植物分枝性狀研究進展

王 碩, 葛秀秀

北京農(nóng)學(xué)院生物科學(xué)與工程學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室, 北京 102206

植物分枝性狀研究進展

王 碩, 葛秀秀*

北京農(nóng)學(xué)院生物科學(xué)與工程學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室, 北京 102206

分枝性狀在植物的生長過程中發(fā)揮重要作用，分枝數(shù)量會影響作物的產(chǎn)量，對于觀賞植物而言，分枝的多少會影響其觀賞效果。介紹了影響植物分枝的因素以及與植物分枝性狀相關(guān)的基因，總結(jié)了前人在研究植物分枝性狀時所用的方法，以期為以后的植物分枝性狀的研究提供廣泛的選擇空間及新的思路。

植物分枝；性狀；轉(zhuǎn)錄組測序

分枝普遍存在于植物的生長過程中。高等植物的分枝系統(tǒng)在植物形態(tài)建成中具有十分重要的作用[1]，糧食作物的分枝、分蘗的多少會影響其結(jié)實率進而影響糧食產(chǎn)量。在研究玉米的栽培過程中發(fā)現(xiàn)其分枝越少，玉米產(chǎn)量越高，因而可以通過減少其分枝數(shù)達到增產(chǎn)的目的，水稻的分蘗數(shù)同樣會影響水稻的產(chǎn)量。觀賞植物的分枝情況影響其形態(tài)建成，可以作為評價其觀賞效果的指標。植物的分枝受到外界環(huán)境、植物激素、遺傳因子三個方面的影響，這三個方面協(xié)同調(diào)控植物的分枝性狀。近年來人們已經(jīng)通過種種生物學(xué)方法對植物分枝調(diào)控機理進行了廣泛的研究，并且找到了大量的控制植物分枝性狀的基因。應(yīng)用各種實驗方法來研究植物的分枝性狀、認清調(diào)控植物分枝的機理對于從根本上控制植物分枝、提高糧食作物產(chǎn)量、改善觀賞植物株型具有非常重要的意義。

1 植物分枝性狀研究進展

1.1 影響植物分枝的因素

為了適應(yīng)自然環(huán)境的變化，植物分枝呈現(xiàn)出千姿百態(tài)的樣式。高等植物植株形態(tài)的形成受到自然環(huán)境的影響，如光照、溫度、水分、氮、鉀[2]、鈉復(fù)合肥等營養(yǎng)因素的影響，但主要受植物激素和遺傳等內(nèi)在因素調(diào)控。

目前已經(jīng)被證實了的調(diào)控植物分枝的關(guān)鍵激素是生長素和細胞分裂素，2008年研究發(fā)現(xiàn)的一類新的植物激素獨腳金內(nèi)酯(strigolactone)與植物莖的分枝和側(cè)芽的發(fā)育有關(guān)，這種新的植物激素調(diào)控植物的莖分枝和側(cè)芽發(fā)育[3,4]。獨腳金內(nèi)酯通過一定的調(diào)控機制抑制植物地上部分的分枝發(fā)育，這3種植物激素協(xié)同控制植物的分枝數(shù)量[5]。

遺傳因子從根本上決定植物的分枝特點。植物的分枝是從腋生分生組織中分化出來的，側(cè)芽生成先是葉腋處的特殊性狀基因表達；然后，腋生分生組織生長；接著生長成側(cè)芽。在此生命活動過程中控制分枝的基因和植物激素共同協(xié)調(diào)控制植物的分枝性狀。很多影響植物分枝的基因已被陸續(xù)報道，它們的作用機理不盡相同。

1.2 與植物分枝相關(guān)的基因

植物分枝發(fā)育分為兩個過程，這兩個過程分別是腋生分生組織的形成和腋生分生組織的生長，這兩個階段受差異基因調(diào)控。

1.2.1 與腋生分生組織的形成相關(guān)的基因 與腋生分生組織形成相關(guān)的基因有LAS[6]、LS[7,8]和MOC1[9,10]，它們都是GRAS蛋白家族中的成員，LS基因是在番茄突變體中發(fā)現(xiàn)的，LAS是擬南芥中發(fā)現(xiàn)的與LS同源的基因，MOC1是水稻中發(fā)現(xiàn)的。LBD基因家族[11,12]是最新發(fā)現(xiàn)的一種與腋生分生組織形成相關(guān)的基因，它在側(cè)生分生組織始基的萌動與器官的形成、以及側(cè)生器官與頂端分生組織邊界的形成上起重要作用。番茄中的bl/to基因調(diào)控莖和花序的發(fā)育，從而影響側(cè)生分生組織的生成。MYB蛋白家族R2R3類中的Bl/to基因，含有MYB結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。擬南芥中與Bl同源的基因RAX，對側(cè)生分生組織形成起一定的調(diào)控作用。

1.2.2 與腋生分生組織的生長有關(guān)的基因MAX基因和RMS基因都是在腋生分生組織生長發(fā)育中發(fā)揮作用的基因，max與rms突變體有非常近似的表現(xiàn)型，它們株型較低、分枝偏多[13,14]。max1、max3、max4會抑制野生型植株分枝的產(chǎn)生。MAX1基因促進類黃酮基因表達，間接抑制腋芽的生長。矮牽牛dad1-1突變體分枝較多[15]，植株矮小。HTD1(HUGH-TILIERING DWARFl)基因是水稻分蘗的負調(diào)控因子，是MAX3/RMS5的同源基因[16]。MAX4/RMS1/DAD1的同源基因D10 (DWARF10)是抑制分枝途徑的關(guān)鍵基因。

1.2.3 與腋生分生組織形成和生長都相關(guān)的基因 與腋生分生組織形成和生長都有關(guān)的基因有TCP家族的TB1基因[17]。通過原位雜交實驗在玉米的腋生分生組織和穗原基的雄蕊中都發(fā)現(xiàn)了TB1基因的表達，并且隨著玉米的生長其表達水平下降，說明TB1可以抑制這些組織的生長。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)的BRC1(BRANCH1)是TB1的同源基因，這個基因調(diào)控腋芽的形成和生長[18]。在雙子葉植物金魚草的腋生分生組織中發(fā)現(xiàn)了TCP基因家族成員的表達，它主要通過控制金魚草的生長速度達到調(diào)控其花朵背腹軸的不對稱性[19]。

2 植物分枝性狀研究方法

研究植物分枝性狀有很多方法，嫁接法、QTL分析法、經(jīng)典的生理學(xué)方法以及研究植物分枝突變體的分子遺傳學(xué)方法、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和近幾年發(fā)展起來的轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)。

2.1 嫁接法

已有研究發(fā)現(xiàn)擬南芥的分枝受類胡蘿卜素衍生的激素調(diào)節(jié)，MAX基因與激素共同發(fā)揮作用。在整個分枝路徑的調(diào)控過程中，MAX3、MAX4和MAX1這3個基因共同完成調(diào)控分枝信號物質(zhì)的生成，而MAX2主要在信號的接收過程中發(fā)揮作用。將突變體max1、max3、max4的接穗嫁接到野生型砧木上后突變體恢復(fù)到跟野生型一樣的表型，這說明野生型植株的根或莖中存在著MAX基因的表達產(chǎn)物能夠抑制莖的分枝[20]。該研究揭示了擬南芥中與調(diào)控分枝相關(guān)的遠程信號通路的基因，證實了基因與激素共同調(diào)控植物的分枝性狀。這種嫁接方法操作簡單、效果顯著，這種方法在大豆的研究中也有應(yīng)用。

2.2 QTL分析法

張媛等[21]運用QTL復(fù)合區(qū)間作圖法研究了甜玉米雄穗分枝數(shù)。他利用2個雄穗分枝數(shù)有顯著差異的甜玉米自交系為親本配制組合，在F2群體和F2∶3家系中檢測到14個雄穗分枝數(shù)QTLs，分別位于第2、3、4、8、9染色體上。其中，qTPBN-ch.9-1位于第9染色體，與湯華等[22]定位的雄穗分枝數(shù)QTL qTBN9同時位于標記bnlg127附近。因此可以推測在標記bnlg127附近存在穩(wěn)定可靠的雄穗分枝數(shù)QTL，可作為玉米雄穗分枝數(shù)相關(guān)數(shù)量性狀基因的候選基因。QTL分析方法不僅在植物分枝性狀研究中廣泛應(yīng)用，在其他數(shù)量性狀如植物抗逆等研究也大量應(yīng)用，是一種通用經(jīng)典的研究方法。

2.3 AFLP分析方法

AFLP是RAPD和RFLP結(jié)合后的方法。楊建玉等[23]應(yīng)用AFLP分析方法研究一串紅的分枝突變體。他們對一串紅株型突變體BN35-1、野生型BN35及4個商品種樣品提取基因組DNA然后進行AFLP分析。用EcoRⅠ和MseⅠ限制性內(nèi)切酶對樣品基因組DNA進行雙酶切，同時在T4 DNA Ligase作用下，酶切片段與EcoRⅠ和MseⅠ接頭連接，酶連后的反應(yīng)液稀釋6倍預(yù)擴增，預(yù)擴增產(chǎn)物稀釋20倍選擇性擴增，擴增后電泳觀察分析，最后確定了突變體BN35-1與野生型BN35間的親緣關(guān)系，同時BN35-1和BN35基因組DNA有52處基因座位位點存在差異，相應(yīng)的條帶是控制一串紅株型突變或與突變基因連鎖的候選基因片段，可以作為后續(xù)對一串紅分枝性狀深入研究的基礎(chǔ)。AFLP分析方法既克服了RFLP技術(shù)的復(fù)雜和放射性危害，也避免了RAPD的穩(wěn)定性差的缺點，兼具二者之長，使AFLP迅速成為迄今為止最有效的分子標記。

2.4 RFLP和SSR標記結(jié)合F2群分法

馮宗云[24]從(f151X Gateway)F2群體中隨機取10個穂部無分枝和穂部分枝單株構(gòu)建混池提取DNA，形成穂部無分枝和穂部分枝DNA池，進行SSR標記和RFLP標記，將結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，用MAP MAKER軟件將觀察到的F2分離群體的穗有分枝和無分枝與SSR和RFLP標記的結(jié)果進行連鎖剖析，通過Kosambi公式將重組率轉(zhuǎn)變?yōu)檫z傳圖距。應(yīng)用SSR和RFLP標記結(jié)合群分法，將該基因定位于4H染色體的短臂上，距RFLP標記CDO669 5.8cM，距SSR標記HVM40 8.7cM。推斷該基因為一個新基因，暫定名為mb。通過SSR標記和RFLP標記的綜合利用篩選出了與分枝性狀相關(guān)的候選基因，更好地確定了候選基因在染色體上的位置，這兩種分子標記結(jié)合F2群分法為植物其他性狀的研究提供了一條新的思路。

2.5 轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在植物分枝中的應(yīng)用

RNA-Seq技術(shù)作為一種新出現(xiàn)的、快捷的轉(zhuǎn)錄組研究手段能夠更為迅速、精確地為人們提供大量的生物體轉(zhuǎn)錄信息，用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)來研究植物分枝性狀更加方便快捷。王磊[25]對水稻全生育期基因表達譜的構(gòu)建與側(cè)生分枝發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方面進行了研究，他通過構(gòu)建覆蓋39個器官的轉(zhuǎn)錄組，建立了覆蓋水稻全生育期的表達譜，并且和擬南芥的轉(zhuǎn)錄組進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)了大量的與穗分枝發(fā)育有關(guān)的基因。通過對這些基因的功能研究，發(fā)現(xiàn)了一個主要由小RNA和轉(zhuǎn)錄因子組成的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)協(xié)同調(diào)控了水稻側(cè)生分枝的發(fā)育。通過表達譜分析了各個組織在發(fā)育上的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)基因表達模式和器官發(fā)育的同源性之間有很好的對應(yīng)關(guān)系。該研究還發(fā)現(xiàn)超量表達miR156導(dǎo)致分蘗極大增多，但是穗部分枝被嚴重抑制；而抑制miR156則得到了和超量表達相反的表型，說明miR156正調(diào)控分蘗發(fā)育，但是負調(diào)控花序分生組織活性。因為被miR156調(diào)控的SPL7、SPL14和SPL17都從幼穗發(fā)育的早期到后期逐漸下調(diào)表達，因此推測這3個SPL基因可能調(diào)控了水稻的側(cè)枝發(fā)育。

葛秀秀[26]在進行一串紅的分枝性狀研究時，通過選取野生型“35”與其突變型“彩鈴虹”為材料各混合同一生長階段的10株植株的根、莖和葉片，提取RNA，利用Illumina Cluster Station和Illumina Genome Analyzer系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)錄組測序，通過比對、拼接和組裝，獲得了含49 310個基因片段的一串紅轉(zhuǎn)錄組序列庫。對其進一步分析開發(fā)出了2 453個SSR序列和1 966個2個品系間的SNP序列。將所得49 310個基因序列與各類基因功能數(shù)據(jù)庫進行比對，分別對 24 888個基因進行了GO功能富集注釋，對6 995個基因進行了Kegg代謝通路富集注釋，對9 896個基因進行了COG功能富集分析，同時，獲得了33 925個Nr、23 167個Nt、25 371個swissprot和34 081個trembl基因功能的注釋。通過IDEG6 software檢測，篩選到143個2品系間的差異表達基因。

除去這些方法，還有一些其他的方法被用來研究植物的分枝性狀，如Li等[27]應(yīng)用遺傳圖譜定位克隆技術(shù)鑒定出了1株水稻分蘗突變體——單桿突變體moc1。另外還有射線照射、FPNI和比較基因組學(xué)等方法。

3 展望

嫁接法、QTL分析法和經(jīng)典生理學(xué)方法成功的與更多分枝發(fā)育相關(guān)基因重疊突變體研究的分子遺傳學(xué)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)相結(jié)合，給我們提供了研究植物分枝發(fā)育遺傳控制更加有力的工具。多種方法相融合的研究趨勢將隨著轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展得到加強。

雖然，轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在植物各種性狀的研究中都得到了高效利用并且取得了顯著的成效。然而，把轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)應(yīng)用于植物分枝性狀方面的研究還很少見，隨著高通量測序技術(shù)的不斷發(fā)展，測序成本不斷降低，轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)將會更廣泛的應(yīng)用到植物分枝性狀的研究中，通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)獲得控制其分枝的基因然后通過分子手段來改良植株株型，實現(xiàn)對植物株型的定向設(shè)計。

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Progress on Plant Branch Characters

WANG Shuo, GE Xiuxiu*

KeyLaboratoryofUrbanAgriculture(NorthChina),MinistryofAgriculture,CollegeofBiologicalScienceandEngineering,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing102206,China

Branching plays an important role in the growth of plants, and the number of branches affects the yield of crops. For ornamental plants, the number of branches affects their appreciation effect. In this paper, the factors affecting plant branching and the genes related to the branching shapes were briefly introduced, and the methods used in the study of plant branching traits were summarized, which was expected to provided a wide range of selection space and new ideas for subsequent plant branching research.

plant branch; character; RNA-Seq

2016-11-17; 接受日期：2016-12-16

北京市教育委員會科技計劃面上項目(KM201510020001)資助。

王碩，碩士研究生，研究方向為功能基因發(fā)掘與系統(tǒng)生物工程。E-mail:13910904130@139.com。*通信作者：葛秀秀，副教授，研究方向為功能基因發(fā)掘與系統(tǒng)生物工程。E-mail:nkygxx@sohu.com

10.3969/j.issn.2095-2341.2017.02.02