经济林木花芽分化的分子机理研究进展

经济林木花芽分化的分子机理研究进展1 引言开花是植物从营养生长向生殖生长转变的过程，植物生长到一定阶段便由叶芽生理和组织状态转化为花芽生理和组织状态，发育成花器官雏形，这个过程称作花芽分化［3］。

高等植物的成花是植物在生长过程中内部因子与外部因子协同作用的结果，在经过一段时间的营养生长后，植物对光照(光周期、光质、光强)、温度、水分、养分等环境因子和植物激素等内部因子产生响应，开始促使植物从营养生长转向生殖发育。

先在茎端分生组织形成花序分生组织，花序分生组织进一步形成花分生组织，继而产生花器官原基，再逐步分化成成熟的花器官，最终实现植物的开花过程［4］。

目前，草本模式植物拟南芥的开花调控模式研究取得了重大进展，但与一年生草本植物不同，多年生木本植物需要经历一个较长的幼年期，才能获得生殖成熟，即开花。

幼年期的长短取决于该物种本身的特性，从4年到20 年不等(Pillitter et al.,2003)。

这一特性极大地限制了树木的遗传改良，尤其是具有重要经济价值的果树及林木的遗传改良(段艳欣等,2004)。

另外，由于多数木本植物具有较长的幼年期，使得对突变体或转基因树木的成花研究变得异常困难。

随着分子生物学和生物技术的发展，以及人们对植物开花诱导分子机理的遗传学研究深入的开展，利用生物技术进行林木的性状改良己成为传统育种的一种有效辅助手段。

目前已从木本植物中克隆出大量的与树木花发育相关的基因［2］。

在自然状态下，多数高等植物的成花存在一些明显的特点：(l)需要经过一定时期的营养生长，达到一定的“年龄”和生长量后，才具备成花的能力，特别是一些木本植物，更是存在一个长达几年甚个十几年的童期。

影响这一过程的是一些花序分生组织和花分生组织决定基因以及上游的一些调控基因；(2)植物的开花是“多因子”相互作用形成的［1］。

木本果树要渡过漫长的童期后，才进入成花状态：而一旦完成了第一次成花。

以后每年都在相同的季节开花，其营养生长和生殖生长共存，果实发育或枝梢生长与次年开花的花芽诱导及发端共存，不象草本植物那样，从胚胎开始，经数个月后即进入成花状态，开花结果后通常即完成生命周期。

因此，木本果树的成花研究更为困难。

果树从叶芽转入成花过程包含基因、激素、载体、受体、细胞膜系统、促进或抑制因子等因素的相互作用[64,65]［1］。

2 模式植物花芽分化分子机制研究进展最近十余年来，利用拟南芥为模式植物，对高等植物开花时间调控机理与信号转导途径的研究取得了长足的进步。

目前我们对植物开花时间调控机制的了解主要是通过对拟南芥的遗传学研究获得的。

影响拟南芥开花时间的因素有很多，其中光照和温度是两个主要的外部因素，而赤霉素(GA)和一些自主性因子是主要的内部因素。

此外，植物的生理状况(如年龄、植株大小)、胁迫条件(如干旱、营养匮乏、拥挤、病害、极点温度)、植物激素、水杨酸、碳水化合物、维生素C、谷胱甘肽、过氧化氢、microRNA 等也对开花时间产生一定的影响。

通常这多种信号汇集在一起调控顶端分生组织(shoot apical meristem；SAM)的发育过程，这种随着内在生理条件和外界环境条件的变化而对开花时间所进行的精细调控，是拟南芥在长期进化过程中形成的一种适应性的选择优势(张素芝，左建儒.2006）［5］。

模式植物花发育的过程可分为三个阶段:开花决定(flowering determination)、花的发端(flower evoeation)和花器官的发育(floral organ development)(桂建芳等,2002)。

2.1 与开花转换有关的基因影响开花期早晚的基因被称为开花时间基因(flowering time gene)。

通过对拟南芥突变体和不同天然生态型进行遗传分析，研究者鉴定了大量的影响开花时间的墓因位点—开花时间基因。

开花时间基因可以决定植物对日照的长度和春化作用等环境因子作出反应，它们突变以后能够使开花时间提前或延后(JacK2004)［6］。

2.1.1 晚开花突变已有13个与晚开花突变体相关没有其他多效性的基因被鉴定，它们是CO(COSTANS)、GI(GIGANTEA)、LD(LUMINIDEPENDENS)、FCA、FD、FE、FHA、FLD、FP A、FVE、FWA和FY(Koonneef et al，1991)。

根据对光周期、春化作用和对富远红光应答的反应，将迟开花突变体分成3个组:第一组包括fca、fve、fpa、fy、ld和fld，这些突变体对环境刺激的应答大大强于野生型，春化处理几乎可以完全解除这些突变体迟开花的表型;第二组包括广括ft、fe、fwa和fd，这些突变体对光周期有强烈的应答，但对春化和富远红光反应很弱，与野生型相似;第三组包括co、gi和fha，这些于变体对长日光周期、春化以及富远红光均不反应［6］。

2.1.2 早开花突变已筛选出的没有明显多效性的早花突变体有elf1(early flowering 1)、elf2(early flowering 2)、emf1(embryonic flower 1)、emf2(embryonic flower 2)、tfl1(terminal flower 1)和tfl2，这些突变的表现型为莲座叶和花序的节数减少，说明它们的野生型基因产物的功能是抑制成花转变(Sung et al., 1992)［6］。

2.2 开花决定开花决定是植物生殖生长启动的第一个阶段，决定开花时间(Wang et al.,2007)。

该阶段茎端分生组织在形态上没有变化，但在生理生化和基因表达等方面有明显的变化。

拟南芥和金鱼草等模式植物成花诱导的分子机制研究表明：控制开花时间的基因（或位点），通过多种途径诱导，包括光周期途径、春化途径、自主途径、赤霉素途径等共同调节植物的开花转化（图1）［2］。

这四条途径主要通过调节FLOWERING LOCUS T(FT)、SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO1 (SOC1)、LEAFY (LFY) 来调节成花和控制开花时间，所以这些基因的表达水平决定了开花时间的早晚(Moon et al.,2003; Blazquez et al., 2000; Onouchi et al., 2000; Samach et al., 2000; Moon et al., 2005)［10］。

图1为拟南芥开花调控途径（自Komeda et al.,2004）Fig.1 The genetic pathways of flowering in Arabidopsis thaliana（from Komeda etal., 2004 ）2.2.1 光周期途径植物体内感受光的物质是光受体,根据吸收的光谱不同将光受体分为3 类：隐花色素(cryptochromes) 感受蓝光和紫外线A，光敏色素(phytochromes)感受红光和远红光,紫外光B类受体感受紫外线B。

其中光敏色素有 5 种：PHYA,PHYB,PHYC,PHYD 和PHYE；不同的光敏色素在相同的光照条件下，或者调节截然不同的反应，或者调节相似的反应(Khanna et al.,2006)。

例如，尽管PHYA 和PHYB 都介导光对苎麻下胚轴伸长的抑制作用，但PHYA 主要对远红光起响应而PHYB 主要对红光起响应。

另外，虽然PHYA 和PHYB 对于开花的抑制或诱导都不是关键的光敏色素，但它们都参与调节开花时间(Khanna et al.,2006)。

phyB突变体表现出提早开花，这表明PHYB 延迟开花的时间；相反，PHYA 则通过抑制成花抑制因子的合成进而促进开花。

例如，当野生型植株在黑暗时间内被光照 1 小时后，植株即表现为提早开花。

而phyA突变体则没有表现出这种类型。

然而，phyA phyB双突变体开花要早于phyB 单突变体，这表明两种光敏色素对开花的影响是复杂的，而且在光敏色素的信号转导过程中还存在一些调节因子。

感受蓝光信号的隐花色素（CRYPTOCHROME）也影响光形态建成。

隐花色素有两种：CRY1 和CRY2(Zhang et al.,2008)。

它们在去黄化和成花转变过程中起着重要作用(Cashmore etal.,1999;Quail,2002)。

在去黄化作用中，CRY1一般响应强的蓝光而CRY2则对弱的蓝光有显著响应(Yu et al.,2009)。

由于光敏色素也感应蓝光，所以完全分开光敏色素介导的响应和隐花色素介导的响应是困难的。

参与植物响应日照长度的一些基因已经通过分子遗传途径得到了克隆及鉴定(Sangho et al.,2005)。

在这些基因中，一些编码特定的参与开花调节的调节蛋白，而另外一些基因则编码光信号转导途径中的作用元件，或者参与昼夜节律生物钟的功能行使［2］。

光周期对开花模式的影响可能是：首先是光受体,如PHYA 和CRY2,感受日长和夜长,产生昼夜节律(circadian rhythm)，这时光受体本身或与其有关的一些物质之间形成某种平衡，如果日长和夜长发生变化，这种平衡就会被破坏，结果会使一些促进或抑制开花的基因表达，进而启动或抑制开花进程。

CRY2 是蓝光感受器，在拟南芥中促进开花(Guo et al.,1998;Liuet al., 2008a)，同时也是CO （CONSTANS）的正调因子(Suarez-lopez et al.,2001)。

CO编码一个锌指蛋白，其信使RNA 在长日照条件下比在短日照条件下含量要丰富的多，表明CO受长日照信号诱导(Putterill et al.,1995; Liu et al., 2008b)。

过量表达CO可促使拟南芥早花。

另外一个是红光/远红光感受器，PHYTOCHROME B(PHYB)，抑制开花。

长、短日照条件下，phyB 突变体均表现早花。

实验证明，phyB 突变体的早花部分地依赖于CO的作用，并且PHYB 是在翻译水平上调控CO的表达(Putterill et al.,1995; Valverde et al., 2004)。

短日照条件下植株并不表现出早花表型，是因为在依赖于长日照的开花促进途径中活跃表达的基因在短日照条件下失去了表达活性。

当然，除了光周期的影响，也可能还有其它的生理因素影响这些基因的表达。

ft突变体部分抑制了35S:CO植株的早花表型，说明光周期途径中CO通过FT促进植物开花(Liu et al.,2008b)。

同时ft突变体抑制了35S:CO 植株中的早花表型，说明CO通过FT调节花的发育(Sangho et al., 2005)［2］。

2.2.2 春化作用途径人们早就发现经过低温处理几周的一些植物往往会比没有处理的开花要早，这种低温处理一段时间可促使植物开花的现象称为春化作用。