蘿卜抽薹開花相關(guān)基因的研究進(jìn)展

王 夏,孫菲菲,酈月紅,王 強(qiáng)

(南京市蔬菜科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

蘿卜抽薹開花相關(guān)基因的研究進(jìn)展

王 夏,孫菲菲,酈月紅,王 強(qiáng)

(南京市蔬菜科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

通過構(gòu)建蘿卜抽薹開花相關(guān)基因的cDNA文庫,獲取大量的EST序列,并與十字花科模式植物擬南芥、白菜等進(jìn)行比較基因組學(xué)研究,研究結(jié)果顯示:蘿卜與擬南芥、白菜等植物基因組具有很高的同源性,控制抽薹開花的相關(guān)基因在不同物種中具有保守性。擬南芥抽薹研究表明,抽薹開花過程受多基因控制,具有多種調(diào)控途徑。抽薹開花是一個(gè)復(fù)雜的過程,其中FLC、FT、LFY等基因處于關(guān)鍵位置。目前這些關(guān)鍵基因在蘿卜EST序列中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了同源片段,并進(jìn)行了一些基因克隆,結(jié)合蘿卜基因組測序的完成,未來蘿卜抽薹研究將進(jìn)入基因功能驗(yàn)證和全基因組調(diào)控模式研究之中。

蘿卜;抽薹;十字花科;比較基因組學(xué)

蘿卜(Raphanu s sativus L.,2n=2x=18)又名萊菔,十字花科蘿卜屬,一、二年生草本植物,具有多種菜用和藥用價(jià)值。蘿卜具有一定的耐寒性并適合儲(chǔ)運(yùn),是我國傳統(tǒng)的蔬菜品種,近年來反季節(jié)高山蘿卜栽培面積不斷擴(kuò)大,蘿卜在蔬菜產(chǎn)業(yè)中的作用日趨重要。選育耐抽薹紅蘿卜、青蘿卜等優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種還沒有實(shí)現(xiàn),主要是因?yàn)樘}卜抽薹開花的遺傳背景復(fù)雜,表現(xiàn)出數(shù)量性狀的遺傳特點(diǎn),田間選擇難度大,因此在分子水平上研究蘿卜抽薹開花的調(diào)控機(jī)理,是解決蘿卜先期抽薹,進(jìn)行開花調(diào)控的根本途徑。

蘿卜抽薹開花的過程緊密相連,抽薹之后進(jìn)入花期標(biāo)志營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變。雖然在抽薹開花過程中有一些基因表達(dá)的差異,但是從耐抽薹的育種目標(biāo)出發(fā),兩者之間的基因調(diào)控過程具有很強(qiáng)的連續(xù)性與一致性。

蘿卜作為十字花科植物中的一員,在研究過程中借助十字花科模式植物擬南芥及白菜的研究成果是一種便捷高效的研究方法。蘿卜與擬南芥、白菜等十字花科植物的比較基因組研究為這種借鑒提供了依據(jù)。目前蘿卜全基因組測序尚未完成,通過蘿卜cDNA文庫的EST序列信息,開展蘿卜與擬南芥、白菜的比較基因組研究是一種比較可信的方法,許多相似的研究都表明了蘿卜基因組與擬南芥、白菜基因組具有很高的同源性,其中開花時(shí)間作為生殖隔離機(jī)制的關(guān)鍵,在進(jìn)化過程中本就具有極高的保守性,目前不同十字花科植物中的抽薹開花研究表明,擬南芥、白菜等植物中控制抽薹開花的基因具有同源性,這些同源基因在不同調(diào)控途徑中都有作用,這也表明這些基因可以作為抽薹開花的關(guān)鍵基因。確定了十字花科植物中抽薹開花的關(guān)鍵基因,通過在蘿卜EST序列中的同源比對,大量同源拷貝被發(fā)現(xiàn),這也反證了蘿卜抽薹開花的基因控制與擬南芥、白菜的相似性。

1 蘿卜比較基因組學(xué)研究進(jìn)展

蘿卜的分子遺傳研究相對滯后,基因組測序還未完成,因此借鑒十字花科模式植物擬南芥、白菜、油菜的成果是提升蘿卜分子研究的重要手段。近年來蘿卜與擬南芥等植物的比較基因組研究取得了重大的進(jìn)展。

隨著測序技術(shù)的發(fā)展,通過cDNA文庫獲得大量EST序列,利用EST序列開發(fā)蘿卜分子標(biāo)記進(jìn)行蘿卜基因組研究成為目前重要的研究手段。Kenta Shirasawa利用EST-SSR標(biāo)記構(gòu)建了蘿卜連鎖圖譜,通過26 606個(gè)EST序列開發(fā)了3 800個(gè)SSR標(biāo)記,其中具有多態(tài)性的標(biāo)記630個(gè),結(jié)合213個(gè)報(bào)道過的分子標(biāo)記,構(gòu)建了覆蓋1 129.2 c M的連鎖圖譜,位點(diǎn)之間的平均長度1.3 c M,共9個(gè)連鎖群。在這張圖譜的基礎(chǔ)之上,開展了蘿卜與擬南芥的比較基因組研究,研究結(jié)果認(rèn)為,蘿卜與擬南芥、白菜等十字花科植物具有共同的祖先,蘿卜中的基因片段是擬南芥中相同片段的2～3倍[1],相似的研究方法與結(jié)果出現(xiàn)在不同的研究中[2]。Di Shen利用315 000個(gè)蘿卜EST序列發(fā)現(xiàn)基因和標(biāo)記,這些EST序列能夠在擬南芥等物種的85 083個(gè)功能基因之中發(fā)現(xiàn)同源,比較分析認(rèn)為5 595個(gè)基因是蘿卜特有的與小分子代謝有關(guān)的基因,12 899個(gè)基因是十字花科油脂與激素合成有關(guān)的基因,與白菜基因組的比較研究顯示蘿卜與白菜擁有共同的祖先,大約2 140～1 280萬年前其共同祖先發(fā)生了一次全基因組重復(fù),1 460～890萬年前蘿卜與白菜在進(jìn)化過程中產(chǎn)生分化,大約840～510萬年前蘿卜基因組再次發(fā)生了重復(fù)[3]。

通過EST序列開展的比較基因組研究表明,蘿卜與擬南芥、白菜等十字花科植物具有很高的同源性,而植物開花時(shí)間的差異是一種重要的生殖隔離機(jī)制,它在植物的進(jìn)化過程中占有重要地位,十分保守。擬南芥與白菜的基因組研究也發(fā)現(xiàn)抽薹開花的關(guān)鍵調(diào)控基因非常相似,這為蘿卜抽薹研究提供了基礎(chǔ)[4]。

2 十字花科植物抽薹相關(guān)基因研究進(jìn)展

植物抽薹開花是植物從營養(yǎng)生長向生殖生長的過渡,受到外界溫度、光照、自身發(fā)育情況、內(nèi)源激素等綜合作用的調(diào)節(jié),必然是一個(gè)復(fù)雜的生理生化變化過程,從進(jìn)化的角度看關(guān)系到植物種群的延續(xù),因此在相對穩(wěn)定的環(huán)境中具有穩(wěn)定的調(diào)控機(jī)制非常重要。Shinichiro Aikawa發(fā)現(xiàn)一個(gè)野生擬南芥亞種必須經(jīng)過6周4℃低溫處理才能夠抽薹開花,這保證了在某些時(shí)刻氣溫變化與季節(jié)不一致時(shí)控制開花的穩(wěn)定性[5]。

模式植物擬南芥的抽薹開花研究較早,相關(guān)基因的克隆取得了極大的進(jìn)展,是其它植物尤其是十字花科植物研究抽薹開花的重要參照。擬南芥中的研究顯示,抽薹開花是受多基因控制的數(shù)量性狀,目前已知的相關(guān)基因超過180多個(gè)[6],調(diào)控的主要途徑包括春化途徑、光周期途徑、自主途徑、激素途徑、FRI依賴途徑等。在擬南芥生長過程中,溫度、光照、激素等因子的不斷改變會(huì)造成植株不同調(diào)控途徑中的基因激活或者關(guān)閉,結(jié)果就是使擬南芥在合適的時(shí)間進(jìn)行抽薹開花結(jié)果。

春化途徑和自主途徑的核心調(diào)控開關(guān)是開花抑制基因FLC(Flowering Locus C),FLC基因是植物中的一個(gè)非常保守的基因,不同物種之間都具有極高的同源性,擬南芥中FLC基因的突變對抽薹開花時(shí)間的影響非常顯著[7]。春化作用影響FLC與FRI(Frigida)基因[8],FRI基因促進(jìn)FLC的高水平表達(dá), FLC抑制FT(Flowering Locus T)、SOC1(Suppressor of Overexpression of Constans1)基因表達(dá),從而推遲植株開花。在春化作用下,FLC的m RNA表達(dá)量降低,從而使FT和SOC1基因表達(dá)量升高,綜合作用于下游LFY(Leafy)和AP1基因,從而促使植株開花。自主途徑主要通過抑制FLC的表達(dá)而促進(jìn)植株的開花[9],自主途徑中包括7個(gè)主要調(diào)控基因,分別為FCA、FLD、FLK、FPA、FVE、FY和LD。這些基因與春化途徑中的基因相互獨(dú)立,通過抑制開花阻遏基因FLC的表達(dá)來促進(jìn)開花。自主途徑中基因的變異會(huì)導(dǎo)致FLC表達(dá)量的上升從而延遲開花。

光周期途徑主要通過CO(CONSANS)基因作用于FT基因進(jìn)行調(diào)控,CO處于光周期途徑下游,可以誘導(dǎo)光周期調(diào)控途徑中上游基因的表達(dá),從而將光信號轉(zhuǎn)換為開花信號,促進(jìn)植物開花[10]。激素途徑主要是赤霉素途徑,植物通過赤霉素合成基因的表達(dá)激活SOC1基因表達(dá),從而加強(qiáng)LFY基因的轉(zhuǎn)錄活性,促使植株抽薹開花[11]。擬南芥抽薹開花的調(diào)控非常復(fù)雜,相關(guān)的基因信息并沒有全部掌握,但是審視這些不同途徑的調(diào)控過程,我們發(fā)現(xiàn)不同的基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控過程中,FLC、FT、LFY等基因總是處于關(guān)鍵位置,是決定作物抽薹開花特性的關(guān)鍵基因[12]。

FLC基因?qū)Τ檗烽_花起抑制作用,由它編碼的MADS核蛋白是一個(gè)MADS-box類的轉(zhuǎn)錄因子, FLC的轉(zhuǎn)錄水平與開花時(shí)間有量化的關(guān)系。FLC基因到其他基因的調(diào)節(jié),比如FRI基因的表達(dá)會(huì)促進(jìn)FLC m RNA的積累,加強(qiáng)對抽薹開花的抑制作用。目前在白菜、甘藍(lán)中均獲得FLC基因的同源序列[13]。擬南芥中的LFY基因與花芽分化有關(guān),這對抽薹具有促進(jìn)作用,在白菜中已報(bào)到克隆出LFY同源基因片段[14]。FT基因是植物開花調(diào)控途徑的重要整合因子,大白菜基因組中鑒定出兩個(gè)控制開花的FT同源基因[15]。

3 蘿卜抽薹相關(guān)基因研究進(jìn)展

蘿卜抽薹過程中,同樣具有一系列復(fù)雜的生理生化變化,溫度、光照、激素等因子都對蘿卜抽薹有影響,目前研究認(rèn)為溫度是最重要的條件。根據(jù)蘿卜抽薹開花的春化條件不同,一般將蘿卜分為春性、弱冬性、冬性、強(qiáng)冬性4種生態(tài)型。通過對低溫春化過程中蘿卜生理生化的跟蹤觀察,顯示可溶性蛋白、游離氨基酸含量總體表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢,而可溶性糖含量則呈下降趨勢。強(qiáng)冬性蘿卜品種可溶性蛋白和可溶性糖含量明顯低于春性蘿卜品種,游離氨基酸含量則相反。蘿卜是長日照植物,增加光照時(shí)長和光照強(qiáng)度對蘿卜的生理生化有影響,但目前尚沒有準(zhǔn)確的證據(jù)表明光照與蘿卜抽薹之間的必然聯(lián)系。內(nèi)源激素對蘿卜抽薹的影響與擬南芥相似,赤霉素、生長素對蘿卜的抽薹開花起著一種正向調(diào)控的作用[16]。

蘿卜抽薹開花性狀遺傳規(guī)律復(fù)雜,一般認(rèn)為蘿卜抽薹性狀符合兩對主基因加多基因遺傳模型[17]。Libin Zhang通過分析蘿卜葉片的EST序列認(rèn)為,蘿卜抽薹時(shí)有2個(gè)重要的的表現(xiàn),剪接體組裝和生物堿合成[18]。剪接體組裝與轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控有關(guān),而促進(jìn)抽薹開花的基因AGL20、AGL24、CO、SOC1,抑制抽薹開花的基因FLC、FLM、FRI、SVP等基因都是MADS-box基因,MADS-box基因是一類序列特異的調(diào)節(jié)基因家族,它所編碼的MADS-box蛋白因子為轉(zhuǎn)錄因子,其主要功能是激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄反應(yīng),植物中MADS-box編碼的蛋白為MIKC型,保守性非常高[19]。

越來越多的證據(jù)表明,調(diào)控蘿卜抽薹開花的關(guān)鍵基因與擬南芥、白菜等植物中的基因是同源的。早期研究也發(fā)現(xiàn)了一些與抽薹相關(guān)的分子標(biāo)記,隨著測序技術(shù)的發(fā)展,基于EST序列的全基因組研究為蘿卜抽薹研究提供了更直觀的基因信息。通過EST序列,已經(jīng)在蘿卜中發(fā)現(xiàn)FLC、FRI、LFY基因的同源片段,其余相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)與功能驗(yàn)證尚需要進(jìn)一步研究[20]。

蘿卜抽薹研究是關(guān)系到蘿卜育種的一個(gè)重要方面,蘿卜耐抽薹品種的選育關(guān)系到蘿卜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于蘿卜抽薹開花受環(huán)境和基因遺傳的交互影響,非常復(fù)雜,通過分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇是一個(gè)有效的手段,在掌握基因調(diào)控的基礎(chǔ)之上進(jìn)行分子標(biāo)記的應(yīng)用將極大提升耐抽薹育種的效率。我們相信隨著蘿卜全基因測序的完成,必將加速蘿卜抽薹開花研究的突破,促進(jìn)蘿卜耐抽薹新品種的選育。

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(責(zé)任編輯:譚彩霞)

The Research Progress on Bolting and Flowering Gene of Radish

WANG Xia,SUN Fei-fei,LI Yue-hong,WANG Qiang
(Nanjing Research Institute of Vegetables,Nanjing 210042,China)

Based on a radish cDNA library,a lot of EST sequences are obtained and a comparative genomic research is carried out between cruciferous model plants such as Arabidopsis thaliana and cabbage.The results show that radish is in high homology with Arabidopsis thaliana and cabbage.Related genes are conserved about bolting and flowering traits in different species. Studies in bolting traits of Arabidopsis show that the process of bolting and flowering is controlled by many genes,and there are a variety of regulatory pathways.It is a complex process, including FLC、FT、LFY genes in a critical position.Currently the homologous fragments of these key genes have been found and cloned in radish EST sequences,combined with the completion of the genomic sequencing of radish.Future researches will explore the function of genes and genome-wide regulation model.

radish;bolting;brassicaceae;comparative genomics

S631.1

A

1672-755X(2014)03-0068-04

2014-04-22

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目(CX(13)2007);江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目(CX(12)2006)

王夏(1985-),男,江蘇南京人,農(nóng)藝師,碩士,主要從事蘿卜、小白菜育種研究。