大豆適應(yīng)性的分子遺傳基礎(chǔ)

林曉雅，劉寶輝，孔凡江

廣州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 分子遺傳與進(jìn)化創(chuàng)新研究中心，廣州 510006

大豆(Glycine max)是一種敏感的高溫短日照作物，是人類植物蛋白的主要來源。它起源于中國(guó)北緯30e～45e區(qū)域。成熟期是影響大豆產(chǎn)量的重要因素之一，早熟通常伴隨著低產(chǎn)，而大豆對(duì)光周期的反應(yīng)通常影響著成熟期的長(zhǎng)短。目前，大豆可以種植在廣大的地域，分布在北緯50e～南緯35e。然而，單個(gè)品種的生長(zhǎng)通常限于狹窄的緯度范圍，主要是由于大豆對(duì)光周期的高度敏感性。高緯度地區(qū)的主栽品種種植到低緯度地區(qū)會(huì)提早開花，植株矮小，結(jié)粒很少；低緯度地區(qū)的主栽品種種植到高緯度地區(qū)，則會(huì)開花時(shí)間過長(zhǎng)，不能在冬天溫度下降前結(jié)莢。因此，大豆光周期調(diào)控和開花的分子機(jī)制的解析可以為解決早熟與高產(chǎn)之間的矛盾提供理論依據(jù)，也可以為高產(chǎn)大豆的分子設(shè)計(jì)育種提供關(guān)鍵的核心模塊，從而培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的大豆栽培品種。

大豆總體而言具有廣泛的生態(tài)適應(yīng)性，但是單個(gè)大豆品種卻只能適應(yīng)狹窄的緯度范圍。這似乎很矛盾，但它們之間可以通過控制大豆開花和成熟期的數(shù)量性狀基因座(quantitative trait locus，QTL)的遺傳變異和多樣化來得到完美平衡。這些控制光周期開花和成熟的QTL在不同地方受到不同的選擇壓力并產(chǎn)生不同的自然變異，使得大豆具有適應(yīng)不同區(qū)域的能力。利用經(jīng)典遺傳學(xué)方法，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)10個(gè)主要的控制開花期和成熟期的QTL：E1～E4、E6～E10和J[1-11]。顯性E1、E2、E3、E4、E7、E8、E10基因通常導(dǎo)致晚花，而顯性E6、E9和J基因?qū)е略缁?表1)。最近幾年，隨著大豆基因組測(cè)序的完成[12]，反向遺傳學(xué)方法也揭示了許多對(duì)大豆開花至關(guān)重要的基因。

1 開花基因座的分子鑒定和基因克隆

1.1?E1基因

E1是影響大豆開花期和成熟期最重要的基因。E1基因位于大豆基因組6號(hào)染色體的著絲粒附近區(qū)域，編碼一個(gè)20.3 kDa的蛋白，是一個(gè)負(fù)調(diào)節(jié)開花的豆科特異的轉(zhuǎn)錄因子。E1主要表達(dá)于葉片，在其他組織中的表達(dá)很低，其編碼的蛋白定位于細(xì)胞核。天然突變的e1-as等位基因由于其核定位信號(hào)點(diǎn)突變而失去部分功能，導(dǎo)致一部分突變的蛋白質(zhì)不能進(jìn)入細(xì)胞核而無法行使功能，所以e1-as突變體的表型介于正常型和缺失突變體之間，是一個(gè)弱的等位變異(weak allele)[13]。E1基因參與調(diào)節(jié)大豆的光周期敏感性[14-15]。盡管E1基因在調(diào)節(jié)大豆光周期開花中起重要作用，但其同源基因在豆科植物中的功能似乎并不保守。大豆中異位過表達(dá)菜豆(common bean)E1同源基因PvE1L能抑制大豆開花，而MtE1L(來自于蒺藜苜蓿，Medicago truncatula)在大豆中異位過表達(dá)不影響其開花時(shí)間[16]。E1基因的轉(zhuǎn)錄水平在長(zhǎng)日照下有兩個(gè)峰；在短日照下，E1表達(dá)被嚴(yán)重抑制。E1在大豆中有兩個(gè)同源基因E1La和E1Lb，它們也是大豆開花的抑制子，在長(zhǎng)日照下的表達(dá)水平與E1相似[17]。利用近等基因系(near isogenic lines，NILs)，研究人員發(fā)現(xiàn)E1Lb在富含紅光或富含遠(yuǎn)紅光長(zhǎng)日照條件下抑制開花的功能是獨(dú)立于E1的[18]。特別地，e1lb可以抵消E4在富含遠(yuǎn)紅光的長(zhǎng)日照下抑制開花的功能[18]。

表1 大豆生育期基因的功能

1.2?E2 基因

E2，在生物鐘調(diào)控和開花中具有多種功能，它是擬南芥GI的同源基因，通過在大豆中圖位克隆確定[19-20]。E2在調(diào)控大豆農(nóng)藝性狀如開花、成熟、產(chǎn)量和種子質(zhì)量方面都很重要[21-22]。研究表明，大豆中的E2和擬南芥中GI的功能可能已經(jīng)分化：用E2全長(zhǎng)基因轉(zhuǎn)入擬南芥gi突變體，完全不能互補(bǔ)其表型；在野生型擬南芥Col-0中轉(zhuǎn)入E2全長(zhǎng)基因，卻可以導(dǎo)致擬南芥晚花[23-24]。E2通過抑制GmFT2a轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)開花，但是其中具體的分子調(diào)控機(jī)制尚不清楚[20]。通過研究中國(guó)不同地區(qū)栽培大豆和野生大豆的E2單倍型，研究人員發(fā)現(xiàn)E2單倍型多樣化可能有助于大豆開花時(shí)間適應(yīng)，這種適應(yīng)性促進(jìn)馴化大豆的擴(kuò)散[24]。E2基因座不參與調(diào)節(jié)光周期敏感性[15,25]。

1.3 E3 和E4 基因

E3和E4基因被證實(shí)是擬南芥光敏色素A(PHYA)基因的同源基因，分別為GmPHYA3和GmPHYA2[26-27]。E3和E4在自然條件和實(shí)驗(yàn)室光條件下的光周期開花中都起著至關(guān)重要的作用[14-15]。在擬南芥中，phyA僅在遠(yuǎn)紅光富集條件下或者自然光下調(diào)節(jié)光周期開花[28-29]。這表明大豆的phyA可能已經(jīng)演化出新的功能。大豆E3和E4的功能也已經(jīng)亞功能化，大豆E3基因座控制熒光燈(高比例的紅光/遠(yuǎn)紅光)下長(zhǎng)日照的光周期敏感性，而E3和E4基因座協(xié)同調(diào)節(jié)在白熾燈(低比例的紅光/遠(yuǎn)紅光)下的光周期敏感性[30]。因此，E3和E4在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中可能具有某些功能冗余，同時(shí)也具有某些特異性。另一方面，大豆還具有另外兩種phyA的同源蛋白：GmphyA1和GmphyA4。GmphyA1和E4可協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)低比例的紅光/遠(yuǎn)紅光下的光形態(tài)建成[27]，而GmphyA4可能是假基因[31]。核苷酸多樣性揭示GmphyA1在非同義位點(diǎn)具有比E4更低的核苷酸多樣化，表明GmphyA1可能具有的重要功能[32]。GmphyA1很可能調(diào)節(jié)更低比例紅光/遠(yuǎn)紅光（<1.0）的長(zhǎng)日照條件下的光周期敏感性，因?yàn)榫哂须p隱性等位基因(e3e3e4e4)的大豆在這種條件下表型為延遲開花[8,30,33] 。

1.4 E6 和?J 基因

E6和J基因座的隱性等位基因是大豆適應(yīng)低緯度和延長(zhǎng)生育期所必需的[5,34]。利用近等基因系材料，研究人員發(fā)現(xiàn)：E6E6比e6e6早開花，在12 h的日照長(zhǎng)度的時(shí)候達(dá)到最大化的差異[35]；E6基因開花的延遲效應(yīng)只能在短于14 h的日照時(shí)長(zhǎng)內(nèi)檢測(cè)到，在16 h光照的長(zhǎng)日照下，E6E6和e6e6開花時(shí)間沒有差異。E6基因尚未確定，但遺傳研究表明E6和J基因座可能緊密關(guān)聯(lián)[11]。J基因通過正向遺傳學(xué)、QTL克隆和精細(xì)圖位克隆的方法獲得[10,36]。當(dāng)由擬南芥EARLY FLOWERING 3(ELF3)啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的J轉(zhuǎn)化到擬南芥elf3-8突變體時(shí)，可以互補(bǔ)突變體提早開花的表型，證明J是擬南芥ELF3同源基因，并且該基因的功能進(jìn)一步通過大豆轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和近等基因系材料進(jìn)一步驗(yàn)證。J蛋白在短日照和14 h的長(zhǎng)日照條件下都能發(fā)揮作用[10]。J在短日照下通過抑制E1轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)開花[10]。

1.5?E7 和?E8 基因

E7位點(diǎn)可以在白熾光或自然光的長(zhǎng)日照條件下延長(zhǎng)開花期和成熟期，但不能在高比例紅光/遠(yuǎn)紅光下延長(zhǎng)開花時(shí)間[7]。E8E8導(dǎo)致晚熟，而e8e8則提早成熟[37]。研究表明E7位于6號(hào)染色體上，并與E1位點(diǎn)輕微連鎖。E1和E7之間的遺傳連鎖估計(jì)為6.2厘摩(centimorgan)[38-39]。因此基于它們的基因組位置，兩個(gè)E1L基因(位于4號(hào)染色體上)或GmphyA1基因(位于10號(hào)染色體上)都不是E7的候選基因。由Suinong 14和Enrei親本(均具有E1e2e3E4基因背景)產(chǎn)生的重組自交系(recombinant inbred lines，RILs)，在6號(hào)染色體上具有控制開花時(shí)間、成熟期和繁殖期的主要QTLü 這個(gè)QTL很可能是E7[40]。E8位于染色體4中，這條染色體上含有兩個(gè)E1L基因[37]。由Dongnong 50和William 82親本(均具有e1-asE2E3E4基因背景)產(chǎn)生的RILs，在4號(hào)染色體上具有控制開花時(shí)間、成熟期和繁殖期的主要QTLü 這個(gè)QTL很可能是E8[40]。還有報(bào)道顯示位于4號(hào)染色體上的QTL與E8相似，調(diào)節(jié)開花時(shí)間和成熟期[41-42]。但是，直到現(xiàn)在還沒有真正確定E7和E8位點(diǎn)的基因。

1.6?E9、E10 和其他?FT 同源基因

FT蛋白屬于磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白家族，是一個(gè)關(guān)鍵的開花整合因子。FT蛋白質(zhì)通過韌皮部從葉片轉(zhuǎn)移到側(cè)頂端分生組織并誘導(dǎo)花分生組織的發(fā)育，它們是開花途徑的主要輸出信號(hào)。大豆具有12個(gè)FT樣(FT-like)基因座位：GmFT1a、GmFT1b、GmFT2a、GmFT2b、GmFT2c、GmFT2d、GmFT3a、GmFT3b、GmFT4、GmFT5a、GmFT5b和GmFT6。其中GmFT2c基因中具有轉(zhuǎn)座子的插入導(dǎo)致其成為一個(gè)假基因，而GmFT2d具有結(jié)構(gòu)重排，導(dǎo)致該基因的功能喪失[43-44]。短日照條件下大豆三出復(fù)葉中GmFT2b、GmFT4、GmFT5b和GmFT6的表達(dá)幾乎檢測(cè)不到[43]。當(dāng)GmFT2a、GmFT2b、GmFT3a、GmFT3b、GmFT5a和GmFT5b以35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)異位在擬南芥中表達(dá)時(shí)，可以促進(jìn)擬南芥開花，表明這些基因可能是開花的誘導(dǎo)因子[43,45-46]。當(dāng)在大豆中使用RNAi技術(shù)將這些GmFT的表達(dá)下調(diào)時(shí)，大豆的開花時(shí)間被延遲了[46]。還有實(shí)驗(yàn)證明，通過在大豆中過表達(dá)GmFT2a或GmFT5a，可以誘導(dǎo)大豆提早開花[46-47]。在用CRISPR/Cas9系統(tǒng)定點(diǎn)誘變大豆GmFT2a基因后，開花也能被延遲[48]。E9被證明是GmFT2a[6,49]。E1、E3和E4可以抑制GmFT2a和GmFT5a的轉(zhuǎn)錄水平[43,50]。

GmFT1a和GmFT4是開花抑制因子，其在長(zhǎng)日照下高表達(dá)，在短日照中低表達(dá)，并且過表達(dá)實(shí)驗(yàn)證明GmFT1a和GmFT4是延遲開花的因子。此外，E1可以誘導(dǎo)GmFT1a和GmFT4表達(dá)[51-52]。E10被證明是GmFT4[9]。GmFT1b與這兩個(gè)基因表達(dá)模式相似，即長(zhǎng)日照下的表達(dá)高于短日照，所以它可能也是開花的抑制因子[52]。當(dāng)異位表達(dá)擬南芥中的GmFT6時(shí)，開花時(shí)間不受影響[45]。然而，當(dāng)它由At TFL1本源啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)入到tfl1-1突變體時(shí)，它可以完全互補(bǔ)tfl1-1提早開花表型，表明其蛋白質(zhì)功能與At TFL1類似，是開花抑制因子[53-54]。

這些基因座上的各種天然等位基因突變?yōu)榇蠖沟膹V泛適應(yīng)性提供了條件。除了這些基因外，近年來大豆同源基因在擬南芥開花相關(guān)基因中的功能也得到了一定的研究[45,55-60]。這些為我們深入和全面地了解大豆光周期開花的機(jī)制打下了基礎(chǔ)。

2 大豆在長(zhǎng)日照條件下的適應(yīng)性

為了適應(yīng)高緯度地區(qū)的長(zhǎng)日照條件，大豆需要減少或完全失去光周期敏感性，即在長(zhǎng)日照條件下提早開花。E3基因座參與感受熒光燈(紅光/遠(yuǎn)紅光為比例4.9～5.9)長(zhǎng)日照(fluorescent long day, FLD)條件的光周期敏感性[30]。但是在自然光的條件下，紅光/遠(yuǎn)紅光的比例要低得多：在日中，紅光/遠(yuǎn)紅光的比例為1.05～1.25；在清晨和黃昏的時(shí)候，紅光/遠(yuǎn)紅光的比例在0.65～1.15。所以大豆進(jìn)化出了更加復(fù)雜的機(jī)制來應(yīng)對(duì)低比例的紅光/遠(yuǎn)紅光下的光周期敏感性，我們稱之為白熾燈長(zhǎng)日照(incandescent long day, ILD)不敏感性。通常，驗(yàn)證ILD不敏感性的實(shí)驗(yàn)是在自然光和自然光的基礎(chǔ)上用白熾燈延長(zhǎng)到日照時(shí)間為20 h下分別種植同一基因型的植株，比較這兩種條件下種植大豆的開花時(shí)間，如果開花的時(shí)間沒有差別，就認(rèn)為它是對(duì)ILD不敏感的[30]。

據(jù)報(bào)道，3個(gè)成熟期位點(diǎn)E1、E3和E4在減少對(duì)ILD的敏感性方面起主要作用[15,30,61-62]。第一種對(duì)ILD不敏感的基因類型是同時(shí)缺失E3和E4基因型。這種類型也是最主要的ILD不敏感的機(jī)制，占了高緯度地區(qū)光周期不敏感植株的70%的基因型。雖然e3e3e4e4對(duì)用白熾燈延長(zhǎng)到日照時(shí)間20 h的光周期是不敏感的，但是這種基因型在20 h的白熾燈光周期下相比12 h的白熾燈光周期下，開花時(shí)間仍然有明顯的延長(zhǎng)，說明還有其他的基因在起作用[30]。第二種對(duì)ILD敏感性降低的基因型是功能缺失的e1和e3或e4等位基因。單獨(dú)將E1位點(diǎn)的功能缺失不能導(dǎo)致ILD不敏感，可能是因?yàn)榇嬖贓1L基因。我們可以從夜間打斷反應(yīng)(night break responses)中了解E1L基因?qū)饷舾行缘挠绊?。夜間打斷實(shí)驗(yàn)是研究光周期的一種方法，是將完整的夜晚用一段時(shí)間的光照打斷，以研究植物對(duì)光周期的敏感性。缺乏功能性E3和E4基因的大豆對(duì)夜間打斷處理不敏感。然而，在植物缺失E1的情況下，打斷夜間響應(yīng)仍然有部分保留。在e1背景下，同時(shí)用RNA干擾敲除E1La和E1Lb的植株中，夜間打斷反應(yīng)就消失了[17]。這說明在沒有E1時(shí)，E1L還能起一定的調(diào)控光周期的作用。此外，除了調(diào)節(jié)E1的表達(dá)外，E3和E4還調(diào)節(jié)E1La和E1Lb的表達(dá)[17]。最后一種對(duì)ILD光周期不敏感的基因類型是e1-as e3E4，在這種遺傳背景下，存在對(duì)ILD敏感和對(duì)ILD不敏感的大豆品種，因此至少一個(gè)尚不明確的基因位點(diǎn)參與調(diào)控光周期不敏感，以調(diào)節(jié)對(duì)富含遠(yuǎn)紅光的長(zhǎng)日照的敏感性[15]。最近的研究表明，E1Lb是最有可能參與這種遺傳背景來調(diào)控ILD不敏感的[18]。

可以從已有的數(shù)據(jù)推測(cè)，大豆對(duì)光周期的敏感性主要是通過phyA和E1以及它們的同源蛋白介導(dǎo)的。因?yàn)槿狈z傳材料，所以GmphyA1和E1La的功能沒有得到充分的研究。這并不能代表它們不在調(diào)控光周期的敏感性中起作用，有可能它們?cè)诜浅５捅壤募t光/遠(yuǎn)紅光下起作用。在用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)獲得了GmPHYA以及E1/E1L的單突變體以及多突變體后，可以更好地研究它們?cè)诓煌壤t光/遠(yuǎn)紅光下光周期敏感性。

3 大豆在短日照條件下的適應(yīng)性

巴西是世界第二大豆生產(chǎn)國(guó)。1960年以前，巴西的品種都從美國(guó)進(jìn)口，但是僅限于在緯度大于22e的地區(qū)種植。在1970年引入長(zhǎng)童期(long juvenile，LJ)性狀之后，大豆種植的局限性被打破，這些大豆在熱帶地區(qū)種植也能得到很高的產(chǎn)量[63-64]。LJ性狀是指大豆品種在短日照條件下，延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，延長(zhǎng)大豆開花和生長(zhǎng)期，增加大豆光合周期和生物量，最終提高產(chǎn)量的能力。到目前為止，關(guān)于LJ性狀的研究很少，只有J基因座基因已被克隆。

在短日照條件下，J蛋白可與E1啟動(dòng)子區(qū)的LUX結(jié)合元件結(jié)合，抑制E1基因的表達(dá)，從而釋放E1對(duì)FT基因表達(dá)的抑制作用。J基因的表達(dá)受光敏色素蛋白E3和E4的調(diào)控。因此，J通過E1并在E3和E4的控制下調(diào)節(jié)大豆生長(zhǎng)期和產(chǎn)量。需要進(jìn)一步研究在短日照和長(zhǎng)日照條件下的J蛋白水平，以及J蛋白水平是否也受E3和E4調(diào)節(jié)。在低緯度條件下(短日照條件下)，J基因突變可以延緩大豆成熟，大大提高大豆產(chǎn)量。與野生型J相比，突變體j可使大豆產(chǎn)量增加30%～50%。適應(yīng)低緯度的大豆栽培品種中存在至少8個(gè)J功能缺失等位基因變異。J基因中多個(gè)突變的出現(xiàn)是大豆適應(yīng)低緯度和增加產(chǎn)量的重要進(jìn)化機(jī)制，而低緯度環(huán)境脅迫是J基因變異的主要驅(qū)動(dòng)力[10]。在育種中，為了讓高緯度地區(qū)的主栽優(yōu)質(zhì)品種可以適應(yīng)低緯度地區(qū)，可以將J突變的位點(diǎn)通過雜交的方式引入其中，使它們能夠在低緯度地區(qū)獲得較高的產(chǎn)量。

4 大豆特異開花調(diào)控途徑

在過去的幾十年中，通過研究模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)，我們對(duì)光周期開花調(diào)控的基本框架和機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的了解。擬南芥是一種長(zhǎng)日照植物，它的光周期調(diào)控以CO-FT為主。FKF-CDFGI蛋白復(fù)合物調(diào)節(jié)CO基因的特定生物鐘模式轉(zhuǎn)錄表達(dá)，CRY1/2-COP1復(fù)合物、phyA和phyB調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平的CO蛋白積累，從而調(diào)節(jié)FT表達(dá)豐度，控制開花[65-68]。ELF3提供了COP1與GI形成復(fù)合物的平臺(tái)，并讓COP1降解GI。GI是一種眾所周知的CO激活子，也可以直接結(jié)合FT的啟動(dòng)子區(qū)域來調(diào)控開花[69-70]。CO直接與FT的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合并使其表達(dá)降低[71]。水稻是一種短日照植物，具有類似于擬南芥的Hd1(CO)-Hd3a(FT)途徑和水稻特異性Ghd7-Ehd1-RFT1(FT)調(diào)節(jié)途徑[65,72-74]。Hd3a是短日照主導(dǎo)的開花因子，而RFT1在長(zhǎng)日照條件下占主導(dǎo)地位[75-76]。Hd1在短日照下誘導(dǎo)Hd3a，在長(zhǎng)日照下卻抑制Hd3a，并且長(zhǎng)日照抑制作用是PHYB依賴的[77-79]，而我們不知道調(diào)節(jié)機(jī)制。雖然Hd1和Hd3a的分子特性分別類似CO和FT，但目前沒有關(guān)于Hd1與Hd3a啟動(dòng)子結(jié)合以直接調(diào)節(jié)其表達(dá)的報(bào)道。Hd17/OsELF3參與生物鐘調(diào)節(jié)并通過抑制Ghd7和Hd1表達(dá)促進(jìn)開花[80-82]。

盡管在大豆中存在許多調(diào)節(jié)光周期開花的信號(hào)傳導(dǎo)途徑[33,83-84]，但大豆也存在一條特異性調(diào)節(jié)途徑。該途徑以phyA開始并最終體現(xiàn)在GmFT表達(dá)水平變化上，但重要的核心轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)變?yōu)镋1。在長(zhǎng)日照條件下，E3和E4協(xié)同延遲開花，GmFT5a和GmFT2a受主要成熟基因E1、E3和E4控制。E3和E4誘導(dǎo)E1表達(dá)。對(duì)于E1基因的調(diào)節(jié)，E3和E4出現(xiàn)了功能分化：E3強(qiáng)烈誘導(dǎo)E1基因的表達(dá)，E4對(duì)E1的誘導(dǎo)相對(duì)較弱[56]。E1抑制GmFT5a和GmFT2a的表達(dá)[13,43,50]，從而延遲開花。此外，E1誘導(dǎo)GmFT1a和GmFT4這兩個(gè)開花抑制因子[51-52]。E1Lb的轉(zhuǎn)錄也受E3和E4的控制[17]，并且它在紅光/遠(yuǎn)紅光高比例條件下在由E4介導(dǎo)的信號(hào)通路中起主要作用[18]。盡管E1和E1lb獨(dú)立地起作用，因?yàn)槿狈λ鼈內(nèi)魏我粋€(gè)都可以導(dǎo)致大豆的開花時(shí)間提早，但是E1和E1La/b的總體水平對(duì)于下游GmFT2a和GmFT5a表達(dá)可能是重要的[18]。大豆中光周期開花分子調(diào)控途徑的模型是phyA(E3E4)-E1/E1LFT。

在短日照下，E3和E4的功能大大降低，同時(shí)E3和E4的突變只會(huì)對(duì)開花時(shí)間產(chǎn)生輕微影響[10]。E1的表達(dá)在短日照條件下也受到抑制，除非阻遏物J突變，導(dǎo)致E1在短日照下的黃昏時(shí)分表達(dá)上調(diào)，使得開花延遲[10]。J在LUX結(jié)合元件上與E1啟動(dòng)子結(jié)合，這也暗示著生物鐘晚間復(fù)合體(evening complex)ELF4-ELF3-LUX在此處起作用[85]，所以GmELF4和GmLUX對(duì)大豆光周期開花很可能也有作用。J對(duì)E1L的調(diào)控作用尚不清楚。盡管肯定還有其他因子在短日照下控制J的表達(dá)，但E3和E4可以部分地調(diào)控J的表達(dá)。我們所提出的短日照下大豆中光周期開花分子調(diào)節(jié)途徑的模型是phyA(E3E4)-J-E1-FT(圖1)，同時(shí)可以得出結(jié)論：E1是作為開花的核心轉(zhuǎn)錄因子，整合了光信號(hào)和生物鐘信號(hào)，類似于擬南芥開花途徑中的CO。

在長(zhǎng)短日照下，開花誘導(dǎo)因子GmFT2a和GmFT5a都會(huì)從葉片移動(dòng)到頂端分生組織中，它們通過與GmFDL19互作，并直接結(jié)合到GmAP1a啟動(dòng)子的順式作用元件上調(diào)控GmAP1a的表達(dá)，從而影響開花[86](圖1)。

圖1 大豆光周期調(diào)控開花的分子機(jī)制示意圖。E3和E4抑制J的表達(dá)，促進(jìn)E1的表達(dá)，具體機(jī)制未知。J通過LUX結(jié)合元件結(jié)合到E1的啟動(dòng)子上，直接抑制E1的表達(dá)。E1是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，可能通過結(jié)合到FT2a和FT5a的啟動(dòng)子上抑制它們的表達(dá)。FT2a和FT5a通過維管束從葉片轉(zhuǎn)移到花分生組織，與FDL19互作后，結(jié)合到AP1的啟動(dòng)子區(qū)域，促進(jìn)AP1的表達(dá)上調(diào)，起始開花。在長(zhǎng)日照下，J的功能未知

在另一種長(zhǎng)日照植物豌豆(Pisum sativum)中，其光周期開花機(jī)制也被深入地研究。與在大豆中一樣，phyA在感知日照時(shí)長(zhǎng)方面至關(guān)重要，它也只在長(zhǎng)日照條件下起作用[87-88]。生物鐘晚間復(fù)合體ELF-ELF4-LUX在光周期敏感性中發(fā)揮重要作用，特別是在短日照下[92]。盡管豌豆中尚未發(fā)現(xiàn)調(diào)控開花的核心轉(zhuǎn)錄因子，但也發(fā)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的FT[93]。雖然發(fā)現(xiàn)的方式不同，但從大豆和豌豆中鑒定出的重要調(diào)節(jié)成分是相似的[94]，表明豆科植物中可能存在保守的光周期開花調(diào)控機(jī)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

多年來，大豆光周期開花的研究進(jìn)展緩慢，但近年來已取得一系列突破。負(fù)責(zé)E1、E2、E3、E4、E9、E10和J基因座的基因已被確定，這極大地提高了我們對(duì)大豆光周期開花的理解。擬南芥和光周期開花的模型對(duì)于研究大豆光周期開花具有指導(dǎo)意義，擬南芥中的基礎(chǔ)研究推動(dòng)了我們對(duì)大豆光周期開花機(jī)制的認(rèn)識(shí)。在大豆中，其機(jī)制與長(zhǎng)日植物擬南芥的機(jī)制不太相同。E1是擬南芥中不存在的豆科植物特異性轉(zhuǎn)錄因子，而在大豆光周期開花中起重要作用。除此之外，E2、E3和E4的分子特性也可能已經(jīng)發(fā)生變化。研究大豆獨(dú)特的光周期開花的機(jī)制有助于從分子水平解析大豆的適應(yīng)性機(jī)制，從而為優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)大豆的推廣提供理論依據(jù)。

但是，要清楚地了解光周期如何調(diào)節(jié)大豆開花，還有許多問題需要解決。例如：E3和E4如何在長(zhǎng)日照下調(diào)節(jié)E1表達(dá)？為什么E3和E4的功能在短日照下會(huì)受到很大影響？J是否在長(zhǎng)日照下也能發(fā)揮作用？擬南芥中開花核心轉(zhuǎn)錄因子CO的調(diào)節(jié)非常精確。除了調(diào)節(jié)CO的轉(zhuǎn)錄水平外，蛋白質(zhì)水平的調(diào)節(jié)也很重要[95-99]。作為控制大豆開花的核心轉(zhuǎn)錄因子，E1蛋白水平的調(diào)節(jié)也應(yīng)該是重要的，但E1的蛋白質(zhì)水平仍然是一個(gè)謎。需要進(jìn)一步的研究來闡明大豆光周期開花的分子機(jī)制。在大豆中生物鐘相關(guān)基因的功能還亟待被鑒定，雖然J與大豆開花核心轉(zhuǎn)錄因子E1的功能被初步闡明，但E2的調(diào)控關(guān)系還基本不明確；目前已經(jīng)報(bào)道的生育期相關(guān)的位點(diǎn)之間的互作關(guān)系需要被進(jìn)一步鑒定。更多擬南芥開花相關(guān)基因在大豆中同源基因的功能也需要被研究，以完善我們對(duì)大豆光周期開花的理解。