生長素調(diào)控植物腋芽發(fā)育的研究進展

王銘，焦其慶，徐海成，焦付超，張海艷，陳景堂

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266109；2. 山東省農(nóng)業(yè)科學院，山東 濟南 250100；3. 濰坊科技學院，山東 壽光 262700)

株型對植物的葉面積、光合作用、響應(yīng)外界環(huán)境變化具有重要影響，進而間接影響到果實品質(zhì)、生物產(chǎn)量、花卉品質(zhì)等重要性狀[1－4]。植物腋芽發(fā)育是植物株型和形態(tài)建成的關(guān)鍵因素之一，其取決于植株葉腋處的腋芽響應(yīng)內(nèi)源和外源刺激而產(chǎn)生新分枝的能力。植物腋芽萌發(fā)后會進一步生長形成側(cè)枝，進而構(gòu)成不同株型，是植物構(gòu)成自身形態(tài)的一種重要手段。植物體內(nèi)腋芽發(fā)育受到外界環(huán)境、內(nèi)源激素、水分、營養(yǎng)、光照等因素復雜而精密的調(diào)控[5－7]。

植物激素(phytohormones)是產(chǎn)生于植物體內(nèi)的調(diào)節(jié)自身各種生理過程的物質(zhì)，參與植物發(fā)芽、生根、開花、結(jié)實、休眠、衰老等各個時期的幾乎所有生理過程[8]。調(diào)控植物腋芽發(fā)育的關(guān)鍵激素包含生長素(auxin)、細胞分裂素(cytokinin，CK)、獨腳金內(nèi)酯(strigolactone，SL)、脫落酸(abscisic acid，ABA)等[9]，其中生長素是最早報道的參與植物腋芽發(fā)育的植物激素[10]。生長素主要分布于植物根尖和芽的分生組織、受精后的子房、幼嫩種子等生長旺盛部分，參與調(diào)控植物的胚胎發(fā)育、器官發(fā)生、種子和果實生長、向性運動、側(cè)芽生長發(fā)育等重要生理過程[11－14]。生長素信號轉(zhuǎn)導是生長素影響植物生長發(fā)育的重要手段之一。研究表明從SCFTIR1/AFB受體到Aux/IAA 蛋白的泛素化降解最終通過ARF 家族轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游基因表達是植物體內(nèi)生長素主要信號轉(zhuǎn)導通路之一[15]。

至今，在植物體中研究人員已經(jīng)克隆并鑒定了一系列與腋芽發(fā)育相關(guān)的基因，例如雙子葉植物的BRC1(BRANCHED1)、RMS(RAMOSUS)、FHY3(FAR－RED ELONGATED HYPOCOTYL3)、FAR1(FAR － RED － IMPAIRED RESPONSE1)、MAX2(MORE AXILLARY GROWTH2)、SUPPRESSOR OF MORE AXILLARY GROWTH2(MAX2)－LIKE6(SMXL6)、SMXL7、SMXL8、DAD2(DECREASED APICAL DOMINANCE2)等，單子葉植物的TB1(TEOSINTE BRANCHED1)、IPA1(IDEAL PLANT ARCHITECTURE1)、D14(DWARF14)、D53(DWARF53)、LAX(LAX PANICLE)等，以及編碼雙加氧酶(CCD7 和CCD8)和類胡蘿卜素異構(gòu)酶(D27)等植物體內(nèi)激素代謝關(guān)鍵酶的基因，這些基因都被實驗證明參與植物對腋芽發(fā)育的調(diào)控[9，16－21]。

目前，國內(nèi)外對于植物腋芽發(fā)育的調(diào)控機制，尤其是生長素通過細胞分裂素和獨腳金內(nèi)酯等植物激素影響腋芽發(fā)育的相關(guān)機理已有較多報道。本文將從生長素入手，綜述其調(diào)控植物腋芽發(fā)育的模型和調(diào)控植物分枝的關(guān)鍵基因兩方面研究內(nèi)容，以期為生長素調(diào)控植物腋芽發(fā)育的分子機制相關(guān)研究提供一定參考。

1 生長素調(diào)控植物腋芽發(fā)育的模型

研究認為，頂端分生組織產(chǎn)生的生長素通過調(diào)控腋芽中的細胞代謝、信號轉(zhuǎn)導等生理生化過程來抑制植物腋芽發(fā)育[22]。然而，直接將生長素施用于腋芽并不能抑制腋芽生長，并且在植物頂端施用的生長素不能被輸送到腋芽中，說明生長素并非抑制腋芽發(fā)育的直接作用因子[23，24]。對此學界提出用第二信使模型和生長素運輸模型來解釋生長素如何調(diào)控腋芽的發(fā)育。

1.1 第二信使模型

根據(jù)第二信使模型，生長素通過調(diào)控獨腳金內(nèi)酯和細胞分裂素這兩種植物激素的代謝和信號轉(zhuǎn)導來調(diào)節(jié)腋芽發(fā)育，進而影響下游BRC1(TB1)等腋芽發(fā)育關(guān)鍵基因的表達[6，25－28]。獨腳金內(nèi)酯近些年被確認為是一種新型植物激素，它參與調(diào)控植物種子萌發(fā)、葉片發(fā)育、側(cè)根生長、側(cè)芽伸長、植株衰老等過程，是植物腋芽發(fā)育的關(guān)鍵抑制因子[26]。研究表明生長素可以促進獨腳金內(nèi)酯的生物合成。MAX4編碼多烯雙加氧酶基因，它是植物體內(nèi)合成獨腳金內(nèi)酯的關(guān)鍵酶之一。Sorefan等[29]研究發(fā)現(xiàn)，生長素不能在擬南芥腋芽中積累，但可以誘導腋芽中MAX4基因的表達。此外，擬南芥max4缺失突變體表現(xiàn)出多分枝的表型，說明生長素可促進腋芽中獨腳金內(nèi)酯生物合成基因的轉(zhuǎn)錄，從而提高腋芽中獨腳金內(nèi)酯含量[30]。植物體內(nèi)CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE7(CCD7)和CCD8編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶，也是獨腳金內(nèi)酯合成的關(guān)鍵基因之一。研究顯示，生長素可以通過誘導CCD7和CCD8的表達來提高腋芽中獨腳金內(nèi)酯含量，進而調(diào)控植物腋芽發(fā)育[31－35]。上述研究表明，生長素可以通過誘導獨腳金內(nèi)酯生物合成的關(guān)鍵基因的表達來提高腋芽中獨腳金內(nèi)酯含量，抑制腋芽發(fā)育。生長素還會通過調(diào)控獨腳金內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導來影響腋芽發(fā)育。研究表明，D53和SMXL等獨腳金內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導關(guān)鍵基因的表達受到生長素的調(diào)控，從而間接影響D53和SMXL下游腋芽生長發(fā)育關(guān)鍵負調(diào)控基因TB1和BRC1的轉(zhuǎn)錄[36－39]。并且，獨腳金內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導關(guān)鍵基因的缺失突變體會表現(xiàn)出高度分枝的表型，并對外源生長素的敏感性降低，例如豌豆rms突變體、矮牽牛dad突變體和擬南芥max突變體[40]。

細胞分裂素在植物生長發(fā)育中起到重要作用，參與調(diào)控植物細胞分裂并誘導芽的形成，是腋芽發(fā)育的誘導因子。研究表明，將細胞分裂素直接作用于植物休眠芽后會促進休眠芽的萌發(fā)[27]。Bangerth[41]的試驗表明，摘除菜豆(Phaseolus vulgarisL.)頂芽后，木質(zhì)部和腋芽中的細胞分裂素含量提高，但施用生長素后，腋芽中的細胞分裂素含量減少，表明生長素可能會調(diào)控細胞分裂素的生物合成。異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(IPT)是細胞分裂素合成的重要限速酶，控制細胞分裂素合成的關(guān)鍵步驟。進一步研究表明，施用生長素會抑制IPT基因的轉(zhuǎn)錄水平，從而達到抑制細胞分裂素合成的目的，證實生長素可以通過降低腋芽內(nèi)的細胞分裂素含量抑制腋芽的發(fā)育[42－44]。

1.2 生長素運輸模型

在植物體內(nèi)，生長素主要產(chǎn)生于幼葉、莖尖、根尖等生長旺盛部分，并在維管束中通過極性運輸方式轉(zhuǎn)運[45，46]。生長素運輸模型表明腋芽的發(fā)育取決于植株對生長素極性運輸?shù)恼{(diào)控，即腋芽的生長受到生長素極性運輸?shù)恼{(diào)節(jié)，而不是生長素含量的調(diào)節(jié)[47－49]。前人研究表明，主莖頂芽產(chǎn)生的生長素被加載到生長素極性運輸流(polar auxin transport stream，PATS)中，并以極性運輸方式向基部運輸[50]。當主莖中的PATS 飽和時，腋芽內(nèi)產(chǎn)生的生長素不能及時向外輸出，進而導致腋芽內(nèi)生長素含量增加，腋芽發(fā)育被抑制；而當主莖中的PATS 未飽和時，腋芽內(nèi)產(chǎn)生的生長素可以轉(zhuǎn)運到主莖中，使腋芽內(nèi)生長素含量維持在適宜生長的濃度。Hall 等[51]用放射性同位素標記吲哚乙酸，發(fā)現(xiàn)頂芽產(chǎn)生的生長素不能被轉(zhuǎn)運到腋芽中。還有研究發(fā)現(xiàn)，頂芽產(chǎn)生的生長素可以促進腋芽中產(chǎn)生的細胞分裂素向主莖中運輸，從而降低腋芽中的細胞分裂素濃度[42]。而在去頂?shù)那o上施用外源生長素可以提高PATS 中的生長素濃度，并抑制下端腋芽生長，表明腋芽發(fā)育受到生長素極性運輸?shù)恼{(diào)控[52－55]。根據(jù)生長素運輸模型，主莖中的生長素極性運輸限制腋芽與主莖之間生長素外排通道的建立，從而導致腋芽中產(chǎn)生的生長素不能及時外排而濃度升高，過高濃度的生長素會抑制腋芽發(fā)育[56]。

生長素的極性運輸和外排轉(zhuǎn)運還受到生長素轉(zhuǎn)運蛋白的影響[57，58]。植物體內(nèi)主要的生長素轉(zhuǎn)運蛋白包括:PIN－FORMED(PIN)蛋白、ATPbinding cassette B(ABCB)蛋白以及Auxin Resistant(AUX)1/like AUX1(LAX)轉(zhuǎn)運蛋白等。在腋芽發(fā)育過程中，生長素轉(zhuǎn)運主要受到維管組織細胞膜上分布的外排載體PIN 蛋白的調(diào)控[59，60]。Petrásek 等[61]研究表明，PIN 蛋白在木質(zhì)部相關(guān)的細胞中高度表達，并且其分布位置決定了細胞之間生長素的流動方向。Balla 等[53]研究表明，豌豆(Pisum sativumL.)頂芽和腋芽中的生長素共同調(diào)控PIN 蛋白分布，且腋芽依賴PIN 蛋白建立定向的生長素外流通道。去頂后，PIN 蛋白的分布受到影響，腋芽向外轉(zhuǎn)運生長素的速率提高，從而誘導腋芽的發(fā)育。也有研究表明，SL 可以通過抑制編碼PIN 蛋白基因的表達來調(diào)節(jié)腋芽和莖之間的生長素運輸，從而調(diào)控腋芽中的生長素含量[36，53，62]。Shinohara 等[5]研究也證實，PIN 蛋白的積累可以通過SL 信號途徑調(diào)控腋芽生長關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子BRC1 的表達，表明BRC1的表達可能受到生長素運輸?shù)恼{(diào)控。

2 生長素調(diào)控植物分枝的關(guān)鍵基因

植物細胞內(nèi)的TIR1/AFB－Aux/IAA－ARF 通路是響應(yīng)生長素的重要信號轉(zhuǎn)導途徑，生長素通過其調(diào)控下游一系列基因的表達來影響包括腋芽發(fā)育在內(nèi)的諸多性狀[63－66]。Stirnberg 等[64]研究表明，擬南芥AXR1(AUXIN RESISTANT 1)是植物響應(yīng)生長素信號轉(zhuǎn)導的重要因子，其編碼一個與泛素激活酶E1 相關(guān)的蛋白，擬南芥axr1缺失突變體對生長素敏感性降低，表現(xiàn)出高度分枝的表型。此外，Lincoln 等[65]也比較了擬南芥野生型和axr1缺失突變體的腋芽發(fā)育情況，表明axr1缺失突變不影響腋芽分生組織形成的時間，但axr1缺失突變體中腋芽的生長速率顯著高于對照，表明生長素對腋芽發(fā)育的影響主要是調(diào)控腋芽的伸長，并非腋芽的萌發(fā)。

BRC1編碼一個TCP 家族的轉(zhuǎn)錄因子，是腋芽發(fā)育的關(guān)鍵負調(diào)控基因。前人研究表明BRC1的轉(zhuǎn)錄水平受到生長素信號轉(zhuǎn)導的控制[28]。實驗顯示植物莖中的生長素不能被轉(zhuǎn)運到腋芽中直接誘導BRC1的表達，而是通過CK 和SL 兩種激素調(diào)控BRC1的表達，從而影響腋芽的生長發(fā)育[28，37]。Shen 等[67]研究表明，黃瓜中的CsBRC1可以直接結(jié)合在編碼生長素外排載體CsPIN3基因的啟動子上，并對其表達進行負調(diào)節(jié)，從而升高腋芽中生長素的水平。通過RNAi 對CsBRC1的表達進行抑制，CsPIN3基因的表達量提高，促進腋芽中生長素的外排，進而誘導黃瓜腋芽發(fā)育。

參與植物生長素運輸?shù)腜IN 蛋白和AUX1/LAX 蛋白也都被證實參與調(diào)控植物腋芽的發(fā)育[68，69]。Krogan 等[70]的試驗證明，MONOPTEROS(MP)編碼一個生長素響應(yīng)因子(auxin response factor，ARF)家族的轉(zhuǎn)錄因子，其通過結(jié)合PIN基因的啟動子來調(diào)控PIN基因的表達，從而參與對植物腋芽發(fā)育的調(diào)控。ARR1編碼細胞分裂素信號轉(zhuǎn)導通路中的重要轉(zhuǎn)錄因子，其缺失突變體arr1表現(xiàn)出高度分枝的表型。Waldie 等[71]研究表明，施加細胞分裂素可以促進PIN3、PIN7 和PIN4 積累，而PIN3、PIN4 和PIN7 表達量的減少可以抑制arr1缺失突變體的腋芽發(fā)育。這表明細胞分裂素可能促進腋芽中生長素的外排轉(zhuǎn)運，而PIN 蛋白反饋調(diào)節(jié)腋芽中細胞分裂素的信號轉(zhuǎn)導。Bennett 等[72]通過放射性標記的吲哚－3－乙酸(IAA)觀察到，擬南芥max4缺失突變體中編碼生長素外排載體基因PIN1的表達量顯著高于對照，并且不依賴于生長素信號轉(zhuǎn)導。表明SL 能夠通過降低PIN 蛋白在木質(zhì)部的積累而抑制生長素由腋芽向外轉(zhuǎn)運，以此來負調(diào)控腋芽發(fā)育[5]。Xie 等[73]研究也表明PIN 蛋白介導的生長素轉(zhuǎn)運對腋芽的發(fā)育有重要影響。

Dun 等研究表明，豌豆中的RAMOSUS(RMS)是控制豌豆腋芽發(fā)育的重要基因，其編碼類胡蘿卜素裂解酶，是SL 信號轉(zhuǎn)導的重要因子之一。在植物腋芽發(fā)育過程中，生長素會通過誘導RMS基因的表達來激活SL 信號轉(zhuǎn)導，從而抑制植物腋芽的發(fā)育[74]。這表明RMS介導的SL 信號是生長素調(diào)控植物腋芽發(fā)育的重要途徑[31，74]。此外，rms缺失突變體的生長素含量雖然高于野生型，但腋芽的發(fā)育卻并未受到抑制，進一步表明生長素可能通過調(diào)控SL 信號途徑影響植物腋芽發(fā)育[31，75]。

AUXIN RESPONSE FACTOR3(ARF3)是介導生長素信號的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，研究表明arf3缺失突變體中的IPT5表達量提高，促進CK 的生物合成。進一步研究表明，ARF3直接與AtIPT5基因的啟動子結(jié)合，并負調(diào)控AtIPT5的表達，說明生長素可以抑制腋芽內(nèi)細胞分裂素的合成[76]。

Wei 等[77]在番茄中鑒定到一個調(diào)控腋芽發(fā)育的基因SlTCP26，過表達SlTCP26會促進腋芽發(fā)育，并能抑制與生長素信號相關(guān)基因的表達。此外，脫落酸信號相關(guān)基因在SlTCP26過表達突變體中的表達也受到抑制，表明在番茄中脫落酸信號和生長素信號可能通過SlTCP26協(xié)同調(diào)控腋芽的發(fā)育。

Phytochrome B(phyB)是植物體內(nèi)光信號轉(zhuǎn)導的重要因子，phyB缺失突變體的腋芽發(fā)育受到抑制。Krishna 等[78]研究表明，去除頂芽或抑制PATS 可促進擬南芥phyB缺失突變體的腋芽發(fā)育，而在phyB缺失突變體幼苗中，IAA 含量升高，表明phyB 介導的植物光信號可能通過抑制生長素信號轉(zhuǎn)導從而促進腋芽發(fā)育。

3 討論與展望

植物對腋芽生長發(fā)育的調(diào)控是一個復雜過程，涉及到細胞代謝、環(huán)境變化、信號轉(zhuǎn)導等諸多因素[6，28]。除了生長素、細胞分裂素、獨腳金內(nèi)酯、脫落酸、油菜素內(nèi)酯等植物激素外，蔗糖、葡萄糖、6－磷酸海藻糖等細胞內(nèi)的能源和碳源物質(zhì)也可通過庫源關(guān)系或糖信號的轉(zhuǎn)導影響植物腋芽的發(fā)育[79－82]；此外，光照、溫度、水分等植物所處的外界環(huán)境因素對腋芽發(fā)育也有重要影響[6，28，83，84]；也有研究表明己糖激酶、氮、活性氧也在調(diào)控植物腋芽發(fā)育過程中扮演了信號分子的作用[85－89]。幾十年來，隨著分子生物學和遺傳學的快速發(fā)展，生長素調(diào)控植物腋芽發(fā)育的機制機理以及與植物激素、細胞代謝、環(huán)境因素等協(xié)同調(diào)控腋芽發(fā)育的互作機制一直在不斷地研究中。近年來這些方面研究雖然取得一些進展，但仍有許多基本問題尚未得到解答，例如:外界環(huán)境通過何種途徑調(diào)控植物腋芽發(fā)育及其關(guān)鍵基因，生長素第二信使模型和生長素運輸模型調(diào)控腋芽發(fā)育的時空關(guān)系，生長素轉(zhuǎn)運蛋白在調(diào)控腋芽發(fā)育中的作用，生長素信號和糖信號之間協(xié)同調(diào)控腋芽發(fā)育的機制，腋芽發(fā)育過程中生長素調(diào)控細胞分裂素信號轉(zhuǎn)導的機制，等等。

今后進一步的研究也將是著重于發(fā)現(xiàn)調(diào)控植物腋芽發(fā)育的更多關(guān)鍵基因并解析其遺傳機制，探究植物腋芽發(fā)育的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以期為闡明植物腋芽發(fā)育機制和頂端優(yōu)勢機理提供重要理論依據(jù)，挖掘出有重要育種應(yīng)用價值的關(guān)鍵基因，并通過現(xiàn)代育種手段選育出突破性的植物新品種，使其能更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化。