植物开花时间的遗传调控通路研究进展 生物多样性    2021, 29 (6): 825-842.   DOI: 10.17520/biods.2020370

图2 拟南芥开花调控各通路的详细图解。(A)光周期通路; (B)春化通路; (C)温度通路; (D)赤霉素通路; (E)年龄通路。黑色填充方框代表外界调节因子。方框内的字母代表基因的简称, 椭圆框内的字母代表蛋白的简称。带箭头实线代表促进作用, 平端实线代表抑制作用。双向箭头代表相互作用。在图(A)中, 圆角矩形框指开花素转运到的位置, 带箭头的虚线代表转运过程。

正文中引用本图/表的段落

CO(CONSTANS)是光周期路径的关键下游基因。在长日照下CO的表达被三种蛋白的活性修饰: GI、FKF1、CDF1(CYCLING DOF FACTOR 1) (Imaizumi et al, 2005; Sawa et al, 2007; Fornara et al, 2009)。这三个基因本身受昼夜节律钟的调控。CDFs属于转录调节因子家族, 通过直接与CO调节区域结合作为CO转录的抑制因子(Fornara et al, 2009)。在昼夜节律钟的调控下, CDFs、GI和FKF1先后表达, FKF1与抑制CO转录的CDF1-GI复合物相互作用, 并通过其F-Box结构域使CDF1降解(Sawa et al, 2007), 一旦CDF被降解, FBHs(FLOWERING BHLHs)和TCPs(TEOSINTE BRANCHED/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL NUCLEAR ANTIGEN FACTORs)将诱导CO的转录(Ito et al, 2012; Kubota et al, 2017)。CO不仅在转录水平上受到调控, 其蛋白质稳定性和积累水平也受到调控(图2A)。晚上, COP1-SPA1(CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1-SUPPRESSOR OF PHYA 1)复合物降解CO蛋白, 以抑制在短日照下的开花(Jang et al, 2008)。而存在蓝光时, 蓝光受体CRY2与COP1-SPA1复合物结合能够抑制对CO蛋白的降解作用(Zuo et al, 2011)。除此之外, 还有依赖ZTL/FKF1的调节机制, 早上, ZTL可能与GI一起降低CO的稳定性(Song et al, 2014); 下午, FKF1通过抑制功能性COP1的同源二聚化来增加CO蛋白(Lee et al, 2017)。由于GI也与CO直接相互作用, FKF1、GI和CO可能形成三聚体复合物并稳定CO(Song et al, 2014)。除了与光周期相关的调节外, CO蛋白的积累还受到光受体的影响。红光受体PHYB在早上与HOS1 (HIGH EXPRESSION OF OSMOTICALLY RESPONSIVE GENES 1)形成复合物抑制CO蛋白的积累(Lazaro et al, 2015); 远红光受体PHYA促进CO蛋白的积累(Valverde et al, 2004); CRY2感知蓝光并稳定CO(Zuo et al, 2011)。最终使得长日照下CO在黎明和下午表达, 进而使得FT转录水平上调并诱导开花; 而短日照下, 高水平的CO表达在黑暗中发生, 不会上调FT, 从而导致开花延迟(Putterill et al, 2004)。CO还能诱导与FT转运相关的NaKR1(SODIUM POTASSIUM ROOT DEFECTIVE 1)的表达, 从而促进FT向茎尖分生组织转运, 最终诱导花芽的形成(Shim et al, 2017)。在光周期通路中, 除了通过CO途径影响下游基因外, GI也能通过miR172间接激活FT, 或通过与FT启动子结合并与FT抑制因子形成复合物来直接激活FT, 从而促进开花(Sawa & Kay, 2011)。最近有研究鉴定到两种新的FT转录增强子Block E和Block C, 它们能够影响FT表达对光周期的响应(Zicola et al, 2019)。

春化作用能够降低FLC mRNA水平以促进开花(Sheldon et al, 2000)。在温度升高后, FLC mRNA依然保持低水平, 但减数分裂后FLC mRNA重新分配回到正常值(Simpson & Dean, 2002), 因此这种春化状态不能由亲本传给子代。FLC的转录激活因子对于在春化植物胚胎中重新激活FLC的表达很重要, 确保幼苗不受亲本春化作用的影响(Yun et al, 2011)。在拟南芥中鉴定出了3个FLC的调节因子: VRN1(VERNALISATION 1)、VRN2以及VIN3(VERNALISATION INSENSITIVE 3), 它们都是FLC的负调节因子。有研究表明FLC在响应春化时是表观沉默的。在寒冷时, VRN1和VRN2维持FLC的沉默 (Gendall et al, 2001);而VIN3抑制FLC的表达, VIN3在寒冷时能够被瞬间诱导产生(Sung & Amasino, 2004)。另外还发现非编码RNA是一类新的基因表达调控因子, 也能够调节FLC。例如在拟南芥中的COOLAIR(COLD INDUCED LONG ANTISENSE INTRAGENIC RNA)和COLDAIR(COLD ASSISTED INTRONIC NONCODING RNA): 在寒冷条件下, COOLAIR在VIN3发挥作用之前先转录, 抑制FLC的转录(Swiezewski et al, 2009); COLDAIR在FLC被抑制时激活, 进一步抑制FLC(Heo & Sung, 2011)。有研究发现, 许多与FLC相关的转录因子如MAF1-5 (MADS AFFECTING FLOWERING 1-5)和AGL24(AGAMOUS-LIKE 24)在春化反应中受到的调控独立于FLC, 这些基因可能在调节春化反应中起着重要的作用(Alexandre & Hennig, 2008) (图2B)。如在青菜(Brassica rapavar. chinensis)中, BcMAF2能够直接与BcTEM1(青菜的TEMPRANILLO 1同源基因)结合并促进其表达, 从而抑制开花(Huang et al, 2019)。拟南芥在春化作用下, AGL24和SOC1能够上调彼此的表达, 以独立于FLC的方式介导春化促进开花(Michaels et al, 2003)。

除了春化作用外, 外界环境温度还直接影响开花行为。一般来说, 高环境温度促进开花, 而低环境温度延迟开花(Jagadish et al, 2016)。拟南芥在较高的环境温度下开花较早, 且在拟南芥的其他生活型中, 较高的温度可以作为诱导性长日照的替代, 比如PHYB突变体在23℃比在16℃时开花早(Halliday et al, 2003)。对拟南芥的研究发现, 不同温度下FLM(FLOWERING LOCUS M)的可变剪切体和SVP(SHORT VEGETATIVE PHASE)的稳定性影响了开花行为, 同时发现H2A.Z、PIF4(PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4)、miR399-PHO2(microRNA399-PHOSPHATE 2)和miR172基因介导了高温对开花行为的影响, 而miR156则是低温下抑制开花的负调节因子(Verhage et al, 2014) (图2C)。FLM属于FLC家族, 在不同的环境温度下具有不同的可变剪切体(Balasubramanian et al, 2006)。其两个主要剪切体形成的蛋白通过与SVP相互作用而发挥拮抗作用, 在低温下产生的剪切体FLM-β是一种开花抑制因子, 而高温下产生的剪切体FLM-δ是开花的激活因子(Poséet al, 2013)。SVP蛋白在高温下不稳定。在较低温度下, 相对增加的SVP蛋白与FLM-β相互作用, 通过直接结合下游靶基因抑制开花。长日照下的寒冷夜晚条件下FT的表达会受到抑制, 导致开花延迟, 这主要是由于上述SVP-FLM-β复合物的增加所导致的(Kinmonth-Schultz et al, 2016)。FT、TSF(TWIN SISTER OF FT, FT的姊妹基因)和SOC1是开花行为对环境温度响应过程中SVP、FLM和FLC基因的主要下游靶点。SVP对FLC没有调节作用但它们可能协同作用。两者在时间和空间上表现出相似的表达, 在FT和SOC1上有共同的结合位点, 因此SVP可能以依赖FLC的方式调节这些基因的表达(Li et al, 2008)。MYB转录因子EFM(EARLY FLOWERING MYB PROTEIN)也介导环境温度对开花的影响, 直接抑制叶片维管中FT的表达。SVP和EFM主要在同一调控途径中起着抑制开花的作用。EFM介导SVP对温度响应通路下游的影响, 其表达受到SVP的上调从而抑制开花, 并通过H3K36me2去甲基酶JMJ30与光响应的昼夜节律钟相互作用(Yan et al, 2014)。在相对高温和短日照的环境下, 转录因子PIF4结合并激活FT, 另外对FT位点具有抑制性作用的H2A.Z核小体的富集率降低, 从而促进开花(Kumar et al, 2012)。此外, 拟南芥在较高温(23℃)和长日照条件下, miR399b的过度表达和其靶基因PHO2功能等位基因的缺失导致开花提前(Kim et al, 2011)。研究认为miR399-PHO2维持了磷稳态, 并通过增加TSF的表达来调节开花时间(Kim et al, 2011)。然而, 在miR399过量表达PHO2突变体植物中磷酸盐毒性的间接后果也可能导致早开花, 需要进一步研究(Spanudakis & Jackson, 2014)。温度也能够调节miR156和miR172的表达水平: 在较低温度(16℃)下, miR156的表达受到促进导致开花延迟, 在较高的温度(23℃)下, miR156表达受到抑制, 而miR172则相反(Lee et al, 2010; Kim et al, 2012)。温度对miR172的调控受到SVP的影响, SVP抑制miR172的表达, 而miR172则有可能通过抑制FLC来促进开花(Lee et al, 2010)。此外, 有研究发现ICA(ICARUS)编码转运RNA加工相关酶的基因, 其不同的基因型能够改变拟南芥开花时间对温度的响应行为(Méndez-Vigoet al, 2019)。

赤霉素是调节植物休眠、萌发、茎伸长和开花等发育过程的植物激素。它不仅能刺激植物器官的生长, 还能诱导发育阶段的转变(Mutasa-G?ttgens & Hedden,2009)。赤霉素在某些植物(如拟南芥)中促进开花, 而在其他植物(如苹果Malus × domestica)中抑制开花, 因此赤霉素对于不同植物的作用具有差异性(Zhang SW et al, 2019)。拟南芥中, 在短日照条件下, 赤霉素促进开花作用最强(Porri et al, 2012)。在叶中, 赤霉素信号被GID1(GA INSENSITIVE DWARF 1)感知, GID1经历构象变化后使赤霉素与DELLA(Asp-Glu-Leu-Leu-Ala)蛋白相互作用, 赤霉素启动DELLA蛋白的降解从而促进开花(Sun, 2010) (图2D)。SPY(SPINDLY)蛋白作为赤霉素信号转导的抑制因子, 可能通过岩藻醣基化上调DELLAs蛋白来延迟开花(Jacobsen et al, 1998; Zentella et al, 2017)。DELLA蛋白能直接与CO结合从而下调FT(Wang et al, 2016; Xu F et al, 2016), 还能够与PIF4相互作用而抑制FT的表达(de Lucas et al, 2008)。除此之外, DELLA蛋白还能够与FT的抑制因子相互作用来抑制FT的表达, 如MYC3与DELLA蛋白相互作用直接抑制FT(Bao et al, 2019)。另外, DELLA蛋白很可能与富集PRC2(POLYCOM REPRESSIVE COMPLEX 2)的PKL(PICKLE)相互作用, PRC2会提高FLC中的组蛋白标记H3K27me3的水平, 使得FLC沉默, 从而调节FT和SOC1等靶基因, 进而调控开花行为(Li et al, 2016; Campos-Rivero et al, 2017)。赤霉素还会通过抑制DELLA蛋白对miR159产生影响, 随后影响miR159的靶序列MYB, 最终影响LFY(LEAFY)的表达(Achard et al, 2004)。除了通过DELLA蛋白的作用, 赤霉素还能够通过影响赤霉素的生物合成和运输来调控开花, 主要与赤霉素氧化酶有关, 它们能够将赤霉素前体转化为赤霉素活性物质, 进而促进开花(Mitchum et al, 2006)。另一方面, 赤霉素通过促进SOC1诱导基因(如AGL24)的表达、下调植物开花抑制因子(如SVP)等多个途径来调节SOC1的表达, 影响LFY的表达进而影响开花(Li et al, 2008)。有研究发现SVP能够抑制赤霉素的合成酶GA20ox2(GIBBERELLIN 20 OXIDASE 2), 导致赤霉素含量降低, 从而抑制开花(Andréset al, 2014)。

年龄通路为内源的开花调节通路, 主要由miR156-SPL(SQUAMOSA PROMOTER-BINDING PROTEIN-LIKE)和miR172-AP2(APETALA 2)调节(Hyun et al, 2017)。miR156抑制SPL, 它能调节营养阶段的生长, 受到糖有关的信号分子影响, 其表达随着植物年龄的增长而减少, 使得SPLs表达增加, 促进植物开花并向成熟期过渡(He et al, 2018)。在拟南芥中, SPL基因可分为两大类, 其中miR156识别的有与开花相关的SPL2、SPL9、SPL10、SPL11、SPL13和SPL15, 以及促进花分生组织分化的SPL3、SPL4和SPL5(Hyun et al, 2016; Xu ML et al, 2016)。SPL9和SPL15结合miR172b基因的启动子促进其表达, 再通过抑制开花抑制基因AP2-like的表达促进开花, AP2-like基因TOE1(TARGET OF EARLY ACTIVATION TAGGED 1)、TOE2、SNZ(SCHNARCHZAPFEN)、SMZ(SCHLAFMUTZE)都被证明是开花抑制因子, 它们抑制FT的表达(Mathieu et al, 2009; Zhu & Helliwell, 2011; Song et al, 2013) (图2E)。

对植物开花时间调控的研究多集中于模式植物拟南芥.但是拟南芥是一种长日照植物, 而光周期对于开花具有很强的影响, 所以需要研究短日照植物和日中性植物开花的调控过程, 并分析开花调控通路的保守性和差别性.目前对其他植物研究最多的是水稻(Oryza sativa)、荠菜(Capsella rubella)、豌豆(Pisum sativum)、烟草(Nicotiana tabacum)、番茄(Solanum lycopersicum)等.经研究发现, 水稻作为短日照植物的代表, 有许多与拟南芥功能相同的开花相关基因.其他植物也具有许多与拟南芥同源的开花基因, 证明了从拟南芥中发现的开花通路具有显著的保守性; 但是其他植物也有自己独特的开花调控基因, 说明了开花时间调控具有物种差异性.本文将以拟南芥为代表综述主要的6个开花时间调控通路和相应的开花时间调控基因, 并总结其他植物在开花调控通路上的研究进展, 比较其在物种间的保守性和差异性, 阐述此类研究中仍然存在的争议和问题....