成花基因FT/TFL1基因家族及其對植物成花轉變遺傳改良的研究進展

摘要：研究表明，FT/TFL1基因家族成員編碼的一類磷脂酰乙醇胺結合蛋白（PEBP）在高等植物成花轉變過程中發揮著重要的調控作用。本文對成花基因FT/TFL1基因家族的結構特征、成員、各個成員在成花轉變過程中的功能，以及利用成花基因對植物成花轉變遺傳改良的研究進展進行詳細介紹。

關鍵詞：成花基因；基因家族；成花轉變；基因轉化

中圖分類號： Q756 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0009-04

收稿日期：2013-10-21

基金項目：國家自然科學基金（編號：31100511）；河南省高校青年骨干教師資助計劃（編號：2010GGJS-161）；南陽師范學院博士科研啟動費（編號：nynu200746）。

作者簡介：杜麗（1978—），女，河南南陽人，博士，副教授，主要從事生物技術改良園林植物研究。Tel：（0377）63513797；E-mail：dldldlucky@163.com。在高等植物生命周期中由營養生長向生殖生長轉換的過程稱為成花轉變（floral transition），這一過程是由植物內部的遺傳因子與外界環境條件相互協調控制的，是成花基因在時間和空間上表達的結果[1]。研究人員在擬南芥（Arabidopsis thaliana）基因組中分離獲得6個FT/TFL1基因家族成員：FT（FLOWERING LOCUS T）、TSF（TWIN SISTER OF FT）、TFL1（TERMINAL FLOWER1）、BFT（BROTHER OF FT AND TFL1）、ATC（ARABIDOPSIS THALIANA CENTRORADIALIS HOMOLOGUE）、MFT（MOTHER OF FT AND TFL1）[2-7]。FT/TFL1基因家族成員編碼的蛋白質是一種磷脂酰乙醇胺結合蛋白（phosphatidylethanolamine-binding protein，PEBP）。PEBP最早從牛腦中分離，因易與磷脂酰乙醇胺結合而得名。磷脂酰乙醇胺是構成植物生物膜的主要磷脂，并被證實在信號傳遞過程中起著重要的蛋白質識別和信號傳導作用。

擬南芥FT基因編碼的蛋白可以通過韌皮部從葉片運輸到莖端分生組織，在莖端分生組織，FT蛋白與bZIP轉錄因子FLOWERING LOCUS D（FD）互作，共同激活花分生組織基因APETALA1（AP1）的表達，從而促進擬南芥開花[8-9]。TFL1基因與FT基因的功能相反，在擬南芥中，TFL1主要通過延遲開花途徑整合基因LEAFY（LFY）及花分生組織基因AP1、CAULIFLOWER（CAL）的表達，從而抑制成花轉變[10]。這些研究成果為成花轉變的研究帶來新的思路，使人們利用分子育種的方法調控高等植物花期開始成為可能。

隨著成花基因研究的深入，科學家們相繼在糧食作物小麥（Triticum aestivum）[11]、水稻（Oryza sativa）[12]，蔬菜作物南瓜（Cucurbita moschata）[13]、黃瓜（Cucumis sativus）[14]，果樹山核桃（Carya cathayensis）[15]、蘋果（Malus × domestica）[16]，觀賞植物文心蘭（Oncidium gower）[17]、菊花（Chrysanthemum morifolium）[18]等多個物種中分離得到FT/TFL1基因家族成員，而且研究發現這些物種中發現的FT/TFL1類似基因不僅與擬南芥的FT/TFL1基因具有很高的同源性，同時在成花轉變過程中的調控作用途徑也十分相似。這些研究可以證實，高等植物FT/TFL1基因家族成員的某些基因在其成花轉變過程中起著重要的調控作用，具有較為重要的研究價值。

1高等植物FT/TFL1基因家族成員的功能

高等植物的FT/TFL1基因家族主要可分成3個亞家族：FT亞家族、TFL1亞家族、MFT亞家族。FT、TSF屬于FT亞家族，起開花促進作用，TSF與FT的功能部分冗余；TFL1、ATC、BFT屬于TFL1亞家族，起開花抑制作用；MFT屬于MFT亞家族，在開花時間調控上與FT的功能部分冗余[19-20]。

Hanzawa等通過探索FT和TFLl蛋白配合體結合區域可能的氨基酸對其蛋白功能的影響發現，互換FT與TFLl的一個氨基酸便可使兩者編碼的蛋白功能發生互換，這2個關鍵的氨基酸就是FT蛋白中85位的酪氨酸（Tyr）、TFLl蛋白中88位的組氨酸（His）[21]。對FT和TFLl蛋白的結構進行分析發現，位于FT和TFLl蛋白分子表面的一個由14個氨基酸組成的多元嚕噗環對蛋白的促進或抑制開花作用非常重要[22]。在TFLl蛋白中，該外部環在靠近配體結合區開口處有一個氫鍵基團，而在FT中沒有。Ahn等推測，FD本身是個弱轉錄因子，它能與FT結合后成為強的激活因子，激活AP1的表達從而促進開花；但是當FD與TFLl結合后，卻成為抑制因子，導致開花延遲甚至表現為花的缺陷[22]。

1.1FT亞家族的功能

作為晝夜節律鐘（circadian clock）的重要輸出產物之一，FT基因在光周期調控植物開花途徑中發揮著重要作用，晝夜節律鐘輸出產物GIGANTEA（GI）激活轉錄因子CONSTANS（簡稱CO，在生物節律鐘和下游開花時間基因間起信號傳遞作用的橋梁基因）的表達，進一步激活FT的轉錄，從而促進下游開花決定基因的表達[9，23-24]。

不同植物如番茄（Solanum lycopersicum）、牽牛花（Pharbitis nil）、葡萄（Vitis vinifera）的FT同源基因在擬南芥中組成型表達后，都能在非誘導型光周期條件下促進擬南芥開花[25-27]。在木本植物楊樹（Populus spp.）中，FT同源基因的組成型表達顯著縮短了童期并促進了成花轉變[28]。而在擬南芥和水稻中，用RNAi或miRNA手段下調FT基因的表達后，可導致植株的開花時間延遲[29-30]。這些研究結果表明，FT及其同源基因是高等植物成花轉變過程所必需的，并且對開花的調控作用在不同物種間是高度保守的。目前的研究表明，FT蛋白或（和）mRNA可能是植物的成花素信號分子的重要組分[31]。過表達TSF基因可促進擬南芥開花，tsf單突變體則會延遲擬南芥開花，而tsf、ft雙突變則會加劇ft單突變體的晚花表型，因此TSF基因在調控植物開花時間上與FT基因發揮冗余的功能[3，32]。除此以外，TSF基因可能是除FT、LFY、SUPPRESSOR OF OVEREXPRE-SSION OF CO1（SOC1）基因以外的成花整合途徑上的另一新成員[3]。

1.2TFL1亞家族的功能

TFL1亞家族基因在草本和木本植物中廣泛存在，其主要功能有：維持植物的營養生長，延遲植物開花，維持花序的無限生長狀態。植物種類不同，TFL1同源基因顯示相似但不同的功能。擬南芥的TFL1屬于花序分生組織基因，對花序分生組織類型的維持起著極其重要的作用。在擬南芥中超表達TFL1，營養期明顯延長，會形成多分枝的花序[33]；擬南芥中tfl1突變體開花早，花序分生組織轉變成末端花[4]。

黑麥草（Lolium perenne）TFL1同源基因組成型表達能恢復擬南芥tfl1的表型[34]。TFL1同源基因在水稻中過表達后使水稻開花時間延遲、花序分支增多、小穗排列更緊密[35]。過表達玉米（Zea mays）TFL1同源基因ZCN1-6會導致玉米不同程度的晚花并伴隨玉米花序結構的改變，并且轉基因植株表型的改變程度與蛋白的同源程度密切相關[36]。Mimida等通過對蘋果（Malus×domestica）的TFL1同源基因MdTFL1表達模式的研究發現，該基因在蘋果花序發育階段早期的芽中表達量較高，在花的發育過程中不表達[37]。通過定量 real-time PCR和異位表達顯示，甜橙（Citrus sinensis）TFL1的同源基因為控制柑橘童期的關鍵基因，柑橘童期與該基因的轉錄積累呈明顯正相關[38-40]。由此可見，TFL1基因及其同源基因在參與維持芽頂端分生組織的無限生長、延遲開花及對木本植物童期的維持方面可能起著較重要的控制作用。

擬南芥的ATC基因與TFL1基因同屬TFL1亞家族，ATC基因的過表達能夠互補tfl1突變體的晚花表型，但atc突變體卻沒有明顯的表型，這表明ATC基因可能并不控制花序分生組織的分化狀態[27]。擬南芥BFT基因也屬于TFL1亞家族，但至今為止還不清楚其生物學功能，仍需進一步研究[27]。

1.3MFT亞家族的功能

MFT與FT、TFL1幾乎具有相同的序列同源性，在長日照條件下，過表達MFT基因可使擬南芥開花時間稍稍提前，但不如FT基因對開花的促進作用明顯，T-DNA 插入引起的mft突變體沒有明顯的表型[7]。MFT 在大麥（Hordeum vulgare）中的同源基因為HvMFT，在水稻中過表達HvMFT，對水稻的開花時間和花序形態沒有影響，且HvMFT在葉片中不表達[41]。因此認為，MFT可能具有冗余的成花誘導作用，與FT的功能是相似的，或者擬南芥的正常發育并不需要MFT[7]。玉米MFT類似基因ZCN9和ZCN10在種子中的特異表達，可能在種子發育過程中發揮作用[42]；MFT在水稻中的同源基因OsMFT1、OsMFT2在種子發育和萌發過程中均有表達[12]。目前關于MFT基因在植物中的功能了解較少，已有的試驗結果表明，MFT亞家族成員基因可能具有冗余的成花誘導作用，也可能與種子的發育有關。

2高等植物FT/TFL1基因家族成員在花期改良方面的應用FT基因和TFL1基因為FT/TFL1基因家族的2個關鍵成員，其蛋白一致性很高，但生物功能卻截然相反：FT基因促進成花，TFL1基因抑制成花[20]。FT基因和TFL1基因的分離克隆，為揭示植物花發育的分子機理提供了理論依據。基因分離的目的是為了更好地研究基因的功能并加以利用，通過生物技術轉基因的方法將成花基因轉化進入植物體，是最直接和便捷的調控花期的育種手段。近年來植物花期改良的育種目標主要集中在以下幾個方面：（1）調控草本觀賞植物花期，通過促進開花、縮短開花周期、延長花期，獲得花期多樣性的花卉系列品種；（2）縮短木本植物童期、提前結束幼年期，促進早期開花，以期加快雜交育種進程；（3）通過抑制開花，從而改良園林行道樹種（懸鈴木、香樟、楓楊等）產生污染環境的有性生殖過程產物（花粉、種子飛毛、果實等）。而育種目標則是研究者們試圖通過轉基因技術獲得組成型或特異性表達FT基因和TFL1基因的轉基因植物，以實現對高等植物成花轉變的人為調控。

2.1促進開花策略的應用

最初花期改良的轉基因植物都是組成型表達擬南芥FT產生的。姜丹等將擬南芥的FT基因連接到Super 1 300+組成型植物表達載體上，并運用農桿菌介導法將FT基因導入切花菊神馬中；轉基因菊花神馬的一個株系的組培苗在培養容器中就觀察到有花蕾分化，轉入外源FT基因后，短日照菊花神馬具有在16 h光照條件下開花的特性，且該品種的花期能夠提前。菊花神馬轉基因植株花芽分化不再受光周期影響的例子說明，通過轉FT基因改變菊花的花期是可行的[43]。在擬南芥FT基因轉化洋桔梗的研究中，轉基因株系在愈傷組織階段就觀察到紫色花瓣狀器官分化現象[44]，初步證明外源FT基因在洋桔梗中是有生物活性的，能夠誘導洋桔梗花發育的起始。以上研究說明，在草本觀賞植物中通過轉化FT基因促進轉基因植株開花，從而獲得花期多樣性的花卉系列品種是可行的試驗策略。

李偉明等構建組成型表達蘋果MdFT基因和擬南芥FT基因的植物載體進行番茄遺傳轉化，結果顯示：2個基因在番茄轉基因植株中都得到了表達，轉基因番茄均表現出早花性狀；部分35S：：AtFT轉基因植株在生根培養基中就能觀察到花芽分化，并能形成花蕾；在MdFT轉基因番茄植株中也可低頻觀察到花蕾出現。研究結果表明，在番茄中異位過量表達蘋果MdFT基因和擬南芥FT基因，能夠誘導番茄早花，初步驗證了蘋果MdFT基因具有促花功能，對轉基因手段縮短蘋果童期具有潛在價值[45]。

不過需要注意的是，轉基因株系組成型表達擬南芥FT基因或其他FT同源基因在獲得早花性狀的同時，可能會出現異常花的現象，而異常花不能產生可育配子，這可能與多數研究的表達載體使用組成型啟動子有關[46]。在楊樹的促花轉基因研究中，有研究者嘗試使用非組成型啟動子——大豆熱激啟動子HSP（heat shock promoter）構建的表達載體，試圖減少轉基因植株花器官變異。賈小明等采用熱擊啟動子HSP控制來自擬南芥的FT基因、來自楊樹的FT1、FT2基因來構建表達載體，轉化結果表明：FT類基因誘導的楊樹轉基因植株會出現不同程度的早花現象，但來自擬南芥的FT基因促花效果優于來自楊樹的FT1、FT2基因；同組成型啟動子控制的開花基因轉化結果相比較，熱激啟動子控制的轉FT類基因植株獲得了相對比較多的正常花序，而且觀察到了花藥的正常散粉現象[46-47]。

這些研究結果說明，通過FT基因和相關FT同源基因的轉化與表達來促進草本觀賞植物開花，獲得花期多樣性花卉品系并縮短木本植物童期、提前結束幼年期，對加快木本植物尤其是果樹的常規育種進程具有十分重要的應用價值，為了克服組成型表達FT類基因造成的花器官畸變，采用非組成型啟動子構建植物表達載體是較為可行的策略。

此外，園林綠化常用樹種香樟、懸鈴木、楓香等在有性生殖過程中的常見問題有：香樟巨大結實量；楓香球果存在數量多、個體大、果實硬的特點；懸鈴木花粉及種子飛毛等，這些都會造成城市環境污染，給市民出行帶來不便，成為這些樹種在城市綠化應用推廣中的限制因素，因而不育品系的培育成為解決上述問題的關鍵。采取二次轉化的策略對成花基因FT類基因加以利用，能夠達到培育轉基因不育品系的目標。大多數木本植物的植株再生體系是通過間接體胚發生途徑建立的，胚性愈傷組織作為外植體對于轉基因的優勢在此不再贅述，但對于木本植物開花抑制或不育育種的研究則十分不便，因為通過體胚再生的植株可能同樣具有較長的幼年期，使得抑制開花基因或者雄性不育基因的轉化效果很難被驗證。因此，在香樟轉基因不育育種中，為了早日看到轉化雄性不育基因的植株在表型及生理上的變化，同時縮短其開花所需時間，研究者以穩定表達雄性不育Barnase基因的香樟胚性愈傷組織為外植體，對其進行PaFT基因（來源懸鈴木FT類基因）二次轉化[48]，并對二次轉化后再生植株的開花表型進行調查，以達到迅速獲得不育植株的目的；來自同一實驗室的楓香轉基因不育育種研究對成花基因PaFT的利用策略類推[49]。二次轉化進行轉基因不育育種的策略，也可以修訂為先轉化FT類基因到相應木本植物的胚性愈傷組織中，以確保早花性狀的穩定表現，進而對轉基因抗性愈傷組織進行雄性不育基因的二次轉化，再對再生植株的開花性狀進行研究。

2.2抑制開花策略的應用

通過轉化抑制開花基因，抑制花序分生組織向花分生組織轉變，使植物的花期延后，同樣可以達到豐富觀賞植物的花期多樣性的育種目標。在農桿菌介導的TFL1基因轉化菊花的研究中，侯香玲采用CaMV35S組成型表達啟動子和擬南芥TFL1基因構建植物表達載體，對菊花中的早花品種廣東黃進行遺傳轉化。研究結果發現，將試驗獲得的5株陽性植株進行盆栽培養后，觀察花期性狀發現其開花期均比對照株推后7 d左右，表明TFL1基因對推遲菊花花期是有效果的[50]。Kotoda等在對蘋果TFL1基因的研究中發現，將反義MdTFL1轉入蘋果植株后，轉基因植株嫁接后8～15個月即可開花，而正常野生型要5年才能開花；研究表明，抑制MdTFL基因的表達、縮短蘋果童期可誘導蘋果早花，結果可以反證TFL1基因的確具有使植物保持童期、抑制其開花的功能[51]。

目前，直接轉化TFL1類基因并抑制成花轉變的相關研究較少，研究熱點集中在對該基因的克隆和表達分析層面。筆者所在課題組也在進行香樟TFL1類轉基因植物的研究，試圖將香樟抑制開花基因轉入成年植株，從而調控香樟成花轉變，為減少香樟果實造成的環境污染、獲得無果或少果香樟植株奠定研究基礎。

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