辣椒始花節(jié)位研究進(jìn)展

袁欣捷，方 榮，周坤華，張鴻燕，陳學(xué)軍

(江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜花卉研究所，江西 南昌 330200)

辣椒屬(Capsicumspp.)約有30多個(gè)物種，原產(chǎn)于美洲熱帶地區(qū)，為一年生或多年生植物，其中C.annuum、C.baccatum、C.chinense、C.frutescens、C.pubescens在6 000年前被當(dāng)?shù)厝笋Z化栽培[1]，后逐漸在世界各地廣泛種植，成為世界性重要經(jīng)濟(jì)作物。

辣椒植株為合軸分枝結(jié)構(gòu)，主莖生長到一定時(shí)候停止生長，其頂端分生組織轉(zhuǎn)化為花序分生組織，花序分生組織在適宜的內(nèi)在條件和外在環(huán)境(如日照長度和溫度)下發(fā)育為單生花，開花標(biāo)志著主莖生長的終止，由側(cè)生分生組織生長發(fā)育為新枝，不久新枝又停止生長，繼續(xù)由新枝頂端的側(cè)生分生組織代替頂端分生組織生長，不斷重復(fù)形成合軸分枝[2]。辣椒的合軸單元包括兩片對向葉和一個(gè)單生花[3]。開花作為辣椒生活史中的重要事件，協(xié)調(diào)著外界環(huán)境與植物的生命周期。開花意味著植物從營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)換到生殖生長階段。植物在適宜的時(shí)間開花才能產(chǎn)生具有生活力的種子，使世代得以延續(xù)。因此，開花時(shí)間是作物的一個(gè)主要適應(yīng)性特征，在作物馴化及適應(yīng)新氣候環(huán)境過程中起重要作用[4]，同時(shí)也是辣椒傳統(tǒng)育種中最重要的目標(biāo)性狀之一。

辣椒第一朵花的著生節(jié)位稱為始花節(jié)位，一般以主莖上從子葉到第一朵花之間的真葉(節(jié)位)數(shù)來度量，人們常常以始花節(jié)位來衡量辣椒開花的時(shí)間[3，5-6]。始花節(jié)位低的辣椒品種往往開花坐果早，在春茬種植中能適度規(guī)避雨水和病害，降低農(nóng)藥使用量，增加早期產(chǎn)量[7]，在秋茬種植中規(guī)避后期低溫環(huán)境，減少設(shè)施栽培能耗，提高產(chǎn)量[8]；始花節(jié)位高的辣椒品種開花坐果晚，能避開上市旺季，滿足市場多樣化需求。因此，研究辣椒始花節(jié)位具有重要理論和實(shí)踐意義。本文對國內(nèi)外辣椒始花節(jié)位的研究進(jìn)行了綜述，以期為深入開展相關(guān)研究，促進(jìn)辣椒熟性遺傳改良提供有益參考。雖然影響開花時(shí)間但對始花節(jié)位無明顯改變的QTLs/基因在辣椒生長發(fā)育中也具有重要意義，但不在本文綜述范圍內(nèi)，上述情況多由營養(yǎng)生長速率的改變造成[9]。

1 辣椒始花節(jié)位的遺傳定位

始花節(jié)位作為辣椒的重要熟性性狀一直備受研究者的關(guān)注。前期的遺傳定位研究發(fā)現(xiàn)，自然變異中辣椒始花節(jié)位受少數(shù)主效基因和部分微效基因控制，同時(shí)也受溫度和光照等環(huán)境影響，為數(shù)量性狀[5-6，10-11]。Barchi等[10]用Yolo Wonder×CM334的297株重組自交系群體檢測到4個(gè)始花節(jié)位QTLs(quantitative trait loci)，能解釋25%的表型變異。Mimura等[5]基于種內(nèi)雙單倍體群體構(gòu)建了包含15個(gè)連鎖群全長1 213 cM的遺傳圖譜，并將始花節(jié)位QTL定位于LG8的標(biāo)記CAMS606附近。Tan等[6]利用種間作圖群體鑒定了一個(gè)主效QTL和5個(gè)微效QTLs，能解釋2.09%～51.63%的表型變異，并將主效位點(diǎn)Nle2.2定位到標(biāo)記EPMS677和CIDHjw2_6間約2.76 Mb物理距離內(nèi)，Nle2.2位點(diǎn)與宗洪霞[12]利用茄門甜椒C.annuum和野生灌木辣椒C.frutescen種間群體檢測到的ffn22.1位點(diǎn)在同一個(gè)染色體區(qū)域?；谇捌谘芯胯b定出一些與始花節(jié)位相關(guān)分子標(biāo)記(表1)，其應(yīng)用將有助于辣椒熟性的分子標(biāo)記輔助育種。前期研究者應(yīng)用不同群體在不同的染色體上鑒定出眾多始花節(jié)位QTLs(表1)，說明辣椒對始花節(jié)位的調(diào)控涉及多基因協(xié)作的復(fù)雜生理過程。這一過程所涉及的基因及其調(diào)控始花節(jié)位的分子機(jī)制與相互關(guān)系已有初步研究結(jié)果，后續(xù)研究有望更全面地揭示辣椒調(diào)控始花節(jié)位的奧秘。

2 基于辣椒突變體發(fā)掘的始花節(jié)位調(diào)控基因

辣椒始花節(jié)位相關(guān)基因的研究起步較晚，目前已克隆的基因多為基于辣椒EMS(ethyl methanesulfonate)突變體發(fā)掘的，基于自然變異發(fā)掘的基因十分有限。Ilan Paran研究團(tuán)隊(duì)用EMS誘變辣椒材料Capsicumannuumcv. Maor(其野生型始花節(jié)位為10.3±1.0)，篩選誘變后的M2家系，找到一些與始花節(jié)位相關(guān)的基因。其中多為促進(jìn)開花的基因，如激活花分生組織決定基因Ca-ANANTHA(Ca-AN)所必需的CapsicumannuumS(CaS)基因突變后，辣椒始花節(jié)位增加到(21.3±1.1)，CaS基因控制辣椒分生組織的終止，促進(jìn)莖尖和合軸分枝的生殖轉(zhuǎn)變，為花形成所需[2]；抑制莖分生組織營養(yǎng)生長的辣椒CaJOINTLESS(CaJ)基因突變體，始花節(jié)位增至(17.0±0.6)[2，17]，該MADS-box基因能促進(jìn)花序分生組織早熟以維持辣椒單生花的形成，促進(jìn)主莖和合軸分枝開花；CaBLIND(CaBL)基因調(diào)控辣椒腋生分生組織的起始及開花轉(zhuǎn)變，該基因突變體E-2580的始花節(jié)位變?yōu)?14.0±1.6)，原本連續(xù)的合軸生長變?yōu)樵诮K止前重復(fù)一或兩次，并常常在伸長的節(jié)間額外長出一不帶腋芽的葉片[18]。Ilan Paran研究團(tuán)隊(duì)也找到少數(shù)抑制開花的基因，如FALSIFLORA(FA)基因在營養(yǎng)生長階段抑制開花，其相應(yīng)辣椒突變體提前開花，始花節(jié)位降為(8.6±0.5)，合軸單元節(jié)間變短，合軸發(fā)育中的葉片生長受到抑制，形成緊湊的植株結(jié)構(gòu)和成簇生長的花果[2-3]；此外，辣椒E-62突變體始花節(jié)位由野生型材料的(8.6±0.5)降至突變型材料的(4.0±0)，相應(yīng)候選基因?yàn)锳PETALA2轉(zhuǎn)錄因子家族的CaAP2基因，該基因據(jù)推測是辣椒開花主要阻遏基因，同時(shí)影響植株莖和果實(shí)大小[19]。

表1 不同研究中檢測到的始花節(jié)位QTLs

在辣椒中發(fā)現(xiàn)的早花突變體少于晚花突變體，原因可能是選育的優(yōu)良系中(如Maor)開花抑制相關(guān)基因在長期育種過程中被人們舍棄，這種情況在番茄中也存在[19-20]。另一個(gè)原因可能是自然界中某些引起早花的變異會帶來多種負(fù)面影響，從而使早花變異的基因數(shù)量有限，比如開花抑制因子EMF1和EMF2中發(fā)生變異能引起極早花現(xiàn)象，但是突變體種子產(chǎn)量急劇下降[21]，這種突變體在自然界生存具有劣勢，容易被淘汰。

3 辣椒始花節(jié)位調(diào)控基因功能的保守性與多樣性

人們在遺傳定位中發(fā)現(xiàn)辣椒屬內(nèi)不同物種間，辣椒與茄科其他作物(如番茄、茄子)間發(fā)掘的重要農(nóng)藝性狀QTLs間具有良好共線性，說明不同種屬可能通過相同機(jī)制控制植物生長發(fā)育[10]。研究也證實(shí)一些辣椒始花節(jié)位調(diào)控基因在其他作物中具有類似功能。比如辣椒CaJ基因與其番茄直系同源基因JOINTLESS(J)對開花都有促進(jìn)作用，同時(shí)影響合軸分枝發(fā)育，并對FA基因有上位作用[17，22]；CaS基因及其番茄直系同源基因COMPOUNDINFLORESCENCE(S)[23]和牽牛花EVERGREEN(EVG)基因[24]都在分生組織成熟中起作用；辣椒CaBL基因與其番茄直系同源基因BLIND(BL)和擬南芥直系同源基因RAX都具有調(diào)控腋生分生組織早期發(fā)育的作用[18]。

雖然在不同的植物中許多控制開花和始花節(jié)位的基因都相同，但有的基因會進(jìn)化出物種特異性功能，甚至在不同作物中作用相反。例如辣椒CaJ基因與番茄J基因除對開花有促進(jìn)作用外，還分別進(jìn)化出各自的特異功能，CaJ基因維持單生花形成并影響始花節(jié)位，J基因參與花梗離區(qū)發(fā)育但對始花節(jié)位沒有顯著影響[17，22]；辣椒CaJ基因是一個(gè)主要開花促進(jìn)因子，其擬南芥直系同源基因SVP(SHORTVEGETATIVEPHASE)則是主要開花抑制因子，SVP通過抑制開花整合子SUPPERSSOROFWOEREXPRESSIONOFCO1(SOC1)和FLOWERINGLOCUST(FT)基因抑制開花[17，25-26]；擬南芥中與SVP基因同源性最高的AGL24基因功能與SVP相反，它能通過激活SOC1基因促進(jìn)開花[27-28]；CaS基因在辣椒中為花形成所需，但其番茄直系同源基因S發(fā)生突變并不影響番茄花形成[2]；辣椒(C.annuum)中CaBL基因具有調(diào)控腋生分生組織起始的作用，而擬南芥中與CaBL基因最相近的RAX3基因?qū)σ秆啃纬蓻]有影響[29-30]，甚至在同為辣椒屬的C.frutescens中，只有少數(shù)Cabl突變體腋芽形成受到抑制，這可能是因?yàn)镃.frutescens中存在其他功能冗余相關(guān)基因彌補(bǔ)了Cabl基因突變對腋芽形成的影響[18]。

4 辣椒始花節(jié)位調(diào)控基因之間的關(guān)系

目前從辣椒突變體著手展開的研究已揭示CaS、CaJ、CaBL、FA和CaAP2等基因參與調(diào)控辣椒始花節(jié)位。為了研究CaS基因與CaJ、FA和E-62基因間關(guān)系，Cohen等[2]用Cas基因突變的雜合單株和相應(yīng)基因突變體為親本構(gòu)建F2群體，利用標(biāo)記輔助選擇從中得到雙突變體CasCaj、Casfa和CasE-62(CaAP2)：發(fā)現(xiàn)CasCaj和CasE-62雙突變體都和Cas單突變體一樣沒有花，說明在花形成方面Cas上位Caj和E-62；CasCaj雙突變體很晚才開始合軸生長，始花節(jié)位高達(dá)(61.5±1.5)，而Cas和Caj單突變體的始花節(jié)位分別為(21.3±1.1)和(17±0.6)，CasE-62雙突變體始花節(jié)位介于Cas和E-62(CaAP2)單突變體之間，說明在起始合軸生長方面Cas與Caj基因具有正向協(xié)同作用，與E-62具有加性效應(yīng)。用相同的方法構(gòu)建Cajfa雙突變體，該突變體表型類似于Caj單突變體，始花節(jié)位為17，無花簇形成，說明在頂端分生組織、合軸分生組織和花分生組織發(fā)育方面Caj上位fa；通過qRT-PCR檢測野生型、Caj突變體、fa突變體、Cajfa雙突變體中CaJ和FA基因的表達(dá)量，也證實(shí)FA抑制CaJ[17]。雙突變體Cablfa同時(shí)具有Cabl和fa單突變體的表型，即擁有大花瓣、合軸生長提前終止，此加性現(xiàn)象說明FA和CaBL在合軸生長調(diào)控中獨(dú)立起作用；而雙突變體如Cabl突變體一樣腋芽形成受到抑制，說明在側(cè)分枝方面CaBL上位FA[18]。

5 展望

辣椒是茄科重要經(jīng)濟(jì)作物，開花時(shí)間是辣椒品種改良的主要目標(biāo)性狀之一[8]。因辣椒始花節(jié)位常被用來衡量辣椒開花的時(shí)間[3，5-6]，所以一直備受科研人員和遺傳育種學(xué)者的關(guān)注。早期人們定位了一些辣椒始花節(jié)位QTLs，并開發(fā)了一些連鎖分子標(biāo)記[5-6，10，12，14-16]，多為傳統(tǒng)分子標(biāo)記，如擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、限制性片段長度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism，RFLP)和簡單重復(fù)序列(simple sequence repeat，SSR)，數(shù)量有限且與相關(guān)基因遺傳距離較遠(yuǎn)，大多不能有效用于育種材料的分子標(biāo)記輔助選擇。隨著近年測序技術(shù)升級和測序成本降低，利用第二代或第三代測序技術(shù)能快速開發(fā)高通量分子標(biāo)記[31-33]。其中單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)標(biāo)記具有共顯性、密度高、分布廣、遺傳穩(wěn)定、檢測快速、省時(shí)省力等特點(diǎn)，已在水稻、玉米、大豆、黃瓜等作物中得到有效應(yīng)用[34-38]。相關(guān)技術(shù)方法在辣椒中也顯現(xiàn)出優(yōu)勢，如Han等[39]通過對親本C.annuum‘Perennial’、C.annuum‘Dempsey’及其120株重組自交系進(jìn)行重測序，構(gòu)建了重組單元(bin)均距0.53 cM的遺傳圖譜，并檢測到86個(gè)重要QTLs。后期利用相關(guān)技術(shù)開展辣椒核心種質(zhì)資源始花節(jié)位表型和基因型鑒定，挖掘與辣椒始花節(jié)位表型多樣性相關(guān)等位基因分子標(biāo)記，將加速分子標(biāo)記輔助育種步伐，幫助育種學(xué)者在分子聚合育種過程中快速選擇適宜的始花節(jié)位材料。

在模式植物擬南芥中，約180個(gè)基因被報(bào)道參與調(diào)控開花時(shí)間，它們形成復(fù)雜的開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[40]。外界環(huán)境和內(nèi)在因素主要通過春化途徑、自主途徑、光依賴途徑、赤霉素途徑、環(huán)境溫度途徑和年齡途徑調(diào)控開花時(shí)間[40-41]。這些途徑匯聚于少數(shù)開花整合因子，如FT基因[42]、LEAFY(LFY)基因[43]和SOC1基因[44]等，這些開花整合因子與過渡到開花的時(shí)間密切相關(guān)。茄科作物番茄中也鑒定了一些影響開花時(shí)間和始花節(jié)位的基因，其中ANANTHA(AN)基因抑制開花，an突變體始花節(jié)位降低，S、FA、SINGLEFLOWERTRUSS(SFT)和UNIFLORA(UF)等基因促進(jìn)開花，相應(yīng)突變體始花節(jié)位升高[9，45-48]。辣椒中開花時(shí)間相關(guān)研究多以始花節(jié)位為考量重點(diǎn)[3，5-6]，目前已基于辣椒突變體發(fā)掘了若干對始花節(jié)位有調(diào)控作用的基因，這些基因的功能除了調(diào)控辣椒始花節(jié)位，往往還兼具其他功能(比如影響果實(shí)大小、參與花形成、影響合軸單元的節(jié)間長短等)，其同源基因在不同物種中功能可能保守，也可能發(fā)生特異性分化甚至作用相反。辣椒種質(zhì)資源中始花節(jié)位變異豐富，目前，對自然變異中始花節(jié)位多樣性背后調(diào)控機(jī)制還不清楚，環(huán)境因素如溫度和光照通過怎樣的內(nèi)源途徑影響始花節(jié)位也未見報(bào)道，辣椒開花調(diào)控途徑相關(guān)研究與模式植物相比嚴(yán)重滯后。

今后繼續(xù)運(yùn)用相關(guān)突變體挖掘辣椒始花節(jié)位調(diào)控基因，可完善辣椒始花節(jié)位調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；也可通過模式植物中已知的開花基因來預(yù)測辣椒中始花節(jié)位調(diào)控基因并加以驗(yàn)證；此外，隨著辣椒全基因組測序的完成[49-50]及測序技術(shù)的日益成熟，利用全基因組關(guān)聯(lián)分析[51]、QTL-Seq[52]、BSR-seq[53]等方法有利于快速挖掘辣椒中與始花節(jié)位多樣性有關(guān)的等位基因，可望更為全面地闡述自然變異中辣椒始花節(jié)位調(diào)控的分子機(jī)制。