擬南芥花梗臂發生機制的研究進展

王 玥，顧芝瑕，楊正朝，章鵬程，吳玉環，俞志明

(杭州師范大學生命與環境科學學院,浙江 杭州 311121)

植物絕大多數在固定的地方生長，它們只能主動去適應周圍環境的變化.為了克服外界的各種危害，植物進化出一套非常高效的調控網絡，使之能對環境變化做出更快速的響應.植物的這些適應機制有些不易被發現：如基因表達水平的改變或代謝產物的濃度變化[1]；有些是顯而易見的：如質量性狀或數量性狀[2-3].搞清楚植物這些變化規律，將對創制智能型植物具有重要的指導意義.

截至目前，擬南芥仍然是研究最深入的模式植物.經過數十年的研究，人們對擬南芥各個器官的發育機制都有了相對清晰的認識.而隨著單細胞轉錄組測序技術的發展，擬南芥研究又從分子水平回到細胞水平[4-7].正當人們認為擬南芥的研究已進入前所未有的深度時，最近，美國賓夕法尼亞州立大學Timothy E. Gookin等人歷經10余年，對一個非常不起眼的新器官(連接主莖和花柄，使花柄與主莖之間產生物理間隔)進行了深入的研究，并給這個新器官賦予了一個新名詞：Cantil[8].根據其名稱含義及其生物學的功能，我們給這個新器官起名為：花梗臂.花梗臂主要位于擬南芥頂部開花區及中間直立主莖區附近(圖1).本文將對花梗臂的發現歷程以及調控機制進行梳理與總結.

1 模式植物擬南芥

1873年，Alexander Braun首次在柏林田野里發現擬南芥ag(AGAMOUS)突變體[9].1907年Friedrich Laibach確定了擬南芥有5對染色體[9]，并于1943年首次提出可將擬南芥作為模式植物[10].1947年Erna Reinholz利用X射線誘變的方法，得到了更多的擬南芥突變體[9].但此后很長一段時間，擬南芥都不被學術界所看好，因為當時的科學家認為，擬南芥的染色體偏小，矮牽牛和煙草更適合做組織培養[9].

隨著分子生物學的蓬勃發展，從20世紀80年代開始，歷經多次否定的擬南芥逐漸地被科學家們廣泛使用[10].1986年首次獲得擬南芥轉基因植株[9-10], 1991年進行的擬南芥花發育的研究，并提出了花形態發生的ABC模型[11]；2000年12月在擬南芥(Col-0)中完成了植物第一個全基因組測序[12]；2003年，利用轉基因技術建立了T-DNA插入突變體庫(Col-0背景)[13].從此奠定了擬南芥模式植物的地位.擬南芥生長周期短、培養所需空間少、種子多、易進行大規模誘變[14]、轉化方法簡單[15]，同時在代謝工程、基因表達、生物合成等方面扮演著重要角色[16].擬南芥的種種優點，極大地推進了植物基因功能研究的發展.

紅色虛線框內標識的即為花梗臂,角A為花梗臂與花柄之間的夾角.圖1 擬南芥新器官———花梗臂Fig.1 Cantil, a new organ of Arabidopsis thaliana

紅色虛線框內標識的即為花梗臂,角A為花梗臂與花柄之間的夾角.圖2 擬南芥初生莖的橫切面Fig.2 The cross section of Arabidopsis primary stem

2 擬南芥的主要器官

2.1 莖的組織結構

擬南芥的莖支撐著葉片、花朵、果實.根吸取的水分、無機鹽等營養成分通過莖輸送到地上部，s光合產物又通過莖轉運至根、花及果實等“庫”內，莖還能儲存糖類等營養物質.擬南芥的初生莖主要包括表皮、皮質、韌皮部、形成層、木質部、髓等部分(圖2)[17].

2.2 擬南芥其他器官

擬南芥根扎于土壤中，不僅起到支持作用，還能吸收土壤中的水分和養分來維持植物的生長和發育[18].擬南芥根包括胚胎期間產生的初生根、從初生根發育而來的側根，起源于芽、根連接處的不定根.初生根又分為分生區、伸長區和成熟區.成熟區最典型的特征是長有根毛[19].初生根的根尖區主要包括根冠、靜止中心、中柱、內皮層、皮層、表皮等[20].

擬南芥葉是枝條系統中最特殊的器官之一，它是光合作用和呼吸作用最主要的場所.葉片由表皮細胞、柵欄組織、海綿組織、保衛細胞等不同類型的細胞組成[21].

擬南芥花由萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊4部分組成，他們排列成同心圓或者輪生.擬南芥花器官是典型的ABC模型[22].

通過雙受精后，擬南芥種子開始發育，從而形成胚、胚乳、種皮[23].

3 花梗臂的結構特征及分布

通常情況下，擬南芥側枝直接從主莖處延伸出來，基部與主莖緊密相連.而花梗臂則是從擬南芥主莖上伸展出來的一個延長臂，支撐著花枝生長，形成于花序發育早期，主要出現在中間偏上的開花區域(圖3中的b-c交接處)，花柄和花梗臂之間的角度在25—90°之間(圖1中的角A所示)[8].

a.擬南芥蓮座葉, b.直立主莖區, c開花區.

4 花梗臂形成的環境因素

花梗臂出現頻率不高，又比較隱蔽，因此直到最近才引起重視.研究發現，短日照條件下，在68株Col-0(Columbia-0)植株中發現了157個花梗臂，在68株Ws (Wassilewskija)植株中發現了14個花梗臂，而在71株Ler(Landsbergerecta)中則未發現花梗臂[8].在長日照的條件下(16 h/8 h)，727棵Col-0植株中僅有2個花梗臂，而在Ws和Ler中沒有發現.因此，日照長度是影響花梗臂形成的一個關鍵因素，短日照條件下花梗臂出現概率更高[8].

5 花梗臂調控基因

截至目前，通過對現有突變體進行表型觀察，并從這些突變基因中回推其可能的調控機制，產生花梗臂的分子機制研究非常有限.現有的研究表明，AtMYB13(Myeloblastosis)[24]、ROTUNDIFOLIA4(ROT4)[25]及DEVIL9(DVL9)(ROTUNDIFOLIA4-LIKE/DEVIL)[26]過表達后均能產生花梗臂.而G蛋白復合體，ERECTA，FT等基因則抑制花梗臂的產生[8].

5.1 轉錄因子MYB13促進花梗臂的發生

GUS報告基因顯示，轉錄因子MYB13(AT1G06180)在莖分生組織區、腋芽、花的基部以及花柄的分支點特異表達[24].過表達MYB13后，在轉基因植株中發現了花梗臂[24]，這是花梗臂表型首次展現在人們面前，當時將它描述為“鉤狀結構”.該研究發現，花梗臂更傾向于出現在第一個果莢處，隨著分叉的增多而減少，作者猜測這個表型似乎受劑量效應的調控[24].

5.2 RTFL/DVL基因家族成員促進花梗臂的發生

RTFL(ROTUNDIFOLIALIKE)家族又叫做DVL(DEVIL)基因家族，含有21個家族成員.當DVL9(AT1G07490)過表達時，在花梗下端會出現“急轉的角”[26]，也就是本文命名的花梗臂.RTFL/DVL家族是植物中特有的.除DVL9外，DVL5(AT1G68825)、DVL8(AT3G55515)、DVL15(AT3G46613)、DVL16(AT2G36985)、DVL17(AT4G35783)和DVL20(AT3G53232)過表達后，都會出現莖的增生[26].

DVL16(也叫ROT4基因)過表達后，主莖處也會出現增生，即花梗臂.預示著這個基因家族很可能與植物體軸方向的增殖調控有關系[25].將花梗臂切片觀察后，發現與主莖與花梗的細胞結構都保持很好的連貫性[25].

5.3 ERECTA促進花梗臂的發生

ERECTA編碼富含亮氨酸的受體樣激酶(Leucine-RichRepeatsReceptor-LikeKinase,LRR-RLK)[27]，是最先從擬南芥中克隆的基因(AT2G26330)[28].ERECTA可以調節擬南芥頂端分生組織、葉序和花分生組織的大小[29]，還可以抑制氣孔發育[30]，影響光合速率，蒸騰速率等[31].Ler植株是經X射線對Landsberg誘導產生的ERECTA缺失突變株[32]，是除Col-0外廣泛使用的擬南芥品系[33].因為Ler植株葉片為圓形，葉柄較短，角果短而鈍，Ler植株花朵大多聚集在頂部，可以形成緊湊的花序，深受科學家的喜愛[27].由于ERECTA是花梗臂形成的全局調節因子，所以在Ler植株中從未發現過花梗臂及類似花梗臂的結構，并且Col-0背景的er突變體也未能產生花梗臂及其類似的表型[8].

5.4 染色體非整倍性

Henry等人(2010)研究非整倍體對擬南芥生長影響時，就發現了花梗臂的表型，并將其命名為“小結/小瘤”[34].非整倍體是指個體染色體數目與原來數量相比增加或減少一個或多個染色體，從而導致染色體組不平衡.與動物相比，植物對于非整倍體有較強的耐受性[35-36].

擬南芥是二倍體植株，通過不同倍性的植株間回交或者雜交可以獲得不同的非整倍體個體[36].“小結/小瘤”主要出現在多倍體的非整倍體中，在一個多非整倍體(2n= 23)植株上有14個“小結/小瘤”，較低的非整倍體中并未出現“小結/小瘤”.除了“小結/小瘤”外，非整倍體中還出現了表皮褶皺的特征[37].

5.5 BP基因促進花梗臂的產生

歐洲油菜BREVIPEDICELLUS(BP)基因是擬南芥BP(KNAT1，a class-IKNOTTED1-like homeobox (KNOX) transcription factor [AT4G08150])的直系同源物，在歐洲油菜中過表達后植株就出現花梗臂的表型[38].擬南芥BP基因缺失會導致花序向下生長，株高變低，部分失去頂端優勢[39].bp突變體還表現出相對下垂的角果、短小的果柄和緊密的花序等表型[40].

擬南芥中BP、PENNYWISE(PNY)[41]、BRAHMA(BRM)[40]相互作用來協同維持花序的正常生長發育.由此可見，BP基因是調控花梗臂生長正調控因子.

5.6 異源三聚體G蛋白復合體抑制花梗臂形成

異源三聚體鳥嘌呤核苷酸結合蛋白(Guanine nucleotide-binding proteins, G蛋白)是細胞內的分子開關，負責將信號從細胞外部傳遞到細胞內部.當與三磷酸鳥苷(Guanosine Triphosphate, GTP)結合時具有水解酶的活性，而與二磷酸鳥苷(Guanosine Diphosphate, GDP)結合時則失活[42].

異三聚體G蛋白復合體在真核生物中廣泛分布，是信號轉導的樞紐，在進化上較保守.G蛋白復合體包括Gα、Gβ和Gγ亞基.通過Gα與Gβγ二聚體結合可以實現G蛋白信號的特異性，將上游信號分子通過跨膜受體傳遞到下游相應的效應器.擬南芥有4個Gα基因： 1個典型的Gα(GPA1[AT2G26300])以及3個非典型超大型Gα(XLG1[AT2G23460]、XLG2[AT4G34390]和XLG3[AT1G31930])；1個Gβ基因(AGB1[AT4G34460])；3個Gγ基因：2個典型Gγ(AGG1[AT3G63420]和AGG2[AT3G22942])以及1個非典型Gγ(AGG3[AT5G20635])[43].研究表明，GPA1-AGB1-AGG3構成的G蛋白復合體亞基可以抑制花梗臂的形成，是花梗臂的負調控因子[8].

GPA1和AGB1定位在莖頂端分生組織，可調節莖尖分生組織大小[15].擬南芥中gpa1和agb1突變體主要表現為花、果莢、種子、下胚軸不同程度變短；agb1突變體縮短表型更嚴重，但開花數量變多[43].gpa1突變體的側根形成減少，但agb1突變體的側根形成增加[44].在短日照條件下，Col-0背景的gpa1-3和gpa1-4和Ws背景的gpa1-1和gpa1-2缺失突變體會產生比野生型更多的花梗臂.并且GPA1或AGB1的無義突變可以使花梗臂的發育擴大到C節點的遠端(圖3)[8].Ws背景的GPA1突變體(gpa1-1或gpa1-2)雖然也能產生花梗臂，但頻率比Col-0背景的突變體低[8].

此外，AGB1還可以控制另一個表型——表皮褶皺(圖4A)，該表型在agb1突變體中出現頻率較高(高達84%)，而在gpa1突變體中則較少出現(僅2%).表皮褶皺主要在B和C的連接處出現(圖3).

在短日照條件下，Col-0背景的gpa1突變體花梗臂出現概率增加67%，agb1突變體花梗臂出現概率增加52%，Ws背景的gpa1突變體花梗臂出現概率竟然高達612%，說明GPA1對花梗臂的產生起最關鍵的作用[8].AGG3屬于植物所特有的C型Gγ亞基，與Gβ相互作用形成Gβγ二聚體[44].agg3突變體也可以增加花梗臂的數量，并且出現表皮褶皺和莖角(圖4A).agg1和agg2突變體則與野生型沒有明顯差異.agg1agg2agg3三突變體出現花梗臂的頻率和agb1相同，說明Gγ中AGG3是控制花梗臂的主要基因.XLG三突變(xlg1-5xlg2-1xlg3-1)和與Col-0出現花梗臂的頻率及其表型相同.

因此，雖然異三聚體G蛋白復合體有12種不同的組合，由于Gα中只有GPA1對花梗臂發生起作用，因此決定花梗臂出現的組合只有3種：gpa1-AGB1-AGG1；gpa1-AGB1-AGG2；gpa1-AGB1-AGG3[8].

A.表皮褶皺; B. “馬刺” ；C.莖增生.

同時G蛋白的不同亞基還控制擬南芥不同的發育性狀.除花梗臂、表皮褶皺等表型外，Col-0背景的gpa1突變體花梗臂下還長有“馬刺”，是位于花梗臂與花柄交界處底部的一個尖狀突起.在Col-0背景的gpa1突變體中出現頻率較高(95%)(圖4B).有時這些“馬刺”樣結構還會單獨地留在莖上，形成莖增生(圖4C).莖增生生長的位置通常都在沒有“馬刺”的花梗臂處，猜測“馬刺” 和莖增生是同一起源[8].

5.7 FT基因抑制花梗臂形成

FT(FloweringLocusT, AT1G65480)是調節植物開花起始的開關分子，也被認為是“開花素”基因[45].FT屬于磷脂酰乙醇胺結合蛋白(phosphatidyl Ethanolamine-Binding Protein, PEBP)家族[46].擬南芥中FT可與卵磷脂(phosphatidylcholine, PC)結合調控開花[47].多個控制開花的通路(光周期途徑、自主途徑、春化途徑、赤霉素、溫度調控等途徑)都匯總于FT基因[48-49].FT基因缺失突變體會導致植物開花延遲；反之，過表達FT可以促進植物提前開花[50].Col-0背景的ft-10突變體在長日照和短日照下均表現為晚花的特點，并且能產生同等頻率的花梗臂.由此得知，花梗臂的產生并不取決于光周期，而取決于開花時間，開花延遲對于花梗臂的產生是有利條件.經研究統計gpa1-3,ft-10雙突變體在長日照下幾乎所有植株均產生花梗臂，超過一半的植株產生莖增生，一半的植株存在表皮褶皺[8].

5.8 其他抑制因素

除以上提到的影響因素外，植株自身的健康情況以及幼苗期或者成熟植株是否受到干旱、水淹、蓮座葉被采摘以及蟲害脅迫等因素，都將不同程度抑制花梗臂的形成[8].

6 討論與展望

6.1 討論

花梗臂的出現受周圍環境影響比較大，這也可以解釋為什么自1998年首次發現以來，后續的研究并沒有進一步深入[24].花梗臂也可能是擬南芥之前就已經存在的器官，但由于不斷進化逐漸消失，又因為環境的改變逐漸被人們重新發現，也可能最早出現的擬南芥沒有此器官，現階段擬南芥為適應環境或者維持自身生長，對環境做出的反應[8].目前的研究顯示，擬南芥花梗臂發育受到6個基因家族的調控，還受到染色體非整倍體和光周期的影響(圖5).

MYB13基因, RTFL/DVL基因家族成員, ERECTA基因,染色體非整倍性, BP基因及短日照等因素促進花梗臂的生成,用“→”表示;FT基因,長日照及生物脅迫相關因素抑制花梗臂的生成,用“—◆”表示.

涉及的6個基因家族，結果清晰明確，而染色體非整倍性則涉及的基因眾多.擬南芥的非整倍體也可以導致花梗臂的出現，并且非整倍體的染色體越多，花梗臂出現的概率越大，有研究學者認為，1號染色體的倍增，將增加花梗臂的發生概率，推斷很可能花梗臂的生成與1號染色體的基因直接相關.由于染色體倍性的改變所產生的表觀遺傳的改變是可以遺傳給下一代的，并且變化持久.因此，有人認為花梗臂的出現主要是由于內部和外部因素的共同改變造成的發育調控紊亂的結果[34,37].

FT基因突變是導致花梗臂出現的關鍵因素，而FT還對側枝發育有一定的影響，FT基因缺失突變體表現出側枝生長發育緩慢的現象[51]，花梗臂的產生是否與FT的這個功能相關還未知.

GPA1-AGB1-AGG3異源三聚體G蛋白復合物是花梗臂發育的負調控因子.但agb1，gpa1或agg3突變體都在短日照條件下才產生較高頻率的花梗臂，因此除了基因調控外，環境因素對于花梗臂的形成也起著至關重要的作用.

6.2 展望

絕大多數agb1突變體會出現表皮褶皺，而在gpa1突變體中，表皮褶皺則非常罕見.GPA1基因表達量非常低的時候，表皮褶皺就消失了.已經證明染色體的非整倍性會增加花梗臂發生的頻率，且往往在增加染色體的情況，才表現出花梗臂的增多.說明基因表達量與花梗臂之間具有密切的關系.根據未正式發表的結果表明，1號染色體的倍增對花梗臂的產生具有最直接的作用[8].

轉錄因子MYB13(AT1G06180)，DVL9(AT1G07490)，DVL5(AT1G68825)均位于1號染色體上.當出現染色體加倍后，這些基因的表達量增加，從而使花梗臂的發生概率更高.而抑制基因FT(AT1G65480)雖然也位于1號染色體上，但可能在調控花梗臂的信號通路處于上游的位置，或者劑量的增加沒有超過正調控基因，所以最終導致的結果還是花梗臂增多的表型.而抑制基因GPA1(AT2G26300)，AGB1(AT4G34460)雖然不在1號染色體上，但可能有一些基因轉錄調控因子是在1號染色體表達，這些調控因子抑制了這些負調控基因的表達，從而也為花梗臂的發生創造了條件.

在花梗臂研究的過程中，一些逆境脅迫的因素也會影響花梗臂發生.植物激素屬于植物生長的內在調節因子，主要包括脫落酸、生長素、油菜素類固醇、細胞分裂素、乙烯、赤霉素、茉莉酮酸和獨腳金內酯8種，它們協調植物各個器官的生長與發育[52].例如，脫落酸(abscisic acid, ABA)在種子休眠中起關鍵作用；赤霉素(gibberllins, GA)可以促進種子萌發[23]；乙烯(ethylene, ET)不僅與葉片衰老、果實成熟相關，還可以通過調控蛋白從而調控花期[51-53]；生長素(auxin, IAA)決定葉原基出現的位置，還調節根分生組織的大小[54-55]；赤霉素(gibberllins, GA)參與莖伸長發育的調控[56].

研究表明，參與根系分生組織激素之間精細調節最終產生了不同濃度生長素的分布[55]，可見生長素在植物器官發育中起著至關重要的作用.擬南芥的“花梗臂”均出現在側枝上，而分支是由腋生分生組織(AM)分化形成，此組織位于葉和莖的連接處，即葉腋[57].植物激素對于擬南芥腋生分生組織也有一定的調控作用，其中濃度過高的生長素會抑制側枝的生長，而細胞分裂素則是腋生分生組織起始所必須[58].因此，花梗臂的出現是否與這些激素的濃度變化有關，值得深入研究.

目前還沒有發現花梗臂、“馬刺”、莖增生對擬南芥生長、發育及其功能有何關聯，但花梗臂作為側枝發育研究的目標器官，易于觀察，具解剖結構簡單等優點，是一個不錯的研究對象.

農作物擁有適量的側枝可以提高光合作用及結實率，減少倒伏災害[59].DA1基因可以減少擬南芥側枝的數量，在da1-1突變體中甚至有些植株幾乎沒有側枝起始的跡象[60].FC1會抑制水稻腋芽的生長[61]；BRC1能夠抑制擬南芥腋芽的生長[62].這些基因是否與花梗臂的形成有關，需要進一步研究.

擬南芥初生莖形成層是分化成木質部和韌皮部的主要場所(圖2)[63]，花梗臂極有可能是發源于此，這為花梗臂后續發生機制的研究指明了方向.

花梗臂結構的存在，是否有利于提高農作物對果實承重能力的提高，以及改變果實采摘的傳統模式等，還需要在生產實踐中檢驗.

致謝感謝立陶宛University of Tartu的博士生Kaspar Koolmeister贈予擬南芥花梗臂的原始圖片，并授權在本文中使用；感謝美國The Pennsylvania State University的Dr. Timothy E. Gookin為論文提出寶貴的修改意見；感謝匿名評審專家對論文的審閱.