)合導(dǎo)致FD依賴的基因轉(zhuǎn)錄受到抑制，如AP1，并且間接抑制LFY。反過來AP1至少與TFL1基因3端的兩個(gè)位點(diǎn)結(jié)合抑制其表達(dá)，而且TFY也會抑制TFL1表達(dá)。

4 展望

目前對FT的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究較多，但對FT蛋白在葉片中調(diào)控卻知之甚少。作為成花素，F(xiàn)T蛋白含量的高低直接影響開花的早晚，因此對FT蛋折在葉片中的調(diào)控的研究具有重大意義。逆境電影響開花時(shí)間，但目前對于逆境中FT基因調(diào)控的研究不多，對FT基因在逆境中的調(diào)控研究也具有一定實(shí)用性。對于FT蛋白的運(yùn)輸，F(xiàn)TIP1與FT互作輔助FT的轉(zhuǎn)移，F(xiàn)T蛋白在FTIPl的作用下以怎樣的形式進(jìn)入到篩管中也不十分明了。頂端分生組織中開花相關(guān)基因的調(diào)控仍存在一些問題，比如FT蛋白需結(jié)合FD后發(fā)揮作用，是否FT還與其他因子作用完成花原基的誘導(dǎo)TFL1作為盯的拮抗蛋白，其氨基酸序列高度同源，甚至存在與FT蛋白功能相似的結(jié)構(gòu)域，那TFL1是如何受其上游基因的調(diào)控，這些上游基因又是什么，是否與FT一樣受外界溫度和光照等因素的影響？另外，廣泛分布于韌皮部的CO蛋白也能獨(dú)立于C0- FT途徑調(diào)控開花，但機(jī)理尚不明了，該問題值得研究。如果知道植物的開花機(jī)制，就有操控開花的工具，就能調(diào)控開花時(shí)間，通過加速或延遲開花來增加農(nóng)作物產(chǎn)量，有利于培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的作物新品種。