植物開(kāi)花素FT的功能及其表觀調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

蔣甲福,楊一曼,王琦,陳素梅,陳發(fā)棣

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部景觀農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095)

開(kāi)花是高等植物生活史中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),包括花芽分化、發(fā)育及開(kāi)放等過(guò)程?；ㄆ谠缤韺?duì)于植物能否在合適環(huán)境條件下完成生活史具有重要意義,同時(shí)花期對(duì)于觀賞植物的周年生產(chǎn)及應(yīng)時(shí)供應(yīng)亦十分重要。開(kāi)花是一個(gè)受多基因精細(xì)調(diào)控的過(guò)程,光照、溫度、植物激素等多種因子參與這一調(diào)控過(guò)程[1]。

生物學(xué)家在菊花中觀察到一類光周期誘導(dǎo)后在葉片產(chǎn)生并運(yùn)輸?shù)角o頂端的開(kāi)花刺激物,命名為開(kāi)花素(florigen)[2]。后來(lái),這種開(kāi)花素被確認(rèn)是FLOWERINGLOCUST(FT)基因的產(chǎn)物[3]。FT基因是葉片中開(kāi)花途徑的匯集點(diǎn),它可以整合不同開(kāi)花途徑的信號(hào),FT蛋白運(yùn)輸?shù)角o尖后與CbZIP轉(zhuǎn)錄因子FD形成復(fù)合物以誘導(dǎo)花器官?zèng)Q定基因如APETALA1(AP1)和FRUITFULL(FUL)的表達(dá),在植物成花轉(zhuǎn)變和花發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1]。除了開(kāi)花功能,FT還參與其他發(fā)育進(jìn)程。為此,本文總結(jié)了近年來(lái)FT的功能和表觀調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展,以期為深入研究FT提供參考。

1 FT的功能

1.1 成花轉(zhuǎn)變

FT的主要功能是促進(jìn)植物開(kāi)花。盡管開(kāi)花素很早就已經(jīng)被提出[2],但直到十幾年前在模式雙子葉植物擬南芥[4]和單子葉植物水稻[5]中才分別確認(rèn)這種開(kāi)花素蛋白是由FT基因編碼的,并通過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)輸至莖尖以完成成花轉(zhuǎn)變過(guò)程,在南瓜中也鑒定到FT蛋白從葉片到莖尖的運(yùn)輸[6]。在其他作物中也鑒定到FT的同源基因,如小麥和大麥的VRN3[7]、玉米的ZCN8[8],大豆中則有多個(gè)成員如GmFT2a和GmFT5a[9]及GmFT2b[10]。在園藝作物中也鑒定到FT的同源基因具有促進(jìn)開(kāi)花的功能,如從野菊(Chrysanthemumseticuspe)中克隆了FT的同源基因CsFTL3,并驗(yàn)證了其開(kāi)花素功能[11];菊花CmFTL1可能是長(zhǎng)日照下開(kāi)花素同源基因[12-13];另一個(gè)同源基因CmFTL2也具有開(kāi)花素的功能[14];還有春蘭的CgFT[15]、蝴蝶蘭的PhFT-1[16]和玫瑰的RoFT[17]等;蔬菜作物如薺菜的BjuFT[18]和番茄的SlSP3D[19]等;果樹(shù)作物如蘋果的MdFT1和MdFT2[20]、葡萄的VvFT[21]和梨的PcFT2[22]等。但隨著植物物種研究種類的增加,研究人員發(fā)現(xiàn)FT的同源基因功能并不完全保守,一些關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)的突變導(dǎo)致其成為開(kāi)花抑制基因,這主要是由于FT和TFL1基因編碼的蛋白都屬于PEBP家族成員,它們?cè)跇?gòu)象上存在微小差異,導(dǎo)致它們?cè)谥参矬w內(nèi)行使著相反的功能:FT-like往往起到促進(jìn)開(kāi)花的作用而TFL1-like則使花芽分化受到抑制[23]。研究表明,至少4個(gè)氨基酸位點(diǎn)的變化足以將FT轉(zhuǎn)變成TFL1所具有的功能,分別是109位Glu、138位Trp、140位Gln和152位Asn[23]。通過(guò)蛋白構(gòu)象解析,發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中,FT第85位的酪氨酸(Tyr)和第140位的谷氨酰胺(Gln)能夠形成1個(gè)特殊的loop環(huán)狀結(jié)構(gòu),而TFL1蛋白第88位帶氫鍵的組氨酸(His)與第144位的天冬氨酸(Asp)則構(gòu)成了天然屏障,不能形成loop環(huán)狀結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致FT與TFL1亞家族成員具有相反的功能[24]。Hanzawa等[25]的研究表明,只要改變擬南芥TFL1蛋白的1個(gè)氨基酸,就可以將TFL1轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)花素基因,反之亦然。菊花CmFTL3中1個(gè)氨基酸的改變也會(huì)導(dǎo)致其開(kāi)花功能的喪失[26]。這在其他作物中也有發(fā)現(xiàn),如郁金香中的TgFT1[27]、矮牽牛中的PhFT1[28]、番茄中的SlSP5G[19]、龍眼中的DlFT1[29]以及甜菜中的BvFT1[30]等都具有抑制開(kāi)花的功能。

1.2 花發(fā)育

FT在維持花序分生組織的穩(wěn)定性方面也有重要作用。Melzer等[31]在擬南芥soc1-3ful-2突變體中超表達(dá)FT,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株不僅晚花,開(kāi)花時(shí)主花序變短,共生花序變少且及早停止發(fā)育,導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株的花序分生組織更多地逆轉(zhuǎn)成頂生蓮座葉,且重復(fù)該過(guò)程,導(dǎo)致大量的蓮座葉分生組織產(chǎn)生并保持營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月,說(shuō)明在soc1-3ful-2突變體中超表達(dá)開(kāi)花素基因FT并不能導(dǎo)致成花轉(zhuǎn)變,反而導(dǎo)致長(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和明顯的營(yíng)養(yǎng)發(fā)育表型,表明FT基因的確不僅與控制成花轉(zhuǎn)變有關(guān),而且與花序發(fā)育也有關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),成花轉(zhuǎn)變后,FT在莖生葉、萼片和發(fā)育的果莢中的高表達(dá),對(duì)維持花序分生組織穩(wěn)定性非常重要[32]。擬南芥在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,根據(jù)莖尖分生組織產(chǎn)生的形態(tài)器官不同,劃分為3個(gè)階段:營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段(V)形成蓮座葉;成花階段(I1)生成伸長(zhǎng)的莖、莖生葉和腋生側(cè)枝;只生成花而沒(méi)有莖生葉和腋生側(cè)枝的花發(fā)育階段則稱為I2階段。有研究發(fā)現(xiàn),多梳蛋白(PcG)的雙突變體emf2-10vrn2-1從長(zhǎng)日照轉(zhuǎn)到短日照,會(huì)在I2階段后回復(fù)到I1階段,這是由于短日照下emf2-10vrn2-1中FT在花梗中不表達(dá)造成的,而與葉片中FT無(wú)關(guān),表明PcG復(fù)合體對(duì)維持花分生組織特征非常重要[33]。菊花現(xiàn)蕾后將其轉(zhuǎn)到長(zhǎng)日照條件超過(guò)2周,菊花葉片中高表達(dá)的CmFTL3則會(huì)在長(zhǎng)日照條件下迅速被抑制,花蕾停止發(fā)育而形成僵花;當(dāng)以CmFTL3超表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株為砧木,非轉(zhuǎn)基因菊花為接穗進(jìn)行嫁接時(shí),并將接穗的葉片全部去除以防止長(zhǎng)日照條件下產(chǎn)生抑制開(kāi)花的物質(zhì)(如反花素基因AFT),嫁接苗在長(zhǎng)日照條件下也只能完成成花轉(zhuǎn)變,發(fā)育到現(xiàn)蕾階段就停止發(fā)育而不能開(kāi)花[11]。這暗示轉(zhuǎn)基因菊花葉片中FTL3負(fù)責(zé)成花轉(zhuǎn)變,而接穗其他組織(如莖)中表達(dá)的FTL3,對(duì)于花蕾的繼續(xù)發(fā)育和開(kāi)放發(fā)揮著重要作用。FT調(diào)控花序發(fā)育的功能在其他作物中也存在,如波羅和紫蘇[34]。番茄中FT同源基因SINGLEFLOWERTRUSS(SFT)功能喪失,也會(huì)導(dǎo)致花序轉(zhuǎn)為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)變?yōu)閱紊?并產(chǎn)生葉狀的萼片[35]。

1.3 FT的其他功能

FT除了調(diào)控植物開(kāi)花和花發(fā)育,還參與植物的其他過(guò)程。Navarro等[36]把水稻的FT同源基因Hd3a在馬鈴薯中超表達(dá),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株與野生型相比很容易長(zhǎng)出塊莖,內(nèi)源基因StSP6A也具有類似功能,說(shuō)明FT促進(jìn)塊莖的形成;草莓FT1則促進(jìn)走莖形成[37]。在楊樹(shù)中超表達(dá)PtFT2可以促進(jìn)休眠芽的萌動(dòng)[38];FT也參與種子休眠的打破[39];在擬南芥中FT通過(guò)與FD互作結(jié)合在FLC基因的啟動(dòng)子區(qū)從而促進(jìn)休眠種子的萌發(fā)[40]。FT還可以通過(guò)與BRC1(BRANCHED1)互作抑制側(cè)枝的形成,相反BRC1通過(guò)抑制FT的活性以防止未長(zhǎng)出的側(cè)枝過(guò)早開(kāi)花[41]。研究還表明,過(guò)表達(dá)FT可以促進(jìn)氣孔開(kāi)放,而突變體則導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,說(shuō)明FT參與氣孔的開(kāi)放調(diào)節(jié)[42];近期發(fā)現(xiàn)該過(guò)程與FT調(diào)控的SOC1表達(dá)及H3K4me3表觀修飾有關(guān)[43]。

2 FT表達(dá)的表觀調(diào)控

染色質(zhì)修飾和DNA甲基化是動(dòng)、植物中調(diào)控表觀遺傳的主要方式,其通過(guò)響應(yīng)各種環(huán)境信號(hào)以建立和維持這種修飾,從而影響轉(zhuǎn)錄復(fù)合體能否接近目的基因,進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)以適應(yīng)環(huán)境的變化[44],特別是PcG復(fù)合體在調(diào)控組蛋白H3修飾方面起著關(guān)鍵作用[45]。植物的開(kāi)花時(shí)間依賴FT在葉片韌皮部伴胞中精確的時(shí)空表達(dá)調(diào)控[46],然而這種調(diào)控尚不明確。PcG復(fù)合體中的基因突變后都會(huì)導(dǎo)致FT抑制的解除,如embryonicflower2(emf2)和emf1、curlyleaf(clf)、multicopysuppressorofira1(msi1)和like-heterochromatinprotein1(lhp1),從而導(dǎo)致突變體植株在長(zhǎng)、短日照下都提前開(kāi)花[47-48]。主要原因是它們形成的蛋白復(fù)合體在靶基因的染色質(zhì)區(qū)域發(fā)生了H3K27me3修飾[49]。與擬南芥中其他PcG靶基因不同,擬南芥FT基因的啟動(dòng)子、編碼區(qū)及其下游區(qū)域都會(huì)發(fā)生H3K27me3修飾[50]。FT啟動(dòng)子近端Block A區(qū)域可被節(jié)律鐘調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子CYCLING DOF FACTOR(CDF)、TEMPRANILLO(TEM)結(jié)合以抑制FT的轉(zhuǎn)錄,CRYPTOCHROME-INTERACTING BASIC-HELIX-LOOP HELIX(CIB)結(jié)合在富含藍(lán)光條件下誘導(dǎo)FT的表達(dá),SHORT VEGETATIVE PHASE(SVP)在低溫下會(huì)抑制FT的表達(dá),PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4(PIF4)在高溫下誘導(dǎo)FT的表達(dá),CONSTANS(CO)響應(yīng)光周期的變化促進(jìn)FT的表達(dá);而MADS轉(zhuǎn)錄因子FLOWERING LOCUS C(FLC)、SVP、FLOWERING LOCUS M(FLM)和MADS AFFECTING FLOWERING(MAF)在低溫下或春化前通過(guò)結(jié)合FT的第1個(gè)內(nèi)含子抑制其轉(zhuǎn)錄,AP2轉(zhuǎn)錄因子TARGET OF EAT 1(TOE1)、TOE2、CHAFLMüTZE(SMZ)和SCHNARCHZAPFEN(SNZ)在光周期開(kāi)花路徑通過(guò)結(jié)合 3′UTR 附近的區(qū)域抑制其表達(dá)(圖1)[34]。

圖1 各種轉(zhuǎn)錄因子、組蛋白H3修飾和染色體構(gòu)象協(xié)同調(diào)控?cái)M南芥FT基因的表達(dá)[34]Fig.1 Transcriptional regulation of the FT gene by transcript factors,Histone H3 modification and chromation remodeling synergeticly[34] CORE motif:CCACA box motif;DOF motif:[A/T]AAAG box motif;CArG motif:CC(A/T)6GG box motif;H3K27me3-LHP1-PRC2:Like-heterochromatin protein1(LHP1)and polycomb repressive complex 2(PRC2)produced H3K27me3.

CO作為調(diào)控FT表達(dá)的重要轉(zhuǎn)錄因子,在其他物種中其同源基因也具有類似的功能。如月季RcCO和RcCOL4[51]、菊花CmBBX8[13]和甜菜BvBBX19[52]。然而這些調(diào)控區(qū)域通常會(huì)被LHP1-PRC2進(jìn)行H3K27me3修飾,很難被轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,只有FT啟動(dòng)子區(qū)的遠(yuǎn)端Block C區(qū)域不能被H3K27me3修飾,染色質(zhì)呈開(kāi)放的狀態(tài)[53]。原因是結(jié)合Block C區(qū)域的NUCLEAR FACTOR Y C(NF-YC)轉(zhuǎn)錄因子與組蛋白H3甲基轉(zhuǎn)移酶(CLF)互作后,拮抗后者結(jié)合在啟動(dòng)子區(qū)的染色質(zhì)上,避免產(chǎn)生H3K27me3,進(jìn)而促進(jìn)FT的轉(zhuǎn)錄[54]。一旦NF-Y結(jié)合到Block C區(qū)域,就會(huì)招募CO,從而使LHP1從啟動(dòng)子區(qū)脫離,此時(shí)染色質(zhì)Block A區(qū)域和Block C區(qū)域互作,這種互作依賴啟動(dòng)子區(qū)形成染色質(zhì)環(huán)(chromatin loop)[55]。有充分的遺傳證據(jù)表明,LHP1從啟動(dòng)子區(qū)之所以脫離,是因?yàn)镃O調(diào)控的FT上調(diào)與染色質(zhì)修飾因子有關(guān),CO會(huì)與H3K36me3識(shí)別蛋白MRG1/MRG2-HAM1/HAM2互作,后者調(diào)控組蛋白H3K36me/H3K4me及乙?；揎梉56-57]。有研究發(fā)現(xiàn)LHP1除了作為PcG復(fù)合體成員識(shí)別H3K27me3外,還具有調(diào)控染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以控制基因的轉(zhuǎn)錄,說(shuō)明LHP1在染色質(zhì)初級(jí)到高級(jí)結(jié)構(gòu)層面都發(fā)揮著重要作用,以精確調(diào)控基因的表達(dá)[58]。擬南芥的染色質(zhì)重塑復(fù)合體SWR1的重要成分SWC4,也具有抑制FT基因表達(dá)的功能[59],染色質(zhì)重塑因子PICKLE(PKL)與CO互作促進(jìn)CO在黃昏時(shí)結(jié)合FT的啟動(dòng)子區(qū)來(lái)激活FT轉(zhuǎn)錄[60]。PKL和COMPASS蛋白ATX1能夠相互作用,介導(dǎo)FT位點(diǎn)H3K4的三甲基化,從而拮抗PcG蛋白對(duì)FT表達(dá)的抑制作用[61]。說(shuō)明染色體構(gòu)象對(duì)于FT的表達(dá)調(diào)控也具有重要作用[34]。

FT表達(dá)在長(zhǎng)日照下具有節(jié)律性,在擬南芥和水稻中發(fā)現(xiàn)PcG蛋白在黃昏和夜間抑制FT的表達(dá),且與B3結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子VAL1識(shí)別RY基序有關(guān),VAL1將PcG蛋白LHP1和MSI1募集到FT染色質(zhì)區(qū)域?qū)е翲3K27me3水平上升[62]。同時(shí),JMJ14(PKDM7B)負(fù)責(zé)擦除具有促進(jìn)FT表達(dá)的組蛋白H3K4me3修飾[63],JMJ14可以作為PcG復(fù)合體即EMF1c的組分,抑制夜晚FT的表達(dá)[64]。這樣,H3K4me3與H3K27me3通過(guò)相互拮抗,在調(diào)控FT正常表達(dá)過(guò)程中起重要作用[65];正是因?yàn)檫@種拮抗作用,繼續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)日照處理,FT的表達(dá)并不會(huì)升高,與第1天長(zhǎng)日照誘導(dǎo)表達(dá)的水平基本一致[66]。短日照培養(yǎng)24 d的擬南芥,給予1個(gè)長(zhǎng)日照周期(1 d)處理,然后再轉(zhuǎn)至短日照條件下,擬南芥的開(kāi)花時(shí)間即可顯著提前,暗示一次長(zhǎng)日照處理就誘導(dǎo)出足以完成開(kāi)花的FT[66]。這是由于葉中FT誘導(dǎo)花分生組織相關(guān)基因表達(dá)后,盡管葉中FT不再表達(dá),但PcG復(fù)合體可繼續(xù)維持FT基因在花梗中表達(dá)以完成開(kāi)花和花發(fā)育[33]。在短日照植物牽?；ㄖ?1個(gè)短日照周期也足以誘導(dǎo)出完成花芽分化和花發(fā)育的PnFT表達(dá)量[67-68]。與擬南芥和牽?；ú煌?在菊花中長(zhǎng)期的短日照才能使菊花完成成花轉(zhuǎn)變而現(xiàn)蕾,在此過(guò)程中成熟葉片中FT的表達(dá)量會(huì)逐漸升高并維持到現(xiàn)蕾,暗示菊花開(kāi)花需要FT表達(dá)量達(dá)到一定的閾值[14];在菊花野生二倍體材料C.seticuspe[69]和甘菊(C.lavandulifolium)中也有類似的發(fā)現(xiàn)[70]。光周期誘導(dǎo)的FT表達(dá)劑量效應(yīng)在其他重要作物中也存在,如早熟禾亞科的二穗短柄草、小麥和大麥等的FT2[71]以及無(wú)花果FcFT1[72]、楊樹(shù)PtFT1[38]、日本山毛櫸(Faguscrenata)FcFT[73]等,但這種效應(yīng)至今沒(méi)有合理的解釋,機(jī)制仍不清楚。

在DNA甲基化修飾調(diào)控FT表達(dá)研究方面,通過(guò)構(gòu)建1個(gè)反向重復(fù)(inverted repeats,IR)序列來(lái)誘導(dǎo)BlockC區(qū)域的DNA甲基化,以期FT下調(diào)表達(dá),延遲開(kāi)花。BlockC位于FT轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游5 kb處,是1個(gè)轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子。研究人員發(fā)現(xiàn)除了IR介導(dǎo)的DNA甲基化發(fā)生在BlockC區(qū)域外,還鑒定到1個(gè)新的增強(qiáng)子BlockE也發(fā)生了甲基化修飾,它位于FT基因下游1 kb處,且與組蛋白H3K9me2修飾相關(guān)[74]。但在非人工介導(dǎo)條件下,還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)FT基因區(qū)域可以發(fā)生DNA甲基化修飾。另外,在FT轉(zhuǎn)錄后調(diào)控方面,二穗短柄草在短日照條件下miR5200上調(diào)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致FT下調(diào),從而使花期推遲[75];另外,研究還發(fā)現(xiàn)在二穗短柄草中FT2可變剪切翻譯的蛋白FT2β與FT1互作,干擾FT1與FD的互作從而推遲開(kāi)花[71];而FT在mRNA水平上受m6A修飾調(diào)控還未見(jiàn)報(bào)道。

3 展望

FT在植物開(kāi)花及其他發(fā)育進(jìn)程中扮演著重要角色,但具體的調(diào)控機(jī)制還不清楚,盡管在擬南芥上的研究表明其可能是通過(guò)FD轉(zhuǎn)錄因子來(lái)實(shí)現(xiàn)的[76],但這種機(jī)制在其他物種中是否保守,仍未可知。FT需要從葉片運(yùn)輸?shù)角o尖來(lái)發(fā)揮作用,但FT蛋白是如何從伴胞運(yùn)輸?shù)狡渌?xì)胞的,值得進(jìn)一步研究[77]。在調(diào)控FT表達(dá)方面,除了受光周期調(diào)節(jié),FT的表達(dá)還受溫度和營(yíng)養(yǎng)成分的調(diào)節(jié)。如BvFT1參與甜菜的春化響應(yīng)過(guò)程[30],高溫下菊花CmFTL3表達(dá)被顯著抑制,導(dǎo)致開(kāi)花推遲[69];而在郁金香[78]和水仙[79]的鱗莖中FT則受高溫的誘導(dǎo)表達(dá)。另外,氮作為植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量的限制養(yǎng)分,FT介導(dǎo)了氮素調(diào)控開(kāi)花過(guò)程[80-81],但對(duì)調(diào)控機(jī)制的了解還不深入。

盡管FT的表觀調(diào)控在擬南芥中已經(jīng)比較明確,但最新的研究表明,lncRNA(long non-coding RNA)、組蛋白和DNA修飾、染色重塑復(fù)合體和轉(zhuǎn)錄因子都參與基因組三維構(gòu)象的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié),影響基因的表達(dá)[82-83]。因此,在研究FT基因表達(dá)調(diào)控時(shí),需要整合多種技術(shù)和手段,才能全面了解染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,從而揭示FT基因表達(dá)變化和性狀的關(guān)系。