拟南芥成花调控途径的研究进展

齐仙惠，巫东堂，李改珍，赵军良，李梅兰

(1.山西省农业科学院 蔬菜研究所，山西 太原 030031；2.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)

植物的成花过程是高等植物从营养生长阶段向生殖发育阶段转化的中心枢纽，是个体发育的核心内容[1]。无论农作物的产品器官是营养组织还是果实或种子，适宜的开花时间对生产和育种工作都十分重要。植物的成花包括不同花器官的形成、不同发育方式的转变以及外界环境因子与内部信号之间的相互作用[2]，是一个多环节多步骤的网络发生过程。随着分子生物技术的快速发展，现已分离鉴定出一系列植物开花基因，对模式植物拟南芥的成花调控途径也已明确。

1 植物成花调控的主要途径

植物成花具有复杂的调控机制和途径，这样才能保证其在适宜的时间完成成花转变，在拟南芥中，主要涉及6条调控途径：春化途径、光周期途径、赤霉素途径、自主途径、温敏途径和年龄途径。这些调控途径彼此独立又相互交联，形成了具有精密调控功能的成花调控网络。

1.1 春化途径

某些二年生植物和冬性一年生植物必须经历一段时间的持续低温才能由营养生长转为生殖生长，这一低温诱导效应称为春化作用，依赖春化作用的成花调控途径即为春化途径。在春化过程中，植物会发生一系列的生理变化，从而具备成花的潜能。植物的这一生理转变主要是因为开花抑制蛋白的沉默，在拟南芥中是指FLOWERING LOCUS C(FLC)蛋白[3]。也就是说，春化途径是通过抑制FLC的表达来调控植物的成花。拟南芥的春化过程包括3个阶段：通过激活FLC建立春化需求、低温处理下FLC染色质动态重组、后续发育过程中表观修饰导致FLC基因沉默[4]。

FLC编码一个MADS-box蛋白，是开花抑制因子，也是调控拟南芥春化途径的关键基因。拟南芥中所有高表达的FLC突变体和生态型都表现为晚花，且在FLC低水平转录的情况下都能提早开花[5～6]。FLC的下游基因是开花促进因子SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANS1(SOC1)和FLOWERINGLOCUST(FT)，FLC抑制二者的表达，并间接抑制APETALA1(AP1)和LEAFY(LFY)的表达，从而抑制成花[7]。

FRIGIDA(FRI)能促进FLC的表达，加强其对成花的抑制作用，但春化作用对成花的促进并非是通过调节FRI的表达，而是另一条与FRI促进FLC平行的途径[8]。拟南芥中的EARLYFLOWERING7(ELF7)和ELF8能够通过形成复合物，协同FRI促进FLC的转录，此外PHOTOPERIOD-INDEPENDENTEARLYFLOWERING1(PIE1)、VERNALIZATIONINDEPENDENCE3(VIP3)、VIP4和EARLYFLOWERINGINSHORTDAYS(EFS)也能促进FLC的表达[9]。

拟南芥的VERNALIZATION1(VRN1)、VRN2和VERNALIZATIONINSENSITIVE3(VIN3)也参与了春化作用。VIN3的作用是识别低温处理的时长，进而抑制FLC的表达[10]。VRN1和VRN2的表达不受春化作用的诱导，其功能是在VIN3开始抑制FLC的表达后，持续这种抑制作用[11]。

此外也有研究认为，温度降低后FLC的表达下降是由染色质聚合物拓扑结构的改变导致的。该研究认为，对温度变化的初始响应是物理性的，涉及拓扑熵引起的染色质聚合物折叠和循环结构的重组，这种拓扑结构的局部重组能迅速抑制FLC的转录，并促进染色质的重组，从而使这种抑制作用由瞬时逐渐变为持久[3]。在春化过程中，多梳蛋白与Long noncoding RNAs(lncRNAs)结合，可在FLC位点形成抑制性染色质环，使其变为稳定的抑制结构，这一过程需要COLDAIR 和COLDWRAP的参与[12]。

在春化起始阶段，当温度下降到某一阈值时FLC的表达受到抑制，但当温度回升后这一抑制作用将无法继续，只有低温时期足够长时，FLC的表达下降才不会被温度回升所逆转[13,14]。春化效应只能随着有丝分裂在茎端生长点保持，而在减数分裂或其它有性生殖过程中消失，不能传递给子代，FLC的表达水平在胚中被还原为春化前的状态，以此保证子代植株具有同样的春化响应能力。春化效应会在胚胎发生过程中重建，且需要FLC的表达调控因子PROTEASOME ALPHA SUBUNIT F1(PAF1)复合体和FRI复合体的存在[15]。

1.2 光周期途径

光对于植物的生长发育非常重要，在为生长提供能量的同时也是重要的外界信号。植物在接收光信号后由光感受系统完成对光的有无、方向以及强度和质量的感受，并做出相应的反应[16]。光周期途径通过植物对不同光照时间的响应来调控植物的成花[17]。

在光周期途径中，拟南芥通过光受体接收光信号后，将之传递给生物钟，由其检测日长的变化，并最终通过CONSTANS(CO)基因将光信号转化为成花信号[18]。拟南芥的光受体——光敏色素和隐花色素都能调控成花。光敏色素的调控作用表现为PHYTOCHROME A(PhyA)通过抑制SPAs-COP1复合体的活性而稳定CO蛋白，从而促进成花；相反，PhyB 能促进CO的降解，从而抑制开花[19]，但也有研究认为GmPHYB1过表达能使大豆在短日条件下开花提前[20]。此外，PhyB的两个转录因子VOZ1和VOZ2在拟南芥中能通过调节CO促进开花[21]；PhyC在长日照条件下与PhyA共同促进成花，而在短日照条件下抑制成花[22]；PhyD、PhyE则是在长日照和短日照条件下均抑制成花[23]。隐花色素CRYPTOCHROME 1(CRY1)、CRY2是功能重叠的蓝光受体，二者都能促进成花[24]。

拟南芥光受体在感受光周期后，通过PhyTOCHROMEINTERACTINGFACTOR3(PIF3)、ELF3、TIMEFORCOFFEE(TIC)等将光信号传递给生物钟，这些基因同时具有生物钟调节因子的功能[25～27]。拟南芥的生物钟由三个相互连锁的反馈环组成，反馈环中的基因通过各自表达的昼夜周期变化调节生物钟的昼夜节律变化。

生物钟进一步将光周期变化的信号输出给CO。CO是生物钟和开花途径间监测日长的重要元件，为长日照促进开花所必需，有促进成花的功能，其过表达可使拟南芥提前开花[28]。FT和SOC1是CO的下游靶基因。植物感受光周期的部位是叶片，而发生反应的部位却是茎端生长点，故推测二者之间存在一种物质或信号的传递，即开花素，后来被确定为FLOWERING LOCUS T(FT)蛋白[29]。FT转运至茎端后，激活FLOWERINGLOCUSD(FD)，并与之共同激活AP1、LFY等基因，从而最终启动成花进程[30]。

1.3 赤霉素途径

赤霉素(gibberellins，GA)是一类四环二萜类化合物，能够调控植物生长发育的众多过程，包括促进种子萌发和茎秆伸长、延缓叶片及果实衰老等，尤其是对植物成花具有显著的促进作用，甚至可以代替环境信号诱导成花。不经过春化途径和光周期途径的调控，而仅由GA诱导的成花途径即为赤霉素途径。

GA3能促进多种植物开花，曾一度被认为是成花素的组分之一。对拟南芥施加外源GA1和GA3能够促使其在短日照条件下开花，而内源GA的生物合成受阻或信号转导相关基因发生突变，都会影响开花时间[31]，因此将赤霉素途径的相关基因分为两类：GA生物合成的相关基因(包括GA20OX、GA2OX、GA3OX等)和GA信号转导的相关基因(包括GAI、RGA、RGL1、RGL2和RGL3等)[31,33]。GAI、RGA、RGL1、RGL2和RGL3属于DELLA蛋白，该蛋白阻遏GA的信号转导，是赤霉素途径的负调控因子[33,34]。GA能够使DELLA蛋白泛素化，并通过26S蛋白酶体将其降解，从而解除其对开花的抑制作用，促进成花[35]，同时还能解除DELLA对SPOROCYTELESS(SPL)的抑制作用，激活MADS-box基因和miR172，从而调控开花时间[36]。此外，对于另一开花抑制基因SHORTVEGETATIVEPHASE(SVP)，GA也能抑制其在茎端的表达[37]。另一方面，GA能在茎端促进SOC1、FT、LFY等基因的表达，从而直接诱导成花[38]。GA可与光周期途径协同调控成花诱导。有研究表明，DELLA抑制开花诱导部分依赖于CO/FT介导的光周期信号途径，并已证实DELLA能直接抑制CO，从而协同调控植物在长日照条件下的开花诱导过程[39]。

有研究发现，GA既能终止营养生长诱导成花，也会抑制花器官的形成。GA通过多种途径最终促进LFY的表达，但LFY含量的增加却诱导了一个细胞色素P450基因ELA1在茎尖分生组织中的表达。ELA1阻碍GA碳骨架C13的羟基化，减少GA4的合成，使依赖于GA-DELLA-AP1通路的花器官形成机制受到破坏，阻碍花芽形成，可见GA在花芽分化过程有既促进又抑制的双重作用[40]。

1.4 自主途径

迄今为止发现的拟南芥开花突变体中还没有完全不开花的，这说明植物还存在另外的成花调控途径。在缺乏外界诱因，春化途径、光周期途径和赤霉素途径调控受阻时，植物还能通过感受自身的生长发育状况，在营养生长达到一定阶段时开花，这条成花调控途径即为自主途径，该途径由内源信号所调控，主要涉及8 个基因：FLOWERINGCONTROLLOCUSA(FCA)、FPA、FLOWERINGLOCUSKHDOMAIN(FLK)、FY、FLD、FVE、RELATIVEOFEARLYFLOWERING6(REF6)和LD[41]。这些基因之间彼此互不调控表达，也不产生级联放大效应，而是平行的抑制FLC的表达，进而促进成花。拟南芥的各组织器官中几乎都有这些基因的表达，尤其是根端和茎端[42]。根据自主途径基因编码蛋白的类型及发挥作用的方式，可将其分为两类，一类调节RNA的加工，另一类参与染色质的重塑。

调节RNA加工的基因有FCA、FPA、FLK和FY，这4个基因编码RNA结合蛋白，调节FLC前体mRNA的加工，影响FLC的转录水平，进而影响开花[42～46]；参与染色质重塑的蛋白包括FLD、FVE和REF6，它们参与FLC染色质区域组氨酸的去乙酰化，抑制FLC转录[41,42]；LD能调控LFY启动子的活性，还能与SUPPRESSOR OF FRIGIDA4(SUF4)结合，抑制其对FLC的促进作用[47,48]。

参与自主途径的基因除了上述8个外，还包括DORMANCY-ASSOCIATEDPROTEIN-LIKE1(DRM1)、AtPRP39-1、ENHANCEDDISEASESUCEPTIBILITY4(EDS4)等，其中DRM1和AtPRP39-1的拟南芥突变体植株均变现为开花延迟，而EDS4则能促进FLC的表达[49]。综合以上研究结果可以看出，自主途径和春化途径的调控节点都是FLC基因，二者均通过调控FLC的表达来调控成花转变[50]。自主途径虽然独立于其它3条途径而存在，但该途径的基因突变引起的开花延迟可被春化作用、远红光或GA所恢复[51]。

1.5 温敏途径

除了春化途径中的低温诱导作用外，植物营养生长阶段所处的环境温度对于成花还有其它意义，表现为高温促进成花而低温抑制成花，温度对成花的这一调控方式称为温敏途径。当温度为25～27 ℃时，拟南芥在短日照条件下的开花时间与23 ℃时长日照下的相似，说明较高的温度促进了拟南芥成花[52]。温敏途径涉及的主要影响因子有FLOWERINGLOCUSM(FLM)、SVP、HIGHEXPRESSIONOFOSMOTICALLYRESPONSIVEGENES1(HOS1)、1microRNA156/SQUAMOSAPROMOTERBINDINGPROTEIN-LIKE3(miR156/SPL3)、ACTIN RELATED PROTEIN 6(ARP6)等。

FLM是FLC的同源基因，其遗传位点缺失是导致拟南芥高温短日照下早花的主要原因。FLM功能缺失后，植株的温度响应能力减弱，说明FLM能调控温度感知。高温(27 ℃)短日照下，FLM转录本的剪接方式发生了改变，从而减弱了其对FT转录的抑制，促进开花[52]。当SVP表达量达到一定值时能与FLM发生协同作用，此外还能与FT和SOC1的启动子结合，抑制开花[53,54]。HOS1受低温诱导，通过泛素化作用负调控FVE和FLK，减弱二者对FT的激活作用，从而抑制开花，其突变体对温度变化不敏感[55]。SPL能促进FRUITFULL(FUL)、FT、SOC1、AGL42、LFY、AP1的转录，促进成花[56]，拟南芥中存在17个SPL成员，其中11个的表达受miR156调控[57]，低温(16 ℃)促进了拟南芥miR156的表达，进而下调SPL的表达水平，尤其是AtSPL3，从而抑制开花[48]。ARP6是一种核蛋白，通过调控FLC的表达而抑制成花，是温敏途径的重要组分。目前虽已鉴定出一些响应温度的基因，但植物感应温度变化的分子机制仍不清楚[58]。

1.6 年龄途径

植物中有一些表观遗传因子不依赖于春化、光周期、赤霉素等途径，而仅与年龄的增长相关，能独立调控成花，由此而形成的调控途径称为年龄途径，其中包含2个重要调控因子：microRNA和miR172。

在温敏途径中，SPL能促进成花，且大多数SPL的表达受miR156抑制。除了受温度影响外，miR156的表达还受年龄的调控，随着植物的生长，miR156的表达水平逐渐下降，而SPL的表达水平则逐渐上升，并在花芽形成前达到最高[59]。miR156的过表达会延长植物的幼年期，出现分枝增多、叶片生长加速及开花延迟等现象，而抑制miR156的活性或使其含量降低则能促使植物进入成年期，开花提前[57]。

另一重要调控因子miR172是SPL的直接下游基因，SPL能激活其转录。miR172的靶基因是APETALA2(AP2)类转录因子家族，包括AP2、TARGETOFEARLYACTIVATIONTAGGED1(TOE1)、TOE2、TOE3、SCHLAFMUTZE(SMZ)和SCHNARCHZAPFEN(SNZ)等[60]，miR172能通过抑制这些基因的表达而促进成花。miR172与miR156具有拮抗效应，二者表达模式和作用相反，miR172的表达量随着年龄增长而升高，且过表达会导致拟南芥提前进入成年期[61]。

2 成花调控途径的整合

植物虽然存在多条成花调控途径，且每条途径都能独立完成调控作用，但它们最终都是通过几个整合基因实现成花转变调控的，目前拟南芥中的三个整合基因分别是FT、SOC1和LFY[58]。FT是光周期途径关键基因CO、温敏途径FLM、年龄途径SPL3等的下游靶基因，能促进下游LFY的表达；同时FT也是春化途径和自主途径关键基因FLC的靶基因；此外，茎端的FT表达还能被GA激活，可见该基因连接了这6条成花途径。SOC1与FT类似。各途径的信号最终汇集于茎端，促进LFY和AP1的表达，诱导成花并决定花器官的形成(图1)。

3 小结与展望

拟南芥成花调控的6条途径既彼此独立又相互交联，共同调控了成花转变过程。现阶段，虽然各途径的作用关系已基本明确，但对调控网络的作用细节还需进一步充实，且各基因间的作用关系大多仍基于遗传学假设，需要进一步证实。除上述内容提到的大量基因外，一些代谢产物也参与了成花诱导途径，如蔗糖可以通过FT促进开花[62]；海藻糖合成相关基因TREHALOSE-6-PHOSPHATESYNTHASE1(TPS1)对开花调控也十分重要[63]；植物激素脱落酸、茉莉酸、油菜素内酯等代谢过程的相关基因也参与了成花调控[64～67]，但具体是通过哪条成花调控途径起作用还有待进一步研究。在6条调控途径中，前4条途径研究的较早且系统，而对温敏途径和年龄途径的研究还有待深入。综上所述，今后可从成花转录因子的靶点分析、关键基因的表达模式、其他植物的成花机理、利用转录组等手段挖掘新基因等方面进行研究，以不断推进对植物成花机理的认识。

图1 拟南芥成花途径调控示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of the regulation of flowering pathway in Arabidopsis图片源自张艺能[58]。黑色箭头表示促进，红色钝化线表示抑制。The picture was adapted from Zhang Yineng[58]. Arrows represent promotion or gene activation and blunted lines represent gene repression.