几种果树开花调节基因分离及童期控制研究进展
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摘 要：果树实生个体在开花前需经历较长的童期，这也一直是提高果树杂交育种效率的一个限制因素。果树成花本质上是由花发育调控基因控制的。近年来随着分子生物学的发展和生物技术的开发应用，果树童期成花转变相关分子调控研究取得了一些较为重要的进展。本文通过对几种果树开花调节基因的分离克隆及其童期控制研究综述，为了解果树开花基因的功能、缩短童期、遗传改良、提高育种效率等提供参考。
关键词：果树；童期；成花调控；研究进展
中图分类号：Q945.64 文献标识码：A
童期是指实生繁殖的果树从种子萌发到实生苗具有分化花芽潜力和开花结实能力为止这一段时期。种子繁殖植物都有一个童期阶段。果树童期较长，其长短主要取决于树种和品种的遗传特性、环境条件和栽培技术，一般要数年到十几年。童期长严重阻碍了某些种类果树品种改良进程，因而如何促进实生苗开花以缩短童期一直是国内外果树育种工作者高度关注的课题。早在1904年Klebs提出C/N比学说后，人们对成花生理进行了大量研究探索。1937年柴拉轩提出“开花素”学说和1960 年证实“光敏素”的存在，是植物成花研究中2个极重要的里程碑，但一直未能确认“开花素”是什么物质，对光敏素感受环境信息后的进一步功能也仍处于假说阶段。自20世纪70年代后果树工作者集中于研究成花过程的遗传机制，目前已从形态、生理变化、同工酶等深入到基因水平的研究，特别是近年来随着分子生物学的发展和生物技术的开发应用，果树童期成花转变相关分子调控研究取得了可喜的成果。
目前木本植物成花机理的研究主要借鉴拟南芥的研究思路与方法[1]，并且已取得很大进展。本文主要论述几种果树开花调节基因的分离克隆及其童期控制方面的研究进展。
1几种果树开花调节基因的克隆及表达模式
1.1 几种果树开花调节基因的克隆
根据开花调节基因的相对保守性，目前己从苹果、梨、柑橘及核桃等树种中分离克隆了TERMINAL FLOWER 1 （TFL1）、APETALA1 （AP1）、FLOWERING LOCUS T （FT）、FLOERING LOCUS C （FLC）、LEAFY （LFY）、CO （CONSTANS）、SEPALLATA1 （SEP1）及NO EXINE FORMATION 1 （NEF1）等的同源基因，具体见表1。
1.2 几种主要基因的表达模式
Kotoda等 （2002）对苹果 （Malus x domestica Borkh.） MdTFL1 [1]和MdFT1 、MdFT2[3]的表达模式进行研究，发现MdTFL1在萼片、成熟叶中表达较强，7月初约成花诱导期前两周达到最高，在顶芽中表达也较强。MdFT1和MdFT2的表达模式存在差异，MdFT1主要在成年期结果枝的顶芽中表达，在童期组织中表达较少，而MdFT2则主要在生殖器官花芽和幼果中表达，它们在拟南芥异位表达都比对照早花。
Liu （2013）对沙梨 （Pyrus pyrifolia） PpAP1的研究发现，PpAP1主要在生殖组织如花序茎尖及花中表达，在叶中未检测到，在营养枝顶端检测到微量表达。在花中PpAP1转录物局限于花的外三层，主要是在花萼中。转化拟南芥表现为早花，与拟南芥中AP1超表达表型类似。mRNA表达模式及在拟南芥中超表达均表明PpAP1不仅调控植物营养到生殖发育的转变，还参与花器官的发育[5]。
Tan等 （2007）对华盛顿脐橙 （Citrus sinensis L. Osbeck） SOC1、AP3和WUS的同源基因CsSL、CitMADS8和CsWUS的表达模式进行了研究。发现SOC1在柑橘中存在两个基因CsSL1和CsSL2，CsSL1在拟南芥中超表达后提前开花，弥补了soc1突变体的迟花表型，基本上执行其内源SOC1的功能。CitMADS8虽然在翻译氨基酸水平上与其它植物的AP3很相似，但是不能弥补拟南芥突变体ap3造成的花器官特性的缺陷。分生组织维持基因CsWUS，在拟南芥wus突变体中表达可以恢复其分生功能转变成茎和花的特性，功能上与拟南芥WUS相似[6]。Pillitteri等 （2004）研究发现CsTFL在童期有很高的表达，并且其表达还跟外界的温度有关。拟南芥中异位表达表现晚花，与拟南芥中TFL1超表达的表型类似；CsTFL转基因可弥补tfl1-2突变体表型[7]。早实枳PtTFL1和PtTFL2转化烟草，转化植株均比野生型晚花[8]。王岩 （2010）将枳PtFLC不同转录本转入拟南芥，转基因T2代植株表型均正常，开花延迟，其中PtFLC-4晚花最明显[9]。柑橘上这些同源基因的分离、表达模式研究及功能的鉴定，丰富了柑橘开花的研究机理，同时也为其他作物开花机理的研究提供了直接的证据。
李敏通过同源序列法克隆了核桃 （Juglans regia L.） JrAP1全序列和jrSEP1、jrNEF1的部分片段，进行了序列同源性分析，并初步探讨这些基因在新疆早实核桃与晚实核桃及早实核桃不同组织器官之间的表达特征[12]。叶春秀等从新疆早实核桃新早丰花芽中克隆到控制植物成花的关键基因JrLFY。部分序列在早实和晚实核桃上都能够得到扩增产物，且扩增产物的亮度早实核桃大于晚实核桃。在早实核桃不同组织器官之间进行扩增发现，该基因在早实核桃营养器官上的表达方式显示出自身的特有表达特征。推测其可能在早实机制上起一定的作用[18]。
杨希宏等对获得的CcFLC的2个开放阅读框进行了序列分析，并对其进行了实时定量分析，CcFLC1和CcFLC2在山核桃幼茎、幼叶、顶芽，以及短果枝的雌花芽和雄花芽中都有表达，但相对表达量存在较大差异。同一组织中CcFLC1的表达量高于CcFLC2。CcFLC1表达量在茎中最高，但在叶和雄花芽的表达量最低；CcFLC2在雌花芽中相对表达量最高，茎中表达量最低[16]。Wang等 （2012）通过研究山核桃CcLFY表达模式，发现其参与花起始及花器官发育，转化烟草植株表现早花[17]。
2开花调节基因对果树童期控制研究
2.1 TFL1同源基因控制果树童期的研究
Kotoda等 （2002）将反义MdTFL1转入苹果植株，嫁接后植株8～15个月即可开花，而对照植株5年内尚未开花[1]。2006年Kotoda再次将反义MdTFL1转入苹果，其中有一株转基因苹果植株在转移到温室后的8个月就开花，而未转化的对照植株在近6年内一直未开花。转基因植株的花器官表型正常，早花转基因植株正常坐果并产生了种子。这些发现确定了MdTFL1与TFL1功能类似，参与苹果童期/营养期的维持[19]。Flachowsky等 （2010）通过RNAi方法沉默苹果MdTFL1，转基因植株有些在试管内即开花，而有些在转移到温室后开花，其童期已大大缩短[20]。
Freiman等 （2012）通过RNAi方法沉默梨PcTFL1，此基因完全沉默的植株出现早花表型：有些在试管内即开花，有些在生根转移到温室后1-8个月陆续开花。顶芽或侧芽均发育成单花，可连年开花。早花植株通过嫁接仍可保持早花表型，同时表现出更好的营养生长势。通过授粉产生了正常的果实和有活力的种子，播种的F1代种子发芽后1～33个月相继开花。转基因植株茎的生长和花的产生都不受光周期的影响，而是受到温度的影响。这个转基因系的获得为促进梨育种提供了一个非常有趣的工具[21]。
2.2 FT同源基因控制果树童期的研究
Kotoda等 （2010）将MdFT1在苹果中超表达，促进早花，并改变了其他内源基因如MdMADS12 的表达，说明MdFT1通过调节苹果其它开花基因从而促进早花[3]。Tr?nkner等 （2010）将MdFT1在苹果中超表达，与对照比较明显促进早花。转基因苹果在试管培养时就开花[22]。MdFT不仅在苹果成花中起作用，还有可能参与花的发育过程，这对揭示开花分子机制，对果树缩短童期研究提供了非常有用的信息[23]。Yamagishi等 （2011）用Apple latent spherical virus （ALSV）载体将拟南芥FT在苹果实生苗进行异位表达，结果发现子叶接种FT 1.5-2个月的苹果实生苗就开花，有50%的花其萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊外观正常。用早花植株的花粉对富士苹果进行授粉，果实发育正常且得到了种子。通过这种方法使得种子发芽到下一代种子成熟时间缩短到7个月以内[24]。Wenzel等 （2013）将杨树的FT连接到热诱导启动子Gmhsp 17.5-E （HSP）上，然后转化苹果‘Pinova’，获得的转基因株系微嫁接到金冠苹果实生苗上，转移到温室。对这些植株每天42℃处理1h，共处理了28d。热处理后6-8天大部分转基因植株都形成单末端花或单腋花。花梗较长，授粉后坐果正常，形成了正常的种子[25]。
Matsuda等 （2009）将柑橘CiFT转入西洋梨 （Pyrus communis L.），大部分转化植株在试管内培养时就开花。通过RNA凝胶印迹分析表明CiFT与花芽分化有关，表现为早花植株在表型性状如萼片、花瓣、雄蕊和柱头等数量上与野生型存在差异。早花植株通过杂交其F1代实生苗大部分在转移到温室后10个月内相继开花，说明后代遗传了转基因植株的早花表型[26]。Endo等 （2005）将柑橘CiFT转入枳，转基因植株在移入温室后12周就能开花，并且它们的F1代保持着稳定的早花表型[27]。CiFT的季节性表达变化与其季节性开花关系密切[28] ，并且实验表明，在甜橙中低温和水分亏缺通过上调CiFT的表达从而促进花诱导，低温处理和水分亏缺处理结合后，CiFT的表达量高于分别处理后的表达量[29]，并且CiFT也受赤霉素（GA3 ）调控[30]。
2.3 其它基因控制果树童期的研究
Kotoda等 （2002）为了研究苹果AP1的同源基因MdMADS5是否诱导苹果早花，先将其转化拟南芥，转化植株T1代有一部分开花较野生型早5～10天，形成的末端花跟拟南芥超表达AP1或 tfl1突变体植株相似，这种表型在后代中可遗传。这暗示了MdMADS5与AP1功能相似[31]。尽管苹果花芽形成机制不同于拟南芥，但这个基因或许参与苹果花芽形成。
Flachowsky等 （2007）将欧洲白桦中克隆的BpMADS4 转入苹果，转化植株有些在试管内开花，表现为单花；有些刚转移到玻璃温室就开花；而有些在转移到玻璃温室后的3～4个月内就形成花蕾。花粉育性和花粉管萌发与非转基因植株无明显差异，初步杂交形成了小果实[32]。这是转基因苹果在试管内开花的第一篇报道。
西班牙研究者Pe?a等 （2001）将拟南芥LFY和AP1转入甜橙和枳橙中，均能在第一年就可产生有育性的花和果，而且以后可连年开花。比未转化植株提早3-5年，表现出明显的缩短童期和提早开花的特性，该性状在后代也得到稳定遗传和表达。将转基因种子播种后，童期也明显缩短[33]。韩艳 （2012）采用RNAi技术抑制枳中PtFLC基因的表达，RNAi植株中PtSOC1和PtFT的表达量升高，表明PtFLC抑制其下游基因PtSOC1和PtFT的表达，从而调控成花转变[10]。
3小结
3.1 存在的主要问题
近年来，果树开花相关基因的克隆越来越多，除核桃外其余 3 种果树国外研究居多，国内研究相对较少。而果树童期控制方面在核桃上目前还没有报道，大多集中于苹果和柑橘。国内研究大部分停留在对克隆的基因进行序列分析、表达量分析及转化拟南芥或烟草等模式植物进行功能验证等阶段，而对其转化果树本身进行功能分析的较少，可以拿来做杂交育种亲本的早花材料稀缺。
3.2 今后研究方向
3.2.1 继续开展 开花相关基因克隆和功能鉴定，同时将经过初步功能鉴定的基因利用转基因技术手段转化到果树中进行超表达分析，研究在果树成花转变中所起的作用。逐步完善果树成花机制，以期为缩短果树童期，提高育种工作效率做出重要贡献。
3.2.2 对转基因 手段获得的早花植株，一方面作为亲本继续开展育种工作，从中筛选符合育种目标的早花植株；另一方面研究其生长习性、发育状况及生命周期等，比较与非转基因植株之间的差异。
3.2.3 选择遗传 背景一致的早花植株和晚花植株，通过杂交建立后代群体，筛选与早花性状相连锁的分子标记，用于杂交种的早期筛选。
3.2.4 苹果、梨 必须经过低温阶段，经受一定的低温量，并经过一定日照时数和具备其它条件，解除休眠后才能开花结果。而有些转基因苹果、梨未经休眠就形成花，这些基因与打破休眠之间有何关系也需要做进一步研究。
参考文献
[1] Kotoda N， Wada M， Masuda T， Soejima J， et al . The break-through in the reduction of juvenile phase in apple using transgenic approaches[J]. Acta Horticulturae （ISHS） ，2002，625：337-343
[2] H?ttasch C， Flachowsky H， Hanke M V， et al. The Switch to Flowering： Genes Involved in Floral Induction of the Apple Cultivar‘Pinova‘and the Role of the Flowering Gene MdFT[C]//I International Symposium on Biotechnology of Fruit Species： BIOTECHFRUIT2008 839. 2008： 701-705.
[3] Kotoda N， Hayashi H， Suzuki M， et al. Molecular characterization of FLOWERING LOCUS T-like genes of apple （Malus× domestica Borkh.）[J]. Plant and cell physiology， 2010， 51（4）： 561-575.
[4] Esumi T， Tao R， Yonemori K. Isolation of LEAFY and TERMINAL FLOWER 1 homologues from six fruit tree species in the subfamily Maloideae of the Rosaceae[J]. Sexual plant reproduction， 2005， 17（6）： 277-287.
[5] Liu Y， Kong J， Li T， et al. Isolation and Characterization of an APETALA1-Like Gene from Pear （Pyrus pyrifolia）[J]. Plant Molecular Biology Reporter， 2013，1-9.
[6] Tan F C， Swain S M. Functional characterization of AP3， SOC1 and WUS homologues from citrus （Citrus sinensis）[J]. Physiologia plantarum， 2007， 131（3）： 481-495.
[7] Pillitteri L J， Lovatt C J， Walling L L. Isolation and characterization of a TERMINAL FLOWER homolog and its correlation with juvenility in citrus[J]. Plant Physiology， 2004， 135（3）： 1540-1551.
[8] 李红莲. 早实枳 TFL1/CEN 同源基因的表达分析及功能特征[D]. 华中农业大学， 2010.
[9] 王岩. 早实枳成花相关基因的表达分析及PtFLC的功能特征[D].华中农业大学，2010.
[10] 韩艳. 柑橘阶段性发育相关基因FLC的功能分析[D].华中农业大学，2012.
[11] Pillitteri L J， Lovatt C J， Walling L L. Isolation and Characterization of LEAFY and APETALA1 Homologues from Citrus sinensis L. Osbeck Washington’[J]. JOURNAL-AMERICAN SOCIETY FOR HORTICULTURAL SCIENCE， 2004， 129： 846-856.
[12] 李敏. 早实核桃 （Juglans regia L.） 花器官变异及花发育相关基因克隆研究[D]. 山东农业大学， 2009.
[13] He F， Wang H， Zhang Z. Molecular cloning and sequence analysis of an LFY homologous gene from Juglans regia L[J]. Frontiers of Agriculture in China， 2011， 5（3）： 366-371.
[14] 黄有军. 山核桃成花机理研究[D]. 南京林业大学， 2010.
[15] WANG Z， HUANG Y， XIA G， et al. Cloning and analysis of the APETALA1 （AP1） homolog gene from Carya cathayensis[J]. Journal of Zhejiang Forestry College， 2008， 4： 006.
[16] 杨希宏. 山核桃CcFLC同源基因鉴定与表达分析[D].浙江农林大学，2012.
[17] Wang Z J， Huang J Q， Huang Y J， et al. Cloning and Characterization of a Homologue of the FLORICAULA/LEAFY Gene in Hickory （Carya cathayensis Sarg）[J]. Plant Molecular Biology Reporter， 2012， 30（3）： 794-805.
[18] 叶春秀， 牛建新. 新疆早实核桃LFY同源基因的克隆与分析[J]. 西北农业学报， 2012， 21（011）： 146-150.
[19] Kotoda N， Iwanami H， Takahashi S， et al. Antisense expression of MdTFL1， a TFL1-like gene， reduces the juvenile phase in apple[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 2006， 131（1）： 74-81.
[20] Flachowsky H， Peil A， Hanke M V， et al. Functional Characterization of Two Antagonistic Acting Flowering Genes in Apple Malus×domestica Borkh[C]//XXVIII International Horticultural Congress on Science and Horticulture for People （IHC2010）： International Symposium on 929. 2010： 351-356.
[21] Freiman A， Shlizerman L， Golobovitch S， et al. Development of a transgenic early flowering pear （Pyrus communis L.） genotype by RNAi silencing of PcTFL1-1 and PcTFL1-2[J]. Planta， 2012， 235（6）： 1239-1251.
[22] Tr?nkner C， Lehmann S， Hoenicka H， et al. Over-expression of an FT-homologous gene of apple induces early flowering in annual and perennial plants[J]. Planta， 2010， 232（6）： 1309-1324.
[23] 郑小一等. 苹果FT同源基因MdFT的表达特性[J]. 江苏农业学报，2011，02：390-395.
[24] Yamagishi N， Sasaki S， Yamagata K， et al. Promotion of flowering and reduction of a generation time in apple seedlings by ectopical expression of the Arabidopsis thaliana FT gene using the Apple latent spherical virus vector[J]. Plant molecular biology， 2011， 75（1-2）： 193-204.
[25] Wenzel S， Flachowsky H， Hanke M V. The Fast-track breeding approach can be improved by heat-induced expression of the FLOWERING LOCUS T genes from poplar （Populus trichocarpa） in apple （Malus× domestica Borkh.）[J]. Plant Cell， Tissue and Organ Culture （PCTOC）， 2013，1-11.
[26] Matsuda N， Ikeda K， Kurosaka M， et al. Early flowering phenotype in transgenic pears （Pyrus communis L.） expressing the CiFT gene[J]. Journal of the Japanese Society for Horticultural Science， 2009， 78（4）： 410-416.
[27] Endo T， Shimada T， Fujii H， et al. Ectopic expression of an FT homolog from Citrus confers an early flowering phenotype on trifoliate orange （Poncirus trifoliata L. Raf.）[J]. Transgenic research， 2005， 14（5）： 703-712.
[28] Nishikawa F， Endo T， Shimada T， et al. Increased CiFT abundance in the stem correlates with floral induction by low temperature in Satsuma mandarin （Citrus unshiu Marc.）[J]. Journal of Experimental Botany， 2007， 58（14）： 3915-3927.
[29] Chica E J， Albrigo L G. Expression of flower promoting genes in sweet orange during floral inductive water deficits[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 2013， 138（2）： 88-94.
[30] Mu?oz-Fambuena N， Mesejo C， González-Mas M C， et al. Gibberellic acid reduces flowering intensity in sweet orange [Citrus sinensis （L.） Osbeck] by repressing CiFT gene expression[J]. Journal of Plant Growth Regulation， 2012， 31（4）： 529-536.
[31] Kotoda N， Wada M， Kusaba S， et al. Overexpression of MdMADS5 ， an APETALA1-like gene of apple， causes early flowering in transgenic Arabidopsis[J]. Plant Science， 2002， 162（5）： 679-687.
[32] Flachowsky H， Peil A， Sopanen T， et al. Overexpression of BpMADS4 from silver birch （Betula pendula Roth.） induces early‐flowering in apple （Malus× domestica Borkh.）[J]. Plant Breeding， 2007， 126（2）： 137-145.
[33] Pe?a L， Martín-Trillo M， Juárez J， et al. Constitutive expression of Arabidopsis LEAFY or APETALA1 genes in citrus reduces their generation time[J]. Nature biotechnology， 2001， 19（3）： 263-267.
作者简介：李红莲（1986 -），女，硕士，研实，主要从事秋子梨新品种选育及配套栽培技术研究工作。