番茄花器官發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展

楊貞妮

摘 要：隨著分子克隆、定量分析等分子技術(shù)的日益成熟，越來(lái)越多的基因的功能被人們發(fā)現(xiàn)、了解與深入研究。該文綜述了近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的番茄中花器官發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展，為進(jìn)一步闡明番茄花器官發(fā)育的分子機(jī)制以及相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的作用機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：花器官發(fā)育；ABCDE模型；番茄；轉(zhuǎn)錄因子

中圖分類號(hào) Q943 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）11-0027-07

The Recent Advances in the Development of Transcription Factors Involved in Floral Organ Development in Tomato

Yang Zhenni

（School of Biological Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract：With the development of molecular cloning，quantitative analysis and other molecular techniques，more and more genes are discovered，understood and studied. This paper reviews the recent advances in the development of transcription factors involved in floral organ development in tomato，to lay the foundation for further elucidating the molecular mechanism of floral organ development and transcriptional regulatory networks.

Key words：Floral organ development；ABCDE model；Tomato；Transcription factors

花的產(chǎn)生是植物億萬(wàn)年進(jìn)化史中一次重要的飛躍，作為植物的生殖器官，它決定著植物的繁衍生息并進(jìn)一步影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育。世界上第一朵花出現(xiàn)在大約1.4億年前，在沒(méi)有生殖器官產(chǎn)生之前，植物只能依靠釋放大量精子進(jìn)入傳播媒介，例如風(fēng)、水，從而進(jìn)行受精和繁衍。這樣的形式不僅效率低下，而且受到的環(huán)境因素的制約非常大，同時(shí)也大大限制了植物的物種多樣性?；ǖ某霈F(xiàn)使得植物的繁衍不再受到環(huán)境的制約，使植物種類得以豐富，從而有力地推動(dòng)了植物的進(jìn)化與發(fā)展。而植物的多樣性也同樣給動(dòng)物物種多樣性的發(fā)展帶來(lái)了革命，同時(shí)也使得人的產(chǎn)生成為可能。花不僅對(duì)植物與自然界的發(fā)展具有重要的意義，同時(shí)也是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚牟糠郑夯苋胨?，還可以提煉香精、香料和釀酒，還能食用。因此，研究花器官的發(fā)育機(jī)制，闡明其分子生物學(xué)上的調(diào)控機(jī)理無(wú)論在理論上還是在應(yīng)用上都具有重要意義。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的運(yùn)用與發(fā)展，結(jié)合對(duì)模式植物擬南芥與金魚草突變體的研究，花器官發(fā)育的研究在短短十幾年內(nèi)有了飛躍性的發(fā)展，成為植物發(fā)育研究中的熱點(diǎn)[1]?；谶@些研究，Coen和Meyerowitz[2]首次提出了花發(fā)育的ABC模型，用于解釋花發(fā)育的同源異形基因之間的相互作用。研究者們根據(jù)該模型已成功從多種植物中克隆出許多花器官發(fā)育相關(guān)的重要基因，構(gòu)建起花器官發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，使得花發(fā)育的研究邁入更深層次的分子水平。隨著一些新的花發(fā)育突變體的發(fā)現(xiàn)，ABC模型也得到了進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善，逐步發(fā)展成為ABCDE模型和四因子模型。番茄（Solanum lycopersicum）作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物和模式植物，其花器官發(fā)育過(guò)程的研究雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但對(duì)其相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的研究還遠(yuǎn)不及擬南芥、金魚草等其他模式植物那樣深入。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于番茄花器官發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的研究，以期為深入探討番茄花器官發(fā)育的相關(guān)分子機(jī)制奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 花器官發(fā)育的分子模型

1.1 ABC模型 一直以來(lái)，對(duì)于花器官發(fā)育的研究主要都集中于雙子葉植物中的擬南芥、金魚草、矮牽牛等模式植物。這些植物的花均由4個(gè)不同的器官在花柄頂端通過(guò)同心圓的形式排列組成，總共分為4輪，由外到內(nèi)分別是萼片、花瓣、雄蕊和心皮?；谶@些模式植物的突變體研究得到的ABC模型認(rèn)為控制花器官形成的基因按功能分為3類，稱為A類基因、B類基因和C類基因，這3類同源異形基因單獨(dú)或協(xié)同作用控制著各輪花器官的發(fā)育及形態(tài)特征。在野生型植物的花器官發(fā)育過(guò)程中，A類基因單獨(dú)調(diào)控萼片的發(fā)育，A類和B類基因共同調(diào)控花瓣的發(fā)育，B類和C類基因共同調(diào)控雄蕊的發(fā)育，C類基因單獨(dú)調(diào)控心皮的發(fā)育。即同一類基因控制相鄰兩輪花器官的發(fā)育：萼片（A），花瓣（A+B），雄蕊（B+C），心皮（C）。其中A類基因與C類基因之間相互抑制，A抑制C在萼片與花瓣中表達(dá)，C抑制A在雄蕊與心皮中表達(dá)。A、B、C三類基因的活性與它們?cè)诨ㄆ鞴僦械奈恢脽o(wú)關(guān)，例如在BC雙突變體中，A類基因在各輪中都有活性，使得四輪器官均變?yōu)檩嗥琜3-4]。擬南芥中克隆出的A類基因有AP1和AP2，B類基因有AP3和PI，C類基因有AG。相應(yīng)的在金魚草中克隆出的A類基因有SQUA，B類基因有DEF和GLO，C類基因有PLE。其中擬南芥的AP2基因在金魚草中的同源基因?yàn)長(zhǎng)IP1和LIP2，只有當(dāng)這兩個(gè)基因同時(shí)失活才會(huì)出現(xiàn)突變體表型，而且LIP基因不會(huì)抑制C類基因的表達(dá)[5-7]。ABC模型的提出較好地解釋了花發(fā)育同源異形基因的表達(dá)模式與相互作用，闡明了花器官發(fā)育的分子機(jī)制，因而受到人們的廣泛接受與認(rèn)可。

1.2 ABCDE模型 隨著更多的花同源異形基因被克隆得到以及研究的深入，出現(xiàn)了許多ABC模型無(wú)法解釋的現(xiàn)象。例如ABC三重突變體的花器官除了葉片外仍含有心皮狀結(jié)構(gòu)，而不像預(yù)測(cè)的那樣不再含有任何花器官組織，這預(yù)示著還存在有與AG功能相近的能促進(jìn)心皮發(fā)育的基因[8-9]。1995年，Angenent等[10]在對(duì)矮牽牛胚珠發(fā)育突變體進(jìn)行研究時(shí)成功分離到?jīng)Q定胚珠發(fā)育的基因FBP7和FBP11。其中FBP11專一地在胚珠原基、珠被和珠柄中表達(dá)：在轉(zhuǎn)基因植株中異位表達(dá)FBP11基因，會(huì)在花被上形成胚珠或胎座；在野生型植株中抑制FBP11的表達(dá)則會(huì)在形成胚珠的地方發(fā)育出心皮結(jié)構(gòu)。由于胚珠代表了一類花器官，它的發(fā)育為FBP7和FBP11所調(diào)控，因此Colombo等[11]將這類調(diào)控胚珠發(fā)育的基因歸為D類基因，并提出花發(fā)育的ABCD模型。擬南芥中與FBP11同源的D類基因?yàn)锳GL11（后被重新命名為STK），兩者與C類基因AG的親緣關(guān)系較近，有著相同的表達(dá)模式[12]。后續(xù)研究表明，擬南芥中還有兩個(gè)基因SHP1和SHP2也是D功能基因，它們與AG、STK互為冗余地控制著胚珠的發(fā)育。

通過(guò)調(diào)控ABC基因的表達(dá)，雖然能夠人為地操縱每輪花器官的發(fā)育狀態(tài)，但仍然無(wú)法使葉片轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄆ鞴?。由此可見，這些基因雖然對(duì)花器官的發(fā)育至關(guān)重要，但卻不是營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)化為花器官的充分條件。這預(yù)示著還有一類花特征基因參與調(diào)控營(yíng)養(yǎng)器官向花器官的轉(zhuǎn)變[13-14]。2000年，Pelaz等[15]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)AG類基因AGL2、AGL4、AGL9與花器官特異性決定有關(guān)。這3個(gè)基因中的任意1個(gè)或2個(gè)發(fā)生突變，對(duì)花器官發(fā)育無(wú)明顯影響，而當(dāng)3個(gè)基因同時(shí)突變時(shí)，所有花器官都只形成萼片，說(shuō)明3個(gè)基因之間功能互相冗余。這3個(gè)基因也被重新命名為SEP1、SEP2、SEP3，同時(shí)也被認(rèn)為是一類新的花器官特性基因。由于SEP類基因的發(fā)現(xiàn)重新修正了ABC模型，因此SEP類基因也被稱為E類基因，連同D類基因一起將ABC模型延伸為ABCDE模型[6、16]。此后研究者們又發(fā)現(xiàn)擬南芥的ALG3基因與SEP1、SEP2、SEP3基因有著相似的功能，決定著萼片的特性，且在四輪花器官中都表達(dá)，因此將其命名為SEP4[17]。在sep1 sep2 sep3 sep4的四重突變體中，花器官全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿~狀結(jié)構(gòu)。而在擬南芥中，ABC類基因與SEP類基因的聯(lián)合表達(dá)能使葉片轉(zhuǎn)化為完整的花器官，證明花器官發(fā)育是由ABCE類基因共同作用所決定的[18-19]。

1.3 四因子模型 在花器官發(fā)育ABCDE模型中，除了AP2以外的所有基因都屬于MADS-box家族的MIKC型基因。MDAS-box家族的基因都有一段非常保守的DNA序列——MADS盒，該序列編碼的蛋白稱為MADS結(jié)構(gòu)域，可與DNA進(jìn)行結(jié)合并且參與細(xì)胞分化過(guò)程相關(guān)基因的調(diào)控。根據(jù)基因結(jié)構(gòu)、蛋白結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系的不同，MADS-box基因被分為I型（Type I）和II型（Type II）兩類[20]。植物的I型MADS-box基因編碼的蛋白通常含有1個(gè)高度保守的SRF-like MADS域而不含有K域。植物II型MADS-box基因（也稱為MIKC型）編碼的蛋白主要由4部分組成：MEF2-like MADS域、半保守的K域、I域和最不保守的C域。其中，MADS域能與靶DNA進(jìn)行結(jié)合，也能與I域和K域一起參與二聚體的形成[21]；K域是蛋白二聚化的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域，它能獨(dú)立地與另一MIKC型蛋白發(fā)生相互作用，是蛋白分子之間相互作用的區(qū)域[22]；I域位于MADS域和K域之間，在序列和結(jié)構(gòu)上變化較大，也被認(rèn)為與蛋白的二聚化和功能特異化相關(guān)[23]；C域位于K域下游，是最不保守的區(qū)域，主要由疏水氨基酸組成，是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活區(qū)[24]，與蛋白的功能有關(guān)。

通過(guò)酵母雙雜交和凝膠阻滯等實(shí)驗(yàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)MIKC型MADS-box轉(zhuǎn)錄因子通常是以聚合體的形式綁定到DNA上，進(jìn)而再發(fā)揮調(diào)控作用。這些轉(zhuǎn)錄因子先通過(guò)聚合作用形成同源或異源二聚體，進(jìn)而組裝成多聚復(fù)合體發(fā)揮作用[19，25]。2001年，Theissen等[26]結(jié)合MADS蛋白多聚體的研究，提出了花發(fā)育的“四因子”模型，該模型認(rèn)為花器官發(fā)育的調(diào)控是通過(guò)4種同源異形蛋白復(fù)合體結(jié)合在靶基因啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)而調(diào)節(jié)基因的啟動(dòng)閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)成四聚體的2個(gè)二聚體單位（同源或異源二聚體）先特異結(jié)合在同一DNA上，接著通過(guò)倆二聚體單位的C末端進(jìn)行結(jié)合形成四聚體，從而引起DNA分子的彎曲，使彎曲的DNA環(huán)繞該四聚體，然后四聚體再與轉(zhuǎn)錄輔因子和染色質(zhì)重塑蛋白相結(jié)合，最后三者結(jié)合起來(lái)共同激活或抑制轉(zhuǎn)錄。其中，轉(zhuǎn)錄輔因子能夠介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，影響靶基因的特異性；染色質(zhì)重塑蛋白能夠改變靶基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)[27-28]。以擬南芥為例，同源二聚體AP1/AP1與SEP/SEP（2A+2SEP）形成四聚體，調(diào)控萼片的發(fā)育；異源二聚體AP3/PI與SEP/AP1（A+2B+SEP）形成四聚體，調(diào)控花瓣的發(fā)育；AP3/PI與SEP/AG（2B+C+SEP）形成四聚體調(diào)控雄蕊的發(fā)育；AG/AG與SEP/SEP（2C+2SEP）形成四聚體調(diào)控心皮的發(fā)育；另外還有胚珠的發(fā)育受到AG/SEP-STK/SEP四聚體的調(diào)控[24，29]。大量酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)以及熒光共振能量轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析使得四因子模型得到了證實(shí)。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明根據(jù)蛋白的相對(duì)濃度和DNA序列，擁有MADS結(jié)構(gòu)域的蛋白之間可以柔性結(jié)合成不同的蛋白復(fù)合體。而原位雙分子熒光互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)也顯示，在花發(fā)育階段的分生階段，擁有MADS結(jié)構(gòu)域的蛋白之間發(fā)生了相互作用。

2 番茄花發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的功能

番茄與擬南芥、金魚草同為雙子葉植物，其花器官的發(fā)育也同樣遵循ABCDE模型的規(guī)律：各輪花器官的發(fā)育受到來(lái)自A、B、C、D、E 5類基因的調(diào)控。而這些基因幾乎都是屬于MADS-box家族的轉(zhuǎn)錄因子。這些基因與其在擬南芥、金魚草中的同源異形基因之間在功能方面有許多相似之處，例如對(duì)各輪花器官發(fā)育的影響；同時(shí)番茄還擁有擬南芥、金魚草所沒(méi)有的肉質(zhì)果實(shí)，因此這些花發(fā)育基因還會(huì)直接或間接影響到果實(shí)的生長(zhǎng)、發(fā)育甚至成熟。

2.1 A類基因 目前在番茄中發(fā)現(xiàn)的A類基因?yàn)镸C（MACROCALYX）。MC基因?qū)儆贛ADS-box轉(zhuǎn)錄因子家族的API/FUL亞家族，它與擬南芥API基因的同源性較高。API是擬南芥中的A類基因，決定花瓣和萼片的發(fā)育。基因敲除API使得擬南芥花的萼片轉(zhuǎn)變?yōu)槿~片和苞片狀結(jié)構(gòu)，甚至還會(huì)導(dǎo)致花瓣缺失，并且還會(huì)形成恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的非特異性花序。在番茄中抑制MC的表達(dá)同樣使得萼片變成了葉狀結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生了非特異性花序，但對(duì)花瓣沒(méi)有產(chǎn)生影響，而這個(gè)表型與金魚草SQUA基因的表型相似。無(wú)獨(dú)有偶，MC基因在番茄萼片、花瓣以及心皮中表達(dá)的表達(dá)模式也與金魚草SQUA基因相似。由此可推測(cè)API、SQUA、MC三者應(yīng)為同源基因[30]。最初MC基因是從番茄果實(shí)成熟突變體rin中克隆得到。rin突變體除了果實(shí)成熟后不會(huì)變紅的表型外還具有大萼片以及非特異性花序。由于RIN與MC基因串聯(lián)位于同一染色體上，而rin突變體的表型是因?yàn)閮蓚€(gè)基因的部分缺失導(dǎo)致，由此推測(cè)mc突變體除了具有大萼片以外，應(yīng)該還有非特異性花序的表型。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于MC基因的研究一直都集中于其對(duì)萼片以及花器官的發(fā)育形成的影響上，最近，研究者們開始關(guān)注MC基因?qū)ㄐ蛐螒B(tài)建成的影響。Fernando等[31]通過(guò)對(duì)新突變體mc-vin的研究，對(duì)MC基因?qū)ㄐ蛏L(zhǎng)的影響進(jìn)行了闡釋。該突變體的花序在長(zhǎng)出兩到三朵花之后會(huì)恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)長(zhǎng)出葉片，同時(shí)所形成的的花的花萼也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿~片狀結(jié)構(gòu)，花柄離區(qū)與野生型相比發(fā)育也不完全。通過(guò)原位雜交分析基因表達(dá)量發(fā)現(xiàn)，突變體中MC基因在IM（花序分生組織）、FM（花分生組織）以及花芽恢復(fù)成的營(yíng)養(yǎng)分生組織中均沒(méi)有表達(dá)，MC的表達(dá)幾乎完全抑制，表明MC基因的功能應(yīng)該與花序分生組織的維持有關(guān)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)mc-vin：j和mc-vin：sft的雙突變體的研究還發(fā)現(xiàn)，雙突變體的表型也同樣都是形成恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的非特異性花序，并且花萼、花柄離區(qū)與開花時(shí)間與野生型相比也都發(fā)生了改變。對(duì)比雙突變體以及mc-vin、j、sft三個(gè)單突變體之間的表型，推測(cè)MC、J、SFT 3者之間可能存在協(xié)同作用，共同控制番茄花序的形態(tài)建成。

2.2 B類基因 在番茄中，目前發(fā)現(xiàn)的B類基因有TAP3（又稱SL）、TM6、TPI（又稱SlGLO2）與SlGLO1四個(gè)基因。其中TPI為擬南芥B類基因PI的同源基因，TAP3則是擬南芥B類基因AP3的同源基因，TAP3與AP3一起同屬于MADS-box家族里的AP3亞家族。由于基因功能的保守與進(jìn)化，AP3家族又被分為euAP3家族與TM6家族，兩個(gè)家族的基因大部分都很相似，唯一的區(qū)別則在于其C末端區(qū)域的不同。番茄的TAP3基因與擬南芥的AP3基因都屬于euAP3家族，與番茄中的TM6屬于TM6亞家族不同的是擬南芥卻沒(méi)有基因?qū)儆谶@個(gè)家族。作為花發(fā)育相關(guān)的同源基因，AP3家族的基因均與雄蕊發(fā)育有關(guān)，例如番茄TAP3基因主要與花瓣與雄蕊的發(fā)育相關(guān)，TM6基因則主要調(diào)控雄蕊的發(fā)育。在番茄中抑制TAP3的表達(dá)，會(huì)生成心皮狀的雄蕊，突變體純合子還會(huì)擁有萼片狀的花瓣；抑制TM6的表達(dá)同樣會(huì)生成心皮狀的雄蕊，同時(shí)這種畸變的雄蕊還含有裸露的胚珠和柱頭樣的組織；而抑制TPI的表達(dá)則會(huì)使雄蕊更加趨向心皮化，與野生型相比，雄蕊之間沒(méi)有合并在一起而是呈分開狀，并與中央的雌蕊融合在一起形成一個(gè)雌蕊群，不過(guò)花瓣卻沒(méi)有任何變化。定量分析發(fā)現(xiàn)，TAP3在花瓣和雄蕊中表達(dá)量最高，而TM6在花瓣中表達(dá)量較少，在雄蕊和心皮中表達(dá)量較高，TPI也在花瓣與雄蕊中表達(dá)量較高。通過(guò)原位雜交分析發(fā)現(xiàn)，在花發(fā)育早期，TAP3主要在花瓣原基以及雄蕊原基中表達(dá)，TM6則在花瓣、雄蕊和心皮原基中都有表達(dá)；花發(fā)育中期，TAP3主要在維管束、雄蕊的絨氈層細(xì)胞以及花瓣側(cè)緣表達(dá)，TM6則主要在胚珠的內(nèi)側(cè)珠被以及花瓣側(cè)緣表達(dá)；花發(fā)育晚期，TM6的表達(dá)則集中于雄蕊和心皮上。其中TPI的表達(dá)時(shí)期與TAP3相似，也是主要集中于花瓣和雄蕊。通過(guò)檢測(cè)突變體中3個(gè)基因的表達(dá)量，表明TAP3、TM6、TPI三者之間并沒(méi)有協(xié)同作用，而這也與擬南芥不同，擬南芥中對(duì)于PI的表達(dá)來(lái)說(shuō)AP3是必須的，但對(duì)于TPI的表達(dá)來(lái)說(shuō)TAP3并非必不可少；而在tap3突變體中超表達(dá)TAP3和TM6又可使花瓣突變的表型有所恢復(fù)，由此可見TAP3與TM6之間雖然在花發(fā)育過(guò)程中所起的作用不同，但是仍有部分功能冗余。擬南芥中，AP3與PI會(huì)和AG與SEP3所形成的異源二聚體一起形成四聚體來(lái)觸發(fā)雄蕊的發(fā)育。酵母雜交實(shí)驗(yàn)表明，這些基因在番茄中的同源基因之間同樣存在相互作用，可見AP3家族中PI同源基因的蛋白互作區(qū)域是高度保守的[32]。研究者們還發(fā)現(xiàn)，這些基因的表達(dá)不僅存在特異性而且還受到環(huán)境因素的控制。在番茄（Solanum lycopersicum Mill）中，tap3突變體的表型還受到溫度與激素的調(diào)控，當(dāng)在低溫下培養(yǎng)該突變體，部分化的形態(tài)會(huì)恢復(fù)到與野生型類似；而當(dāng)對(duì)該突變體的幼苗施以赤霉酸，同樣會(huì)使其表型恢復(fù)[33]。Florian[34]等發(fā)現(xiàn)，將番茄培養(yǎng)在連續(xù)高溫下會(huì)使其花粉活力下降，同時(shí)使花藥產(chǎn)生類似雌蕊的結(jié)構(gòu)，并且TAP3、TM6和TPI在花藥里的表達(dá)量也有所下調(diào)。

SlGLO1與金魚草GLO基因、擬南芥PI基因同為同源基因，跟番茄中的其他B類基因一樣主要在花瓣與雄蕊中表達(dá)。利用RNAi技術(shù)沉默SlGLO1基因會(huì)出現(xiàn)與TPI沉默植株相似的表型：雄蕊趨于心皮化并且互相分離，并與中央的雌蕊融為一體；花瓣仍然與野生型類似，沒(méi)有受到影響。在SlGLO1與TPI的雙沉默突變體中，雄蕊則完全變?yōu)樾钠ぃò晖耆優(yōu)檩嗥?，而這些雄蕊仍與雌蕊融合在一起。這些結(jié)果表明SlGLO1與TPI之間存在功能冗余。在野生型植株中，敲除SlGLO1會(huì)使花瓣中TPI的表達(dá)下調(diào)，敲除TPI則會(huì)使花瓣中SlGLO1的表達(dá)下調(diào)，表明兩者在花瓣中可能會(huì)互相激活表達(dá)[35]。同時(shí)，SlGLO1沉默植株還會(huì)出現(xiàn)花瓣變綠變小的表型，而且花粉粒發(fā)育不正常且不能萌發(fā)，使得植株變得雄性不育[36]。

2.3 C/D類基因 TAG1與TAGL1（又稱ALQ）基因同屬于番茄花發(fā)育的C類基因。TAG1位于番茄基因組的2號(hào)染色體上，編碼一個(gè)由248個(gè)氨基酸組成、分子量28.7kD、等電點(diǎn)9.60的蛋白質(zhì)。TAG1是擬南芥AG的同源基因，不過(guò)與其序列最同源的是煙草中的NAG1基因，兩者的序列有高達(dá)90%的相似性。擬南芥中AG基因的主要功能是控制雄蕊、心皮的發(fā)育以及防止花分生組織的非特異性生長(zhǎng)，在番茄中沉默TAG1同樣會(huì)使雄蕊轉(zhuǎn)變?yōu)榛ò隊(duì)罱Y(jié)構(gòu)，而心皮則發(fā)育為一個(gè)花被狀的嵌套花結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由于花分生組織異常增殖，使得胎盤組織不能發(fā)育，因此無(wú)法形成胚珠。而用35s啟動(dòng)子超表達(dá)TAG1則會(huì)出現(xiàn)沉默的互補(bǔ)表型：萼片轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓墓罱Y(jié)構(gòu)，花瓣則轉(zhuǎn)變成一個(gè)不育的雄蕊，同時(shí)心皮的發(fā)育也出現(xiàn)異常[37-38]。表達(dá)模式分析指出，TAG1在開花時(shí)期表達(dá)量較高，到了果實(shí)發(fā)育早期的phaseII時(shí)期（果實(shí)細(xì)胞分化時(shí)期——這一時(shí)期里果實(shí)細(xì)胞開始分化，果實(shí)各組織開始形成）表達(dá)量則明顯下降。而原位雜交分析表明，TAG1主要是在發(fā)育中的雄蕊與心皮及其原基中表達(dá)。研究還表明，TAG1會(huì)在番茄受精后表達(dá)，且能與TDR4以及TAGL2（TM29）進(jìn)行互作，由此說(shuō)明它可能還在種子的發(fā)育中起著重要作用[38]。TAGL1與TAG1、TAGL11同屬于MADS-box家族中的AG亞家族，為擬南芥SHATTERPROOF（SHP）基因的同源基因，主要在果實(shí)成熟與果實(shí)膨大過(guò)程中發(fā)揮重要作用，并通過(guò)上述兩個(gè)過(guò)程最終促進(jìn)果實(shí)中種子的分散。有研究表明，TGAL1能通過(guò)調(diào)節(jié)瓣邊緣細(xì)胞的形成來(lái)調(diào)節(jié)番茄果實(shí)的開裂，而擬南芥中SHP1和SHP2兩個(gè)基因功能冗余地調(diào)節(jié)果莢斷裂所必須的離層發(fā)育，不過(guò)在擬南芥shp1和shp2的突變體中表達(dá)TAGL1并不能完全完全恢復(fù)其表型，表明TAGL1的功能與SHP1/2仍然有所差別。TAGL1在番茄的開花時(shí)期表達(dá)量較高，主要在雄蕊以及心皮原基中表達(dá)，根、葉、幼苗以及種子中也有表達(dá)。在番茄中沉默TAGL1會(huì)使果實(shí)出現(xiàn)不完全成熟的表型，果實(shí)在成熟后仍為橘黃色，類胡蘿卜素、番茄紅素含量減少，葉綠素含量升高，果皮變薄，乙烯含量減少（通過(guò)下調(diào)ACS2基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)）。利用35s啟動(dòng)子超表達(dá)TAGL1則會(huì)使萼片變短、花瓣變紅變厚，而果實(shí)卻正常成熟。同時(shí)，異位表達(dá)TGAL1會(huì)導(dǎo)致萼片的擴(kuò)張和萼片中番茄紅素含量的升高，也表明TGAL1的功能與果實(shí)成熟相關(guān)[38-40]。酵母三雜交實(shí)驗(yàn)表明，RIN基因能作為橋梁使FUL1與TAGL1之間產(chǎn)生相互作用形成三聚體復(fù)合物；凝膠阻滯實(shí)驗(yàn)也表明，RIN、TAGL1、FUL1/2之間能形成復(fù)合物。由此推測(cè)，這些基因很可能是在番茄內(nèi)形成一個(gè)RIN-TAGL1-RIN-FUL1/2四聚體來(lái)發(fā)揮作用。同時(shí)，研究表明，調(diào)節(jié)乙烯合成的ACS2基因是RIN基因的靶基因，在果實(shí)成熟期間，RIN會(huì)激活A(yù)CS2 的表達(dá)，使其表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)果實(shí)的成熟；而TAGL1沉默株系中乙烯含量減少正是由于ACS2表達(dá)下調(diào)所致，驗(yàn)證了RIN和TAGL1形成四聚體復(fù)合物發(fā)揮作用的結(jié)論[41]。

TAGL11雖屬于AG亞家族，但主要在胚珠、種皮以及花發(fā)育的晚期表達(dá)，因此屬于花發(fā)育的D類基因。它與擬南芥AGL11、矮牽牛FBP7/11有著很高的同源性，其中與AGL11的同源性高達(dá)81%。TAGL11與TAGL1一樣在開花時(shí)期表達(dá)量較高，而且它與TAGL1有著相似的表達(dá)模式，表明兩者之間可能存在功能冗余[38]。Nallatt等[42]在番茄培育種“Micro-Tom”中沉默TAGL11基因，會(huì)導(dǎo)致無(wú)籽番茄的產(chǎn)生，并且他們還發(fā)現(xiàn)種子的數(shù)量與發(fā)育程度與該基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的積累量成正比，即TAGL11轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的積累水平降低會(huì)導(dǎo)致種子數(shù)量減少和發(fā)育不成熟。同時(shí)，沉默株系還表現(xiàn)出柱頭縮短、胎座組織變薄、果實(shí)內(nèi)的隔膜變厚、果皮層變厚的表型，一些沉默株系的果實(shí)還有著數(shù)量不等的腔室。但是TAGL11的沉默株系的花器官的發(fā)育、果實(shí)數(shù)量、果實(shí)成熟時(shí)間、成熟時(shí)果實(shí)的顏色和大小、果皮硬度都沒(méi)有什么變化?；驒z測(cè)發(fā)現(xiàn)，TAGL11在果實(shí)發(fā)育初期、花發(fā)育后期的胚珠的內(nèi)層珠被以及發(fā)育種子的內(nèi)種皮中表達(dá)量較高，表明該基因主要在種子與果實(shí)發(fā)育中發(fā)揮重要作用。種皮發(fā)育相關(guān)基因SlVPE1/2主要在種子發(fā)育初期和成熟初期大量表達(dá)，但在沉默TAGL11的轉(zhuǎn)基因株系中，該基因的表達(dá)水平平均下調(diào)了5～15倍，說(shuō)明TAGL11對(duì)種皮發(fā)育的影響是通過(guò)正調(diào)控SlVPE1/2基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)的。

2.4 E類基因 目前在番茄中發(fā)現(xiàn)的E類基因有TM5與TM29（又稱TAGL2）。其中TM5為擬南芥SEP3（又稱AGL9）的同源基因，與該基因有85%的同源性，并且與該基因的表達(dá)模式類似，也是在花瓣、雄蕊和雌蕊中表達(dá)。TM5主要是在這三輪花器官的分生組織區(qū)域內(nèi)表達(dá)，同時(shí)也在它們的器官生成時(shí)期表達(dá)。用反義RNA沉默TM5會(huì)使得花器官的發(fā)育在早期與晚期都受到影響：花器官發(fā)育的早期，每輪花器官的數(shù)量會(huì)出現(xiàn)異?；蛘哂蓄~外的花器官出現(xiàn)形成復(fù)合花；花器官發(fā)育晚期主要是花器官的特異變化。轉(zhuǎn)基因植株的花瓣表現(xiàn)出莖的質(zhì)地，較野生型偏綠，且一直維持著綠色不會(huì)變黃，不會(huì)衰老和脫落，甚至到果實(shí)形成也不會(huì)脫落。雄蕊則變得更纖細(xì)，與野生型相比也偏綠，而且不會(huì)像野生型的雄蕊那樣形成閉合的花藥錐，而是呈分開狀。同時(shí)轉(zhuǎn)基因植株的花器官的表皮毛也比野生型多，而且雄蕊和心皮均不育。但轉(zhuǎn)基因植株的每輪花器官都未實(shí)現(xiàn)完全的同源轉(zhuǎn)變，即完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪惠喕ㄆ鞴?。這些表型說(shuō)明TM5在番茄中控制著兩個(gè)不相關(guān)的次級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中它發(fā)揮著早期花分生組織決定基因的功能，避免番茄形成復(fù)合花；另一個(gè)系統(tǒng)中它發(fā)揮著花器官?zèng)Q定基因的功能，使得花器官能正常發(fā)育[43]。

TM29屬于MADS-box家族中的AGL9亞家族，與擬南芥的SEP1/2/3基因有很高的同源性，且與SEP1（也稱AGL2）有著相似的表達(dá)模式。TM29在開花時(shí)期表達(dá)量較高，開花結(jié)束時(shí)表達(dá)量達(dá)到最大，然后減少，但后期在成熟種子中仍能檢測(cè)到。在花序與營(yíng)養(yǎng)分生組織中也能檢測(cè)到該基因的表達(dá)。利用共抑制或反義RNA手段沉默TM29會(huì)使得番茄植株的內(nèi)三輪花器官發(fā)生形態(tài)變化，花瓣與雄蕊較野生型來(lái)說(shuō)偏綠，類似萼片結(jié)構(gòu)，并且雄蕊與子房均不育，雄蕊不會(huì)產(chǎn)生花粉，以致后期會(huì)形成單性果實(shí)。而這可能是由于TM29的沉默對(duì)花粉母細(xì)胞產(chǎn)生了影響并阻止了花粉的形成所引起的。后期，這些單性果實(shí)上還會(huì)長(zhǎng)出異位芽，而這些芽還會(huì)長(zhǎng)出葉子和花并繼續(xù)生成果實(shí)與異位芽。這表明TM29的沉默會(huì)使得花分生組織在恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后還能繼續(xù)分化出花分生組織，而這比sep1/2/3突變體僅僅只能使花分生組織恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的表型更進(jìn)一步，說(shuō)明TM29調(diào)控著花分生組織特異性的維持。而研究發(fā)現(xiàn)，番茄作為一種光周期不敏感的植物，這種成花逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象并沒(méi)有受到光周期或赤霉素的影響。同時(shí)，作為番茄中的SEP類基因，在受精后仍能檢測(cè)到TM29的表達(dá)，表明SEP類基因在番茄中可能還會(huì)影響果實(shí)和種子的發(fā)育[38、44]。

3 結(jié)論與展望

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著ABC模型的建立，植物花發(fā)育的研究有了飛躍性的進(jìn)展。圍繞著A、B、C三類基因的研究使得更多的同源異形基因與突變體被發(fā)現(xiàn)和克隆出來(lái)；通過(guò)日趨成熟的分子生物學(xué)技術(shù)與生物信息學(xué)技術(shù)，這些基因的功能逐漸被認(rèn)識(shí)、了解，也使得ABC模型擴(kuò)展成為ABCDE模型甚至四因子模型。雖然圍繞著經(jīng)典ABC模型所展開的研究使人們對(duì)花器官的發(fā)育有了系統(tǒng)、深刻的認(rèn)識(shí)，但是隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)ABC模型并不能用來(lái)解釋所有植物的花發(fā)育問(wèn)題，而且花發(fā)育基因的功能也并不只局限于花器官的形態(tài)建成，它們對(duì)果實(shí)的成熟、種子的發(fā)育，甚至根、莖、葉的生長(zhǎng)發(fā)育以及植物體的衰老、抗逆反應(yīng)等都有著一定的影響。番茄作為果蔬類的代表植物，有著基因組小、生長(zhǎng)周期短、遺傳背景清楚、轉(zhuǎn)基因體系成熟的研究?jī)?yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)番茄花器官發(fā)育的研究，能夠更好地探明花發(fā)育基因在植物體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程特別是果實(shí)發(fā)育過(guò)程中所具有的重要作用，并為其他果蔬類作物的相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)，最終利用基因工程手段達(dá)到改良作物花發(fā)育過(guò)程的目的，從而更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。盡管花發(fā)育的研究到目前為止已經(jīng)取得了不小的進(jìn)展，但大多仍停留在理論階段，無(wú)法在實(shí)際作物種植中發(fā)揮作用。而且除了擬南芥、金魚草等模式植物的花發(fā)育研究比較透徹外，其他植物特別是作物類植物的花發(fā)育研究仍然不夠全面、深入?；òl(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究也仍局限于上游轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)下游靶基因的分子調(diào)控機(jī)理及其與轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用的仍然知之甚少。對(duì)已知轉(zhuǎn)錄因子的功能認(rèn)識(shí)也還不夠全面、立體。不過(guò)隨著分子技術(shù)、基因工程和生物信息學(xué)技術(shù)等新新技術(shù)的不斷發(fā)展以及更多番茄突變體的創(chuàng)制與獲得，研究者們有望獲得更多的花器官發(fā)育基因以進(jìn)一步深入研究番茄花發(fā)育的分子機(jī)制，從而逐步建立并完善番茄花器官發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

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