重瓣花及其分子机制的研究进展

彭 洁，刘 引，武荣花，冯 慧，镡 媛,4，杨一鹏,4，张 华

（1北京市园林绿化科学研究院/绿化植物育种北京市重点实验室，北京 100102；2河南农业大学，郑州 450002；3物产中大长乐林场有限公司，杭州 311123；4黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆 163319）

0 引言

花瓣性状对观赏性植物的观赏效果有极大的影响，重瓣性对于花部性状尤为重要。重瓣花是指花瓣数量以及花瓣轮数增多后呈现出的花瓣形态。重瓣性是被子植物花器官主要的观赏性状之一[1]。由于重瓣花的观赏价值极高，重瓣表型在许多物种中被育种者选择，因此重瓣特征被认为是许多物种最珍贵的特征之一，如月季、山茶花等。在许多物种中，重瓣花性状受到了高度重视，不仅体现在观赏植物品种选育方面，还体现在重瓣花品种的栽培方面。研究重瓣花的形成原因，进而根据需求来培育出观赏价值更高的植物新品种，提高植物的观赏性，从而培育出更多的重瓣植物品种，为重瓣花的应用开发提供了前景。笔者从重瓣花的研究进展、重瓣花的起源、重瓣花的外在影响因素以及重瓣花的分子机制研究等方面进行综述，以明确阐述重瓣花的形成原因，为今后的植物新品种的选育、生产应用及分子育种等提供参考。

花瓣是被子植物重要的观赏性状之一。观赏植物一般都存在重瓣花的品种，其花瓣数量不仅受外在环境的影响，还受到潜在分子机制的影响。20世纪90年代初Coen等[2]提出花发育的ABC模型，经过研究者们的不断努力，人们不仅对花发育的过程和调控机制有了深入了解，并且在花发育的多样性分子机制的研究方面取得了重要的研究进展。2001 年Theissen 等[3]提出花发育的ABCDE模型，该植物模型已经在大多数植物中得到了充分的验证。人们已经对许多植物种类的花器官相关基因进行了研究。结果表明,对于各类花器官的形成，其总体上是较为保守的，但仍存在一些动态变化，其形成原因与花基本结构的多样性密切相关[4]。

1 花瓣重瓣起源

花瓣是被子植物系统演化中最晚出现的一轮器官，一般认为是由花的其他部分次生演化而来[5]。花瓣的起源是研究植物重瓣性的关键途径，因此花瓣的起源一直受到研究学者们的广泛关注。花瓣的经典起源理论认为重瓣性是由花瓣多次起源形成的，包含了2 种花瓣的起源方式。一种是苞片起源，该起源方式认为花瓣的重瓣性是由苞片或萼片演化导致的，如木兰目等少数类群；另一种是雄蕊起源，认为花瓣是由雄蕊发生部分或者全部瓣化形成的，如野生重瓣宝兴杜鹃[6]、月季[7]、毛茛科[8]、香石竹[9]、日本晚樱[10]等。这2种起源方式是独立发生的[11-13]。

赵印泉等[14]把花瓣起源方式划分为6类，除上述2种经典起源方式外还分为了积累起源、台阁起源、重复起源和花序起源。积累起源是指在自然及人工的选择下，从自身的单朵（轮）花瓣开始，经过数代选择后，花瓣数量逐渐增多从而形成了重瓣花，如福禄考。台阁起源是由于花枝极度压缩形成花中花，称为台阁花。重复起源是指花器官结构中的雄蕊、雌蕊和萼片等的数量一般不发生变化，而其内层花器官花冠等重复外层的结构和裂片基数，从而增加了花瓣数量，例如重瓣曼陀罗。花序起源一般发生在菊花、波斯菊和翠菊等菊科植物中，是指在选择条件下，由单瓣小花组成的花序所形成的重瓣花，即内轮与外轮花瓣的形状和指向发生变化形成的花瓣。

植物的重瓣起源多样复杂，不同品种及物种之间都可能存在不同的重瓣起源方式，同一品种可能包含多种起源方式。如梅花的重瓣品种‘大宫粉’是雌雄蕊瓣化而来，而‘素白台阁’则属于台阁起源。山茶‘托桂’品种的起源方式既包含重复起源、雄蕊起源，又包含了苞（萼）片起源[15]。

2 重瓣花分子机制的研究

对于植物花的研究多集中于花器官方面。重瓣花的形成过程，不仅受花瓣起源的影响，还受相关基因的调控。近年来，对于重瓣花形成机理的研究多集中在其分子生物学水平上。

花的发育器官分为4 轮，花器官的构造由内到外分别为心皮、雄蕊、花瓣及萼片，以轮为序生长[16]（图1[1,17]）。4轮花器官在植物从营养生长到生殖生长的过程中分别扮演着重要的角色，发挥着重要的作用。而且4类花器官相互依赖、相互影响。

图1 植物花器官构造和ABC模型

2.1 花发育结构模型

目前对于花器官的研究，主要集中在ABCDE 模型及MADS-box 基因家族上。20 世纪90 年代通过对拟南芥(Arabidopsis thaliana)、金鱼草(Antirrhinum majus)等模式植物的研究，科研人员提出了花器官的ABC 模型[1]。经过不断研究，在矮牵牛中发现了可以单独控制胚珠发育的D 类基因，形成了ABCD 模型。随着研究的深入，又形成了ABCDE 模型[3]。目前，ABCDE模型已在大部分开花植物中得到验证[3]。

2.1.1 花器官ABC 模型 1991 年Coen 和Meyerowitz等[2,18]通过对模式植物拟南芥、金鱼草的大量研究提出了植物花器官的ABC模型，它是从功能丧失效应中推导出来的。且ABC 模型已经对花器官的分子机制研究做出了初步的阐述。

植物的4 轮花器官分别受到A、B、C 类同源异型基因单独或是2 类基因同时调控。在花器官的ABC模型中，A 类基因有AP1(APETALA1、APETALA2)控制第1、2 轮（萼片、花瓣）花器官的发育，B 类基因PI(PIPISTILLATA)、AP3(APETALA3)控制第2、3 轮（花瓣、雄蕊）花器官的发育，第3、4 轮（雄蕊、心皮）花器官是由C类基因AG单独控制。ABC模型对花的同源异型基因、花器官的调控以及各种突变体的形成原因做出了较好的诠释，而且A、B、C 3类基因在植物中是最保守的，现在仍然受到广泛的研究关注。

2.1.2 花器官ABCDE 模型Theissen 等[3]在ABC 模型的基础上研究发现了ABCDE 模型，D 基因STK(SEEDSTICK)只在胚珠形成中起作用，E 类基因SEP1(SEPALLATA1)、SEP2(SEPALLATA2)、SEP3(SEPALLATA3)控制每轮花器官的形成。SEP1、SEP2、SEP3是在对拟南芥的研究中发现的，且研究表明，这3个基因在花发育的各花器官中都有所表达，3 个基因单独的突变对植物并没有明显的表型变化，但是，3个基因同时突变会导致植物的4 轮花器官均形成萼片状结构，因此E类的3 个基因对于花瓣、雄蕊和雌蕊等各类花器官的形成都可能是不可或缺的[19]。E类基因与A类、B类、C类基因组成的复合体称之为“四聚体模型”（图2[20]）。此外，有研究表明E 类基因也在B 类和C 类基因的上游发挥作用，调节它们的表达[21]。基于拟南芥蛋白层面的“四聚体模型”，A类和E类复合体[AP1-SEP-AP1-SEP]指定萼片身份，A 类、B 类和E 类蛋白[AP1-SEPAP3-PI]指定花瓣，B 类、C 类和E 类复合体[AG-SEPAP3-PI]指定雄蕊，C 类和E 类复合体(AG-SEP-AGSEP)指定心皮，D类和E类复合体[STK-SEP-AG-SHP]指定胚珠[22-27]。

图2 植物的花发育ABCDE模型及四聚体模型

在花器官中，一个或多个ABC基因的功能丧失可导致同源异型转化，即一个器官形态转变为另一个器官形态，从而导致花器官的突变[28]（图3[16]）。在花器官发育的ABCDE模型中，A类基因功能的缺失导致花器官中的萼片转化为心皮，花瓣转化为雄蕊；缺失B类基因导致花瓣到萼片、雄蕊到心皮的同源异型转化；C类基因功能缺失导致雌蕊和心皮在雌雄体中转化，产生花瓣和萼片的重复轮生[29-32]。且A、C类基因可以相互抑制表达，产生负调控。A类基因表达量缺失或减少，C 类基因表达量可能会扩大，导致花器官出现花瓣向雄蕊转变的现象，雄蕊数量也随之增多，花瓣数量减少；C类基因表达量缺失或减少，A类基因的表达量可能会扩大，导致花器官的雄蕊转化为花瓣，花瓣数量增多，雄蕊数量减少。缺乏E类基因只形成叶状器官，说明E类基因的缺失会导致花的结构发生变化[16]。

图3 花器官ABC类基因关系图

2.2 MADS-box基因家族与AP2/ERF基因家族

2.2.1 MADS-box基因家族MADS-box基因家族存在于动物、植物以及微生物中，从MADS-box 基因的DNA水平上看，MADS-box基因家族分布于整个基因组中[18,33]。在所有陆地植物中都发现了MADS-box 基因，在裸子植物和被子植物中都发现了ABCDE 型基因，一些被子植物有近100种不同的MADS-box蛋白，这种多样性被认为在花的形态差异中起作用，MADSbox基因及其表达位置的差异可能是花朵多样化的部分原因[18]。在植物中，MADS-box 家族基因不仅调控花器官的发育、开花时间，还调控着果实成熟等。基于对多种模式植物的研究可知，ABCDE 模型和四聚体模型中所包含的花发育的MADS-box基因构成了复杂的花发育调控机制，MADS-box 基因家族在花发育中既接受上游基因和信号的调控，又调控下游基因的表达，从而控制花器官的形成[34]。有研究表明，在番茄突变Colorless nonripening(Cnr)、Ripening-inhibitor(rin)的研究中发现，MADS-box 基因参与果实成熟的调控[35-37]；十字花科芸薹科植物的MADS-box家族基因是花器官分化、开花时间及根尖分生组织分化的主要调控因子[38-42]。到目前为止，已公布的花器官发育关键调控基因有很多，其中大部分属于MADS-box。ABCDE基因家族中除了A 类基因的AP2基因外，大多数有关花器官的基因属于MADS-box 家族，且MADS-box 家族基因是从拟南芥和金鱼草的花器官中克隆得到的。

MADS 包含了4 种结构类型基因，分别为酵母中的MCM1(minichromosome maintenance1)[43]、拟南芥中的AG(AGAMOUS)、金鱼草中的DEF(DEFICIENS)[44]和人类血清基因SRF(serum response factor)[45]。植物的MADS-box 转录因子家族蛋白含有4 个特征结构域（图4[46]），从蛋白质的N 端到C 端，4 个特征域分别为the MADS-box(M)、intervening(I)、keratin-like(K)以及C-terminal(C)domains[47]。

图4 MADS-box基因的结构

在MADS- box 基因家族中A 类基因包括APETALA1(AP1)，AP1既作为分生组织特征基因决定花和花序的形成，也作为花器官特征基因决定萼片和花瓣的形成[48]。有研究发现，从牡丹花中分离出的AP1的同源基因PsAP150基因可能参与了重瓣牡丹的萼片分化期、单瓣牡丹的苞片形成期，同源基因PsAP185基因可能参与了重瓣牡丹的花瓣形成[34]；梅花的PmAP1基因仅在梅花的花芽中表达，PmFUL2基因在梅花的叶、根、花、果实中都有所表达，且在叶中的表达量最高[49]；在月季A 类基因研究中发现，在4 轮花器官中，RcAP1仅在萼片中高表达，在转基因植物中出现了提前开花的现象，说明AP1同源基因RcAP1可能参与了花的分生组织，且具有调控萼片发育的功能[50]。

B 类基因有AP3(APETALA3)、PI(PIPISTILLATA)，与植物的雄蕊和花瓣发育有密切相关性，对花瓣和雄蕊的发生、发育以及花瓣身份的确定起到了至关重要的作用[51]。有研究表明，毛茛科植物AP3-3基因与花瓣形成具有一定的相关性，它是控制花瓣形成的关键基因，在花瓣身份的决定过程中起到了“开关”的作用，毛茛科植物的花瓣由AP3-3单独调控，该基因的沉默或低表达，都会造成毛茛科类植物花瓣的丢失[8,19,52]，且在毛茛科植物中发现AP3-3基因的表达与其花瓣有关，AP3-3基因在花瓣中特异性表达，在没有花瓣的物种中不表达[53]；山茶花的B 类基因可以调控花器官的形态变化，它的同源异型B 类基因CjHDEF过表达后导致了转基因植物的萼片转化为了花瓣，使得拟南芥的花瓣数量从原来的4 片转变为了8 片[48,54]。刘彩霞等[55]过量表达拟南芥的PI基因后转基因烟草的花器官存在明显的表型差异，与野生型烟草相比转基因烟草的花器官发生了变化，说明拟南芥AtPI基因在雄蕊与花瓣发育中特异性表达。田立莉[56]在甜瓜CmPI基因过表达植株中发现雄花的数量明显多于野生型植株，分析CmPI基因可能对雄花的发育具有促进作用。冯垒等[17]过表达墨兰PI基因后，其转基因植株的整体花型及形状发生变化，说明PI基因可能与墨兰花花瓣表型形成有关。

C 类基因由AG(AGAMOUS)基因单独调控，控制花器官中的雄蕊及心皮。据报道，在大多数重瓣花物种中，花瓣数量的增加是雄蕊向花瓣同源异型转化的结果，因此随着雄蕊数量的减少花瓣数量增多[57-59]。在拟南芥中，C类基因AG基因功能的突变导致雄蕊向花瓣的同源异型转换，最终导致了雄蕊数量的减少和花瓣数量的增加。在许多物种中，如蔷薇属、唐松草和仙客来，在第3轮中AG表达的减少导致雄蕊向花瓣的同源异型转化和重瓣花的形成[60-62]。CpAG1和CpAG2是仙客来的AG同源基因，CpAG1表达的缺失使雄蕊转变成花瓣，从而导致花瓣数增加[63]。限制重瓣玫瑰RhAG基因的表达会增加重瓣玫瑰的花瓣数量[64]。肖晨星[49]发现梅花PmAG基因在梅花中参与多个营养器官的生长发育过程，拟南芥中过量表达梅花PmAG基因后，转基因拟南芥的花瓣变小，花瓣还出现了明显的退化现象，同时转基因拟南芥雄蕊和雌蕊明显膨大，这是由于梅花PmAG基因在拟南芥中增强了C 类基因的功能，且转基因拟南芥的荚果出现了明显的雌蕊败育现象，说明PmAG基因参与了梅花的多个营养器官的发育。

2.2.2AP2/ERF家族基因AP2/ERF转录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保守结构域，根据AP2结构域的数量和含有的不同结构域，可以将其分为AP2(APETALA2)、ERF（乙烯响应因子）、DREB（脱水响应元件结合蛋白）、RAV 和Soloist 5 个亚家族。且有研究表明，AP2/ERF转录因子及其各个亚家族在拟南芥、水稻、玉米和番茄等植物[65]中的组成数量是不同的。

AP2是一种A类基因，称为花身份基因，不仅抑制C 类基因AG(AGAMOUS)的表达，还调节B 类基因AP3(APETALA3) 和PI(PISTILLATA)、E 类基因SEP3(SEPALLATA3)的表达[66]。在拟南芥的花发育过程中，AP2在萼片和花瓣器官中以及抑制C类基因功能方面起着重要的作用[59]。例如月季‘月月粉’RcAP2表达可能与雄蕊来源的花瓣数量有关，转基因拟南芥植物中RcAP2的过表达可能诱导雄蕊向花瓣的转化，从而增加花瓣的数量，且在植物中沉默RcAP2可以减少花瓣的数量[67]。

在花发育期间，AP2除了拮抗AG外，miR172（一种microRNA）还充当AP2的负调节因子，miR172对AP2的抑制对于花器官是至关重要的[65,68-69]。在拟南芥中，在AP2中具有miR172靶位点突变的植物表现出扩大的花分生组织和过量的雄蕊，表明AP2在控制花分生组织终止中有非常重要的作用，AP2功能的缺乏将导致雄蕊取代花瓣，而AP2的异位表达将导致重瓣花的产生[70]。

研究发现，在欧洲慈姑AP2的同源基因SsAP2中，SsAP2缺失了miR172的结合位点，在欧洲慈姑中过量表达SsAP2，会表现出开花时间延迟和花瓣数量增加[71]。桃基因的euAP2转录因子在调节花发育中发挥着关键作用，且miR172结合位点影响花分生组织的大小[72]。

此外，有研究还发现，AP2/ERF 转录因子在各种植物物种的生物胁迫及非生物胁迫中起着重要的作用[73]。

3 影响花瓣重瓣的外在因素

重瓣花的形成比较复杂，花器官的分化和发育并不能涵盖重瓣花的全部形成途径，它不仅会直接受到相关基因的调控，还会间接受到外界因素的影响。

3.1 温度

温度在植物花发育阶段至关重要。有研究表明，月季在经过高温处理（32℃12 h 光培，22℃12 h 暗培）后，与正常处理（24℃12 h光培，14℃12 h暗培）下的月季相比花瓣数量会减少；而经过低温处理（16℃12 h光培，6℃12 h暗培）的月季，与正常处理下的月季相比花瓣数量会增多[67]。经过连续或夜间的低温(5℃)处理能够促进香石竹形成额外的花瓣，从而导致花瓣总数显著增加[74]。

3.2 激素

有研究表明，在桃花花芽萌动前喷施GA3可以增加花瓣数量，但对不同品种施用不同浓度的GA3，最终导致花瓣增加数量不同[75]。如在香石竹的茎尖喷施GA3或IAA 后花瓣数量增多，这是因为喷施GA3或IAA 能够促进次生中心的形成，从而导致花瓣数量的增加[74]。

3.3 叶片

研究表明，凤仙花在去除部分叶片后，花瓣数量会增加，是未去除叶片的2倍左右。当来自叶片的信号数量有限时，叶的信号在花发育中具有连续和定量的作用，导致花瓣起始期的延长，从而导致花瓣数量的增多[76]。

4 展望

花部性状是观花植物重要的观赏部位，花瓣的数量直接影响了花的观赏特性。从古至今，人们对于重瓣植物就有所偏爱，不仅体现在观赏植物品种选育方面还体现在重瓣花品种的栽培方面。研究重瓣花的形成原因，进而根据需求来培育出观赏价值更高的植物新品种，是研究者致力于重瓣花研究的重要原因。花瓣数量不仅间接受到外界环境因素的影响，还直接受到了花发育相关基因的调控。花器官ABCDE模型的发现是重瓣花形成机制研究的重大突破。

近年来的研究成果表明，重瓣花的形成原因受到遗传模式及外在因素的共同影响，重瓣花物种的遗传模式规律性不强，导致其重瓣性受到影响。温度、激素等外在因素的影响也增加了观赏性植物重瓣的复杂性，因此其遗传性与外界因素之间的相互作用导致重瓣性表型的形成。

研究学者通过模式植物拟南芥、金鱼草等的研究建立了植物花发育的ABCDE 模型，该模型的发掘揭示了重瓣花形成的分子机理，发现了不同物种的同源异型基因，模型的建立为重瓣花的研究提供了重要的途径。近年来研究发现，重瓣花形成原因较为复杂，受到多基因调控，从而形成丰富的表型，这也为观赏性植物提供了新的种质资源。

目前对于重瓣花的分子机制的研究仅限于ABCDE 模型，挖掘控制重瓣花形成的关键基因一直是研究重瓣花形成机制的重点。利用重瓣花形成的分子机制，培育观赏性强的重瓣花品种也会是今后的研究趋势，这也为今后重瓣花新品种选育及产业发展提供了重要研究方向。