植物分枝發(fā)育調(diào)控的研究進展

付正莉， 劉 蕊， 王寧寧， 朱克明， 陳 松， 張潔夫， 譚小力

(1.江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，江蘇南京 210014)

植物分枝(branching)是植物普遍存在的生長現(xiàn)象，腋芽形成后進一步生長形成側(cè)枝，側(cè)枝上的腋芽也可以發(fā)育成側(cè)枝，進而形成株系。植物分枝受基因、激素、自然環(huán)境、營養(yǎng)條件等多種因素的影響，也與作物的產(chǎn)量有關(guān)，可通過影響作物的結(jié)實量進而影響作物的產(chǎn)量。

腋生分生組織(axillary meristem，簡稱AM)的形成與腋芽的生長為植物分枝發(fā)育的2個階段。腋生分生組織在葉片的葉腋處生成，進而發(fā)育成腋芽，腋芽生長成為側(cè)枝。側(cè)枝具有與主莖相同的能力，如產(chǎn)生葉片、花等組織。由于植物的性質(zhì)和種類有差異，植物的地上株型和分枝組成也各不相同。觀察植株的分枝形態(tài)，可以將所有的分枝歸為五大類：單軸分枝(monopodial branching)、合軸分枝(sympodial branching)、假二叉分枝(false dichotomous branching)、二叉分枝(dichotomous branching)、分蘗(tiller)。通過對植物分枝發(fā)育調(diào)控機制的研究，從水稻、擬南芥、番茄、玉米、矮牽牛突變體中得到一系列與分枝相關(guān)的基因。由于這些基因影響分枝發(fā)育的階段存在差異，將其歸納為三大類：第一類是參與腋生分生組織形成的基因，如MOC/LS、LAX、BLIND等；第二類是參與腋生分生組織生長的基因，如MAX、RMS、DAD等；第三類是對上述2個方面均有影響的基因，如TB1、SPS/BUS。

本文將從腋生分生組織的形成和生長2個方面著手，闡述參與調(diào)節(jié)植物分枝發(fā)育相關(guān)基因的研究進展，以期為植物分枝的分子機制研究提供參考。

1 調(diào)控腋生分生組織形成的基因

1.1 Lateral suppressor(簡稱LAS)與LS基因

LS基因調(diào)控腋生分生組織的形成，起初是從番茄突變體中被發(fā)現(xiàn)的。番茄LS突變體在營養(yǎng)生殖階段不能產(chǎn)生腋生分生組織，同時花的發(fā)育也會產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致花瓣喪失以致生育率下降[1]。LS基因編碼的蛋白屬于GRAS家族的VHIID轉(zhuǎn)錄因子，且GRAS蛋白僅在植物中被發(fā)現(xiàn)，在植物生長發(fā)育和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面具有重要作用[2]。LS和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑Goblet分級調(diào)控番茄葉基部異位分生組織的形成，異位分生組織形成導(dǎo)致芽數(shù)量的增加，增強了生存能力并打開了營養(yǎng)繁殖的途徑[3]，Gob和Ls以分級方式行使功能，因為Ls轉(zhuǎn)錄物積累取決于Gob活性，但反之亦然。擬南芥Lateralsuppressor(簡稱LAS)基因是LS的同源基因，其在葉原基的近軸邊界處的帶型結(jié)構(gòu)域中表達，是腋生分生組織形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)子，該基因突變后植株幾乎無分枝[4]。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，LAS功能和調(diào)節(jié)在進化上是高度保守的。進一步研究表明，LAS的邊界特異性表達是由其開放閱讀框下游高度保守的增強子所控制的，并且調(diào)節(jié)序列在LAS和LS中是功能保守的[5]。

1.2 Monoculm1(簡稱MOC1)

水稻MOC1與來自番茄和擬南芥的LS/LAS屬于同源基因，是通過圖位克隆方法從少分蘗水稻突變體植株中分離出來的[6]。MOC1定位在核內(nèi)，編碼的蛋白屬于GRAS家族蛋白。水稻單稈突變體moc1為1個主莖且無分枝產(chǎn)生，而在野生型植株中過表達MOC1，植株分蘗大量增加，說明MOC1基因作為轉(zhuǎn)錄因子對水稻分蘗起到正調(diào)控的作用。MOC1基因參與調(diào)控水稻AM的起始和分蘗芽的生成，促進分蘗芽的伸長，且在營養(yǎng)生長和生殖生長時期都影響分枝發(fā)育。研究者近期報道了2個新型基因TAD1[7]和TE[8]，這2個基因被證實作用于MOC1的上游，在葉腋處與MOC1共表達，并通過調(diào)控MOC1基因來決定水稻的分枝。TAD1從tad1(tilleringanddwarf1)分蘗矮化突變體中分離出來，該突變體表現(xiàn)為分蘗增多且植株矮化。研究表明，TAD1編碼1個后期促進復(fù)合物泛素連接酶(APC/C)的共激活因子，APC/CTAd1復(fù)合物與OsAPC10結(jié)合后作為APC/C的共激活因子作用于MOC1基因，以細胞周期依賴性方式使靶基因MOC1降解。從多分蘗突變體Te(tiller enhancer)中分離出TE基因，TE編碼1個水稻同源基因Cdh1，即泛素連接酶APC/C的輔激活因子。APC/CTE復(fù)合物與OSCDC27、MOC1相互作用，通過泛素化26S蛋白酶體途徑介導(dǎo)MOC1的降解。如圖1所示，水稻通過MOC1降解調(diào)節(jié)分枝，最終影響水稻谷粒產(chǎn)量[9]。

1.3 BLIND(簡稱BL)/RAX1

Blind番茄突變體表現(xiàn)為腋生分生組織的形成在莖和花序的發(fā)育時期受到抑制，進而使分枝數(shù)量減少。BLIND基因從番茄突變體blind中被分離出來，通過編碼MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)腋生分生組織的起始[10]，同時其他側(cè)生分生組織的形成如側(cè)莖、合軸莖等均受到抑制。BLIND基因?qū)儆贛YB轉(zhuǎn)錄因子家族中的R2R3類，該家族參與調(diào)節(jié)植物次生代謝、細胞周期過程。比較基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥分枝調(diào)節(jié)基因REGULATOROFAXILLARYMERISTEMS1(RAX1)與BLIND同源，屬于R2R3MYB基因家族。擬南芥rax1突變體表型與blind相似，即側(cè)生分生組織形成受阻，分枝減少。通過表達研究和互補試驗分析表明，BLIND、RAX基因由于啟動子分化，已經(jīng)具有子功能或者新功能化。由功能獲得性突變植株得出，基因LS/LAS和BLIND/RAX均通過抑制生長發(fā)揮作用[11]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，LS/LAS和BLIND/RAX功能在參與腋生分生組織AM的形成過程中具有冗余性[10]。同時，RAX1在LAS之前表達，并僅限于腋生分生組織的中心，是最早的腋生分生組織定位基因。

1.4 LAX/BA1

水稻LAX1(LAXPANICLE1)編碼轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過定位克隆方法從lax1突變體中分離出來[12]。水稻LAX1(LAXPANICLE1)突變體表現(xiàn)為花序較少、側(cè)生小穗缺失腋生分生組織導(dǎo)致其生長受抑制。進一步研究表明，LAX1在水稻生殖生長時期調(diào)節(jié)腋生分生組織的起始，在相同的遺傳途徑中，與SPA(smallpanicle)基因具有冗余性。lax/spa雙突變體植株表現(xiàn)為花序無分枝、分蘗數(shù)嚴重減少、腋生分生組織的形成被抑制。LAX1瞬時積聚在第四葉隔期腋生分生組織起始時，并嚴格調(diào)節(jié)mRNA的表達和控制隨后蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運[13]。LAX2基因通過圖位克隆的方法從lax2(laxpanicle2)突變體中被分離出來，并且與lax1具有相似的表型，即大多數(shù)側(cè)生小穗腋生分生組織缺失、花序減少。LAX2編碼1個核定位蛋白且與LAX1相互作用，共同調(diào)節(jié)水稻腋生分生組織的形成[14]。

玉米中barrenstalk1(簡稱ba1)基因與玉米LAX基因同源，編碼bHLH(basic helix-loop-helix)轉(zhuǎn)錄因子。ba1突變體側(cè)生分生組織的形成在營養(yǎng)和生殖生長時期被抑制，表型與lax突變體相似。研究證實，BA1可與BIF2(barren inflorescence 2)發(fā)生互作[15]，BIF2基因編碼1個蛋白激酶，參與調(diào)節(jié)生長素信號運輸過程[16]。BA1直接受到BIF2磷酸化調(diào)節(jié)，被激活后進而調(diào)節(jié)下游基因Kn1(knotted1)表達和蛋白分布[17-19]，Kn1屬于同源異形盒基因，編碼1種轉(zhuǎn)錄因子，在莖分生組織形成和維持中具有重要作用。如果BA1發(fā)生突變，下游基因Kn1無法發(fā)揮作用，最終導(dǎo)致AM的形成受阻，植株分枝減少[20-21]。

2 調(diào)控腋生分生組織生長相關(guān)基因

2.1 MAX/RMS/DAD/D

擬南芥moreaxillarygrowth(簡稱max)突變體相比于野生型植株分枝增多、株高降低，與豌豆ramosus(簡稱rms)基因、矮牽牛decreasedapicaldominance(簡稱dad)基因、水稻dwarf(簡稱d)基因突變體表型類似，max1、max3、max4在植株根部、莖部抑制分枝。MAX/RMS/DAD/D基因參與獨腳金內(nèi)酯(strigolactones，簡稱SLs)生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。獨腳金內(nèi)酯是一種調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的新型植物激素，在植物根部產(chǎn)生，沿莖干向上運輸，直接或間接抑制植物分枝發(fā)育。

擬南芥MAX3與水稻D17、矮牽牛DAD3、豌豆RMS5屬于同源基因[22-24]，編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7(簡稱CCD7)。MAX3編碼1個質(zhì)體定位蛋白，相比于在根中的表達水平，在莖和穗中的表達水平較高，同時還受到生長素的調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)植物側(cè)枝發(fā)育具有保守性。MAX4編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶8(簡稱CCD8)，與水稻D10、矮牽牛DAD1、豌豆RMS1同源[25-26]。MAX4/D10/DAD1/RMS1定位在質(zhì)體上，在植株中表達量低，也受生長素誘導(dǎo)[26]。MAX4參與SL的合成過程，并在CCD7的下游發(fā)揮作用[27]。MAX1/OsMAX1[28-29]編碼細胞色素蛋白P450，可抑制側(cè)枝的發(fā)育[30]。研究表明，MAX1/OsMAX1在MAX3/D17/RMS5/DAD3、MAX4/D10/RMS1/DAD1下游發(fā)揮作用，通過以CCD7和CCD8的反應(yīng)產(chǎn)物或其他代謝物為底物，合成SLs復(fù)合物[31]。擬南芥MAX2與水稻D3[32]、豌豆RMS4屬于同源基因，MAX2編碼1種F-box蛋白。max突變體相比于野生型植株初級分枝數(shù)較少，腋芽分生組織生長受抑制。MAX2/D3/RMS4位于MAX1/OsMAX1、MAX3/D17/RMS5/DAD3、MAX4/D10/RMS1/DAD1M基因下游，在抑制分枝的過程中不可或缺。近期報道表明，水稻D53[33-34]、D27[35]、D14/D88/HTD2/AtD14/DAD2等基因也通過參與SL信號途徑調(diào)節(jié)植物的分枝發(fā)育。將上述基因按參與獨腳金內(nèi)酯途徑功能不同歸類，即MAX3/D17/RMS5/DAD3、MAX4/D10/RMS1/DAD1、OsMAX1s/MAX1參與調(diào)控SL的合成；MAX2/D3/RMS4及D53、D14/D88/HTD2/AtD14/DAD2、MAX2/D3/RMS4調(diào)控SL的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

2.2 WUS/OsWUS

擬南芥WUS(wuschel)基因?qū)儆赪OX家族，與水稻OsWUS、MOC3基因及玉米Zm-WUS1、ZmWUS2基因同源[36-37]。WUS在莖端分生組織中表達，誘導(dǎo)細胞增殖。WUS功能獲得性突變體植株表現(xiàn)為下胚軸細長，相反，WUS功能缺失性突變體下胚軸的伸長被抑制。研究表明，WUS基因在下胚軸異位表達時通過其靶基因GLUTAMINE-RICHPROTEIN23(GRP23)促進細胞分裂[38]。水稻OsWUS、MOC3基因與擬南芥WUS同源[37]，OsWUS在調(diào)控水稻分蘗時其同源異形域起到關(guān)鍵作用[39]。水稻單稈基因MONOCULM3(MOC3)[40]是最近通過圖位克隆方法被分離出來的，在moc3中，分蘗芽的起始受到阻斷，植株幾乎沒有分蘗。MOC3定位在核內(nèi)，編碼1個核定位轉(zhuǎn)錄因子，MOC3發(fā)生點突變，導(dǎo)致OsWUS的表達提前終止。研究表明，MOC3調(diào)控腋芽的形成受到細胞分裂素的誘導(dǎo)。MOC3功能缺失時，會影響細胞分裂素響應(yīng)調(diào)節(jié)因子OsRRs、ORR的表達，且可與TPR(topless-related protein)蛋白發(fā)生互作，TPL/TPR是一類在植物中廣泛存在的轉(zhuǎn)錄共抑制子(co-repressor)，在激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起到基因轉(zhuǎn)錄抑制作用。而獨腳金內(nèi)酯途徑中D53蛋白與TPL/TPR蛋白形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體，協(xié)同抑制SL信號下游靶基因的表達[33]，提示MOC3可能通過與TPR互作參與SL途徑，從而影響SL信號途徑下游基因的響應(yīng)。

3 調(diào)控腋生分生組織形成和生長的基因

3.1 TB1/OsTB1

TB1(teosintebranched1)基因編碼1個含TCP[TCP為最先發(fā)現(xiàn)的3個該家族的蛋白名稱的首字母縮寫，分別是玉米中的TEOSINTE BRANCHED1(TB1)、金魚草中的CYCLOIDEA(CYC)和水稻中的PROLIFERATING CELL FACTORS(PCF)]。結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，屬于TCP蛋白家族一員。TCP結(jié)構(gòu)域由1個螺旋-環(huán)-螺旋構(gòu)型和DNA結(jié)合的基序組成[41]。玉米TB1基因可抑制側(cè)枝發(fā)育和雄花的形成，隨著植株生長，其表達量逐漸減少，即兩者呈負相關(guān)。玉米TB1的同源基因水稻OsTB1基因通過圖位克隆被分離得到。水稻中OsTB1作為分枝的負調(diào)控基因，明顯受到MOC1調(diào)節(jié)。從Ostb1轉(zhuǎn)基因水稻的表型來看，分蘗和圓錐花序的數(shù)量在過表達OsTB1水稻中減少，而在RNAi干擾OsTB1水稻中增多，進一步表明OsTB1對水稻分枝起負調(diào)控作用[42-44]。近期有報道表明，OsTB1調(diào)控OsIAA6的表達，Osiaa6干擾突變體表現(xiàn)出非正常分蘗生長，OsIAA是水稻Aux/IAA的同源基因，在莖基部的葉腋分生組織中特異表達，同時受到生長素轉(zhuǎn)運蛋白OsPIN1的調(diào)控作用。生長素轉(zhuǎn)運蛋白PIN介導(dǎo)生長素運輸，其中OSPIN1、OSPIN2和OsPIN3t/3a/10a、OsPIN5b參與生長素運輸和分布[45-48]。試驗結(jié)果表明，OsTB1調(diào)控生長素相關(guān)基因表達，進而調(diào)節(jié)生長素水平，維持植物激素平衡，參與到水稻分蘗生長調(diào)節(jié)的過程中[49]。

FC1(FINECULM1)[50]從多分蘗水稻細稈突變體fc1中被分離出來，編碼轉(zhuǎn)錄因子且與TB1基因同源，序列分析顯示，fc1的OsTb1開放閱讀框的第327位堿基(C堿基)缺失導(dǎo)致移碼突變，產(chǎn)生終止密碼子，引起了隨后的轉(zhuǎn)錄和翻譯終止。用獨腳金內(nèi)酯類似物GR24處理fc1植株時，植株表型不受影響，說明FC1是SL抑制腋芽生長所必需的，在d3突變體中過表達水稻FC1，可以部分恢復(fù)d3的表型，提示FC1作用于SL的下游，其表達量受到D53基因的抑制[34]。此外，細胞分裂素和SL可快速地減少和增加腋芽中FC1的表達量，意味著FC1/TB1可能是細胞分裂素和SL途徑的共同靶目標(biāo)[51]。

3.2 Supershoot(簡稱SPS)與bushy(簡稱BUS)

sps突變體和bus突變體均在擬南芥中被發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)為分枝和花序濃密。除此之外，bus突變體還表現(xiàn)出葉片皺縮、維管生長緩慢。在sps突變體中，細胞分裂素和生長素水平提高，SPS/BUS在植株葉腋處表達水平最高，說明SPS/BUS基因在葉腋處通過間接或直接調(diào)節(jié)植物激素水平進而調(diào)控植株腋生分生組織的形成發(fā)育[52-53]。SPS/BUS編碼的蛋白屬于細胞色素P450 CYP79F1亞家族成員，參與生長素的合成過程[52]，將CYP79F1失活后，植株頂端優(yōu)勢上升，生長素增多[54-55]。調(diào)節(jié)植物分枝發(fā)育基因的編碼蛋白及其功能等信息見表1。

4 討論

植物分枝基因包含在多個進程中：在蛋白降解途徑方面，探究蛋白與已知成分的相互作用在了解獨腳金內(nèi)酯調(diào)節(jié)植物分枝機制方面也起到了關(guān)鍵作用；在植物激素途徑方面，通過改變激素的含量調(diào)節(jié)生長素、細胞分裂素的平衡等來起作用；有些基因?qū)儆谵D(zhuǎn)錄因子，通過調(diào)控其他基因的轉(zhuǎn)錄來發(fā)揮作用。隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的快速發(fā)展，植物腋生分生組織的形成和腋芽的生長調(diào)控機制已被了解。特別是通過篩選突變體而克隆出與植物分枝相關(guān)的新基因，然后用轉(zhuǎn)基因技術(shù)鑒定出包含在植物分枝過程中的這些基因，可為闡明植物分枝發(fā)育機制提供理論依據(jù)。人們希望通過對分枝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解，找出關(guān)鍵基因并進行改造，進而培育出抗倒伏、高產(chǎn)等具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀的農(nóng)作物。

表1 調(diào)節(jié)植物分枝發(fā)育的基因

目前，已有超過100種植物品種完成基因組測序工作，部分植株突變體庫也已建立，推進了植物分枝機制的研究進程和優(yōu)良農(nóng)作物的培育工作。近幾年來，科學(xué)家從重要的單子葉模式生物水稻中克隆出大量分枝相關(guān)基因，并將其與擬南芥比較，得到同源基因。通過對水稻突變體的研究，發(fā)現(xiàn)新的基因和新的分枝發(fā)育調(diào)節(jié)途徑，有助于對植物分枝發(fā)育機制的進一步研究。

通過科學(xué)家的不斷努力，植物分枝發(fā)育分子機制及信號通路中基因間的關(guān)系逐漸清晰。但植物分枝發(fā)生過程受到多途徑調(diào)控，包括基因、遺傳、激素、環(huán)境等相互作用的調(diào)節(jié)均可影響植株分枝的正常發(fā)育。因此，人們在植物分枝發(fā)育機制的研究中還需要付出很多努力。