植物離區發育及調控信號的多樣性研究進展

廖文彬 楊義伶 李雅韻 孫建波 彭明

摘 要 植物器官脫落發生的特定區域叫做離區。植物離區發育及其研究主要集中在番茄、水稻、擬南芥等模式作用與重要的經濟作物上。本文主要從植物離區脫落發生的多樣性及其調控信號的多樣性上進行綜述，植物離區脫落的主要形式有：花器官脫落、葉脫落、果實脫落、種子脫落、開裂區脫落、側根脫落等；主要的調控信號有花發育信號、乙烯與生長素信號、細胞凋亡信號、ROS信號等。旨在為今后經濟作物離區相關基因研究提供理論依據和基礎，并對今后離區相關研究的前景進行展望。

關鍵詞 器官脫落 ；調控信號 ；基因多樣性

分類號 Q945

植物在生長發育過程中，一方面為了完成植物完整的生活史、另一方面植物在遭受不利的生長環境時，必須脫落掉一部分器官，適應新的發育階段與新環境要求。器官脫落是植物中一種普遍的現象。植物器官脫落發生的特定區域叫做離區。盡管人們對于植物器官脫落發生的生理生化過程有了較為深入的研究，但是該領域的分子生物學進展還知之甚少[1]。植物細胞分離組織脫落主要發生在以下幾個部位：花器官脫落[2]、葉脫落[3]、果實脫落[4]、種子脫落[5]、開裂區脫落[6]、側根脫落[7]等。在不同的組織中，植物分離發生的部位主要是由離區控制的[2]。目前，植物離區發育及其研究主要集中在番茄、水稻、擬南芥等模式作用與重要的經濟作物上，但對于熱帶作物的離區目前幾乎是空白，其實，很多熱帶作物，比如木薯，具有非常明顯的離區結構，這可是也是熱帶作物具有抗旱的組織結構特點之一。本文主要從植物離區組織的多樣性及其調控信號的多樣性上進行綜述。

1 離區發育過程的劃分

離區發育可分為4個主要步驟[8]：（1）離區組織的發育分化；（2）對脫落信號的接收；（3）離區激活；（4）在離區靠近植物主體一側分化形成保護層。目前世界上的科學家利用離區轉錄組學對離區信號的接收與離區的激活調控進行了廣泛的研究[4，9-12]。研究表明參與調控此兩個步驟的信號途徑與基因在不同的植物中的離區組織大都是相近的。比如，參與乙烯與生長素信號、細胞壁修飾和各脅迫信號相關的基因被發現參與這兩個步驟的調控。與此相反，對調控步驟（1）離區的發育與分化的研究表明，雖然調節離區發育過程其他細胞分離組織的一系列基因已經被鑒定，但在不同的植物的離區組織中，還沒有發現共性的基因調節關系[4，12]。說明離區發育與分化在不同的植物中有著不同的調控模式與基因。

2 離區發育的細胞學本質

離層是由5～50層小細胞組成的一個完整的、貫穿整個脫落區的細胞層，其細胞特點是細胞胞質致密、胞間隙小，含有大量的淀粉粒并有高度分支的胞間連絲[13]。在植物器官脫落之前，脫落器官的基部會分化出離區，以后在離區的范圍內進一步分化產生離層和保護層[13]。植物離層細胞學形態在不同植物中其大小有3種類型：一是離層細胞比鄰近細胞小，且大多等徑；二是離層細胞比鄰近細胞小，且大多長方形；三是離層細胞大小與相鄰細胞近似[13]。有些植物的脫落部分在接受誘導前無法辨認離層細胞與其他細胞的差異[13]。

3 植物離區分化及其相關基因的多樣性

3.1 番茄花柄（果）離區分化及其相關基因

在番茄中，突變基因jointless（j）、jointless2（j2）和lateral suppressor（ls）被證明抑制花柄離區發育[9，13]。JOINTLESS是一個MADS-box基因，遺傳分析發現在J基因中缺失第一個外顯子的部分序列連同起始密碼子的上游939 bp的缺失能引起番茄果（花）柄離區的消失。在番茄中進行轉基因互補實驗證實了番茄果實離區發育也是由這個基因控制的[2]。此外，研究還發現，在J基因突變體番茄中，花序發育是無限性，即生殖生長可以再轉化到營養生長；但在無J基因突變的野生型番茄中，花序發育是有限性的，即花序將會以有限的花序結束[1，13]。說明番茄花序分生組織決定和保證后續每個花序分生組織花原基的保守性也是與J基因的表達相關[1，13]。

另外一個控制番茄離區發育的基因J2（JOINTLESS2），此基因為一個ToCPL1（C-TERMINAL PHOSPHATASE-LIKE GENE），最近被定位在第12號染色體近著絲粒部位。該基因編碼的蛋白質有4個結構域：CTD類磷酸酶催化區，NL1互作區，BRCA1的C區和TFIIF互作CTD磷酸酶區[13]。J2除了影響離區發育外，與J基因類似也影響番茄花序增生[1，13]。

第3個影響番茄花柄離區發育的基因是LS（LATERAL SUPPRESSOR），該編碼一個VHIID蛋白，但J基因不同的是，LS基因突變后，只是部分花柄的離區發育受到影響，說明該基因可能存在功能互補的基因。此外發現在突變體ls中，大多數腋芽的分生組織不會形成，并且在番茄的花中缺少花瓣[1，13]。

3.2 擬南芥中果莢離區分化及其相關基因

擬南芥中果莢開裂（DZ）是另一種細胞分離方式也被廣泛研究，并且一系列關鍵基因被鑒定參與到果莢開裂離區發育。如兩個AG類MADS-box基因，SHATTERPROOF1（SHP1）和SHP2，以及兩個螺旋-環-螺旋類轉錄因子基因，INDEHISCENT（IND）和ALCATRAZ（ALC）， 被認為是果莢開裂離區發育所必須的。另一個MADS-box基因，FRUITFULL（FUL），它是APETALA1（AP1）同源基因。另外同源異型結構域轉錄因子REPLUMLESS也參與DZ發育，主要是通過限制IND，SHP和ALC的表達[6，13]。擬南芥wuschel（wus）突變體，起初被鑒定為影響莖細胞維持，后來也被證明與脫落相關[14]。

3.3 水稻種子離區分化及其相關基因

種子脫落在作物馴化過程中是一個重要的農業性狀。SH4和qSH1基因已經被鑒定在水稻馴化過程中能夠減少種子脫落[5，15]。對一個種子脫落喪失的突變體abortion1（shat1）的研究表明，SHAT1基因，編碼一個APETALA2轉錄因子，被認為參與水稻種子離區發育，對SHAT1轉基因的分析研究表明，種子離區中SHAT1基因的表達受轉錄因子SH4的陽性調節，并且SH4移碼突變能導致離區完全消失與種子不脫落，說明離區中持續表達的SHAT1和SH4在小穗發育早期階段對賦予種子離區識別是必須的。進一步的研究表明，qSH1是SHAT1和SH4的下游基因，通過SHAT1和SH4持續表達從而促進離區發育與分化[5，15]。

3.4 蘋果離區發育與分化及其相關基因

蘋果果實發育是一個錯綜復雜的、由內源及環境各種因素互相影響的結果。蘋果果實離區的轉錄組研究表明，BA處理能夠在樹體內建立一種營養脅迫，這種營養脅迫在弱小的幼果體現較明顯，這種脅迫可能是由活性氧/糖和激素信號相互作用而實現的，隨后導致幼果胚胎發生的阻礙和離區的激活而導致果實脫落的發生[4]。

3.5 側根分離區發育與分化及其相關基因

擬南芥側根脫落過程起始是由xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases（XTHs）和expansins（EXPs）調節的細胞壁松散[7，15-16]。這種松散結構在細胞壁降解酶，如polygalacturonases（PGs）作用下水解果膠，而果膠是植物細胞壁的主要成分[7，15-16]。XTHs，EXPs和PGs不僅控制種子的脫落與外側根離區的發育，也能調節花器官的脫落及其調節其他細胞壁重構與分解，如長角果的開裂離區。此外，IDA和HAE主要是通過調節果膠的降解，影響植物側根離區的發育，突變分析表明，細胞壁降解酶PGs在細胞分離過程中起著重要的調節作用[7，17]。基因芯片雜交的結果也表明，IDA-HAE/HSL2信號參與調節細胞壁重構基因從而實現對離區相關基因的調節[7，17]。

在調節離區的發育過程中，存在4個發育階段，第二、三個階段在所有植物的離區中具有共同性，即乙烯與生長素信號、細胞壁修飾和各脅迫信號有關的基因參與這兩個步驟的調節，這此信號及其相關調節基因在所有植物中具有保守性。但對于第一個階段，即離區組織的發育與分化，對參與此階段的相關基因的克隆與鑒定的研究表明，除了AG同源基因STK和SHP外，并沒有發現其它的同源基因參與調節離區組織的發育與分化程序。說明調控此階段的各種信號及其相關基因在不同植物之間并不具有保守性。因此，現在研究認為，細胞離區發育與分化不是由一個保守的系統調節的[3，18-20]，不同植物的離區發育分化有著各自的調節途徑與基因。這也說明了調控離區發育與分化的信號途徑的多樣性。

4 調節離區發育信號途徑的多樣性

4.1 乙烯與生長素信號

離區能夠接收乙烯信號誘導與加速脫落[21-22]。在很多例子中，脫落程序能夠被乙烯誘導，脫落發生的程度與頻率是由離區組織中乙烯與生長素的水平決定的[8，12，22]。生長素濃度在離區中減少以提供離區對乙烯的敏感性，由此啟動離區的發育[23-24]。表達譜與轉基因以及突變體研究表明，polygalacturonases（PGs）和β-1，4-glucanases（cellulases）在細胞分離組織過程中起著關鍵的作用[25-28]。其他與離區脫落相關的蛋白是expansin[29-30]， pathogenesis-相關蛋白[31]，和metallothioneins，但是它們在程序中的作用還不是十分清楚[31]。MC，一個MADS-Box轉錄因子基因，調節番茄花柄形成，它的作用主要是通過直接調節JOINTLESS基因而實現[3，31]。所有這些基因都是受乙烯信號途徑調控的。

4.2 花發育信號

近年來，分子水平研究調控離區發育已經展開。例如，番茄突變體jointless不會形成花柄離區，被證明存在一個MADS-box基因控制著這種表型。擬南芥花器官的脫落已經被證明是由受體類似激酶HAESA（HAE）；MADS-box基因AGL15、INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION（IDA/IDL）基因調節的，其中IDA/IDL基因被認為是編碼一個受體配體。進一步研究表明，HAESA（HAE）和HAESA-Like2（HLS2）是起著IDA基因的受體的作用。并且研究表明，IDA，HAE和HLS2調節脫落是不一種不依賴于乙烯的途徑[12，17，19-21，32]。而且，大多數影響花器官脫落發生的基因都不影響離區的正常發育，說明，花柄脫落是受花受粉的信號調控的，因花萼、花瓣、雄蕊因完成其功能而使其花器官脫離母體。

4.3 細胞凋亡信號

在番茄中，抑制ribonuclease gene（LX）的表達能夠阻礙番茄葉片脫落，它是一個T2/S-like ribonuclease，它的功能主要與磷饑餓、乙烯反應、衰老以及細胞程序性死亡（PCD）相關[32-34]。在番茄中，成熟的離區組織能夠誘導LX蛋白質特異表達。與此相同的是，在擬南芥中，與PCD相關擬南芥核酶BFN1 也能夠被離區誘導表達。但在離區中特異表達的BFN1啟動子也能在番茄的其它組織番茄葉、花、果實中表達[32-33]。因此研究認為，離區中所發后的PCD有著自己的程序，并且LX蛋白在PCD中起著重要的功能。進一步的研究表明，這種在離區中發生的PCD是不對稱的，即PCD僅僅發生在離區破裂面的遠端（靠近葉片的一端），表明在離區中近端與遠端所發生的脫落相關的過程是不一樣的，這種在離區中所發生的空間不對稱的PCD對離區脫落是重要的[32-33]。

4.4 ROS信號

早期的研究表明，一些間接的證據支持活性氧（ROS）和離區之間的聯系。例如，在番茄中推遲離區形成的鮮花和水果與活性氧清除酶（ROS-scavenging enzyme）的增加有關[35]。在煙草中，乙烯誘導花柄離區的形成與煙草中過氧化物酶增加相關[36]。此外，暴露在臭氧中的美洲山楊能夠加快其葉片脫落[37]。隨后，Masaru Sakamoto 等建立了一個系統驗證了過氧化氫（H2O2）參與離區脫落過程，并且，認為過氧化氫在乙烯的下游調控離區的形成[38]。

各種各樣的信號能夠參與離區的形成與分化，說明植物離區發育機制的多樣性，雖然，目前認為，乙烯與生長素等信號是起主要作用，但也不能忽視其他信號的存在。

5 酶類

在影響植物器官脫落的酶中， 多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）和葡聚糖酶（glucanase）是兩種最重要的酶，它們分別降解細胞壁中的果膠和纖維素[39-40]。PG能催化果膠分子多聚α-（1，4）-聚半乳糖醛酸的裂解，參與果膠的降解，使細胞壁結構解體，導致離層脫落[40]。PG按作用方式分為內切多聚半乳糖醛酸酶（endo-PG）、外切多聚半乳糖醛酸酶（exo-PG）和寡聚半乳糖醛酸酶（oligo-PG）。前者以內切方式水解斷裂多聚半乳糖醛酸鏈，后二者以外切方式依次從半乳糖醛酸多聚鏈或寡聚鏈的非還原端釋放出一個單體或一個二聚體。Endo-PG對底物的特異性較強，exo-PG則較弱[40]。許多研究結果表明，PG酶的表達是受乙烯、ABA等激素調控的。

植物葡聚糖酶基因編碼的蛋白質， 分子質量在50～70 ku左右[41]。植物葡聚糖酶的底物是纖維素和木葡聚糖[41]。大部分植物的葡聚糖酶都不能降解晶狀微纖絲，只有部分能降解微纖絲的無組織區，一些植物器官脫落只受單個葡聚糖酶基因影響，而大部分植物器官脫落需要葡聚糖酶基因家族中的多個成員參與，而且每個基因的誘導都需要一定的生理條件。有意思的是，自然脫落和乙烯誘導脫落其誘導基因表達模式不同。葡聚糖酶的表達受乙烯、生長素等激素的調控[41]。

6 鈣素調節

近年來，關于鈣素抑制植物器官脫落己有一些研究。通常認為鈣是脫落的一種抑制劑[42]。早在1973年，Poovaiall等在研究菜豆葉柄脫落時，發現離層細胞壁中鈣離子減少；Iwahori利用x射線能譜技術定位分析證明，檸檬葉片外植體脫落時，離層細胞壁與液泡中的鈣離子總量降低[42]。IAA具有延緩葉片脫落的作用，同時也可維持離層較高的鈣離子含量具有重要的作用[42]。對于鈣離子對膜結構的保護機理，一般認為：一方面，鈣離子與細胞壁中的果膠酸形成果膠酸鈣，保護中膠層結構，同時它具有抑制多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性的作用，因而減少了細胞壁的分解；另一方面，鈣離子可以與磷酸分子的極性端相結合而引起磷脂分子間距離的變化，同時作為磷脂的磷酸和蛋白質的梭基聯結的橋梁，使膜結構更為牢固。鈣離子作為生物膜的穩定劑，在維護細胞壁、細胞結構、功能和減少或延緩膜的損傷[42]。

7 展望

綜上如述，植物離區的發育與分化存在著多樣性，參與調節離區分化的各種信號也存在著多樣性（圖1），這為研究除模式作物以外的重要經濟作物離區的發育與分化相關基因提供了思路。植物離區發育及其相關基因的研究，一是利用生理生化進行離區發育研究；二是利用染色法及離區檢測的方法進行離區分析研究；三是利用植物成熟的轉基因系統，如擬南芥、番茄、水稻等，進行基因過量表達與沉默下調表達，研究離區形成的差異，從結構上進行研究；四是利用先進的分子生物學方法與手段對離區的發育與分化進行研究。

此外，植物的離區發育在植物的進化史上也是一個重要的農藝性狀，許多農作物的選擇和馴化很大程度上是對離區發育基因有意識或無意識的選擇和保留。對于作物馴化相關基因的遺傳分析，將會在很大程度上幫助人類了解植物的發育和進化。

通過對植物器官脫落信號途徑的已有研究表明，脫落可能有獨立于乙烯和依賴于乙烯的兩條途徑，但這兩種途徑并不是相互獨立，而是有著很大部分的重疊。所以在今后的研究策略中，需要進一步鑒定大量的突變體，以便使整個基因調控途徑更加清晰地展現出來。

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