擬南芥成花調(diào)控途徑的研究進(jìn)展

齊仙惠，巫東堂，李改珍，趙軍良，李梅蘭

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，山西 太原 030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

植物的成花過程是高等植物從營養(yǎng)生長階段向生殖發(fā)育階段轉(zhuǎn)化的中心樞紐，是個體發(fā)育的核心內(nèi)容[1]。無論農(nóng)作物的產(chǎn)品器官是營養(yǎng)組織還是果實或種子，適宜的開花時間對生產(chǎn)和育種工作都十分重要。植物的成花包括不同花器官的形成、不同發(fā)育方式的轉(zhuǎn)變以及外界環(huán)境因子與內(nèi)部信號之間的相互作用[2]，是一個多環(huán)節(jié)多步驟的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生過程。隨著分子生物技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已分離鑒定出一系列植物開花基因，對模式植物擬南芥的成花調(diào)控途徑也已明確。

1 植物成花調(diào)控的主要途徑

植物成花具有復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制和途徑，這樣才能保證其在適宜的時間完成成花轉(zhuǎn)變，在擬南芥中，主要涉及6條調(diào)控途徑：春化途徑、光周期途徑、赤霉素途徑、自主途徑、溫敏途徑和年齡途徑。這些調(diào)控途徑彼此獨立又相互交聯(lián)，形成了具有精密調(diào)控功能的成花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

1.1 春化途徑

某些二年生植物和冬性一年生植物必須經(jīng)歷一段時間的持續(xù)低溫才能由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)為生殖生長，這一低溫誘導(dǎo)效應(yīng)稱為春化作用，依賴春化作用的成花調(diào)控途徑即為春化途徑。在春化過程中，植物會發(fā)生一系列的生理變化，從而具備成花的潛能。植物的這一生理轉(zhuǎn)變主要是因為開花抑制蛋白的沉默，在擬南芥中是指FLOWERING LOCUS C(FLC)蛋白[3]。也就是說，春化途徑是通過抑制FLC的表達(dá)來調(diào)控植物的成花。擬南芥的春化過程包括3個階段：通過激活FLC建立春化需求、低溫處理下FLC染色質(zhì)動態(tài)重組、后續(xù)發(fā)育過程中表觀修飾導(dǎo)致FLC基因沉默[4]。

FLC編碼一個MADS-box蛋白，是開花抑制因子，也是調(diào)控擬南芥春化途徑的關(guān)鍵基因。擬南芥中所有高表達(dá)的FLC突變體和生態(tài)型都表現(xiàn)為晚花，且在FLC低水平轉(zhuǎn)錄的情況下都能提早開花[5～6]。FLC的下游基因是開花促進(jìn)因子SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANS1(SOC1)和FLOWERINGLOCUST(FT)，F(xiàn)LC抑制二者的表達(dá)，并間接抑制APETALA1(AP1)和LEAFY(LFY)的表達(dá)，從而抑制成花[7]。

FRIGIDA(FRI)能促進(jìn)FLC的表達(dá)，加強(qiáng)其對成花的抑制作用，但春化作用對成花的促進(jìn)并非是通過調(diào)節(jié)FRI的表達(dá)，而是另一條與FRI促進(jìn)FLC平行的途徑[8]。擬南芥中的EARLYFLOWERING7(ELF7)和ELF8能夠通過形成復(fù)合物，協(xié)同F(xiàn)RI促進(jìn)FLC的轉(zhuǎn)錄，此外PHOTOPERIOD-INDEPENDENTEARLYFLOWERING1(PIE1)、VERNALIZATIONINDEPENDENCE3(VIP3)、VIP4和EARLYFLOWERINGINSHORTDAYS(EFS)也能促進(jìn)FLC的表達(dá)[9]。

擬南芥的VERNALIZATION1(VRN1)、VRN2和VERNALIZATIONINSENSITIVE3(VIN3)也參與了春化作用。VIN3的作用是識別低溫處理的時長，進(jìn)而抑制FLC的表達(dá)[10]。VRN1和VRN2的表達(dá)不受春化作用的誘導(dǎo)，其功能是在VIN3開始抑制FLC的表達(dá)后，持續(xù)這種抑制作用[11]。

此外也有研究認(rèn)為，溫度降低后FLC的表達(dá)下降是由染色質(zhì)聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致的。該研究認(rèn)為，對溫度變化的初始響應(yīng)是物理性的，涉及拓?fù)潇匾鸬娜旧|(zhì)聚合物折疊和循環(huán)結(jié)構(gòu)的重組，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局部重組能迅速抑制FLC的轉(zhuǎn)錄，并促進(jìn)染色質(zhì)的重組，從而使這種抑制作用由瞬時逐漸變?yōu)槌志肹3]。在春化過程中，多梳蛋白與Long noncoding RNAs(lncRNAs)結(jié)合，可在FLC位點形成抑制性染色質(zhì)環(huán)，使其變?yōu)榉€(wěn)定的抑制結(jié)構(gòu)，這一過程需要COLDAIR 和COLDWRAP的參與[12]。

在春化起始階段，當(dāng)溫度下降到某一閾值時FLC的表達(dá)受到抑制，但當(dāng)溫度回升后這一抑制作用將無法繼續(xù)，只有低溫時期足夠長時，F(xiàn)LC的表達(dá)下降才不會被溫度回升所逆轉(zhuǎn)[13,14]。春化效應(yīng)只能隨著有絲分裂在莖端生長點保持，而在減數(shù)分裂或其它有性生殖過程中消失，不能傳遞給子代，F(xiàn)LC的表達(dá)水平在胚中被還原為春化前的狀態(tài)，以此保證子代植株具有同樣的春化響應(yīng)能力。春化效應(yīng)會在胚胎發(fā)生過程中重建，且需要FLC的表達(dá)調(diào)控因子PROTEASOME ALPHA SUBUNIT F1(PAF1)復(fù)合體和FRI復(fù)合體的存在[15]。

1.2 光周期途徑

光對于植物的生長發(fā)育非常重要，在為生長提供能量的同時也是重要的外界信號。植物在接收光信號后由光感受系統(tǒng)完成對光的有無、方向以及強(qiáng)度和質(zhì)量的感受，并做出相應(yīng)的反應(yīng)[16]。光周期途徑通過植物對不同光照時間的響應(yīng)來調(diào)控植物的成花[17]。

在光周期途徑中，擬南芥通過光受體接收光信號后，將之傳遞給生物鐘，由其檢測日長的變化，并最終通過CONSTANS(CO)基因?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)化為成花信號[18]。擬南芥的光受體——光敏色素和隱花色素都能調(diào)控成花。光敏色素的調(diào)控作用表現(xiàn)為PHYTOCHROME A(PhyA)通過抑制SPAs-COP1復(fù)合體的活性而穩(wěn)定CO蛋白，從而促進(jìn)成花；相反，PhyB 能促進(jìn)CO的降解，從而抑制開花[19]，但也有研究認(rèn)為GmPHYB1過表達(dá)能使大豆在短日條件下開花提前[20]。此外，PhyB的兩個轉(zhuǎn)錄因子VOZ1和VOZ2在擬南芥中能通過調(diào)節(jié)CO促進(jìn)開花[21]；PhyC在長日照條件下與PhyA共同促進(jìn)成花，而在短日照條件下抑制成花[22]；PhyD、PhyE則是在長日照和短日照條件下均抑制成花[23]。隱花色素CRYPTOCHROME 1(CRY1)、CRY2是功能重疊的藍(lán)光受體，二者都能促進(jìn)成花[24]。

擬南芥光受體在感受光周期后，通過PhyTOCHROMEINTERACTINGFACTOR3(PIF3)、ELF3、TIMEFORCOFFEE(TIC)等將光信號傳遞給生物鐘，這些基因同時具有生物鐘調(diào)節(jié)因子的功能[25～27]。擬南芥的生物鐘由三個相互連鎖的反饋環(huán)組成，反饋環(huán)中的基因通過各自表達(dá)的晝夜周期變化調(diào)節(jié)生物鐘的晝夜節(jié)律變化。

生物鐘進(jìn)一步將光周期變化的信號輸出給CO。CO是生物鐘和開花途徑間監(jiān)測日長的重要元件，為長日照促進(jìn)開花所必需，有促進(jìn)成花的功能，其過表達(dá)可使擬南芥提前開花[28]。FT和SOC1是CO的下游靶基因。植物感受光周期的部位是葉片，而發(fā)生反應(yīng)的部位卻是莖端生長點，故推測二者之間存在一種物質(zhì)或信號的傳遞，即開花素，后來被確定為FLOWERING LOCUS T(FT)蛋白[29]。FT轉(zhuǎn)運至莖端后，激活FLOWERINGLOCUSD(FD)，并與之共同激活A(yù)P1、LFY等基因，從而最終啟動成花進(jìn)程[30]。

1.3 赤霉素途徑

赤霉素(gibberellins，GA)是一類四環(huán)二萜類化合物，能夠調(diào)控植物生長發(fā)育的眾多過程，包括促進(jìn)種子萌發(fā)和莖稈伸長、延緩葉片及果實衰老等，尤其是對植物成花具有顯著的促進(jìn)作用，甚至可以代替環(huán)境信號誘導(dǎo)成花。不經(jīng)過春化途徑和光周期途徑的調(diào)控，而僅由GA誘導(dǎo)的成花途徑即為赤霉素途徑。

GA3能促進(jìn)多種植物開花，曾一度被認(rèn)為是成花素的組分之一。對擬南芥施加外源GA1和GA3能夠促使其在短日照條件下開花，而內(nèi)源GA的生物合成受阻或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因發(fā)生突變，都會影響開花時間[31]，因此將赤霉素途徑的相關(guān)基因分為兩類：GA生物合成的相關(guān)基因(包括GA20OX、GA2OX、GA3OX等)和GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的相關(guān)基因(包括GAI、RGA、RGL1、RGL2和RGL3等)[31,33]。GAI、RGA、RGL1、RGL2和RGL3屬于DELLA蛋白，該蛋白阻遏GA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，是赤霉素途徑的負(fù)調(diào)控因子[33,34]。GA能夠使DELLA蛋白泛素化，并通過26S蛋白酶體將其降解，從而解除其對開花的抑制作用，促進(jìn)成花[35]，同時還能解除DELLA對SPOROCYTELESS(SPL)的抑制作用，激活MADS-box基因和miR172，從而調(diào)控開花時間[36]。此外，對于另一開花抑制基因SHORTVEGETATIVEPHASE(SVP)，GA也能抑制其在莖端的表達(dá)[37]。另一方面，GA能在莖端促進(jìn)SOC1、FT、LFY等基因的表達(dá)，從而直接誘導(dǎo)成花[38]。GA可與光周期途徑協(xié)同調(diào)控成花誘導(dǎo)。有研究表明，DELLA抑制開花誘導(dǎo)部分依賴于CO/FT介導(dǎo)的光周期信號途徑，并已證實DELLA能直接抑制CO，從而協(xié)同調(diào)控植物在長日照條件下的開花誘導(dǎo)過程[39]。

有研究發(fā)現(xiàn)，GA既能終止?fàn)I養(yǎng)生長誘導(dǎo)成花，也會抑制花器官的形成。GA通過多種途徑最終促進(jìn)LFY的表達(dá)，但LFY含量的增加卻誘導(dǎo)了一個細(xì)胞色素P450基因ELA1在莖尖分生組織中的表達(dá)。ELA1阻礙GA碳骨架C13的羥基化，減少GA4的合成，使依賴于GA-DELLA-AP1通路的花器官形成機(jī)制受到破壞，阻礙花芽形成，可見GA在花芽分化過程有既促進(jìn)又抑制的雙重作用[40]。

1.4 自主途徑

迄今為止發(fā)現(xiàn)的擬南芥開花突變體中還沒有完全不開花的，這說明植物還存在另外的成花調(diào)控途徑。在缺乏外界誘因，春化途徑、光周期途徑和赤霉素途徑調(diào)控受阻時，植物還能通過感受自身的生長發(fā)育狀況，在營養(yǎng)生長達(dá)到一定階段時開花，這條成花調(diào)控途徑即為自主途徑，該途徑由內(nèi)源信號所調(diào)控，主要涉及8 個基因：FLOWERINGCONTROLLOCUSA(FCA)、FPA、FLOWERINGLOCUSKHDOMAIN(FLK)、FY、FLD、FVE、RELATIVEOFEARLYFLOWERING6(REF6)和LD[41]。這些基因之間彼此互不調(diào)控表達(dá)，也不產(chǎn)生級聯(lián)放大效應(yīng)，而是平行的抑制FLC的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)成花。擬南芥的各組織器官中幾乎都有這些基因的表達(dá)，尤其是根端和莖端[42]。根據(jù)自主途徑基因編碼蛋白的類型及發(fā)揮作用的方式，可將其分為兩類，一類調(diào)節(jié)RNA的加工，另一類參與染色質(zhì)的重塑。

調(diào)節(jié)RNA加工的基因有FCA、FPA、FLK和FY，這4個基因編碼RNA結(jié)合蛋白，調(diào)節(jié)FLC前體mRNA的加工，影響FLC的轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而影響開花[42～46]；參與染色質(zhì)重塑的蛋白包括FLD、FVE和REF6，它們參與FLC染色質(zhì)區(qū)域組氨酸的去乙?；?，抑制FLC轉(zhuǎn)錄[41,42]；LD能調(diào)控LFY啟動子的活性，還能與SUPPRESSOR OF FRIGIDA4(SUF4)結(jié)合，抑制其對FLC的促進(jìn)作用[47,48]。

參與自主途徑的基因除了上述8個外，還包括DORMANCY-ASSOCIATEDPROTEIN-LIKE1(DRM1)、AtPRP39-1、ENHANCEDDISEASESUCEPTIBILITY4(EDS4)等，其中DRM1和AtPRP39-1的擬南芥突變體植株均變現(xiàn)為開花延遲，而EDS4則能促進(jìn)FLC的表達(dá)[49]。綜合以上研究結(jié)果可以看出，自主途徑和春化途徑的調(diào)控節(jié)點都是FLC基因，二者均通過調(diào)控FLC的表達(dá)來調(diào)控成花轉(zhuǎn)變[50]。自主途徑雖然獨立于其它3條途徑而存在，但該途徑的基因突變引起的開花延遲可被春化作用、遠(yuǎn)紅光或GA所恢復(fù)[51]。

1.5 溫敏途徑

除了春化途徑中的低溫誘導(dǎo)作用外，植物營養(yǎng)生長階段所處的環(huán)境溫度對于成花還有其它意義，表現(xiàn)為高溫促進(jìn)成花而低溫抑制成花，溫度對成花的這一調(diào)控方式稱為溫敏途徑。當(dāng)溫度為25～27 ℃時，擬南芥在短日照條件下的開花時間與23 ℃時長日照下的相似，說明較高的溫度促進(jìn)了擬南芥成花[52]。溫敏途徑涉及的主要影響因子有FLOWERINGLOCUSM(FLM)、SVP、HIGHEXPRESSIONOFOSMOTICALLYRESPONSIVEGENES1(HOS1)、1microRNA156/SQUAMOSAPROMOTERBINDINGPROTEIN-LIKE3(miR156/SPL3)、ACTIN RELATED PROTEIN 6(ARP6)等。

FLM是FLC的同源基因，其遺傳位點缺失是導(dǎo)致擬南芥高溫短日照下早花的主要原因。FLM功能缺失后，植株的溫度響應(yīng)能力減弱，說明FLM能調(diào)控溫度感知。高溫(27 ℃)短日照下，F(xiàn)LM轉(zhuǎn)錄本的剪接方式發(fā)生了改變，從而減弱了其對FT轉(zhuǎn)錄的抑制，促進(jìn)開花[52]。當(dāng)SVP表達(dá)量達(dá)到一定值時能與FLM發(fā)生協(xié)同作用，此外還能與FT和SOC1的啟動子結(jié)合，抑制開花[53,54]。HOS1受低溫誘導(dǎo)，通過泛素化作用負(fù)調(diào)控FVE和FLK，減弱二者對FT的激活作用，從而抑制開花，其突變體對溫度變化不敏感[55]。SPL能促進(jìn)FRUITFULL(FUL)、FT、SOC1、AGL42、LFY、AP1的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)成花[56]，擬南芥中存在17個SPL成員，其中11個的表達(dá)受miR156調(diào)控[57]，低溫(16 ℃)促進(jìn)了擬南芥miR156的表達(dá)，進(jìn)而下調(diào)SPL的表達(dá)水平，尤其是AtSPL3，從而抑制開花[48]。ARP6是一種核蛋白，通過調(diào)控FLC的表達(dá)而抑制成花，是溫敏途徑的重要組分。目前雖已鑒定出一些響應(yīng)溫度的基因，但植物感應(yīng)溫度變化的分子機(jī)制仍不清楚[58]。

1.6 年齡途徑

植物中有一些表觀遺傳因子不依賴于春化、光周期、赤霉素等途徑，而僅與年齡的增長相關(guān)，能獨立調(diào)控成花，由此而形成的調(diào)控途徑稱為年齡途徑，其中包含2個重要調(diào)控因子：microRNA和miR172。

在溫敏途徑中，SPL能促進(jìn)成花，且大多數(shù)SPL的表達(dá)受miR156抑制。除了受溫度影響外，miR156的表達(dá)還受年齡的調(diào)控，隨著植物的生長，miR156的表達(dá)水平逐漸下降，而SPL的表達(dá)水平則逐漸上升，并在花芽形成前達(dá)到最高[59]。miR156的過表達(dá)會延長植物的幼年期，出現(xiàn)分枝增多、葉片生長加速及開花延遲等現(xiàn)象，而抑制miR156的活性或使其含量降低則能促使植物進(jìn)入成年期，開花提前[57]。

另一重要調(diào)控因子miR172是SPL的直接下游基因，SPL能激活其轉(zhuǎn)錄。miR172的靶基因是APETALA2(AP2)類轉(zhuǎn)錄因子家族，包括AP2、TARGETOFEARLYACTIVATIONTAGGED1(TOE1)、TOE2、TOE3、SCHLAFMUTZE(SMZ)和SCHNARCHZAPFEN(SNZ)等[60]，miR172能通過抑制這些基因的表達(dá)而促進(jìn)成花。miR172與miR156具有拮抗效應(yīng)，二者表達(dá)模式和作用相反，miR172的表達(dá)量隨著年齡增長而升高，且過表達(dá)會導(dǎo)致擬南芥提前進(jìn)入成年期[61]。

2 成花調(diào)控途徑的整合

植物雖然存在多條成花調(diào)控途徑，且每條途徑都能獨立完成調(diào)控作用，但它們最終都是通過幾個整合基因?qū)崿F(xiàn)成花轉(zhuǎn)變調(diào)控的，目前擬南芥中的三個整合基因分別是FT、SOC1和LFY[58]。FT是光周期途徑關(guān)鍵基因CO、溫敏途徑FLM、年齡途徑SPL3等的下游靶基因，能促進(jìn)下游LFY的表達(dá)；同時FT也是春化途徑和自主途徑關(guān)鍵基因FLC的靶基因；此外，莖端的FT表達(dá)還能被GA激活，可見該基因連接了這6條成花途徑。SOC1與FT類似。各途徑的信號最終匯集于莖端，促進(jìn)LFY和AP1的表達(dá)，誘導(dǎo)成花并決定花器官的形成(圖1)。

3 小結(jié)與展望

擬南芥成花調(diào)控的6條途徑既彼此獨立又相互交聯(lián)，共同調(diào)控了成花轉(zhuǎn)變過程。現(xiàn)階段，雖然各途徑的作用關(guān)系已基本明確，但對調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的作用細(xì)節(jié)還需進(jìn)一步充實，且各基因間的作用關(guān)系大多仍基于遺傳學(xué)假設(shè)，需要進(jìn)一步證實。除上述內(nèi)容提到的大量基因外，一些代謝產(chǎn)物也參與了成花誘導(dǎo)途徑，如蔗糖可以通過FT促進(jìn)開花[62]；海藻糖合成相關(guān)基因TREHALOSE-6-PHOSPHATESYNTHASE1(TPS1)對開花調(diào)控也十分重要[63]；植物激素脫落酸、茉莉酸、油菜素內(nèi)酯等代謝過程的相關(guān)基因也參與了成花調(diào)控[64～67]，但具體是通過哪條成花調(diào)控途徑起作用還有待進(jìn)一步研究。在6條調(diào)控途徑中，前4條途徑研究的較早且系統(tǒng)，而對溫敏途徑和年齡途徑的研究還有待深入。綜上所述，今后可從成花轉(zhuǎn)錄因子的靶點分析、關(guān)鍵基因的表達(dá)模式、其他植物的成花機(jī)理、利用轉(zhuǎn)錄組等手段挖掘新基因等方面進(jìn)行研究，以不斷推進(jìn)對植物成花機(jī)理的認(rèn)識。

圖1 擬南芥成花途徑調(diào)控示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of the regulation of flowering pathway in Arabidopsis圖片源自張藝能[58]。黑色箭頭表示促進(jìn)，紅色鈍化線表示抑制。The picture was adapted from Zhang Yineng[58]. Arrows represent promotion or gene activation and blunted lines represent gene repression.