重瓣花及其分子機制的研究進展

彭 潔，劉 引，武榮花，馮 慧，鐔 媛,4，楊一鵬,4，張 華

（1北京市園林綠化科學研究院/綠化植物育種北京市重點實驗室，北京 100102；2河南農(nóng)業(yè)大學，鄭州 450002；3物產(chǎn)中大長樂林場有限公司，杭州 311123；4黑龍江八一農(nóng)墾大學，黑龍江大慶 163319）

0 引言

花瓣性狀對觀賞性植物的觀賞效果有極大的影響，重瓣性對于花部性狀尤為重要。重瓣花是指花瓣數(shù)量以及花瓣輪數(shù)增多后呈現(xiàn)出的花瓣形態(tài)。重瓣性是被子植物花器官主要的觀賞性狀之一[1]。由于重瓣花的觀賞價值極高，重瓣表型在許多物種中被育種者選擇，因此重瓣特征被認為是許多物種最珍貴的特征之一，如月季、山茶花等。在許多物種中，重瓣花性狀受到了高度重視，不僅體現(xiàn)在觀賞植物品種選育方面，還體現(xiàn)在重瓣花品種的栽培方面。研究重瓣花的形成原因，進而根據(jù)需求來培育出觀賞價值更高的植物新品種，提高植物的觀賞性，從而培育出更多的重瓣植物品種，為重瓣花的應用開發(fā)提供了前景。筆者從重瓣花的研究進展、重瓣花的起源、重瓣花的外在影響因素以及重瓣花的分子機制研究等方面進行綜述，以明確闡述重瓣花的形成原因，為今后的植物新品種的選育、生產(chǎn)應用及分子育種等提供參考。

花瓣是被子植物重要的觀賞性狀之一。觀賞植物一般都存在重瓣花的品種，其花瓣數(shù)量不僅受外在環(huán)境的影響，還受到潛在分子機制的影響。20世紀90年代初Coen等[2]提出花發(fā)育的ABC模型，經(jīng)過研究者們的不斷努力，人們不僅對花發(fā)育的過程和調(diào)控機制有了深入了解，并且在花發(fā)育的多樣性分子機制的研究方面取得了重要的研究進展。2001 年Theissen 等[3]提出花發(fā)育的ABCDE模型，該植物模型已經(jīng)在大多數(shù)植物中得到了充分的驗證。人們已經(jīng)對許多植物種類的花器官相關(guān)基因進行了研究。結(jié)果表明,對于各類花器官的形成，其總體上是較為保守的，但仍存在一些動態(tài)變化，其形成原因與花基本結(jié)構(gòu)的多樣性密切相關(guān)[4]。

1 花瓣重瓣起源

花瓣是被子植物系統(tǒng)演化中最晚出現(xiàn)的一輪器官，一般認為是由花的其他部分次生演化而來[5]?；ò甑钠鹪词茄芯恐参镏匕晷缘年P(guān)鍵途徑，因此花瓣的起源一直受到研究學者們的廣泛關(guān)注。花瓣的經(jīng)典起源理論認為重瓣性是由花瓣多次起源形成的，包含了2 種花瓣的起源方式。一種是苞片起源，該起源方式認為花瓣的重瓣性是由苞片或萼片演化導致的，如木蘭目等少數(shù)類群；另一種是雄蕊起源，認為花瓣是由雄蕊發(fā)生部分或者全部瓣化形成的，如野生重瓣寶興杜鵑[6]、月季[7]、毛茛科[8]、香石竹[9]、日本晚櫻[10]等。這2種起源方式是獨立發(fā)生的[11-13]。

趙印泉等[14]把花瓣起源方式劃分為6類，除上述2種經(jīng)典起源方式外還分為了積累起源、臺閣起源、重復起源和花序起源。積累起源是指在自然及人工的選擇下，從自身的單朵（輪）花瓣開始，經(jīng)過數(shù)代選擇后，花瓣數(shù)量逐漸增多從而形成了重瓣花，如福祿考。臺閣起源是由于花枝極度壓縮形成花中花，稱為臺閣花。重復起源是指花器官結(jié)構(gòu)中的雄蕊、雌蕊和萼片等的數(shù)量一般不發(fā)生變化，而其內(nèi)層花器官花冠等重復外層的結(jié)構(gòu)和裂片基數(shù)，從而增加了花瓣數(shù)量，例如重瓣曼陀羅?；ㄐ蚱鹪匆话惆l(fā)生在菊花、波斯菊和翠菊等菊科植物中，是指在選擇條件下，由單瓣小花組成的花序所形成的重瓣花，即內(nèi)輪與外輪花瓣的形狀和指向發(fā)生變化形成的花瓣。

植物的重瓣起源多樣復雜，不同品種及物種之間都可能存在不同的重瓣起源方式，同一品種可能包含多種起源方式。如梅花的重瓣品種‘大宮粉’是雌雄蕊瓣化而來，而‘素白臺閣’則屬于臺閣起源。山茶‘托桂’品種的起源方式既包含重復起源、雄蕊起源，又包含了苞（萼）片起源[15]。

2 重瓣花分子機制的研究

對于植物花的研究多集中于花器官方面。重瓣花的形成過程，不僅受花瓣起源的影響，還受相關(guān)基因的調(diào)控。近年來，對于重瓣花形成機理的研究多集中在其分子生物學水平上。

花的發(fā)育器官分為4 輪，花器官的構(gòu)造由內(nèi)到外分別為心皮、雄蕊、花瓣及萼片，以輪為序生長[16]（圖1[1,17]）。4輪花器官在植物從營養(yǎng)生長到生殖生長的過程中分別扮演著重要的角色，發(fā)揮著重要的作用。而且4類花器官相互依賴、相互影響。

圖1 植物花器官構(gòu)造和ABC模型

2.1 花發(fā)育結(jié)構(gòu)模型

目前對于花器官的研究，主要集中在ABCDE 模型及MADS-box 基因家族上。20 世紀90 年代通過對擬南芥(Arabidopsis thaliana)、金魚草(Antirrhinum majus)等模式植物的研究，科研人員提出了花器官的ABC 模型[1]。經(jīng)過不斷研究，在矮牽牛中發(fā)現(xiàn)了可以單獨控制胚珠發(fā)育的D 類基因，形成了ABCD 模型。隨著研究的深入，又形成了ABCDE 模型[3]。目前，ABCDE模型已在大部分開花植物中得到驗證[3]。

2.1.1 花器官ABC 模型 1991 年Coen 和Meyerowitz等[2,18]通過對模式植物擬南芥、金魚草的大量研究提出了植物花器官的ABC模型，它是從功能喪失效應中推導出來的。且ABC 模型已經(jīng)對花器官的分子機制研究做出了初步的闡述。

植物的4 輪花器官分別受到A、B、C 類同源異型基因單獨或是2 類基因同時調(diào)控。在花器官的ABC模型中，A 類基因有AP1(APETALA1、APETALA2)控制第1、2 輪（萼片、花瓣）花器官的發(fā)育，B 類基因PI(PIPISTILLATA)、AP3(APETALA3)控制第2、3 輪（花瓣、雄蕊）花器官的發(fā)育，第3、4 輪（雄蕊、心皮）花器官是由C類基因AG單獨控制。ABC模型對花的同源異型基因、花器官的調(diào)控以及各種突變體的形成原因做出了較好的詮釋，而且A、B、C 3類基因在植物中是最保守的，現(xiàn)在仍然受到廣泛的研究關(guān)注。

2.1.2 花器官ABCDE 模型Theissen 等[3]在ABC 模型的基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)了ABCDE 模型，D 基因STK(SEEDSTICK)只在胚珠形成中起作用，E 類基因SEP1(SEPALLATA1)、SEP2(SEPALLATA2)、SEP3(SEPALLATA3)控制每輪花器官的形成。SEP1、SEP2、SEP3是在對擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)的，且研究表明，這3個基因在花發(fā)育的各花器官中都有所表達，3 個基因單獨的突變對植物并沒有明顯的表型變化，但是，3個基因同時突變會導致植物的4 輪花器官均形成萼片狀結(jié)構(gòu)，因此E類的3 個基因?qū)τ诨ò?、雄蕊和雌蕊等各類花器官的形成都可能是不可或缺的[19]。E類基因與A類、B類、C類基因組成的復合體稱之為“四聚體模型”（圖2[20]）。此外，有研究表明E 類基因也在B 類和C 類基因的上游發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)它們的表達[21]?；跀M南芥蛋白層面的“四聚體模型”，A類和E類復合體[AP1-SEP-AP1-SEP]指定萼片身份，A 類、B 類和E 類蛋白[AP1-SEPAP3-PI]指定花瓣，B 類、C 類和E 類復合體[AG-SEPAP3-PI]指定雄蕊，C 類和E 類復合體(AG-SEP-AGSEP)指定心皮，D類和E類復合體[STK-SEP-AG-SHP]指定胚珠[22-27]。

圖2 植物的花發(fā)育ABCDE模型及四聚體模型

在花器官中，一個或多個ABC基因的功能喪失可導致同源異型轉(zhuǎn)化，即一個器官形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€器官形態(tài)，從而導致花器官的突變[28]（圖3[16]）。在花器官發(fā)育的ABCDE模型中，A類基因功能的缺失導致花器官中的萼片轉(zhuǎn)化為心皮，花瓣轉(zhuǎn)化為雄蕊；缺失B類基因?qū)е禄ò甑捷嗥?、雄蕊到心皮的同源異型轉(zhuǎn)化；C類基因功能缺失導致雌蕊和心皮在雌雄體中轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生花瓣和萼片的重復輪生[29-32]。且A、C類基因可以相互抑制表達，產(chǎn)生負調(diào)控。A類基因表達量缺失或減少，C 類基因表達量可能會擴大，導致花器官出現(xiàn)花瓣向雄蕊轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，雄蕊數(shù)量也隨之增多，花瓣數(shù)量減少；C類基因表達量缺失或減少，A類基因的表達量可能會擴大，導致花器官的雄蕊轉(zhuǎn)化為花瓣，花瓣數(shù)量增多，雄蕊數(shù)量減少。缺乏E類基因只形成葉狀器官，說明E類基因的缺失會導致花的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[16]。

圖3 花器官ABC類基因關(guān)系圖

2.2 MADS-box基因家族與AP2/ERF基因家族

2.2.1 MADS-box基因家族MADS-box基因家族存在于動物、植物以及微生物中，從MADS-box 基因的DNA水平上看，MADS-box基因家族分布于整個基因組中[18,33]。在所有陸地植物中都發(fā)現(xiàn)了MADS-box 基因，在裸子植物和被子植物中都發(fā)現(xiàn)了ABCDE 型基因，一些被子植物有近100種不同的MADS-box蛋白，這種多樣性被認為在花的形態(tài)差異中起作用，MADSbox基因及其表達位置的差異可能是花朵多樣化的部分原因[18]。在植物中，MADS-box 家族基因不僅調(diào)控花器官的發(fā)育、開花時間，還調(diào)控著果實成熟等?；趯Χ喾N模式植物的研究可知，ABCDE 模型和四聚體模型中所包含的花發(fā)育的MADS-box基因構(gòu)成了復雜的花發(fā)育調(diào)控機制，MADS-box 基因家族在花發(fā)育中既接受上游基因和信號的調(diào)控，又調(diào)控下游基因的表達，從而控制花器官的形成[34]。有研究表明，在番茄突變Colorless nonripening(Cnr)、Ripening-inhibitor(rin)的研究中發(fā)現(xiàn)，MADS-box 基因參與果實成熟的調(diào)控[35-37]；十字花科蕓薹科植物的MADS-box家族基因是花器官分化、開花時間及根尖分生組織分化的主要調(diào)控因子[38-42]。到目前為止，已公布的花器官發(fā)育關(guān)鍵調(diào)控基因有很多，其中大部分屬于MADS-box。ABCDE基因家族中除了A 類基因的AP2基因外，大多數(shù)有關(guān)花器官的基因?qū)儆贛ADS-box 家族，且MADS-box 家族基因是從擬南芥和金魚草的花器官中克隆得到的。

MADS 包含了4 種結(jié)構(gòu)類型基因，分別為酵母中的MCM1(minichromosome maintenance1)[43]、擬南芥中的AG(AGAMOUS)、金魚草中的DEF(DEFICIENS)[44]和人類血清基因SRF(serum response factor)[45]。植物的MADS-box 轉(zhuǎn)錄因子家族蛋白含有4 個特征結(jié)構(gòu)域（圖4[46]），從蛋白質(zhì)的N 端到C 端，4 個特征域分別為the MADS-box(M)、intervening(I)、keratin-like(K)以及C-terminal(C)domains[47]。

圖4 MADS-box基因的結(jié)構(gòu)

在MADS- box 基因家族中A 類基因包括APETALA1(AP1)，AP1既作為分生組織特征基因決定花和花序的形成，也作為花器官特征基因決定萼片和花瓣的形成[48]。有研究發(fā)現(xiàn)，從牡丹花中分離出的AP1的同源基因PsAP150基因可能參與了重瓣牡丹的萼片分化期、單瓣牡丹的苞片形成期，同源基因PsAP185基因可能參與了重瓣牡丹的花瓣形成[34]；梅花的PmAP1基因僅在梅花的花芽中表達，PmFUL2基因在梅花的葉、根、花、果實中都有所表達，且在葉中的表達量最高[49]；在月季A 類基因研究中發(fā)現(xiàn)，在4 輪花器官中，RcAP1僅在萼片中高表達，在轉(zhuǎn)基因植物中出現(xiàn)了提前開花的現(xiàn)象，說明AP1同源基因RcAP1可能參與了花的分生組織，且具有調(diào)控萼片發(fā)育的功能[50]。

B 類基因有AP3(APETALA3)、PI(PIPISTILLATA)，與植物的雄蕊和花瓣發(fā)育有密切相關(guān)性，對花瓣和雄蕊的發(fā)生、發(fā)育以及花瓣身份的確定起到了至關(guān)重要的作用[51]。有研究表明，毛茛科植物AP3-3基因與花瓣形成具有一定的相關(guān)性，它是控制花瓣形成的關(guān)鍵基因，在花瓣身份的決定過程中起到了“開關(guān)”的作用，毛茛科植物的花瓣由AP3-3單獨調(diào)控，該基因的沉默或低表達，都會造成毛茛科類植物花瓣的丟失[8,19,52]，且在毛茛科植物中發(fā)現(xiàn)AP3-3基因的表達與其花瓣有關(guān)，AP3-3基因在花瓣中特異性表達，在沒有花瓣的物種中不表達[53]；山茶花的B 類基因可以調(diào)控花器官的形態(tài)變化，它的同源異型B 類基因CjHDEF過表達后導致了轉(zhuǎn)基因植物的萼片轉(zhuǎn)化為了花瓣，使得擬南芥的花瓣數(shù)量從原來的4 片轉(zhuǎn)變?yōu)榱? 片[48,54]。劉彩霞等[55]過量表達擬南芥的PI基因后轉(zhuǎn)基因煙草的花器官存在明顯的表型差異，與野生型煙草相比轉(zhuǎn)基因煙草的花器官發(fā)生了變化，說明擬南芥AtPI基因在雄蕊與花瓣發(fā)育中特異性表達。田立莉[56]在甜瓜CmPI基因過表達植株中發(fā)現(xiàn)雄花的數(shù)量明顯多于野生型植株，分析CmPI基因可能對雄花的發(fā)育具有促進作用。馮壘等[17]過表達墨蘭PI基因后，其轉(zhuǎn)基因植株的整體花型及形狀發(fā)生變化，說明PI基因可能與墨蘭花花瓣表型形成有關(guān)。

C 類基因由AG(AGAMOUS)基因單獨調(diào)控，控制花器官中的雄蕊及心皮。據(jù)報道，在大多數(shù)重瓣花物種中，花瓣數(shù)量的增加是雄蕊向花瓣同源異型轉(zhuǎn)化的結(jié)果，因此隨著雄蕊數(shù)量的減少花瓣數(shù)量增多[57-59]。在擬南芥中，C類基因AG基因功能的突變導致雄蕊向花瓣的同源異型轉(zhuǎn)換，最終導致了雄蕊數(shù)量的減少和花瓣數(shù)量的增加。在許多物種中，如薔薇屬、唐松草和仙客來，在第3輪中AG表達的減少導致雄蕊向花瓣的同源異型轉(zhuǎn)化和重瓣花的形成[60-62]。CpAG1和CpAG2是仙客來的AG同源基因，CpAG1表達的缺失使雄蕊轉(zhuǎn)變成花瓣，從而導致花瓣數(shù)增加[63]。限制重瓣玫瑰RhAG基因的表達會增加重瓣玫瑰的花瓣數(shù)量[64]。肖晨星[49]發(fā)現(xiàn)梅花PmAG基因在梅花中參與多個營養(yǎng)器官的生長發(fā)育過程，擬南芥中過量表達梅花PmAG基因后，轉(zhuǎn)基因擬南芥的花瓣變小，花瓣還出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象，同時轉(zhuǎn)基因擬南芥雄蕊和雌蕊明顯膨大，這是由于梅花PmAG基因在擬南芥中增強了C 類基因的功能，且轉(zhuǎn)基因擬南芥的莢果出現(xiàn)了明顯的雌蕊敗育現(xiàn)象，說明PmAG基因參與了梅花的多個營養(yǎng)器官的發(fā)育。

2.2.2AP2/ERF家族基因AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族是植物界中最大的家族之一，其序列至少含有1段60 bp左右的AP2保守結(jié)構(gòu)域，根據(jù)AP2結(jié)構(gòu)域的數(shù)量和含有的不同結(jié)構(gòu)域，可以將其分為AP2(APETALA2)、ERF（乙烯響應因子）、DREB（脫水響應元件結(jié)合蛋白）、RAV 和Soloist 5 個亞家族。且有研究表明，AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子及其各個亞家族在擬南芥、水稻、玉米和番茄等植物[65]中的組成數(shù)量是不同的。

AP2是一種A類基因，稱為花身份基因，不僅抑制C 類基因AG(AGAMOUS)的表達，還調(diào)節(jié)B 類基因AP3(APETALA3) 和PI(PISTILLATA)、E 類基因SEP3(SEPALLATA3)的表達[66]。在擬南芥的花發(fā)育過程中，AP2在萼片和花瓣器官中以及抑制C類基因功能方面起著重要的作用[59]。例如月季‘月月粉’RcAP2表達可能與雄蕊來源的花瓣數(shù)量有關(guān)，轉(zhuǎn)基因擬南芥植物中RcAP2的過表達可能誘導雄蕊向花瓣的轉(zhuǎn)化，從而增加花瓣的數(shù)量，且在植物中沉默RcAP2可以減少花瓣的數(shù)量[67]。

在花發(fā)育期間，AP2除了拮抗AG外，miR172（一種microRNA）還充當AP2的負調(diào)節(jié)因子，miR172對AP2的抑制對于花器官是至關(guān)重要的[65,68-69]。在擬南芥中，在AP2中具有miR172靶位點突變的植物表現(xiàn)出擴大的花分生組織和過量的雄蕊，表明AP2在控制花分生組織終止中有非常重要的作用，AP2功能的缺乏將導致雄蕊取代花瓣，而AP2的異位表達將導致重瓣花的產(chǎn)生[70]。

研究發(fā)現(xiàn)，在歐洲慈姑AP2的同源基因SsAP2中，SsAP2缺失了miR172的結(jié)合位點，在歐洲慈姑中過量表達SsAP2，會表現(xiàn)出開花時間延遲和花瓣數(shù)量增加[71]。桃基因的euAP2轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)花發(fā)育中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，且miR172結(jié)合位點影響花分生組織的大小[72]。

此外，有研究還發(fā)現(xiàn)，AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子在各種植物物種的生物脅迫及非生物脅迫中起著重要的作用[73]。

3 影響花瓣重瓣的外在因素

重瓣花的形成比較復雜，花器官的分化和發(fā)育并不能涵蓋重瓣花的全部形成途徑，它不僅會直接受到相關(guān)基因的調(diào)控，還會間接受到外界因素的影響。

3.1 溫度

溫度在植物花發(fā)育階段至關(guān)重要。有研究表明，月季在經(jīng)過高溫處理（32℃12 h 光培，22℃12 h 暗培）后，與正常處理（24℃12 h光培，14℃12 h暗培）下的月季相比花瓣數(shù)量會減少；而經(jīng)過低溫處理（16℃12 h光培，6℃12 h暗培）的月季，與正常處理下的月季相比花瓣數(shù)量會增多[67]。經(jīng)過連續(xù)或夜間的低溫(5℃)處理能夠促進香石竹形成額外的花瓣，從而導致花瓣總數(shù)顯著增加[74]。

3.2 激素

有研究表明，在桃花花芽萌動前噴施GA3可以增加花瓣數(shù)量，但對不同品種施用不同濃度的GA3，最終導致花瓣增加數(shù)量不同[75]。如在香石竹的莖尖噴施GA3或IAA 后花瓣數(shù)量增多，這是因為噴施GA3或IAA 能夠促進次生中心的形成，從而導致花瓣數(shù)量的增加[74]。

3.3 葉片

研究表明，鳳仙花在去除部分葉片后，花瓣數(shù)量會增加，是未去除葉片的2倍左右。當來自葉片的信號數(shù)量有限時，葉的信號在花發(fā)育中具有連續(xù)和定量的作用，導致花瓣起始期的延長，從而導致花瓣數(shù)量的增多[76]。

4 展望

花部性狀是觀花植物重要的觀賞部位，花瓣的數(shù)量直接影響了花的觀賞特性。從古至今，人們對于重瓣植物就有所偏愛，不僅體現(xiàn)在觀賞植物品種選育方面還體現(xiàn)在重瓣花品種的栽培方面。研究重瓣花的形成原因，進而根據(jù)需求來培育出觀賞價值更高的植物新品種，是研究者致力于重瓣花研究的重要原因?；ò陻?shù)量不僅間接受到外界環(huán)境因素的影響，還直接受到了花發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)控?；ㄆ鞴貯BCDE模型的發(fā)現(xiàn)是重瓣花形成機制研究的重大突破。

近年來的研究成果表明，重瓣花的形成原因受到遺傳模式及外在因素的共同影響，重瓣花物種的遺傳模式規(guī)律性不強，導致其重瓣性受到影響。溫度、激素等外在因素的影響也增加了觀賞性植物重瓣的復雜性，因此其遺傳性與外界因素之間的相互作用導致重瓣性表型的形成。

研究學者通過模式植物擬南芥、金魚草等的研究建立了植物花發(fā)育的ABCDE 模型，該模型的發(fā)掘揭示了重瓣花形成的分子機理，發(fā)現(xiàn)了不同物種的同源異型基因，模型的建立為重瓣花的研究提供了重要的途徑。近年來研究發(fā)現(xiàn)，重瓣花形成原因較為復雜，受到多基因調(diào)控，從而形成豐富的表型，這也為觀賞性植物提供了新的種質(zhì)資源。

目前對于重瓣花的分子機制的研究僅限于ABCDE 模型，挖掘控制重瓣花形成的關(guān)鍵基因一直是研究重瓣花形成機制的重點。利用重瓣花形成的分子機制，培育觀賞性強的重瓣花品種也會是今后的研究趨勢，這也為今后重瓣花新品種選育及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要研究方向。