激素調(diào)控植物分枝/分蘗的研究進(jìn)展

陳奮奇，張金青，馬暉玲

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

植物株型是許多作物產(chǎn)量的決定因素之一，其由分枝數(shù)量、分枝角度及株高決定。因此，分枝是植物株型的一個(gè)重要特征，也是腋芽起始和芽生長(zhǎng)的結(jié)果，對(duì)經(jīng)濟(jì)作物的種子產(chǎn)量以及牧草產(chǎn)量均具有決定性作用［1］。分蘗是禾本科植物特有的分枝。分枝/分蘗主要影響植物葉面積的展開和分布，決定了植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中光合作用碳固定量和能量供給［2］。同時(shí)，分枝/分蘗也會(huì)通過影響作物與雜草的競(jìng)爭(zhēng)、害蟲的傳播等控制產(chǎn)量［3］。如向日葵（Helianthus annuus）和玉米（Zea mays）需要通過減少分枝/分蘗來改良地上結(jié)構(gòu)，提高其經(jīng)濟(jì)效益［4］。而在水稻（Oryza sativa）［5］、小麥（Triticum aestivum）［6］等糧食作物，以及假儉草（Eremochloa ophiuroides）［7］、蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）［8］等牧草中，需要增加有效分蘗或分枝提高種子產(chǎn)量、草產(chǎn)量及裸地覆蓋率。此外，分枝狀況也與作物的栽培密度及營(yíng)養(yǎng)分配密切相關(guān)［9］。因此，挖掘作物理想株型是提高其產(chǎn)量的有效措施之一。

植物分枝起源于腋生分生組織（axillary meristem，AM），AM 的數(shù)量和側(cè)芽活性是決定植物分枝狀況的主要因素［10］。AM 經(jīng)分化形成與主枝呈一定角度的側(cè)枝或分枝［11］。分枝/分蘗的發(fā)育一般經(jīng)歷3 個(gè)階段，即AM 起始階段、AM 帶葉發(fā)育階段和AM 生長(zhǎng)階段［12］。因此，找到3 個(gè)階段的調(diào)控因子，如EXB1［13］、TB1［14］、BRC1［15-16］和D53［17］等基因，并利用現(xiàn)代基因編輯技術(shù)和工具對(duì)這些基因進(jìn)行靶向操縱獲得理想株型，便可以實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量的提高和經(jīng)濟(jì)收益的增加。除了遺傳調(diào)控因子外，外界環(huán)境和內(nèi)源激素水平也在植物分枝過程中發(fā)揮重要作用。

植物側(cè)芽形成后既可直接分化為側(cè)枝，也可進(jìn)入過渡生長(zhǎng)期，形成休眠芽［18］。解除休眠后，側(cè)芽繼續(xù)發(fā)育為側(cè)枝［19］。因此，AM 形成后是否能夠發(fā)育成側(cè)枝主要取決于外界因素及激素水平［20］。植物激素的生理效應(yīng)復(fù)雜且多樣，目前應(yīng)用較多的激素主要有生長(zhǎng)素（indole-3-acetic acid，IAA）、赤霉素（gibberellin，GA）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CK）、脫落酸（abscisic acid，ABA）、獨(dú)腳金內(nèi)酯（strigolactone，SL）、乙烯（ethylene，ETH）、水楊酸（salicylic acid，SA）、油菜素甾醇（brassinosterol，BR）和茉莉酸（jasmonic acid，JA）等。植物分枝過程中，環(huán)境因子可改變植物激素含量，促使其達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而激發(fā)相關(guān)基因表達(dá)［15，21］。可見，環(huán)境因素是通過改變植物激素含量及其平衡來調(diào)控分枝的。近年來，關(guān)于激素調(diào)控植物分枝的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展。已報(bào)道IAA、CK 和SL是作用明確和清晰的3 種激素，其中IAA 和SL 抑制側(cè)芽生長(zhǎng)，CK 則促進(jìn)側(cè)芽生長(zhǎng)［22］，其余激素對(duì)分枝的調(diào)控作用也有相關(guān)報(bào)道（表1）。本研究立足于當(dāng)前植物分枝/分蘗的研究進(jìn)展，力圖總結(jié)控制該性狀的激素調(diào)控機(jī)制，以期為開展相關(guān)研究提供參考，也為培育理想株型高產(chǎn)新作物品種奠定基礎(chǔ)。

表1 參與調(diào)控植物分枝/分蘗的主要激素類型Table 1 Main hormone types involved in regulating plant branching/tillering

1 植物激素對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制

1.1 IAA 對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制

IAA 主要在植物幼葉和莖尖合成，是最早發(fā)現(xiàn)的調(diào)控植物分枝的激素［23］。IAA 從莖頂端向基部的運(yùn)輸過程稱為極性運(yùn)輸（polar auxin transport，PAT），IAA 輸出載體（PIN 和ABCB/PGP）參與調(diào)節(jié)該過程［24］。PIN 主要參與IAA 運(yùn)輸而對(duì)側(cè)枝起調(diào)控作用，而生長(zhǎng)素抗體/類生長(zhǎng)素抗體（auxin resistant/like auxin resistant，AUX/LAX）作為IAA 輸入?yún)f(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)因子通過葉的分化調(diào)控分枝［25］。

研究發(fā)現(xiàn)，IAA 含量降低或外流是AM 形成所必需的［26-27］。IAA 調(diào)控植物分枝的主要假說是頂端優(yōu)勢(shì)，故生產(chǎn)中通常使用去除植物頂端組織的方式降低IAA 含量，達(dá)到促進(jìn)分枝的目的［19］。然而，直接在腋芽處用外源IAA 處理并不能抑制腋芽生長(zhǎng)。同時(shí)，植物頂端產(chǎn)生的IAA 也無(wú)法轉(zhuǎn)運(yùn)到腋芽發(fā)揮作用［28］?？梢?，IAA 并不是以直接作用的方式抑制側(cè)芽發(fā)育［18］。綜上所述，Waldie 等［29］推測(cè)，IAA 調(diào)控側(cè)枝發(fā)育的原因可能是控制腋芽自我建立PAT 的能力，也可能是通過第二信使間接發(fā)揮作用的。

除頂端優(yōu)勢(shì)外，IAA 對(duì)分枝的調(diào)控也與IAA 運(yùn)輸假說有關(guān)。這一假說指出，無(wú)論是頂端分生還是腋生分生組織，只有在主動(dòng)輸出IAA 的基本狀態(tài)下才能生長(zhǎng)，即所謂的IAA 極性運(yùn)輸流（polar auxin transport stream，PATS）。同時(shí)，芽必須將IAA 輸出到主莖的PATS 中，才開始生長(zhǎng)。Bennett 等［25］擴(kuò)展了這一概念，認(rèn)為擬南芥（Arabidopsis thaliana）多分枝（more axillary growth，MAX）途徑通過調(diào)節(jié)IAA 運(yùn)輸來控制PIN表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控頂端優(yōu)勢(shì)。Ferguson 等［30］認(rèn)為，在表現(xiàn)出完全頂端優(yōu)勢(shì)的植物中，PATS 以最大能力發(fā)揮作用，或以某種方式限制IAA 運(yùn)輸特性，因此PIN無(wú)法轉(zhuǎn)運(yùn)從芽進(jìn)入的額外IAA。因此，在番茄（Solanum lycopersicum）葉腋處施加IAA可以有效抑制AM 形成，同時(shí)極性IAA 轉(zhuǎn)運(yùn)突變體中IAA 信號(hào)抑制可以恢復(fù)其分枝缺陷［26］。相關(guān)抑制是另一概念，可以將上述IAA 運(yùn)輸假設(shè)應(yīng)用于生長(zhǎng)芽之間的競(jìng)爭(zhēng)，該假說指出，根據(jù)每個(gè)芽中IAA 運(yùn)輸?shù)某潭?，兩個(gè)生長(zhǎng)芽之間相互抑制［31］。

IAA 含量由許多基因調(diào)控，如下調(diào)OsPIN1可以弱化頂端優(yōu)勢(shì)，引起水稻分蘗增加［32］。研究表明，AM 在IAA含量低的葉肉細(xì)胞中形成，且已知DII表達(dá)水平與IAA 含量呈負(fù)相關(guān)，而DR5正向調(diào)節(jié)IAA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)［10］，表明上調(diào)DII或者下調(diào)DR5均可減少IAA 含量或降低其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而增加植物分枝。YUC是IAA 合成關(guān)鍵基因，它缺失會(huì)導(dǎo)致IAA 合成減少，最終增加植物分枝［33］。相反，YUC上調(diào)則會(huì)抑制植物分枝。另外，IAA 外排載體抑制劑萘草胺（N-1-naphthylphthalamic acid，NPA）的應(yīng)用也會(huì)抑制玉米花序中AM 的啟動(dòng)，同時(shí)影響小穗發(fā)育［34］。這可能為利用IAA 途徑同時(shí)調(diào)控禾本科植物分蘗和穗發(fā)育，進(jìn)而增加糧食產(chǎn)量提供了新的思路。

1.2 CK 對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制

CK 合成于根中，在植物失去頂端優(yōu)勢(shì)后，在莖中也有合成，受外源IAA 抑制，并通過蒸騰作用從木質(zhì)部向上運(yùn)輸［35］，其在腋芽激活及植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)方面扮演重要角色［36］。大量研究表明，CK 可以促進(jìn)休眠芽生長(zhǎng)，且芽中或芽附近的CK 水平與芽的命運(yùn)緊密相關(guān)［37］。遺傳學(xué)分析也表明，CK 的接收和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)AM 的形成是必需的［27］。如施加CK，能夠直接促進(jìn)腋芽生長(zhǎng)，并增加CK 含量，且具有劑量依賴性［38］。在葉腋處過量合成CK 可以部分恢復(fù)rax突變體AM 減少的表型，且葉腋中產(chǎn)生過量的CK 可挽救AM 啟動(dòng)缺陷的突變體［27］。施加部位除了腋芽和葉腋外，在維管束上或側(cè)芽鄰近的莖上施加外源CK 也可促進(jìn)側(cè)芽生長(zhǎng)。有研究報(bào)道，CK 作用于完整植株的側(cè)芽生長(zhǎng)，對(duì)去頂植物的側(cè)芽生長(zhǎng)沒有調(diào)控作用，表明CK 調(diào)控側(cè)芽生長(zhǎng)的方式是促進(jìn)其減弱頂端優(yōu)勢(shì)［39］。

CK 也可以促進(jìn)AM 起始和側(cè)芽形成以及側(cè)枝伸長(zhǎng)，擬南芥sps多分枝突變體由于CK 水平增加導(dǎo)致蓮座葉和莖生葉的葉腋形成多個(gè)AM，增加了分枝數(shù)［40］。CK 相關(guān)基因的特異性表達(dá)也會(huì)直接影響植物側(cè)芽生長(zhǎng)［41-42］。如CK 合成關(guān)鍵基因IPT高表達(dá)可促進(jìn)側(cè)芽活化，進(jìn)而增加擬南芥分枝［43］。WUS及其在水稻中的同源基因MOC3/TAB1是AM 形成必需的［44-46］，CK 在葉腋處可誘導(dǎo)WUS的表達(dá)［47］，如Type-B 類ARRs（CK 下游的轉(zhuǎn)錄激活因子）可直接結(jié)合WUS并激活其表達(dá)［46］。Wang 等［46］研究表明WUS和CK 的結(jié)合與增加的組蛋白乙酰化及轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)的甲基化標(biāo)記相關(guān)，且CK 調(diào)控WUS表達(dá)需要特定的表觀遺傳環(huán)境將其限制在高度定義的分生組織中［48-49］，這表明調(diào)控分枝的CK 途徑不僅與表觀遺傳相關(guān)，而且只在特定組織中發(fā)揮作用。

1.3 SL 對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制

SL 是由類胡蘿卜素代謝產(chǎn)生，合成于根部的一種新型植物激素，由形態(tài)學(xué)下端向上端運(yùn)輸，抑制芽的生長(zhǎng)［50］。2008 年，2 篇發(fā)表在Nature 的研究論文均指出SL 能夠調(diào)節(jié)植物地上部結(jié)構(gòu)，而且SL 或其下游代謝產(chǎn)物被認(rèn)為是一種新型的分枝抑制劑［51-52］。SL 的生物合成及其抑制植物分枝/分蘗的信號(hào)通路如圖1 所示。大多數(shù)研究SL 控制植物地上結(jié)構(gòu)的報(bào)道都是通過多分枝突變體進(jìn)行的，如豌豆（Pisum sativum）rms［53］、擬南芥max［54］以及水稻d10和htd1［55］。相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，從這些矮化多分枝/分蘗突變體中篩選的突變基因，在SL 生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中行使功能，進(jìn)一步驗(yàn)證了SL 作為新的植物激素抑制側(cè)芽生長(zhǎng)［56-57］。

圖1 SL 的生物合成及其抑制植物分枝/分蘗的信號(hào)通路Fig.1 Biosynthesis of SL and its signaling pathways inhibiting plant branching/tillering

SL 還可以通過下游信號(hào)分子來調(diào)控側(cè)枝發(fā)育，如水稻d3、d10、d14、d17和d27突變體具有植株矮小、分枝增多的表型，與突變體fc1相似，已證明fc1作用于SL 下游抑制側(cè)枝［58］。雙重突變體（brc1和SL 生物合成或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體）表現(xiàn)出更多的分枝表型［21，54，59］，且對(duì)去除頂端、外源CK 和環(huán)境因素表現(xiàn)出一定的響應(yīng)［15，38，54］，其中，BRC1是分枝負(fù)調(diào)節(jié)因子［21］。BRC1在擬南芥max突變體中表達(dá)降低，且max/brc1雙突變體與單突變體表現(xiàn)出的多分枝相同，表明BRC1與MAX利用同一途徑發(fā)揮作用，而SL 可能正調(diào)控MAX/BRC1［54］。相關(guān)學(xué)者重新揭示了水稻和擬南芥的SL 信號(hào)通路中核心的保守轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)，該信號(hào)通路直接調(diào)節(jié)莖分枝［60-61］。與擬南芥同源基因BES1一樣，SL 通過促進(jìn)OsBZR1降解抑制水稻分蘗，這一過程與受體復(fù)合物D14-D3 相關(guān)［60］。因此，OsBZR1/BES1和D53/SMXLs作為側(cè)芽分枝的正調(diào)節(jié)器，在D14/AtD14-D3/MAX2下游負(fù)轉(zhuǎn)導(dǎo)SL 信號(hào)［62］。此外，這兩項(xiàng)研究還表明，水稻基因FC1及其擬南芥同源基因BRC1作為芽生長(zhǎng)的局部關(guān)鍵開關(guān)，與OsBZR1/BES1和D53/SMXLs具有上位性。OsBZR1/BES1和D53/SMXLs在基因上相互依賴，以抑制FC1/BRC1表達(dá)，控制分枝［60-61］。

植物對(duì)SL 的感知需要α/β 水解酶D14，D14具有保守的催化三聯(lián)體（Ser-His-Asp），SL 水解和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中必須有Ser-His-Asp 的參與，故D14是SL 降解和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)必需的［63］。除D14之外，D3、D10、D17、D27、D53均介導(dǎo)了SL 的生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，且這些基因相互影響，形成復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控植物分枝［50，64］。如TaD27-B通過參與SL 的生物合成，調(diào)控小麥分蘗數(shù)［65］。D53是位于D14和D3下游的SL 信號(hào)關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子，具有轉(zhuǎn)錄抑制活性［66］。擬南芥D53同源蛋白SMXL6/7/8 對(duì)其分枝具有調(diào)節(jié)作用［64，67］，如過表達(dá)D53或SMXL6/7/8可增強(qiáng)植物分枝，并對(duì)SL 處理不敏感［68］。同時(shí)，D53可以抑制自身的表達(dá)以及下游基因BRC1、TCP1和PAP1的表達(dá)，分別調(diào)控突變體的分蘗、葉型和花青素含量［66］。給水稻突變體d3、d10和d17外施GR24 發(fā)現(xiàn)，d3未恢復(fù)野生株系表型，而d10和d17均已恢復(fù)［52］，表明SL 在調(diào)控植物分蘗方面的作用十分復(fù)雜。

重要的是，通過SL 人工合成類似物GR24 處理，可以外源誘導(dǎo)抑制芽分枝，且SL 不會(huì)單獨(dú)運(yùn)行，而是與其他植物激素協(xié)同起作用。Xu 等［69］研究發(fā)現(xiàn)，在水稻根部施加2 μmol·L-1的GR24 能顯著抑制水稻分蘗，與對(duì)照相比，分蘗發(fā)生率下降高達(dá)95%以上，同時(shí)其他器官的生長(zhǎng)未受影響。然而，大量研究報(bào)道，外源GR24 處理會(huì)抑制芽分枝［70］，刺激節(jié)間生長(zhǎng)［71］，加速葉片衰老［72］，增強(qiáng)根毛伸長(zhǎng)和初級(jí)根的生長(zhǎng)［73］，抑制腋芽生長(zhǎng)［58］，抑制不定根和側(cè)根形成［74-75］，增加莖厚度和誘導(dǎo)次生生長(zhǎng)以及其他形態(tài)變化［76］。此外，SL 生物合成基因HTD1的等位基因D17，可以增加水稻的分蘗數(shù)并提高谷物產(chǎn)量，自綠色革命以來，已被廣泛利用并與半矮稈1（SD1）共同選擇［77］。

目前研究植物分枝的主要基因有MOC1、MOC3/TABL1/SRT1、LAX1、LAX2/GNP4，其誘導(dǎo)側(cè)芽開始并調(diào)節(jié)分枝數(shù)量［44，78-79］。除此之外，主要是參與SL 途徑的基因，D3、D10、D14/HTD2、D53/SMXL6/7/8等通過影響腋芽的生長(zhǎng)來調(diào)節(jié)分蘗［80-81］?？傮w而言，SL 對(duì)植物分枝的調(diào)控機(jī)制研究已經(jīng)十分廣泛。

1.4 BR 對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制

BR 是一類重要植物激素，參與調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的許多過程如種子萌發(fā)、生殖生長(zhǎng)和衰老等［82］。截至目前，已分別在水稻和擬南芥中建立了由D53/SMXLs-OsBZR1/BES1所介導(dǎo)的SL 調(diào)控分枝發(fā)育的保守轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，同時(shí)揭示了由OsBZR1/BES1所介導(dǎo)的BR 信號(hào)通路在單、雙子葉中調(diào)控植物分枝發(fā)育的獨(dú)特分子機(jī)制［60-61］。BES1是BR 信號(hào)通路的正調(diào)節(jié)因子，擬南芥的BES1功能獲得型突變體分枝增加，而BES1的RNA 沉默株系分枝減少［83］，表明BR 信號(hào)通路參與了分枝的調(diào)控過程。OsBZR1和BES1在BR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，BES1最初被鑒定為BR 信號(hào)通路的一個(gè)組成部分［84］，而BR 信號(hào)調(diào)控芽分枝便是通過OsBZR1/BES1實(shí)現(xiàn)的。BR 信號(hào)主要控制BES1的磷酸化狀態(tài)，只有非磷酸化的BES1才能觸發(fā)下游BR 相關(guān)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)［84］。Hu 等［61］進(jìn)一步證明，BES1的磷酸化和非磷酸化形式都與SMXLs 相互作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)分枝，然而BR 并不影響B(tài)ES1與BRC1啟動(dòng)子結(jié)合的能力，因此不會(huì)調(diào)節(jié)BRC1表達(dá)。這可能是BES1上游的BR 信號(hào)對(duì)芽分枝或BRC1表達(dá)沒有影響的原因［61，85］。

與此相反的是，水稻中，BR 信號(hào)通過調(diào)節(jié)OsBZR1的穩(wěn)定性來控制分蘗［60］。Fang 等［60］進(jìn)行全面的遺傳和生化分析后指出，SL 和BR 信號(hào)通路通過調(diào)節(jié)D53-OsBZR1 模塊的穩(wěn)定性，拮抗性地調(diào)控水稻分蘗，表明SL 和BR在植物分枝/分蘗調(diào)控方面具有拮抗作用。BES1和其同源物BZR1、BEH2和BEH3轉(zhuǎn)錄水平降低的BES1-RNAi 株系均顯示出分枝減少的表型［85］，且OsBZR1和BES1在腋芽中高度表達(dá)［60-61］。由此可知，BR 調(diào)控植物分枝/分蘗主要與SL 有關(guān)。實(shí)際上，Xia 等［22］的研究結(jié)果表明，BR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)整合了控制枝條分枝的多種途徑，并提出了一個(gè)模型，其中BR 信號(hào)整合了其他激素和糖信號(hào)來控制植物分枝。因此，腋芽中的局部BR 信號(hào)是塑造植物結(jié)構(gòu)的潛在目標(biāo)。

1.5 ABA 和GA 對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制

目前，植物分枝的激素調(diào)控機(jī)制研究方面取得重要突破的主要是IAA、CK、SL 和BR［11，86］，除此之外，GA 和ABA 對(duì)植物分枝也具有重要調(diào)控作用。ABA 與側(cè)芽休眠關(guān)系密切，GA 類激素通過誘發(fā)IAA 的合成或抑制IAA的分解而間接影響頂端優(yōu)勢(shì)。

一直以來，ABA 被認(rèn)為在植物分枝過程中起作用，其是擬南芥?zhèn)妊堪l(fā)育的負(fù)調(diào)控因子，主要抑制較低位置腋芽的生長(zhǎng)［87］。研究發(fā)現(xiàn)，在腋芽中，IAA 合成酶TAA1和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN1，以及細(xì)胞周期蛋白CYCDD22和增殖細(xì)胞核抗原PCNA1基因都被ABA 下調(diào)，表明ABA 可能結(jié)合IAA 并通過對(duì)細(xì)胞周期運(yùn)行的某些環(huán)節(jié)抑制而發(fā)揮對(duì)腋芽發(fā)育的抑制作用［87］。先前研究表明，ABA 對(duì)水稻［88］、擬南芥［15，87］、棉花（Gossypium herbaceum）［89］和大豆（Glycine max）［90］的分蘗/分枝起負(fù)調(diào)控作用，ABA 含量升高可致使分蘗停止［91］。相關(guān)學(xué)者提出，ABA 可能不是水稻分蘗芽生長(zhǎng)的主要調(diào)節(jié)因子，其含量隨著分蘗芽生長(zhǎng)而變化，其可能受IAA 影響而調(diào)控分蘗［92］，故Cline 等［90］認(rèn)為，ABA 作為第二信使受IAA 誘導(dǎo)進(jìn)而抑制側(cè)芽生長(zhǎng)。然而，與此相反的是，有報(bào)道發(fā)現(xiàn)IAA 抑制側(cè)芽生長(zhǎng)與ABA 無(wú)關(guān)，利用突變體rms1、max4和dad1等研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控側(cè)枝發(fā)育的是新抑制信號(hào)SL［93］，其與IAA 互作抑制植物分枝。與SL 一樣，ABA 的合成前體也是類胡蘿卜素，且在植物頂部施用ABA 對(duì)側(cè)芽生長(zhǎng)沒有影響，而在基部施用顯著抑制側(cè)芽生長(zhǎng)，相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，這恰好是證明ABA 在頂端優(yōu)勢(shì)中發(fā)揮作用的間接證據(jù)［90］。

ABA 抑制植物分枝主要通過調(diào)控相關(guān)基因?qū)崿F(xiàn)，分枝抑制因子BRC1可結(jié)合并激活HB21、HB40和HB53，這3 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子可促進(jìn)ABA 合成基因NCED3表達(dá)，增加ABA 含量，增強(qiáng)側(cè)芽休眠［15］，該研究在BRC1和ABA之間建立了聯(lián)系。隨后，Confraria 等［94］報(bào)道，BRC1更廣泛地參與ABA 信號(hào)通路，如調(diào)控ABA 合成、轉(zhuǎn)運(yùn)、感知、代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。Dong 等［95］克隆了分蘗調(diào)控新基因TN1，且發(fā)現(xiàn)tn1突變體的莖基部和分蘗芽中ABA 合成關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄水平及ABA 含量均顯著增加；同時(shí)，TN1與ABA 受體TaPYL存在互作，且能夠顯著抑制TaPYL與其下游ABA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白TaPP2C 之間的互作，表明TN1通過影響ABA 合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促進(jìn)小麥分蘗芽伸長(zhǎng)。

GA 主要作用是促進(jìn)植物節(jié)間伸長(zhǎng)，調(diào)控植物從營(yíng)養(yǎng)期到生殖期的轉(zhuǎn)換和種子萌發(fā)。GA 與植物側(cè)芽發(fā)育也有一定關(guān)系，如水稻GA 缺失突變體呈現(xiàn)多分枝表型，相反地，GA 信號(hào)負(fù)調(diào)控因子della突變體分枝減少［96］，擬南芥della五重突變體腋芽數(shù)目也減少［97］，表明GA 負(fù)調(diào)節(jié)植物分枝。豌豆中，GA 和SL 雙缺失突變體比各自的單突變體表現(xiàn)出更多的分枝，表明GA 可能獨(dú)立于SL 來調(diào)控分枝發(fā)育。然而，水稻中，DELLA 蛋白通過與D14 相互作用發(fā)揮功能［98］，這表明GA 對(duì)不同植物的分枝調(diào)控具有特異性，其與SL 的具體關(guān)系及作用機(jī)理還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的證明與補(bǔ)充。

BRC1的表達(dá)受多種因素調(diào)控，其中就包括GA 處理［38，54，58，99］。已有研究證實(shí)，水稻分蘗基因MOC1與GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)，高水平的GA 可以激活A(yù)PC/CTE，促進(jìn)AM 的MOC1降解，從而抑制水稻分蘗［100］，也可以通過觸發(fā)SLR1的降解，導(dǎo)致MOC1降解并抑制腋芽形成［101］。另外，外施ABA 和GA3均能抑制分蘗發(fā)生，且GA3的抑制效應(yīng)大于ABA［102］。同時(shí)，提高內(nèi)源GA 含量也可抑制植物分蘗［103］。

1.6 其他激素對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控

除了以上6 類激素外，目前常見的其他激素種類在調(diào)節(jié)植物分枝方面的報(bào)道極其有限。僅已知，ETH 與側(cè)枝生長(zhǎng)有關(guān)［104］。另外，有關(guān)JA 與分枝的關(guān)系，僅報(bào)道了外源施用JA 濃度為0.01 和0.1 μmol·L-1時(shí)，可顯著提高野大麥分蘗數(shù)［105］。研究者推測(cè)，JA 可能與IAA 互作調(diào)控植物分枝［33］。然而，有關(guān)ETH、JA 和SA 對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制依然是完全未知的。

2 激素間的互作對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控機(jī)制

研究表明，植物分枝是多種激素平衡作用的結(jié)果［15，21］。IAA、CK 和SL 是調(diào)節(jié)分枝和分蘗數(shù)量的3 個(gè)重要的激素調(diào)節(jié)因子，且部分通過調(diào)節(jié)分枝/分蘗基因BRC1/TB1的表達(dá)起作用［16，61，106-109］。

2.1 IAA 與SL 互作對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控

在頂端合成并在主莖中運(yùn)輸?shù)腎AA 能夠促進(jìn)SL 合成基因的表達(dá)［18，110］，說明SL 參與IAA 調(diào)控植物分枝［111］。實(shí)際上，IAA 抑制分枝需要SL 的參與，因?yàn)樵谌ロ敽蟮腟L 合成缺陷突變體中，施加外源IAA 不能完全抑制其多分枝的表型［55］，相反的是，施加外源SL 能抑制IAA 相關(guān)突變體的多分枝表型，表明IAA 至少部分通過SL 發(fā)揮作用。IAA 通常會(huì)促進(jìn)SL 合成基因CCD7、CCD8和D27上調(diào)表達(dá)，進(jìn)而增加SL 含量［112］。IAA 和SL 互作會(huì)誘導(dǎo)腋芽中BRC1的表達(dá)，進(jìn)而抑制芽分枝［16］。另一方面，SL 被認(rèn)為通過控制側(cè)芽中IAA 的向外運(yùn)輸調(diào)控側(cè)芽生長(zhǎng)［107］。事實(shí)上，SL 能誘發(fā)IAA 外排轉(zhuǎn)運(yùn)體PIN 的胞吞［18，113］，并抑制IAA 的合成［114］。IAA 運(yùn)輸獨(dú)立于BRC1，在控制SL 介導(dǎo)的芽分枝中發(fā)揮重要作用［109］，表明IAA 和SL 在調(diào)節(jié)分枝方面存在協(xié)同作用。

然而，在SL 缺陷突變體rms1中，阻斷IAA 外排運(yùn)輸后，施加SL 可繼續(xù)抑制側(cè)芽外生［53］，表明SL 抑制側(cè)芽生長(zhǎng)還有其他機(jī)制。去頂后主莖中IAA 含量的減少會(huì)降低SL 含量，同時(shí)在去頂植株以及IAA 信號(hào)響應(yīng)axr1突變體的腋芽處涂抹GR24，均能抑制側(cè)芽生長(zhǎng)［115］，從而論證了SL 抑制側(cè)枝生長(zhǎng)并不需要IAA 信號(hào)參與，同時(shí)證明了IAA 促進(jìn)SL 合成是其抑制植物分枝的原因之一。關(guān)于SL 和IAA 對(duì)芽的抑制作用還存在另一種模式，即SL 通過調(diào)控IAA 極性運(yùn)輸來調(diào)節(jié)分枝［25，116］。這種模式下，IAA 不需要第二信使移動(dòng)到腋芽部位來行使功能，SL 也不僅僅在腋芽處具有作用［117］。用IAA 運(yùn)輸抑制劑處理SL 突變體，多分枝表型會(huì)恢復(fù)至野生型。由此推測(cè)，SL 可能抑制了PIN 的積累和IAA 運(yùn)輸流，進(jìn)而抑制側(cè)芽生長(zhǎng)［113，116］。

SL 和IAA 互作調(diào)控植物分枝主要有IAA 運(yùn)輸管道形成假說和第二信使假說。前者指出，腋芽活化必須外輸IAA，而SL 通過阻止IAA 外輸抑制腋芽生長(zhǎng)［117］。第二信使假說指出，SL 受IAA 正向調(diào)控，同時(shí)運(yùn)輸至腋芽中直接參與腋芽生長(zhǎng)［115］。有趣的是，Liang 等［118］的研究結(jié)果顯示，2 個(gè)腋芽時(shí)，基部施加SL 僅抑制一個(gè)腋芽生長(zhǎng)，另一個(gè)腋芽的發(fā)育未受影響，表明SL 通過增加兩個(gè)腋芽的競(jìng)爭(zhēng)作用而達(dá)到抑制效果，并非阻止IAA 外輸起作用。這一假說與IAA 相關(guān)抑制假說很相似，一定程度上說明SL 和IAA 對(duì)植物分枝的調(diào)控具有相似性。

2.2 CK 與SL 互作對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控

側(cè)芽生長(zhǎng)與CK 和SL 相關(guān)基因的表達(dá)關(guān)系密切，表明側(cè)芽可能是SL 和CK 行使功能的場(chǎng)所［42，119］。腋芽生長(zhǎng)因子BRC1在SL 處理時(shí)上調(diào)，CK 處理時(shí)下調(diào)，表明SL 促進(jìn)BRC1表達(dá)而CK 抑制其表達(dá)［38］，說明SL 和CK 調(diào)控植物分枝時(shí)，至少有1 個(gè)共同基因BRC1。然而，CK 也有另外的路徑調(diào)控植物分枝，如CK 可促進(jìn)brc1突變體的分枝［54］，也可抑制豌豆腋芽和水稻莖尖BRC1的表達(dá)［38，54，58］。

SL 和CK 間拮抗作用的潛在機(jī)制直到現(xiàn)在仍不清楚，據(jù)報(bào)道，SL 可以誘導(dǎo)CK 降解基因OsCKX9表達(dá)，導(dǎo)致內(nèi)源性CK 含量降低［120］，且OsCKX9已被鑒定為CK 降解和水稻分蘗所需的SL 通路的必需基因［5］。IAA 可能作為SL 和CK 信號(hào)通路的整合者，通過誘導(dǎo)SL 生物合成和/或抑制CK 生物合成來抑制芽生長(zhǎng)［16，107］。SL 合成缺失突變體rms1和信號(hào)缺失突變體rms4中，CK 合成基因PsIPT1上調(diào)表達(dá)，其含量升高。然而，多分枝的SL 突變體中，CK 含量顯著低于野生型，表明SL 可能反饋調(diào)節(jié)CK 合成，但具體機(jī)制尚不明確。當(dāng)對(duì)rms1和rms4同時(shí)施加GR24 和6-BA 時(shí)發(fā)現(xiàn)，GR24 降低了6-BA 對(duì)芽生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，rms1中表現(xiàn)更明顯，表明SL 主要通過影響CK 信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物分枝的調(diào)控［38］。

2.3 CK 與IAA 互作對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控

SL 和CK 被認(rèn)為是通過控制側(cè)芽中IAA 的向外運(yùn)輸來調(diào)控側(cè)芽生長(zhǎng)［107，121］。IAA 外輸轉(zhuǎn)運(yùn)體在CK 信號(hào)突變體中極性分布降低，表明CK 可通過IAA 外輸轉(zhuǎn)運(yùn)體的極性分布調(diào)控側(cè)芽生長(zhǎng)［107］。IAA 通過控制CK 合成基因OsIPT的表達(dá)調(diào)控水稻分蘗生長(zhǎng)［32］。除了通過調(diào)節(jié)CK 合成基因IPT外，IAA 還可以調(diào)節(jié)CK 降解基因CKX及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因RR等調(diào)控分枝［41］。反過來，CK 可促進(jìn)IAA 轉(zhuǎn)運(yùn)體PIN3、PIN4 和PIN7 的積累，進(jìn)而調(diào)節(jié)分蘗［10］。CK 合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體的分枝數(shù)與主莖IAA 運(yùn)輸及PIN3/7 的積累相關(guān)，表明CK 調(diào)控側(cè)芽生長(zhǎng)與IAA 運(yùn)輸有關(guān)［107］。與brc1類似，應(yīng)用外施CK 處理pin3/4/7突變體，能促進(jìn)突變體分枝，表明CK 調(diào)節(jié)芽分枝的機(jī)制并不僅僅只通過PIN 蛋白積累［122］。

2.4 BR 與SL 的互作對(duì)分枝/分蘗的調(diào)控

BR 和SL 在調(diào)控分枝方面存在拮抗作用。SL 和BR 信號(hào)通路都通過調(diào)節(jié)D53和OsBZR1-RLA1-DLT 轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的穩(wěn)定性來控制水稻分蘗［11］。擬南芥BR 信號(hào)因子BES1的功能獲得型bes1-D突變體表現(xiàn)出多分枝，及對(duì)SL 信號(hào)不敏感的特征［85］。深入研究發(fā)現(xiàn)，SL 信號(hào)因子MAX2可誘導(dǎo)BES1泛素化及其在植物中的降解，從而與BR 互作共同調(diào)控植物分枝。然而，BR 和SL 下游的作用因子以及進(jìn)一步的作用機(jī)制仍不明確。

2.5 其他激素互作對(duì)植物分枝/分蘗的調(diào)控

理想株型1（ideal plant architecture 1，IPA1）編碼轉(zhuǎn)錄因子OsSPL14，IPA1 對(duì)分蘗和穗的控制主要通過直接激活TB1、D53和DEP1的表達(dá)實(shí)現(xiàn)［14，123］。雖然IPA1 主要參與SL 途徑，但也可以調(diào)節(jié)GA 穩(wěn)態(tài)。GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)觸發(fā)NGR5 降解，以釋放H3K27me3 修飾對(duì)IPA1 轉(zhuǎn)錄的抑制，從而促進(jìn)腋芽的形成和生長(zhǎng)［124］。相關(guān)學(xué)者鑒定到一個(gè)高分蘗突變體20（t20），其可以通過用GR24 處理恢復(fù)為野生型；T20編碼葉綠體z-胡蘿卜素異構(gòu)酶（z-ISO），其參與類胡蘿卜素及其代謝產(chǎn)物SL 和ABA 的生物合成。t20突變體同時(shí)降低了SL 和ABA，而GR24 刺激了T20的表達(dá)，并增強(qiáng)了所有反式胡蘿卜素的生物合成；重要的是，GR24 還通過誘導(dǎo)OsHOX12刺激OsNCED1的表達(dá)，促進(jìn)莖基ABA 的生物合成。另一方面，ABA 處理顯著抑制SL 生物合成，降低了t20和野生型植株的基部分蘗數(shù)，而ABA 生物合成突變體顯示SL 生物合成升高；盡管ABA 缺乏突變體aba1和aba2具有與野生型相同的分蘗數(shù)，但它們?cè)诔墒鞎r(shí)具有更多的非生產(chǎn)性分蘗［88］。CK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來自IAA、SL 和糖的信息以促進(jìn)BR 的產(chǎn)生，BR 激活BZR1轉(zhuǎn)錄因子以抑制芽生長(zhǎng)抑制劑BRANCHED1的表達(dá)。目前，已經(jīng)報(bào)道了大量參與調(diào)控植物分枝的激素相關(guān)基因（表2），還有部分激素的作用并不十分明確，依然有待進(jìn)一步研究。綜合分析表明，激素信號(hào)對(duì)植物分枝的控制不是獨(dú)立的，而是多種激素信號(hào)相互作用形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)共同決定植物分枝。

表2 參與調(diào)控植物分枝/分蘗的主要激素相關(guān)基因Table 2 Major hormone-related genes involved in the regulation of plant branching/tillering

3 現(xiàn)存問題及展望

截至目前，已從不同物種中鑒定出多個(gè)家族的轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控AM 的形成。然而，植物激素如何調(diào)控這些轉(zhuǎn)錄因子間的關(guān)系及其下游基因仍然是未知的。另外，已有大量研究證實(shí)植物分枝受到表觀遺傳調(diào)控［10］，植物激素是否參與表觀遺傳路徑，依然有待進(jìn)一步探索。基于這些問題，對(duì)植物分枝的激素調(diào)控方面，本研究做出以下展望：

1）除了激素，影響植物分枝的另一重要條件是外界環(huán)境如溫度、水分、光照和營(yíng)養(yǎng)。然而，外界環(huán)境如何結(jié)合激素共同調(diào)控植物分枝依然是未知的。因此，未來可以從這個(gè)方面進(jìn)一步研究以揭示激素與環(huán)境互作對(duì)植物分枝的調(diào)控機(jī)理。

2）植物中很多重要轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受表觀遺傳調(diào)控，轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物分枝具有重要的調(diào)控作用。參與調(diào)控植物分枝的表觀遺傳主要包括DNA 甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑等。后期應(yīng)選擇適宜的材料和實(shí)驗(yàn)手段將植物激素和表觀遺傳結(jié)合起來，進(jìn)一步解析表觀遺傳調(diào)控植物分枝時(shí)，植物激素是如何行使其功能的。

3）隨著研究技術(shù)和手段的發(fā)展，已經(jīng)了解到影響植物分枝的激素有許多，但還存在許多未知，如SA、JA 和多胺等激素與分枝的關(guān)系尚不明確。后期的研究應(yīng)多從以下方面入手：研究外源施用這些激素或者激素類似物對(duì)植物分枝的影響；分析這些激素的合成、降解及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)對(duì)植物分枝的調(diào)控；篩選這些激素的缺失突變體，明確其分枝特征；確定這些激素是否參與調(diào)控植物分枝主要因子的表達(dá)；明晰這些激素與其他植物分枝相關(guān)激素的互作作用。

4）近年來，已明確了多種激素對(duì)植物分枝的調(diào)控機(jī)制，故利用化學(xué)調(diào)控的方法來控制植物分枝的發(fā)生是較為有效的方法。如外源施用IAA、SL、GA、ABA、BR 等可以減少分枝，CK 抑制劑處理亦可減少分枝，而外源CK 處理可以增加植物分枝。然而，如常用的GR24 價(jià)格昂貴，成本極高。因此，未來的研究重點(diǎn)在于探索出能夠大批量生產(chǎn)有活性的激素控蘗劑的方法，以降低其生產(chǎn)成本。另外，相關(guān)激素的最佳施用濃度、施加次數(shù)、施加時(shí)間和施加部位均需要具體的試驗(yàn)才能確定。