光周期調(diào)控植物開花分子機(jī)制以及CCT基因家族研究進(jìn)展

袁璽壘，王振山，賈小平，桑璐曼，李劍峰，張 博

(河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471023)

植物從營養(yǎng)生長到生殖生長的成花轉(zhuǎn)變是適應(yīng)外界環(huán)境確保自身繁衍的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要受內(nèi)部調(diào)控和外部環(huán)境的共同作用[1]。植物開花調(diào)控主要涉及光周期途徑、春化途徑、自主途徑和赤霉素途徑[2-3]。隨著相關(guān)研究進(jìn)一步深入，年齡途徑、細(xì)胞分裂素途徑、油菜素內(nèi)酯途徑、溫敏途徑、糖代謝等新的開花調(diào)控途徑也相繼被發(fā)現(xiàn)[4-11]。光周期是影響植物生長發(fā)育的一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)境因素，有關(guān)光周期調(diào)控植物開花的分子機(jī)理在擬南芥、水稻中有大量報(bào)道，特別是作為禾本科模式作物的水稻，其光周期研究成果對玉米、高粱、谷子等農(nóng)作物研究具有重要借鑒意義。本文以擬南芥、水稻、高粱、谷子4種植物為代表，概述了光周期調(diào)控開花途徑最新研究進(jìn)展以及CCT結(jié)構(gòu)域基因家族在植物開花調(diào)控中所起的關(guān)鍵作用。

1 擬南芥光周期調(diào)控開花途徑概述

擬南芥作為經(jīng)典的長日照植物，在長日照狀態(tài)下能提前開花，短日照抑制開花，光周期調(diào)控開花途徑已經(jīng)十分清晰，也比較完善，為其他作物相關(guān)研究提供了重要的參考[12]。擬南芥的開花分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)非常重要的開花調(diào)控因子，分別是FLOWERINGLOCUST(FT)、LEAFY(LFY)和SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCO1(SOC1)。FT是一種開花因子，受到上游基因CONSTANS(CO)的直接調(diào)控，同時(shí)FT還受到春化途徑和自主途徑中FLC基因的調(diào)控，主要在葉片中表達(dá)后，通過轉(zhuǎn)運(yùn)至植株莖的上部分，從而激活花的分生組織特異性基因的表達(dá)，促使植株抽穗開花[13-14]。在光周期途徑中通過光敏色素對光信號的感知，感受光照和黑暗的長短以及光的強(qiáng)弱程度，產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，形成晝夜節(jié)律，如果晝夜長度發(fā)生改變，就會破壞已有的平衡，導(dǎo)致某些開花的基因表達(dá)受到促進(jìn)或抑制，從而導(dǎo)致開花推遲或者提前[15]。例如，植株葉片中的光敏色素A(phyA)、光敏色素B(phyB)、隱花色素2(CRY2)，它們直接或間接調(diào)節(jié)CO的表達(dá)，然后傳遞給生物鐘蛋白，節(jié)律性地激活FT的表達(dá)，從而誘導(dǎo)開花[16-17]。在長日照條件下，GI和CO能夠促進(jìn)FT的表達(dá)，使擬南芥提前開花，其中CO基因是一個(gè)關(guān)鍵光周期基因，受到多個(gè)因子的共同調(diào)控，可以整合光信號和生物鐘信號，調(diào)控各種蛋白之間的相互作用，從而起到抑制或促進(jìn)作用[18-19]。長日照條件下，擬南芥的CO突變體開花推遲，而CO功能正常的植株能促進(jìn)開花；短日照條件下，擬南芥不能開花，而CO的超表達(dá)可以使擬南芥在任何光周期條件下都提前開花，說明大量CO蛋白的積累是擬南芥開花所必需的，CO可以正向調(diào)節(jié)擬南芥的開花時(shí)間[20-21]。

2 水稻光周期調(diào)控開花途徑概述

圖1 水稻開花期調(diào)控的光周期途徑[25]Fig.1 Photoperiod pathway of flowering time control in rice[25]

水稻作為禾本科的模式作物，與擬南芥剛好相反，是兼性短日照植物，使得其光周期調(diào)控開花的途徑與擬南芥既有相同之處，又在一定方面存在差異。通過QTL定位方法已經(jīng)在水稻中成功克隆了大量光周期途徑中調(diào)節(jié)控制開花的關(guān)鍵基因，如Headingdate-3a(Hd3a)、Headingdate1 (Hd1)、EarlyHeadingdate(Ehd1)、Grains.Height.Date-7(Ghd7)等[22-25]。水稻中開花相關(guān)基因Hd1與擬南芥CO是同源基因，在表達(dá)規(guī)律上兩者具有相同的晝夜節(jié)律，而且中午有一個(gè)峰值[23]；水稻Hd3a基因是擬南芥FT的同源基因，是一種可以移動的開花信號，被稱為成花素，Hd3a起初在葉片中表達(dá)，編碼蛋白從葉片轉(zhuǎn)移到頂端分生組織后，誘導(dǎo)相關(guān)基因來促進(jìn)花器官的發(fā)育，由此行使與FT相同的功能[26]。短日照條件下，水稻葉片感知短日照信號后，主要通過Hd1途徑和Ehd1途徑調(diào)控Hd1和Ehd1的表達(dá)，從而促進(jìn)成花素Hd3a的表達(dá)，作用于生殖發(fā)育，加速植物開花。長日照條件下，Hd3a基因表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致開花推遲，也有兩條途徑。長日照條件下，在OsGI超表達(dá)突變體中Hd1白天的表達(dá)量增加，而白天生成的光敏色素信號會和Hd1蛋白質(zhì)相互作用使Hd1抑制Hd3a的表達(dá)，從而推遲開花[27]。Xue等[25]研究發(fā)現(xiàn)，長日照誘導(dǎo)Ghd7的高表達(dá)，導(dǎo)致Ehd1途徑的表達(dá)受到抑制，從而Hd3a基因表達(dá)減少，使植物開花被推遲；短日照下Ghd7在水稻中幾乎不表達(dá)，于是減弱了對Ehd1的抑制，Ehd1誘導(dǎo)Hd3a表達(dá)，造成成花素大量積累，從而縮短植株開花時(shí)間(圖1)。Song等[28]鑒定出一個(gè)OsMFT1(MOTHEROFFTANDTFL1)基因，是一種抑制開花的調(diào)控因子，可同時(shí)調(diào)控水稻的抽穗和穗型，過表達(dá)OsMFT1顯著抑制了Ehd1表達(dá)，同時(shí)Ghd7上調(diào)OsMFT1的表達(dá)，推遲開花，顯著增加了每穗穎花數(shù)，并大大增加了分枝數(shù)。

一些光周期途徑的關(guān)鍵基因同時(shí)也受溫度調(diào)節(jié)，宋遠(yuǎn)麗等[29]研究了水稻光周期開花相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵基因在不同光溫處理下的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)低溫(23 ℃)條件下Ehd1、Hd3a和RFT1表達(dá)受到抑制而降低，導(dǎo)致水稻開花受到影響，推遲開花；而在長日照條件下，低溫(23 ℃)上調(diào)了Ghd7的表達(dá)，Ghd7蛋白大量積累，成花素減少，從而抽穗開花延遲，這表明長日照和低溫這兩個(gè)因素都促進(jìn)Ghd7的表達(dá)，延遲水稻開花。

3 高粱光周期調(diào)控開花途徑概述

高粱作為一種典型的短日照C4禾本科作物，其成花的轉(zhuǎn)變也受到包括光周期、溫度、赤霉素等多種因素共同影響。其中光周期途徑調(diào)控的開花時(shí)間也是由一系列感光信號基因和成花素基因參與的光信號級聯(lián)途徑所控制，并與晝夜節(jié)律共同作用[30]。目前，高粱光周期調(diào)控基因已經(jīng)有一部分被克隆，其受光周期影響開花時(shí)間的分子調(diào)控機(jī)制也逐漸清晰。長日照條件下，對光周期敏感的高粱品種的開花時(shí)間延遲，主要受到由SbPRR37(Ma1)和SbGhd7(Ma6)的雙重正向調(diào)控作用。在高粱中開花促進(jìn)基因SbEhd1和SbCO誘導(dǎo)FT的同源基因SbCN8和SbCN12的表達(dá)來促進(jìn)開花。而在長日照條件下，SbPRR37和SbGHD7通過抑制開花激活子SbEHD1基因的表達(dá)延遲開花[31-32]；同時(shí)，SbPRR37還抑制了高粱另一個(gè)開花激活子SbCO的活性，從而下調(diào)其表達(dá)，也導(dǎo)致開花延遲，使高粱的營養(yǎng)生長持續(xù)時(shí)間長，提高了生物量和氮利用效率[33]。研究表明，當(dāng)Ma3和Ma5基因同時(shí)以顯性形式存在時(shí)，高粱的感光度進(jìn)一步增強(qiáng)；高粱生物鐘調(diào)控的核心基因TOC、CCA1和LHY的規(guī)律性表達(dá)，激活SbPRR37和SbGHD7早間和晚間的表達(dá)，導(dǎo)致開花時(shí)間更加延遲[31-32]。而在短日照條件下，SbPRR37和SbGHD7的表達(dá)因光照的減少，開花激活基因SbEHD1和SbCO的表達(dá)增加，進(jìn)而上調(diào)了成花素基因SbCN8和SbCN12的表達(dá)，促進(jìn)提早開花。另外，高粱生物鐘調(diào)控基因GI的表達(dá)，能促進(jìn)SbCO表達(dá)，然后SbCO通過直接或者間接上調(diào)成花素基因SbCN8和SbCN12的表達(dá)，從而促進(jìn)開花(圖2)[33]。

4 谷子光周期調(diào)控開花途徑概述

谷子是自花授粉二倍體(2n=2x=18)作物，基因組較小(約515 Mb)，具有抗旱、耐瘠和高光效的優(yōu)良品質(zhì)，是C4禾谷類模式作物的理想模型。谷子也是短日照作物，對光周期較敏感。目前，谷子全基因組序列已經(jīng)測定[34-35]，相比玉米、高粱等基因組較大的C4作物，谷子更適合作為C4作物光周期調(diào)控開花途徑研究的模型。然而谷子光周期相關(guān)研究報(bào)道極少。賈小平等[36]通過利用不同國家、不同生態(tài)區(qū)域的100份春谷和60份夏谷材料為研究對象，系統(tǒng)評價(jià)春谷和夏谷10個(gè)性狀的光溫敏感性，揭示不同光溫條件對谷子的影響，以及各性狀對光溫反應(yīng)的敏感性，篩選能夠準(zhǔn)確反映谷子光溫敏感性的指標(biāo)性狀，為開展谷子光溫敏感性遺傳學(xué)分析、光敏感性相關(guān)基因的定位奠定基礎(chǔ)。在谷子光周期敏感相關(guān)性狀QTL定位研究中，在谷子第4號染色體定位到短日照條件與光周期敏感性相關(guān)的QTL位點(diǎn)，在第3和第9號染色體定位到長日照條件下與光周期敏感相關(guān)的QTL位點(diǎn)[37-38]。Liu等[39]通過對高粱、水稻、谷子進(jìn)行比較基因組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)在谷子4號染色體存在水稻Hd1基因的同源基因，關(guān)聯(lián)分析表明，谷子Hd1中存在一個(gè)高頻的從GT到AT的剪接位點(diǎn)變異，該變異導(dǎo)致了谷子的生育期變長，Hd1基因在水稻、高粱、谷子中受平行馴化，但是該研究沒有闡明谷子Hd1基因相關(guān)的分子作用機(jī)理。

圖2 高粱光周期開花時(shí)間途徑模式[33]Fig.2 Model of the photoperiod flowering time pathway in sorghum[33]

5 CCT域基因家族在植物光周期調(diào)控開花中的作用

5.1 CCT域基因家族結(jié)構(gòu)及分類

CCT結(jié)構(gòu)域是在擬南芥中最早被報(bào)道的，由擬南芥中CONSTANS(CO)蛋白、CO-LIKE蛋白和TIMING OF CABl (TOCl)蛋白C末端的43個(gè)同源保守氨基酸序列組成[40-41]。根據(jù)CCT基因中結(jié)構(gòu)域的數(shù)量和類別，可劃分為3個(gè)亞家族，分別是CMF、COL和PRR亞家族，其中COL亞家族則含有B-box鋅指結(jié)構(gòu)域和一個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域；PRR亞家族含有PRR結(jié)構(gòu)域和一個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域；而CMF亞家族只有CCT一個(gè)功能結(jié)構(gòu)域[42]。Cockram等[43]通過對禾本科植物不同物種的CCT基因家族的CCT基因序列進(jìn)行比對和系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果表明，CMF亞家族是在單子葉植物/雙子葉植物進(jìn)化分支后，從COL基因的共同祖先進(jìn)化演變成的，推測COL基因的持續(xù)進(jìn)化導(dǎo)致B-box結(jié)構(gòu)域消失。

5.2 CCT域基因家族成員在植物光周期調(diào)控開花途徑中的功能

許多CCT域基因都直接或者間接地調(diào)節(jié)植物開花時(shí)間，參與生物鐘調(diào)控，是光信號途徑中的重要組成部分[44-45]。擬南芥的CCT域基因CO、TOC1、COL1、COL2、COL9等參與花期調(diào)控的遺傳機(jī)制已基本清楚[46-48]。水稻首先被克隆出來的CCT域基因Hd1是擬南芥中CO的同源基因，長日照處理可以推遲水稻抽穗開花，而在短日照處理下促進(jìn)水稻抽穗開花，與擬南芥有著截然相反的功能[23]。另外，不管是在長日照條件下還是短日照條件下，Hd1都節(jié)律性地在夜間達(dá)到一個(gè)表達(dá)峰值，還可以通過影響每穗的小穗數(shù)(粒數(shù))來控制水稻產(chǎn)量[49]。Wu等[50]克隆了一個(gè)CCT域基因DTH2，屬于COL家族，在長日照條件下通過上調(diào)成花素基因Hd3a和RFT1的表達(dá)來促進(jìn)水稻提前開花。薛為亞[51]克隆的一因多效基因Ghd7，屬于CMF家族，其蛋白只有一個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域，長日照下，Ghd7通過在Ehd1和Hd3a的上游起作用，并抑制Ehd1和Hd3a的表達(dá)，抑制水稻生殖發(fā)育，影響著水稻的抽穗期、株高和產(chǎn)量。Liu等[52]通過對Ghd2進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該基因參與對葉片衰老和干旱的調(diào)節(jié)，通過整合環(huán)境作為調(diào)節(jié)劑與不同蛋白質(zhì)的相互作用，將衰老過程信號轉(zhuǎn)化為發(fā)育程序，控制著谷粒數(shù)和株高。劉海洋[53]成功克隆一因多效基因Ghd7.1，也稱為OsPRR37或DTH7，在葉片和幼穗中的相對表達(dá)比較高，影響著水稻發(fā)育情況，在長日照條件下Ghd7.1不影響Hd1的表達(dá)，而對EHd1和Hd3a有顯著的抑制作用。譚俊杰[54]研究發(fā)現(xiàn)，1個(gè)定位在細(xì)胞核的CCT域基因OsCOL10，在長日照和短日照條件下均抑制水稻開花，還受到Ghd7的調(diào)控，表明OsCOL10是水稻中的開花抑制子。

大麥、高粱和玉米中也有CCT域基因的研究報(bào)道。Campoli等[55]對大麥Hd1的同源基因HvCO1的研究中，發(fā)現(xiàn)不管長短日照，HvCO1的過表達(dá)都上調(diào)了HvFT1的表達(dá)，影響花序的發(fā)育和莖的伸長，加速了開花時(shí)間，使大麥提前開花，然而卻會使短日照下野生型大麥開花推遲。近期，Huang等[56]通過全基因組關(guān)聯(lián)和靶向高分辨率連鎖作圖分析發(fā)現(xiàn)，玉米的ZmCCT基因是水稻Ghd7的同源基因，與光周期密切相關(guān)，影響著晝夜表達(dá)模式。同時(shí)，Li等[57]的研究發(fā)現(xiàn)，ZmCCT也是qRfg1基因座內(nèi)的因果基因，對赤霉病和莖腐病有一定的抗性，而且發(fā)現(xiàn)ZmCCT啟動子中的一個(gè)CACTA轉(zhuǎn)錄元件可以抑制ZmCCT的表達(dá)，從而降低光周期敏感性，對促進(jìn)開花有顯著調(diào)控作用，使得玉米在LD條件下得以傳播種植。在高粱中，CO同源基因sbCO是COL亞家族一個(gè)成員，含有B-box鋅指結(jié)構(gòu)域和一個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域，在缺失sbGhd7和sbPRR37的背景下無論長日照還是短日照均能促進(jìn)植株開花[58]。Murphy等[59]通過圖位克隆得到Ma1基因，也就是SbPRR37，表達(dá)依賴于光，受生物鐘的調(diào)控，在長日照條件下促進(jìn)開花抑制子CO的表達(dá)，進(jìn)而抑制EHd1和FT的表達(dá)，減少了EHd1和FT的積累而推遲開花。上述結(jié)果表明，CCT結(jié)構(gòu)域基因雖然在不同物種中都保守地參與對開花時(shí)間的控制，但是不同成員的具體功能與作用在物種間和物種內(nèi)都發(fā)生了很大的分化[45]。

6 展望

植物光周期調(diào)控開花的分子機(jī)制已經(jīng)在擬南芥和水稻中獲得了較大進(jìn)展，目前已經(jīng)繪制出光周期開花途徑的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，然而由于光周期調(diào)控機(jī)制極其復(fù)雜，目前尚有許多參與光周期開花的基因沒有被克隆，因此還需要運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)制更多的突變材料，克隆更多的參與光周期調(diào)控開花的新基因，對目前的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展，使人們對光周期開花途徑有更深入、更細(xì)致的了解。此外，植物開花受多種環(huán)境因素影響，除了光周期，環(huán)境溫度也是影響植物開花的一個(gè)關(guān)鍵因子。已有研究表明，許多參與光周期途徑的基因也受到環(huán)境溫度的影響，光周期和環(huán)境溫度存在明顯的互作，而對光溫互作分子機(jī)制的研究較缺乏，因此加強(qiáng)光周期和環(huán)境溫度對植物開花的互作調(diào)控機(jī)制研究是未來的一個(gè)重要方向。一些光周期途徑的關(guān)鍵基因，如Ghd7、Ghd2等除了控制開花期外，還對作物株高、穗部性狀有顯著影響，因此在作物分子輔助選擇育種中具有一定應(yīng)用價(jià)值，在進(jìn)行光周期調(diào)控開花分子機(jī)理研究的同時(shí)，也應(yīng)該嘗試將一些關(guān)鍵基因用于分子育種實(shí)踐，選育光周期鈍感的適應(yīng)性廣、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的作物新品種。最后需要說明的是，目前水稻光周期途徑研究較深入，而作為C4作物的玉米、高粱、谷子等光周期調(diào)控途徑研究較緩慢，雖然在玉米、高粱中克隆了一些光周期途徑的關(guān)鍵基因，這些作物較大的基因組對進(jìn)一步闡明C4作物光周期調(diào)控開花分子機(jī)制存在制約。谷子作為我國栽培歷史悠久的傳統(tǒng)作物，遺傳資源豐富，存在較多的對光周期表現(xiàn)不同敏感性的自然變異材料，加上較短的生育期、較少的水肥投入、相對小且已經(jīng)完成測序的基因組，使其成為一個(gè)理想的C4作物模型[60]，因此，加強(qiáng)谷子光周期調(diào)控機(jī)理研究，對C4作物光周期調(diào)控開花路徑的闡明具有積極的促進(jìn)作用。