溫光誘導(dǎo)對甜菜抽薹和開花研究概述

梁乃國，程大友，崔 杰，代翠紅，劉天驕，李俊良

(1.淮陰工學(xué)院; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱 150001)

0 前言

甜菜(BetavulgarisL)是一種重要的農(nóng)作物，每年承擔(dān)了世界上大約30%的糖產(chǎn)量。甜菜是一個高度多樣性的物種，分為可食用甜菜、葉用甜菜、飼用甜菜和糖甜菜等等。葉用甜菜在羅馬時代就已經(jīng)栽培，而糖甜菜是最近培養(yǎng)的作物之一。糖甜菜是典型的二年生作物，與其他開花植物一樣，由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)化為生殖生長是由其發(fā)育階段和外界刺激，如溫度和光照時間長短相互作用決定的。春化是許多植物發(fā)育所必須的，春化(4-5℃)處理隨后加以長日照(long-day，LD，16 h/8 h)誘導(dǎo)植物開花。多年來一直觀察到環(huán)境對糖甜菜抽薹、開花的影響，但分子機制還有待充分闡明。

開花是植物生殖生長的一個典型形態(tài)特征。模式植物擬南芥全基因組測序已經(jīng)完成。擬南芥開花的分子機制研究得比較透徹，研究發(fā)現(xiàn)擬南芥有四個開花途徑：自主途徑、赤霉素途徑、春化途徑和光周期途徑，并且探明了與這4個途徑相關(guān)的內(nèi)源和外界信號。其它植物的抽薹和開花機制的研究主要是建立在擬南芥研究的基礎(chǔ)之上。糖甜菜的抽薹和開花是由春化途徑、光周期途徑和激素途徑協(xié)同介導(dǎo)的結(jié)果。根據(jù)基因的同源性，甜菜抽薹和開花相關(guān)基因的鑒定與克隆及2個甜菜開花模型的提出為研究甜菜抽薹和開花的分子機制奠定了前期基礎(chǔ)。2013年甜菜基因組草圖圖譜繪制完成，為后續(xù)甜菜的功能基因研究提供了信息。

糖甜菜屬于長日照(long-day，LD，16 h/8 h)二年生作物，第一年為營養(yǎng)生長，形成肥大的塊根，第二年為生殖生長，抽薹、開花和結(jié)籽。但在糖甜菜生產(chǎn)實踐中，常常出現(xiàn)當年抽薹開花的現(xiàn)象，即：早抽薹。早抽薹對甜菜塊根的質(zhì)量和產(chǎn)量均有不同程度的負面影響。研究發(fā)現(xiàn)早抽薹糖甜菜根的重量，含糖量，清汁純度和可回收的糖含量均顯著降低，阻礙蔗糖結(jié)晶的有害成分如K+、Na+和α-N則明顯增加。并且早抽薹糖甜菜根部解剖結(jié)構(gòu)分析顯示維管束環(huán)數(shù)較正常植株顯著減少、根的木質(zhì)化程度嚴重、纖維化明顯，所以早抽薹糖甜菜塊根在制糖工業(yè)生產(chǎn)上加工價值降低或失去加工價值。

1 春化途徑與光周期途徑

1.1 春化基因

植物根據(jù)外部刺激和內(nèi)源性信號調(diào)節(jié)發(fā)育的進程。春化作用在優(yōu)化開花植物的生殖適應(yīng)性和促進植物從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)化過程中起到關(guān)鍵的作用。春化作用(vernalization)一般是指植物必須經(jīng)歷一段時間的持續(xù)低溫處理才能由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)化為生殖生長的現(xiàn)象，即：通過寒冷處理獲得或加速開花的能力。被子植物中春化基因(VERNALIZATION)在發(fā)育過程中具有重要的作用，春化需求存在于大量的開花植物體中，含有春化基因且對低溫響應(yīng)的物種包括禾本科的大麥和小麥、十字花科的擬南芥和豆科的苜蓿(Medicagotruncatula)[3,4]。冬季長時間的低溫是植物感知季節(jié)變化的關(guān)鍵刺激因素。春化途徑在促進作物加速開花結(jié)實方面具有重要的農(nóng)業(yè)實踐意義，春化對植物的作用穩(wěn)定持久，可持續(xù)到有絲分裂期即使其脫離春化環(huán)境。遺傳學(xué)和生理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)小麥，大麥和擬南芥的春化途徑基因。遺傳分析表明，在小麥和大麥中VERNALIZATION1(VRN1)是春化作用的主要決定基因, 控制春化作用并誘導(dǎo)開花[5]。在小麥中，春化由Vrn-1，Vrn-2，Vrn-3和Vrn-4四個主要基因控制，其中Vrn-4基因的鑒定對于加強我們對溫帶谷物中春化途徑的理解具有非常重要的意義，春化途徑的進化在溫帶谷物中似乎已經(jīng)獨立于雙子葉植物。擬南芥中FT-like1(FT1)基因(也稱為VIN3)在春化持續(xù)性檢測和春化反應(yīng)基因表達級聯(lián)變化之間具有最直接的相關(guān)性[6]。在苜蓿中，春化后施加長日照誘導(dǎo)FTa1基因表達上調(diào)，與長日照條件下擬南芥中FT-like1(FT1)基因的調(diào)節(jié)不同[7]。洋蔥(AlliumcepaL)也是一個二年生作物，春化期間AcFT2基因的表達上調(diào)，促進其開花[8]。

1.2 春化基因作用的分子機制

春化作用一般是指植物必須經(jīng)歷一段時間的持續(xù)低溫才能由營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)入生殖階段生長的現(xiàn)象。植物春化后體內(nèi)分子的穩(wěn)定性變化貫穿于后續(xù)的有絲分裂期，這一過程源于表觀遺傳學(xué)沉默。VRN1基因編碼一個與春化基因相關(guān)的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子(以原型基因MCM1，AGAMOUS，DEFICIENS，SRF1命名的一類轉(zhuǎn)錄因子)，春化激活葉片和莖尖中VRN1基因的表達，這些組織中VRN1基因表現(xiàn)出高水平的表達，促進谷物的開花[9]。VIN3基因是含有蛋白的植物同源結(jié)構(gòu)域(PHD)模體，是附加成員：VIN3-LIKE1 /VERNALIZATION5(VIL1/VRN5)通過VIL4或VERNALIZATION5/VIN3-Like1-3(VEL1-3)組成的蛋白家族的一部分[10]。研究發(fā)現(xiàn)在春化過程中，SETDOMAINGROUP7(SDG7)對于VIN3的誘導(dǎo)作用非常重要，若SDG7缺失會誘導(dǎo)產(chǎn)生春化超敏感表現(xiàn)型，如同低溫介導(dǎo)VIN3基因的表達快速上調(diào)[11]。研究還發(fā)現(xiàn)VERNALIZATION5(VRN5)基因含有一個PHD指蛋白，該基因是VIN3的同源物并且VRN5和VIN3形成的異源二聚體對于建立春化誘導(dǎo)的染色質(zhì)修飾，組蛋白脫乙?；虷3賴氨酸27三甲基化的FLC表觀遺傳沉默具有非常重要的作用[10]。VRN2是一個開花抑制因子，春化抑制VRN2基因的表達，在長日照條件下葉片中VRN2基因的表達下調(diào)，VRN1基因可能通過調(diào)節(jié)VRN2基因的表達促進FT1基因的轉(zhuǎn)錄，VRN2基因的編碼產(chǎn)物含有與擬南芥FERTILIZATION-INDEPENDENTSEED2(FIS2)和EMBRYONICFLOWER2的兩個發(fā)育抑制因子、果蠅Polycomb群體(PcG)蛋白抑制劑(SU[Z]12)2(EMF2)相似的核定位鋅指結(jié)構(gòu)蛋白。在古代南亞亞種小麥的大多數(shù)種質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了VRN-D4基因并證實了春化調(diào)節(jié)的VRN-D4基因與開花時間具有直接的相關(guān)性[12]。因為在VRN-D4第一內(nèi)含子調(diào)節(jié)區(qū)域中的三個相鄰的SNP破壞了GLYCINE-RICHRNA結(jié)合蛋白2(TaGRP2)的結(jié)合能力，該結(jié)合蛋白是VRN1基因表達的抑制因子，它們抑制了VRN1基因表達抑制因子的結(jié)合作用[13]。

1.3 春化作用的表觀遺傳學(xué)機制

1.3.1 春化的記憶性

前人已經(jīng)開展了大量的春化的表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制研究。早期研究發(fā)現(xiàn)春化與細胞記憶的形式有關(guān)并且這種記憶性可以維持數(shù)周，直到誘導(dǎo)植物發(fā)育的最優(yōu)光照條件到來。植物保留春化記憶性與春化促進開花的機制一致：發(fā)芽的種子長期暴露于低溫條件下，當轉(zhuǎn)移到正常生長溫度時便會迅速啟動花芽發(fā)育，所以植物的春化記憶性，在后續(xù)的發(fā)育過程中表現(xiàn)出春化后的作用[14]。春化記憶的分子基礎(chǔ)在擬南芥中已經(jīng)證明：春化引起開花抑制基因FLOWERINGLOCUSC(FLC)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，該基因轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的有絲分裂抑制狀態(tài)。春化作用對這些分子的影響貫穿于后續(xù)的有絲分裂過程，這一過程是由表觀遺傳學(xué)作用控制的，即使起初的環(huán)境脅迫去除后，春化作用對細胞的影響也是永久性的。植物開花后，春化的記憶性可能在種子中重置，使得春化反應(yīng)在下一代中重現(xiàn)。

1.3.2 春化作用與蛋白質(zhì)修飾

小麥和大麥中VRN1等位基因的啟動子區(qū)域是轉(zhuǎn)錄起始位點附近的一個關(guān)鍵區(qū)域，該區(qū)域含有將VRN1基因維持在非活性狀態(tài)所需的抑制因子重復(fù)元件，春化期間和春化后，VRN1的活性發(fā)生變化。染色質(zhì)的狀態(tài)(將DNA和相關(guān)組蛋白包裝成更高級的結(jié)構(gòu))似乎是VRN1基因活性不可或缺的決定因素，春化后大麥中VRN1基因染色質(zhì)上的H3K27Me3水平降低，組蛋白修飾通常與活性組蛋白3賴氨酸4三甲基化(H3K4Me3)相關(guān)，說明春化誘導(dǎo)VRN1基因位點的染色質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變，春化后繼續(xù)保持著VRN1基因位點組蛋白的修飾狀態(tài)[15]。染色質(zhì)修飾可以通過細胞分裂進行遺傳。因此，組蛋白的修飾和染色質(zhì)狀態(tài)的相關(guān)變化可能促使VRN1基因在春化后仍保持活性。充分的春化處理也會促使擬南芥開花抑制基因FLOWERINGLOCUSC(FLC)的染色質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變，擬南芥中的表觀遺傳學(xué)機制是由VRN2、VRN1、VIN3、VRN5/VIL1和PRMT5基因協(xié)同作用的結(jié)果。

春化抑制VERNALIZATION2(VRN2)基因的表達，VRN2基因編碼一個核定位鋅指結(jié)構(gòu)蛋白類似于果蠅zeste12(SU[Z]12)的Polycomb(PcG)組蛋白抑制因子和擬南芥中的兩個發(fā)育抑制因子，F(xiàn)ERTILIZATION-INDEPENDENTSEED2(FIS2)和EMBRYONICFLOWER2(EMF2)。VERNALIZATION5(VRN5)基因是VIN3基因的同系物，編碼一個PHD指蛋白，VIN3也編碼一個PHD蛋白，在充分春化處理期間，VRN5和VIN3形成的異二聚體對于建立春化誘導(dǎo)FLC位點表觀遺傳沉默所需的染色質(zhì)修飾，組蛋白脫乙?；虷3賴氨酸27三甲基化是必要的。大多數(shù)植物，動物和真菌中普遍存在PRC2元件且該元件在各物種中具有高度的保守性，植物PRC2特異性相關(guān)蛋白VERNALIZATIONINSENSITIVE3(VIN3)是春化作用中必不可少的元件并且在低溫條件下特異性表達[16]。最近的研究發(fā)現(xiàn)由VIN3，VRN2和CLF/SWN-E(z)蛋白組成的大分子量(w1000kDa)蛋白質(zhì)復(fù)合物是春化誘導(dǎo)VRN5/VIN3與VRN2-PRC2-like復(fù)合物相互作用導(dǎo)致表觀遺傳學(xué)沉默的關(guān)鍵。VRN5和VIN3形成的異二聚體對于建立春化誘導(dǎo)的染色質(zhì)修飾、組蛋白失活、FLC基因表觀遺傳學(xué)沉默所需的組蛋白H3Lys9(H3K9)和H3Lys27(H3K27)的甲基化非常重要。春化誘導(dǎo)擬南芥的表觀遺傳學(xué)沉默涉及蛋白質(zhì)元件VIN3，春化可能誘導(dǎo)其富集增加，進而誘導(dǎo)FLC染色質(zhì)上VIN3-PRC2復(fù)合物的富集，然而VIN3基因在春化期間是瞬時表達的，因此VIN3基因在春化處理期間以定量閾值的方式“穩(wěn)定”抑制FLC基因的作用，若春化作用不充分會導(dǎo)致細胞中FLC基因不穩(wěn)定性沉默進而導(dǎo)致春化反應(yīng)的高度變異性[17]。研究表明春化誘導(dǎo)擬南芥中FLC基因的表觀遺傳學(xué)沉默狀態(tài)僅在生殖生長期間重置，而在體外再生期間不重置，相比之下，經(jīng)過體外再生后僅部分保持了FLC基因的表觀遺傳學(xué)活性狀態(tài)，表明再生引起FLC基因沉默的隨機性[18]。

1.3.3 春化過程DNA的甲基化

春化誘導(dǎo)DNA甲基化的兩個主要作用：去甲基化處理可以模擬春化對植物開花的影響；植物全基因組中DNA甲基化的缺失會誘導(dǎo)早開花表現(xiàn)型。在模式植物擬南芥中，春化抑制其開花抑制基因FLOWERINGLOCUSC(FLC)的表達不直接受DNA甲基化修飾的影響。春化僅誘導(dǎo)擬南芥幼苗基因組DNA甲基化的降低。春化誘導(dǎo)擬南芥開花抑制基因FLC位點組蛋白賴氨酸9和27三甲基化的增加。研究證明DNA甲基化的動力學(xué)變化是植物和動物體中表觀基因組活性重組的一種方式,同時，DNA甲基化/去甲基化的動力學(xué)變化使得植物以及時的方式應(yīng)對環(huán)境變化，例如春化處理對表觀基因組可塑性具有非常重要的作用。甜菜DNA超甲基化處理誘導(dǎo)細胞表型和細胞壁分化狀態(tài)的修飾發(fā)生變化，且甲基化程度與細胞變化呈線性關(guān)系。然而，甜菜中BvCAC、Bv5S、BvFLC和BvVIN3基因的DNA甲基化變化不遵循全基因組的甲基化動力學(xué)規(guī)律[19]。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶可以進入線粒體DNA上的不同位點，并可能被轉(zhuǎn)移到線粒體中，這取決于春化誘導(dǎo)蛋白質(zhì)水平的變化。春化誘導(dǎo)甜菜莖頂端分生組織中DNA甲基化變化的幅度對于甜菜抽薹發(fā)育是至關(guān)重要的，通過比較研究春化后三種抽薹抗性基因型和三種抽薹敏感基因型的莖頂分生組織，發(fā)現(xiàn)了春化誘導(dǎo)甜菜DNA甲基化的幾個功能靶標，與核DNA相比，R基因型甜菜線粒體基因組比S基因型具有更高的相對甲基化水平[20]。表明春化誘導(dǎo)DNA甲基化的表觀遺傳模式參與了基因表達的調(diào)控和有絲分裂的傳遞。

1.3.4 春化過程RNA元件的作用

RNA分子具有編碼序列信息的功能并且具有很好的結(jié)構(gòu)可塑性。RNA可以通過堿基配對-連續(xù)的或二級結(jié)構(gòu)橋接形成強的結(jié)構(gòu)域或在特殊情況下形成三重結(jié)構(gòu)直接與DNA和其他RNAs相互作用,高度結(jié)構(gòu)化的RNA也可以為結(jié)合蛋白提供對接站。全基因組研究顯示，真核生物基因組廣泛的轉(zhuǎn)錄成數(shù)千個長的和短的ncRNAs[21]。長鏈非編碼RNAs(lncRNAs)已經(jīng)參與了基因調(diào)控作用，如染色體劑量補償，印記，表觀遺傳調(diào)控，細胞周期控制，核和細胞質(zhì)運輸，轉(zhuǎn)錄，翻譯，剪接，細胞分化等等?，F(xiàn)在越來越明確的是ncRNA是基因組的重要轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。LncRNAs最明確的功能是：第一，通過富集用于特定基因座染色體修飾的蛋白質(zhì)進行表觀遺傳調(diào)控基因的表達。第二，已知lncRNA抑制微小RNA(miRNAs)與其靶向mRNA之間的物理性相互作用，從而控制靶向mRNA編碼的蛋白質(zhì)水平。最后，lncRNA通過選擇性剪接結(jié)合和隔離所需的蛋白質(zhì)控制可變剪接[22]。

非編碼RNA(ncRNA)與研究得比較清楚的信使RNA(mRNA)不同，ncRNA不能編碼蛋白質(zhì)，通常根據(jù)任意長度的截斷值分為兩類，其中200個核苷酸以內(nèi)的稱為短/小ncRNA，如microRNAs(miRNAs)，而大于200個核苷酸的稱為lncRNAs[23]。lncRNAs在各種細胞和組織中表現(xiàn)出差異表達的特征和多元調(diào)節(jié)作用，新的研究表明lncRNA與增強子區(qū)域相關(guān)聯(lián)，并且這種非編碼RNAs的轉(zhuǎn)錄可以增加相鄰基因的轉(zhuǎn)錄活性[24]。所有的這些研究增強了我們對復(fù)雜生物學(xué)作用的理解。lncRNA是潛在的順式調(diào)節(jié)因子和基因活性的反式調(diào)節(jié)因子，它們作為染色質(zhì)修飾復(fù)合物和核體的映射，作為增強子和大范圍染色質(zhì)相互作用的介質(zhì)而發(fā)揮生物學(xué)功能。在動物體中，已經(jīng)證明多個lncRNA通過與基因的特異性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域相互作用，靶向抑制組蛋白的活性修飾，以表觀遺傳學(xué)的方式沉默基因的轉(zhuǎn)錄。已經(jīng)鑒定出與PRC2復(fù)合物相互作用的數(shù)千個lncRNAs，其中包括啟動子轉(zhuǎn)錄物，蛋白質(zhì)編碼基因的正義和反義轉(zhuǎn)錄本以及基因印跡位點等等[25]。PRC2復(fù)合物通過EZH2直接與lncRNAs的莖環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)合，表明lncRNAs能夠使PRC2復(fù)合物富集。在擬南芥中鑒定出與春化處理相關(guān)的COLDAIR基因，該基因從FLC基因的第一內(nèi)含子區(qū)轉(zhuǎn)錄，研究發(fā)現(xiàn)COLDAIR基因和PRC2復(fù)合物之間的物理性相互作用在春化處理期間瞬時增強并且春化作用富集PRC2復(fù)合物到FLC基因的染色質(zhì)上是COLDAIR與PRC2相互作用的前提，因此春化誘導(dǎo)COLDAIR基因的表達與PRC2復(fù)合物協(xié)同維持FLC基因的穩(wěn)定性沉默。最近的研究發(fā)現(xiàn)在春化期間COLDAIRlncRNA介導(dǎo)了PRC2復(fù)合物對FLC的抑制作用[26]。lncRNAs的“雙莖環(huán)”結(jié)構(gòu)是PRC2復(fù)合物與體外核糖核酸關(guān)聯(lián)的重要結(jié)構(gòu)域，并且“雙莖環(huán)”結(jié)構(gòu)可以形成少于100個核苷酸的結(jié)構(gòu)域，便于體外結(jié)合PRC2復(fù)合物，有趣的是，PRC2不是唯一一個與lncRNAs上的組蛋白結(jié)合的修飾復(fù)合物，lncRNAs介導(dǎo)的沉默，也包括HOX基因抑制中的HOTAIR基因[27]。FLC基因位點的另一個lncRNA，命名為COOLAIR，它參與了FLC基因春化依賴性短暫的轉(zhuǎn)錄沉默，然后通過Polycomb多梳體增強并維持表觀遺傳學(xué)沉默作用；在缺乏COOLAIR序列的FLC-GUS轉(zhuǎn)基因品系中可能存在一個Polycomb多梳體獨立的沉默途徑，該途徑經(jīng)春化誘導(dǎo)可能行使反義轉(zhuǎn)錄作用[28]。FLC開花抑制基因多個直系同源物的3′末端含有COOLAIR基因和核心啟動子的第一個外顯子結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域比FLC基因位點已經(jīng)鑒定出的大多數(shù)啟動子區(qū)域和第一個內(nèi)含子調(diào)控序列結(jié)構(gòu)域更加保守[29]。在擬南芥春化過程中I類COOLAIR行使主要的生物學(xué)功能且春化處理增加其表達豐度，然而，在FLC基因位點缺乏3′末端區(qū)域的品系或其插入品系中，春化處理沒有促進COOLAIR基因的表達。COOLAIR基因以Polycomb多梳體非依賴性方式進行轉(zhuǎn)錄，也可以沉默連鎖序列，只是這些非編碼RNAs可能行使順式或反式的作用[30]。此外，在沒有VIN3基因和PRC2復(fù)合物與非編碼RNAs轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用的情況下，COOLAIR基因在春化過程中表達的持續(xù)時間更長，表明在春化作用下COOLAIR基因具有獨立于Polycomb依賴性的功能。

2 光周期途徑

2.1 光周期概述

光周期(Photoperiods)是影響植物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因素之一。植物對光周期刺激作出反應(yīng)后，經(jīng)歷一系列生物過程進入花芽分化階段。植物開花基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)引起越來越多研究者的興趣，植物感知光周期和季節(jié)的變化，調(diào)整自身生殖生長周期與一年中最有利的季節(jié)相一致，使其獲得最優(yōu)的生長狀態(tài)。植物感知光周期長度并啟動生殖生長的轉(zhuǎn)化。光周期的季節(jié)性變化為植物同步發(fā)育提供了信號。植物根據(jù)啟動生殖生長最有效的光周期，可以分為長日照(long-day，LD，16 h/8 h)和短日照(short-day，SD，8 h/16 h)植物。當日照長度超過特定的臨界閾值時，長日照(LDs)植物開花，而短日照(SDs)植物在低于關(guān)鍵臨界閾值時開花。這些閾值是每個植物物種的特征，主要由物種起源和適應(yīng)性生長的區(qū)域決定的，例如，生長在熱帶低緯度的植物在短日照條件下就會開花，而生長在較高緯度的植物需要夏季長日照誘導(dǎo)其開花，大多數(shù)植物的開花發(fā)生在春季和夏季溫暖的季節(jié)。另外溫帶地區(qū)的植物在冬季來臨前發(fā)芽通常還需要春化作用才能夠?qū)庵芷谡T導(dǎo)做出反應(yīng)。短日照作物包括水稻、玉米和高粱，長日照作物包括小麥、大麥、甜菜、蘿卜。在這些作物的馴化和育種期間可以人為地改善日照時間的長短，以便于作物適應(yīng)新的環(huán)境。盡管植物的不同光周期反應(yīng)可以通過自然或人為的改變，但控制植物光周期開花的一些基本分子元件是高度保守的。

2.2 光周期基因

春化基因和光周期基因的變化決定了植物生命周期和發(fā)育階段的持續(xù)時間。春化反應(yīng)主要影響營養(yǎng)生長階段的時間，而光周期反應(yīng)既影響營養(yǎng)生長的時間也影響生殖生長早期的時間，如影響植物莖伸長(SE)階段的生長時間[31]。在植物開花過程中光周期基因具有重要的作用。圖位克隆確定了大麥光周期反應(yīng)的主要決定基因Ppd-H1，該基因作為光周期反應(yīng)的調(diào)節(jié)因子具有晝夜時鐘節(jié)律功能。小麥的光周期基因PPD1位于2號染色體上，其等位基因為PPD-A1、PPD-B1和PPD-D1，研究與光周期基因PPD1敏感性不同的近等基因系(NIL)發(fā)現(xiàn)光周期誘導(dǎo)植物開花時間的差異取決于每個等位基因的性質(zhì)[32]。大麥中的Ppd-H1基因是PseudoresponseRegulator(PRR)基因家族的成員，同源性比對分析顯示Ppd-D1基因與大麥的Ppd-H1基因共線性；長日照LD誘導(dǎo)溫帶谷物早開花，而在短日照SD條件下則延遲開花。PHOTOPERIOD1(PPD1)基因是控制小麥和大麥日照長度敏感性的主要因素,長日照LD下PPD1基因的突變會降低VRN3/FT基因的表達，導(dǎo)致開花延遲[33]。PRRPHOTOPERIOD1(PPD1)基因參與FT基因的光周期激活，其負責(zé)小麥和大麥開花的大部分自然變異，含有顯性PPD1基因表達高的植株FT基因也具有高表達水平并且表現(xiàn)出早開花表型，而含有隱性ppd1基因的植株FT基因表達水平也較低并且表現(xiàn)出晚開花表型[34]。PPD1蛋白與水稻和高粱的PRR37蛋白質(zhì)是同系物，長日照LD條件下它們的開花都受到抑制。已經(jīng)在小麥和大麥中鑒定出CO和Hd1基因的同源物，大麥中基因的過表達為研究Hd1基因的同源物在開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的作用提供了依據(jù)[35]。擬南芥FLOWERINGLOCUST(FT)基因編碼成花誘導(dǎo)蛋白，確定開花時間，而CONSTANS(CO)轉(zhuǎn)錄因子在長日照(LD)條件下直接激活FT基因的轉(zhuǎn)錄促進擬南芥開花。光周期調(diào)節(jié)擬南芥CO基因的表達對于光周期長度依賴性誘導(dǎo)FT基因的轉(zhuǎn)錄至關(guān)重要。最近的研究發(fā)現(xiàn)PHYTOCHROMEC(PHYC)基因為光周期途徑的光受體，在光周期誘導(dǎo)條件下phyC基因的突變體植株表現(xiàn)出開花延遲表現(xiàn)型[36,37]。

2.3 光周期作用的分子機制

長日照LD和短日照SD條件下，大麥中HvCO1和HvCO2基因的過表達促進開花，但由于PPD1基因?qū)vFT1基因的獨立控制，植物保留了光周期的敏感性[38]。有趣的是，在長日照LD和短日照SD條件下HvCO2基因的過表達使得VRN2基因的表達上調(diào)，盡管VRN2抑制因子表達增加，但HvCO2基因的過表達可能通過獨立于VRN2基因的途徑促進開花，因此，大麥的開花是由兩個平行途徑控制FT基因的表達控制的[39]。春化作用使得小麥葉片中VRN1基因抑制VRN2基因的表達，VRN2基因與水稻Ghd7基因相似且具有開花抑制因子共同的序列，在開花轉(zhuǎn)化期間VRN2基因的表達下調(diào)，而VRN3基因表達升高。VRN3蛋白(在小麥和大麥中分別命名為TaFT和HvFT)是擬南芥和水稻成花素的同系物，在溫暖的環(huán)境和長日照LD條件下遷移到莖頂端分生組織促進開花[40]。大麥和小麥的VRN3基因感知光周期信號促進開花的轉(zhuǎn)化，如圖1所示。

圖1 小麥三個春化基因之間的遺傳相互作用Fig.1 The interactions of three vernalization genes in Triticeae

雙子葉植物擬南芥的光周期開花過程中的核心遺傳和分子機制已經(jīng)研究得比較明確。擬南芥或許不能完全代表所有植物物種，但它可以為研究其它植物物種提供實驗研究的概念框架，也可以用于探討遠距離相關(guān)植物不同分子機制的進化。擬南芥FT基因與苜蓿FTa1基因相比較發(fā)現(xiàn)，苜蓿中的FTa1基因在長日照條件下是晝/夜循環(huán)組成型表達的，而擬南芥中的FT基因僅在長日照結(jié)束時直接由CO蛋白協(xié)同作用上調(diào)表達的。光周期誘導(dǎo)開花模型的關(guān)鍵基因CO的最突出特征是光依賴穩(wěn)定性。長日照(LD)促進擬南芥開花，晝夜節(jié)律時鐘控制環(huán)境反應(yīng)中幾個基因的節(jié)奏性表達，其中，GIGANTEA(GI)蛋白和FLAVINBINDINGKELCHREPEATF-BOX蛋白1(FKF1)在光周期期間表達，并以光依賴性的方式相互作用[41]。擬南芥GI基因在光周期開花途徑中具有多重作用，首先，GI蛋白與FKF1同源物ZEITLUPE(ZTL)和LOVKELCH蛋白2(LKP2)相互作用，然后與FKF1一起協(xié)同靶向CYCLINGDOFFACTOR2(CDF2)蛋白，降解CDF2蛋白同時激活CO基因的轉(zhuǎn)錄，促進開花。另外，GI蛋白具有穩(wěn)定FKF1和ZTL蛋白的作用；第二，GI蛋白與植物相關(guān)的FT基因抑制因子(SVP)，TEMPRANILLO1(TEM1)和TEM2在植物體內(nèi)形成具有生物學(xué)功能的復(fù)合體；第三，GI蛋白通過microRNA172(miR172)途徑間接誘導(dǎo)FT基因的轉(zhuǎn)錄。調(diào)控RNA代謝是指導(dǎo)植物啟動開花分子機制的關(guān)鍵組成部分。一組RNA結(jié)合蛋白通過自主開花途徑發(fā)揮其作用。由微小RNA(miRNA)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄后機制在開花時間控制中也起關(guān)鍵作用。研究證明GIGANTEA(GI)調(diào)節(jié)的miR172定義了一個獨特的遺傳通路，通過誘導(dǎo)獨立于CONSTANS(CO)的FT基因調(diào)節(jié)光周期開花。值得注意的是，GI介導(dǎo)的miRNA加工通過光周期調(diào)節(jié)miR172的豐度，即使在沒有功能性CO的情況下，植物體內(nèi)miR172的過量產(chǎn)生在長日照和短日照下也表現(xiàn)出早開花，表明miR172通過一個CO非依賴性遺傳通路促進光周期開花。因此，GI介導(dǎo)的光周期開花受兩種不同的遺傳途徑協(xié)調(diào)相互作用控制：一種通過CO介導(dǎo)，另一種通過miR172及其靶介導(dǎo)[42]。長日照LD促進擬南芥光周期開花途徑的中樞調(diào)節(jié)因子CONSTANS(CO)轉(zhuǎn)錄增加，而基因編碼抑制因子CYCLINGDOFFACTOR(CDF)抑制CONSTANS(CO)的表達。研究發(fā)現(xiàn)GIGANTEA(GI)和F-box蛋白FKF1可以不同程度的增加CO的轉(zhuǎn)錄，證明FKF1相互作用蛋白GIGANTEA(GI)和ZEITLUPE(ZTL)參與CO穩(wěn)定性調(diào)節(jié)[43]。FLAVIN-BINDING，KELCHREPEAT，F(xiàn)-BOX1(FKF1)蛋白在保持COmRNA和CO蛋白的適當光周期表達模式中起到關(guān)鍵性的作用[44]。擬南芥中除了主要的GI-FKF1-CDF模塊外，還有一些機制有助于轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后CO的表達，包括轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，COP1和CO在體內(nèi)和體外通過CO的C末端區(qū)域相互作用，COP1主要在黑暗中促進CO的降解，然而，在光照下植物通過色素B依賴性機制，CO降解獨立于COP1的作用，因此，COP1通過減少夜間CO的豐度從而延遲了短日照SD條件下的開花，有助于植物感知光周期的變化[45]。通過COP1泛素連接酶的活性促進CO的磷酸化增強了CO轉(zhuǎn)化率，從而有助于光周期開花反應(yīng)[46]。最近的研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中的E3泛素連接酶高表達的OSMOTICALLYRESPONSIVEGENES1(HOS1)與CO物理性相互作用，使得CO富集，進而促進FT的表達，CO蛋白的豐度不僅受E3酶的調(diào)控，而且還通過兩種CO變體之間的動態(tài)相互轉(zhuǎn)換進行自主調(diào)節(jié)，包括CO的選擇性剪接產(chǎn)生兩種蛋白質(zhì)變體，全長COα和缺乏DNA結(jié)合親和力截短的COβ，這些研究結(jié)果表明，CO在擬南芥光周期開花期間維持其晝夜富集的動力學(xué)平衡[47]。同時發(fā)現(xiàn)植物色素B(phyB)能夠調(diào)節(jié)開花時間，作用于韌皮部伴侶細胞，phyB與HOS1和CO物理性相互作用，表明這三種蛋白質(zhì)可能存在于擬南芥光周期反應(yīng)復(fù)合物中[48]。所以在長日照期間，CO表達形式是最高的，在晝夜循環(huán)時期，作用于韌皮部的伴侶細胞的CO蛋白質(zhì)可以直接促進系統(tǒng)性開花信號元件FT的表達。CO蛋白對FT轉(zhuǎn)錄水平和節(jié)律性的影響由幾類蛋白質(zhì)包括轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄共調(diào)節(jié)子，光受體，組蛋白-like蛋白和泛素連接酶相互作用介導(dǎo)的[49]。因此，光周期開花途徑盡管與其他調(diào)控途徑大部分相互關(guān)聯(lián)，但可以簡化成線性分子級聯(lián)，其主要輸出是FT蛋白。充分春化的蕓薹屬植物中BrCKA2和BrCKB4基因的表達使得CK2活性增加，導(dǎo)致時鐘基因BrCAA1光周期縮短，BrCAA1基因在植物感知光周期方面具有重要的作用[50]。在春化植物的葉片中VRN1下調(diào)VRN2的表達，長日照光周期誘導(dǎo)FT1基因轉(zhuǎn)錄促進開花。光周期是大麥VRN2基因位點的兩個ZCCT基因HvZCCTa和HvZCCTb表達水平的主要決定因素。長日照光周期條件下，在冬季大麥中檢測到HvZCCTa和HvZCCTb基因的高水平表達，春化長日照誘導(dǎo)HvVRN1基因表達，而HvZCCTb基因的表達受到抑制，因此，HvVRN1基因介導(dǎo)了春化反應(yīng)，而HvZCCTa和HvZCCTb基因響應(yīng)長日照光周期，長日照光周期抑制非春化植物的開花。

2.4 光周期途徑的進化

長日照植物擬南芥及其開花時間的光周期控制一直是光照時間長短研究的模型。在擬南芥中，CO蛋白是光周期控制開花的中心元件，通過GI-FKF1，CDF和FLOWERINGBHLH(FBH)進行晝夜節(jié)律時鐘和光周期調(diào)節(jié)CO的表達。光受體、E3泛素連接酶控制CO蛋白和與其相互作用的蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，這些復(fù)雜的調(diào)節(jié)使得開花基因FT正確表達[51,52]。然而，有多種不同的和特定的光周期開花調(diào)節(jié)機制，在短日照植物水稻中，CO蛋白質(zhì)的同系物在長日照光周期條件下作為抑制因子，短日照光周期條件下作為激活因子，而另一個同系物COL無論在長日照還是短日照光周期條件下都抑制開花[53]。在苜蓿和豌豆中，CO似乎對開花時間沒有影響，尤其是在后續(xù)的發(fā)育中，F(xiàn)T基因的表達僅由CDF基因控制[54,55]。進化的證據(jù)表明，CO啟動子順式調(diào)節(jié)元件的自然變化改變物種的開花時間。此外，植物會根據(jù)其地理位置進行不同開花機制的生態(tài)型局部適應(yīng)性調(diào)整，水稻、馬鈴薯和大豆的光周期開花機制研究證明了植物可以優(yōu)化其生殖生長的時間[56-58]。雖然CO是否是被子植物光周期開花途徑中廣泛存在的中心元件一直存在爭議，但是GI-CDFs-CO-FT核心在遠距離相關(guān)開花植物中是高度保守的。研究證明COLs和DOF調(diào)節(jié)因子已經(jīng)從單一的普通藻類祖先，通過復(fù)制、擴增和發(fā)散模式進行了基因進化[59]。C.reinhardtii植物的單拷貝DOF(CrDOF)表達的CO(CrCO)蛋白質(zhì)光周期誘導(dǎo)開花機制與擬南芥的不同，在短日照光周期條件下CrDOF通過與其啟動子的直接結(jié)合誘導(dǎo)CrCO的表達，然而，在長日照光周期條件下，以不依賴CrCO的方式抑制細胞周期的進程[60]。CrCO是參與碳代謝和細胞周期等關(guān)鍵生理過程的中心樞紐，其表達受光周期控制，該基因突變嚴重影響藻類合成淀粉和細胞分裂與生殖生長的能力，當異位表達時，兩個基因在擬南芥中都表現(xiàn)出同源性功能，CrCO誘導(dǎo)開花，而CrDOF延遲開花。有趣的是，COL1與CO具有80%的氨基酸相似性，但COL1基因的過表達不會誘導(dǎo)開花時間的變化，可能存在另一個進化機制：它必須含有藻類蛋白質(zhì)保守的三級結(jié)構(gòu)，通過植物調(diào)節(jié)機制和模擬同系物的功能進行識別，該進化機制可能不是獨立性的，因為在擬南芥中觀察到表達番茄CDF基因的表型[61]。

在維管植物中，DOFs和COLs基因的大多數(shù)功能已經(jīng)從它們的共同祖先遺傳下來，例如，CO啟動淀粉生物合成、DOF的轉(zhuǎn)錄因子OBP1控制細胞周期[62]。DOF-CO模塊不僅共同進化，而且還有一組基因和與這些基因相關(guān)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，此外，COLs和DOF在整個進化過程中獲得了植物特異性的光依賴性功能[63]。

2.5 激素途徑

植物激素赤霉素(GAs)幾乎是所有植物器官正常生長所必需的，它的功能包括促進細胞分裂、細胞伸長、種子萌發(fā)、莖伸長、葉、種子、果實等發(fā)育并且赤霉素通常是響應(yīng)環(huán)境變化的[64]。最近的研究證明赤霉素(GAs)和光周期途徑在長日照光周期條件下協(xié)同誘導(dǎo)開花。在兼性長日照和春化需求的擬南芥中，赤霉素(GAs)是誘導(dǎo)開花四種相互作用的途徑之一。2007年宋賢勇等用酶聯(lián)免疫吸附法測定春蘿卜抽薹期間頂端生長點處嫩葉中內(nèi)源性激素赤霉素(GAs)和脫落酸(ABA)的含量變化，發(fā)現(xiàn)赤霉素在抽薹期含量顯著性增加，說明赤霉素對春蘿卜的抽薹具有主導(dǎo)作用，ABA含量的變化趨勢與赤霉素基本一致，ABA在抽薹早期可能具有與赤霉素相似的作用[65]。2009年黃兆峰等用不同濃度的GA3處理甜菜幼苗期莖的生長點，然后測定抽薹率，發(fā)現(xiàn)甜菜的抽薹率隨著處理濃度的增加而增加，推測GA3 在甜菜抽薹過程中具有信號傳遞的作用[66]。赤霉素(GAs)和長日照光周期可以誘導(dǎo)二年生植物的抽薹和開花，春化作用誘導(dǎo)抽薹是長日照植物開花的先決條件，GAs可以代替二年生植物的春化作用，如在L.perenne非水化的莖伸長生長起始過程中，GAs也可以替代長日照光周期的作用。擬南芥中SUMO依賴性DELLA積累的研究表明在沒有GAs的情況下，DELLA的SUMO化通過與位于GID1區(qū)域中的SIM基序相互作用來螯合GAs受體GID1，使得DELLA蛋白質(zhì)富集而抑制生長；在GAs存在的條件下，GID1-GA復(fù)合物協(xié)同SLEEPY1(SLY)靶向DELLA，泛素(Ub)化介導(dǎo)蛋白酶體的降解，進而促進植物生長，如圖1-2所示[67]。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性植物激素和MeJA的含量變化與大蒜抽薹和球莖形成高度相關(guān)，表明植物內(nèi)源性激素是普遍存在的發(fā)育刺激因素[68]。擬南芥fk-J3158品系春化處理三周后可以緩解其延遲開花表現(xiàn)型，春化處理誘導(dǎo)Fk-J3158品系中FLC基因的表達下調(diào)，表明FK可能通過赤霉素(GAs)途徑和春化途徑影響擬南芥的開花[69]。遺傳分析表明，GA誘導(dǎo)FT基因的表達依賴于光周期信號傳導(dǎo)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子CONSTANS(CO)的作用，而DELLA蛋白質(zhì)是GA信號中一組關(guān)鍵的抑制因子，可以與CO轉(zhuǎn)錄因子物理性相互作用，CO作用于DELLA蛋白質(zhì)的下游，DELLA-CO的級聯(lián)抑制CO/FT介導(dǎo)的開花反應(yīng)，長日照光周期條件下CO蛋白質(zhì)的富集使得REPRESSOROFGA1-3蛋白質(zhì)顯著性降低而促進開花[70]。在短日照光周期條件下，研究發(fā)現(xiàn)一個關(guān)鍵的螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子NFL能夠特異性誘導(dǎo)擬南芥開花，NFL是通過GA信號通路在短日照光周期非誘導(dǎo)條件下促進開花的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[71]。

注：GA不存在的情況下DELLA積累，GA存在的情況下DELLA泛素化降解圖2 擬南芥中DELLA積累的模型Fig.2 Model of DELLA accumulation in Arabidopsis

3 甜菜春化、抽薹和開花分子機制研究現(xiàn)狀

3.1 甜菜春化基因

甜菜是一個高度多樣性的物種，自然條件下具有一年開花和二年開花的特點，與擬南芥類似。在野生型甜菜群體中也發(fā)現(xiàn)了甜菜生命形式與緯度的重要關(guān)系。二年生甜菜在法國的大西洋和地中海沿岸北部生長而一年生甜菜主要在南部生長。二年生糖甜菜第一年為營養(yǎng)生長，第二年為生殖生長，甜菜的開花需要春化和光周期協(xié)同作用。使用RNASeq方法生成甜菜第一個參考轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，對施加和不施加GA的兩個甜菜品種以及施加和不施加GA的兩個甜菜春化品種的莖頂端mRNA進行基因表達譜分析和生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了與基因型和處理條件相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)差異，對春化和赤霉素(GAs)處理的表達譜分析發(fā)現(xiàn)春化處理誘導(dǎo)BvRAV1-like基因表達上調(diào)。

3.2 甜菜抽薹基因

2014年許園園等采用電子克隆和基因組步移方法分離蘿卜RsFPF1基因gDNA和cDNA及啟動子序列，時空表達和轉(zhuǎn)基因驗證分析證明RsFPF1基因的表達受光周期調(diào)控，在蘿卜抽薹開花方面具有調(diào)控作用[72]。2008年原玉香研究白菜BrFLCs基因序列，發(fā)現(xiàn)有2個變異位點(Pi5+104和Pi6+1)與抽薹相關(guān)，BrFLC1基因剪接位點的G-A突變與抽薹直接相關(guān)，并進一步定位了抽薹相關(guān)的分子標記[73]。國內(nèi)在溫度和光周期誘導(dǎo)甜菜抽薹、開花方面的研究起步較晚，2001年常纓對溫光誘導(dǎo)甜菜當年抽薹機理的形態(tài)、生理變化和基因表達差異進行了研究，發(fā)現(xiàn)可能與抽薹相關(guān)的形態(tài)、生理指標的變化規(guī)律及11條可能與抽薹相關(guān)的差異帶[75]。2003年戴建軍等對甜菜當年抽薹差異表達基因進行克隆，得到一個693bp的片段，同時對cDNA和基因組DNA進行PCR擴增及克隆得到609bp和855bp兩個基因片段[76]。2012年谷維等發(fā)現(xiàn)甜菜抽薹期飽和脂肪酸的含量增加，不飽和脂肪酸的含量減少，氨基酸的總量增加[77]。甜菜抽薹是開花的前提，B位點基因稱之為“抽薹基因”，決定了一年生和二年生甜菜開花的不同表現(xiàn)型。二年生甜菜含有純合的隱性(bb)基因，自然條件下，二年生甜菜的抽薹需要充分的春化處理，即長期低溫(4-5℃)處理。長日照光周期條件下一年生甜菜(BB或Bb)無需春化就可以抽薹開花。2012年P(guān)in等應(yīng)用圖位克隆方法鑒定了抽薹基因B，系統(tǒng)遺傳分析表明BvBTC1屬于PRR3/PRR7的分支，春化和長日照光周期處理二年生甜菜可以誘導(dǎo)BvBTC1基因表達，而BvBTC1基因是BvFT2基因上游的一個調(diào)節(jié)因子，在環(huán)境誘導(dǎo)條件下，BvBTC1基因?qū)τ谔鸩说某檗?、開花具有關(guān)鍵性的作用[78]。Sebastian等證明在甜菜中含有春化反應(yīng)的FLC同源基因BvFL1，BvFL1的過量表達導(dǎo)致甜菜晚抽薹，即：春化后延遲抽薹，該研究第一次證實BvFL1基因在春化誘導(dǎo)甜菜抽薹和光周期反應(yīng)中的調(diào)節(jié)作用[79]。Dally等鑒定了一個新的抽薹基因B2，B2基因含有一個類似于BvFT1和BvFT2上游BTC1基因的轉(zhuǎn)錄因子，該基因的晝夜波動變化與B基因上位互作，根據(jù)它與擬南芥基因的緊密同源性命名為BvBBX19，它是一個主要的開花時間調(diào)節(jié)因子，編碼的蛋白質(zhì)含有2個與鋅脂B-boxes結(jié)構(gòu)同源的保守結(jié)構(gòu)域[80]。

3.3 甜菜開花基因

甜菜中與擬南芥開花抑制基因FLC高度同源的BvFL1基因定位在Ⅵ號染色體上，在轉(zhuǎn)基因擬南芥中BvFL1是一個開花抑制因子，類似于擬南芥的MAF2基因，二年生甜菜的抽薹和開花需要春化處理，春化抑制BvFL1基因的表達而脫春化又恢復(fù)了BvFL1基因的表達，從而抑制開花[79]。甜菜的光周期途徑存在一個COL基因家族，COL基因群體分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，具有鋅指和CCT(CO,CO-like,TOC)結(jié)構(gòu)域特征，BvCOL1是擬南芥1aCOL基因群體的一個緊密同系物，定位在Ⅱ號染色體上遠離B基因位點，與開花相關(guān)[81]。2010年P(guān)in等鑒定出甜菜開花時間基因BvFT1和BvFT2，它們是擬南芥FT基因的2個旁系同源基因，在轉(zhuǎn)基因擬南芥中BvFT2基因促進開花，而BvFT1基因抑制開花，BvFT2基因的表達水平與一年生和二年生甜菜的開花起始相關(guān)，說明BvFT2基因是甜菜開花發(fā)育的關(guān)鍵基因，BvFT1和BvFT2基因的表達是相互抑制而不是重疊的，首次提出甜菜開花模型，如圖1-3所示[82]。BvFT1和BvFT2基因在一年生甜菜中的表達方式相反且與光周期相關(guān)；在春化處理的二年生甜菜中BvFT1基因表達下調(diào)，說明春化抑制BvFT1基因的表達，因此春化和光周期途徑是通過BvFT1和BvFT2基因協(xié)同作用促進甜菜開花的。

圖3 甜菜開花模型Fig.3 The flowering model of sugar beet

模式植物擬南芥的全基因組圖譜已經(jīng)繪制完成。隨著研究的不斷深入，甜菜全基因組圖譜草圖在德國馬普實驗室完成。2012年Dohm等完成了甜菜所有9個染色體組綜合基因組信息的遺傳和物理圖譜，圖譜含有表達序列標簽和細菌人工染色體末端序列制備的1127個單一多聚核苷酸標記，最后的物理圖譜包含了535染色體固定重疊區(qū)，含有8361個探針和22815BAC克隆系，基于此項研究又鑒定出甜菜基因組中薔薇類植物和菊類植物祖先的連鎖群，綜合基因測序和物理性圖譜檢測，發(fā)現(xiàn)甜菜和真雙子葉植物擬南芥、白楊、葡萄樹、可可樹基因組序列的1400-2700個基因片段具有同線性[83]。甜菜基因組圖譜草圖的完成為后續(xù)分子研究提供了信息工具。2013年馬普實驗室對甜菜基因組草圖信息進行了進一步的補充，Dohm等對基因組進行高級比較分析和系統(tǒng)發(fā)生重建，將組成基因組567Mb堿基中的 85%的序列分配到染色體上，組成一個含量為63%的大比例重復(fù)序列，然后通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫和序列同源性預(yù)測得到27421個編碼蛋白的基因。甜菜基因組測序使得影響農(nóng)藝學(xué)相關(guān)性狀的基因鑒定成為可能，為甜菜分子設(shè)計育種和潛在能源植物的生物技術(shù)最大化提供指導(dǎo)。

4 展望

今后有必要 對甜菜開展春化長日照(VLD)、春化短日照(VSD)、非春化長日照(NVLD)、非春化短日照(NVSD)的不同生長時期葉片中與甜菜生長發(fā)育相關(guān)的基因表達差異、蛋白質(zhì)組學(xué)差異、和春化、光周期誘導(dǎo)甜菜抽薹和開花相關(guān)基因的數(shù)據(jù)挖掘研究。探討春化與非春化、長日照與短日照甜菜不同生長階段基因表達、蛋白質(zhì)組學(xué)和生理指標的變化與甜菜抽薹和開花的關(guān)系，為進一步明確溫光誘導(dǎo)甜菜抽薹和開花的分子機制奠定基礎(chǔ)。