植物側枝發育的遺傳基礎及激素、代謝與環境調控

陳尚昱,宋雪薇,齊振宇,周艷虹,喻景權,夏曉劍,*

(1.浙江大學 園藝系,浙江 杭州 310058; 2.浙江大學 農業試驗站,浙江 杭州 310058)

植物株型主要包括株高、莖分枝、花序分枝、葉夾角等不同方面[1]。植物株型主要由遺傳因素決定,并受溫度、光照、濕度、養分等環境因素調控[2]。合理的株型有利于植物截獲光能、促進冠層的光能轉化與利用,從而增加生物學產量并提高經濟系數[3-5]。隨著世界人口迅速增加,如何通過改良農作物株型提高產量以彌補不斷擴大的糧食短缺成為農業科學的重要研究方向。小麥育種家Donald最先提出理想株型(ideotype)這一概念,主要包括:莖稈相對矮壯、適度分蘗、穗大且葉片直立、適合密植[6]。20世紀60年代,小麥矮化基因reducedheight(Rht-B1b)和水稻半矮化基因semi-dwarf(sd1)的利用顯著提高了作物產量。隨著矮化和半矮化作物品種的選育及其在全球范圍推廣,引發了一場“綠色革命”。后經研究發現株高降低主要是由于赤霉素(gibberellin,GA)合成和信號轉導受到抑制所導致[7-9]。

側枝是植物株型的決定因素之一。禾本科作物在莖的基部形成側枝稱為分蘗,有效分蘗決定穗數,直接影響產量,而減少無效分蘗有利于養分的合理利用[10]。對于番茄等園藝作物,分枝過多會引起通風透光不良影響光合作用及光合產物分配,還會由于局部濕度高引發病害,是影響產量和品質的重要農藝性狀之一[11]。對于觀賞植物,分枝對于視覺效果具有重要影響[12]。目前的研究表明,側枝發育主要包括腋生分生組織和側芽的形成、側芽的活化和側芽持續生長形成側枝等階段[2],這些不同的發育過程受到內部遺傳因子、激素信號、糖信號以及外部環境信號的共同調控[13]。深入研究側枝發育機制有利于改良作物株型,提高產量和品質。目前關于木本植物芽休眠的調控已有較多綜述[14-17],本文主要針對模式植物、農作物以及蔬菜作物等一年生植物的側枝發育調控機制進行總結。

1 側芽形成的調控

1.1 器官邊界形成

植物的側枝起源于腋生分生組織(axillary meristem,AM),當AM建立后,葉腋形成一個凸起,發育成芽。AM的形成首先需要在主莖和葉原基之間建立邊界,相比于葉原基等生長活躍的組織,邊界區域的生長緩慢[18-19]。邊界的形成由一個復雜的調控網絡控制,轉錄因子在邊界以及AM形成中發揮重要作用(圖1)。Schumacher等[20]報道了番茄GRAS家族基因Lateralsuppressor(Ls) 是參與腋生分生組織形成的關鍵基因。目前,在多個物種中都鑒定到了Ls的同源基因,如擬南芥中的LAS,水稻中的MONOCULM1 (MOC1)[21-22],這些基因在腋生分生組織形成中的功能具有保守性。Ls的基因表達集中在頂端分生組織(SAM)和葉原基間的邊界區域,并早于邊界的形成[23],并且有證據顯示Ls的轉錄表達受到NAC轉錄因子CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC)的調控[24]。Goblet是番茄中的CUC同源基因,其以Ls依賴的途徑促進AM形成[25]。CUC是miR164的調控靶標[26],并且其表達還受到另一個邊界形成關鍵基因REGULATOROFAXILLARYMERISTEMS(RAX) 的調控[27-28]。RAX屬于MYB家族,番茄中RAX1同源基因BLIND缺失導致腋生分生組織無法形成[29]。RAX基因表達也受到其他轉錄因子的調控,例如WRKY轉錄因子EXCESSIVE BRANCHES 1的功能獲得型突變導致RAX1/2/3表達量顯著提高,引起AM發生異常[30]。LEAFY和LATERAL ORGAN FUSION1 (LOF1)等轉錄因子也能促進RAX1表達[31-32]。這些轉錄因子形成了一個復雜的調控網絡以促進邊界形成。此外,Ls及同源蛋白可能受到翻譯后修飾的調控。水稻中一個細胞周期相關APC復合體的共激活因子TILLERINGANDDWARF1和MOC1互作,促進其蛋白降解[33],而赤霉素(GA)信號途徑負調控因子SLENDER RICE 1通過結合MOC1蛋白抑制其降解[34]。高濃度GA能夠激活APC,促進MOC1降解,而脫落酸(ABA)信號的適度增強能夠通過拮抗GA信號,維持AM大小[35]。LAS還能在葉腋處上調GA降解基因GA2ox4,從而降低葉腋處GA的含量,促進腋芽的生成[21]。

圖1 植物腋生分生組織發育的調控網絡Fig.1 The regulatory network of the development of plant axillary meristem

1.2 腋生分生組織的建立與維持

腋生分生組織建立的標志是WUSCHEL(WUS)基因的表達。WUS的基因表達集中于干細胞區域下方的組織中心,WUS能夠結合小肽信號CLAVATA3 (CLV3)編碼基因的啟動子并促進其表達,CLV3則抑制WUS基因表達,兩者形成的反饋循環能維持AM中干細胞區域的穩定[36-37]。在AM形成中,KNOX轉錄因子SHOOT MERISTEM-LESS (STM)發揮了關鍵作用(圖1)。STM在水稻和玉米中的同源基因分別命名為ORYZASATIVAHOMEOBOX1 (OSH1) 和knotted1 (kn1)[38-39]。STM主要通過調控細胞分裂素(CK)的合成與信號基因表達,同時抑制GA的合成進而促進AM的形成[40-41],而CK信號對于激活WUS基因表達至關重要[42-43]。近期研究也發現,WUS轉錄因子能夠激活STM的表達,并且直接與STM互作,促進下游CLV3基因的表達[44]。STM的表達受多個因子的共同調控,HD-ZIP Ⅲ型轉錄因子REVOLUTA (REV)、MYB轉錄因子LOF1和NAC轉錄因子CUC都能夠直接促進AM中STM的表達[32,45-46]。AP2轉錄因子DORNROSCHEN (DRN)和DORNROSCHEN-LIKE (DRNL) 能夠與REV互作促進STM的表達,LITTLE ZIPPER3則會抑制DRN/DRNL和REV互作,從而抑制STM基因表達[47]。ARABIDOPSIS THALIANA HOMEOBOX GENE1 (ATH1) 對邊界組織正確分化十分重要,研究發現ATH1能夠和STM互作形成STM自激活環路,維持STM在葉腋處的表達[48-49]。

AM形成過程中,WUS和STM的表達也依賴特定的時間和空間上的表觀遺傳修飾發揮作用。Polycomb group (PcG) 蛋白是一組通過染色質修飾調控靶基因的轉錄抑制子,可以分成兩個主要的核心蛋白復合體PRC1(Polycomb repressive complex 1)和PRC2[50]。PcG蛋白可以使組蛋白H3第27位賴氨酸發生三甲基化 (H3K27me3),抑制基因表達[51]。在成熟葉片中,WUS和STM基因上抑制性甲基化標記H3K27me3水平較高,而在腋生分生組織中,WUS和STM上的H3K27me3水平較低,這與PcG蛋白的作用有關[52-53]。染色質裝配因子Chromatin assembly factor-1 (CAF-1)也參與WUS基因的表達調控。FAS基因編碼CAF-1的亞基,在fas1和fas2突變體中,WUS基因呈現異位表達[54],而WUS轉錄因子也可以通過組蛋白乙?；揎椪{控生長素信號與響應途徑[55]。

1.3 植物激素與腋生分生組織形成

生長素和CK是植物體內的重要激素,能夠調節細胞分裂和分化,并在AM形成中發揮重要作用。研究表明,生長素極性運輸載體PIN1促進生長素從葉腋中流出,從而形成生長素最小值[56]。DII和DR5等生長素信號報告基因表明,AM在生長素水平較低的葉腋細胞中形成,生長素可能通過調控STM基因表達抑制AM形成,在葉腋處過量表達生長素合成基因會抑制SMT的表達和AM的形成[57-58],說明生長素極性運輸可能是啟動AM形成的早期發育事件(圖1)。CK在調控AM形成中也發揮重要作用。研究表明,在植物啟動AM發育進程前,能夠檢測到持續的CK信號,并且CK通過其受體AHK激活下游信號組分B型應答調節因子直接激活WUS的轉錄[55,57,59]。其他激素在調控AM形成中也發揮作用。GA信號的負調控因子DELLA能夠抑制轉錄因子SPL9對LAS基因轉錄的阻遏作用,從而促進腋生分生組織形成[60]。油菜素甾醇(BR)信號途徑關鍵轉錄因子BZR1能直接抑制CUC基因表達導致器官邊界不能正常形成[61],而LATERAL ORGAN BOUNDARIES (LOB) 轉錄因子通過促進BR降解基因BAS1表達,阻礙邊界區域BR信號積累以及邊界細胞的生長,BZR1則促進LOB的基因表達,從而形成反饋調控循環[62]。

2 側芽活化的調控

腋生分生組織形成后繼而形成側芽,其持續生長則產生側枝。但側芽的生長并不是連續的,取決于營養狀況和激素水平,側芽可能暫時處于休眠狀態。當植物自身和外界環境條件合適時,則會再次啟動側芽生長。調控側芽生長過程中,轉錄因子BRC1具有核心作用,糖信號及生長素、CK和獨腳金內酯(SL)等激素信號主要通過BRC1調控側芽生長(圖2)。

圖2 植物側芽活化的調控網絡Fig.2 The regulatory network of the activation of plant axillary buds

2.1 BRC1-側芽生長調控的核心因子

把野生植物馴化為農作物,對人類歷史進程具有重要意義,將大芻草(Zeamaysssp.parviglumis)馴化為現代玉米是其中的經典案例[63-64]。大芻草與現代玉米相比,分枝多、雌花序小、籽粒小,而在長時間的馴化中,分枝逐漸消失,植株由一根莖稈組成,莖稈頂端有一個雄穗和一個側生的雌穗,穗變大。導致這些變化的關鍵基因是TEOSINTEBRANCHED1(TB1),在現代玉米中TB1的表達顯著高于大芻草[65]。TB1屬于TCP轉錄因子家族,TCP轉錄因子在種子萌發、葉片形態、晝夜節律以及側枝發育等過程中發揮重要作用[66-67]。BRC1是TB1的同源基因,在腋芽處特異性表達,能夠抑制側芽的生長[68]。FC1是水稻中TB1的同源基因,fc1突變體分蘗明顯增強[69]。番茄和豌豆的研究也相繼表明BRC1在調控分枝中發揮關鍵作用[70-71]。BRC1能夠整合激素、養分、光照等,是側芽生長的核心調控因子。BRC1是SL信號途徑的下游靶標基因[72],而CK拮抗SL信號并抑制BRC1表達促進側芽的活化[73]。在番茄中,BR信號的關鍵轉錄因子BZR1能夠直接結合BRC1的啟動子,抑制其基因表達從而促進番茄側枝生長[74]。糖不僅作為能量物質,還能作為信號分子調控BRC1在內的多個基因的表達,促進側芽生長[75-76]。此外,光質也會影響BRC1表達,遠紅光會顯著提高BRC1的表達,抑制分枝[77]。蛋白調控水平上,TIE1能夠與BRC1互作,抑制其轉錄活性,促進分枝[78]。

隨著研究的深入,BRC1調控側芽的具體機制也被發現(圖3)。先前研究表明,brc1突變體側芽中ABA含量顯著降低,而外源ABA不會影響BRC1的表達,說明ABA可能在BRC1下游發揮作用[79]。近期研究發現,BRC1通過直接調控HB21、HB40和HB53等基因影響側芽中的ABA含量與信號,從而抑制側芽的生長[80]。玉米tb1突變體中,ABA轉運及信號相關基因均顯著下調,這表明TB1也影響了ABA信號。TB1還能夠直接結合tasselsreplaceupperears1和teosinteglumearchitecture1啟動子調控其他發育過程[81]。也有研究表明,BRC1通過其他激素調控側枝發育。番茄BRC1能夠直接抑制側芽CK的合成基因LOG4,并同時激活CK和GA的降解基因從而抑制側芽的生長[82]。黃瓜BRC1能夠直接結合生長素運輸載體基因PIN3啟動子抑制其轉錄,利用BRC1啟動子表達PIN3會導致分枝變多,表明BRC1可能通過抑制側芽生長素運輸抑制側芽的生長[83]。此外,BRC1可能通過調控細胞周期相關基因抑制分枝[79,81]。BRC1還能夠與開花因子FT和TSF互作抑制AM過早成花[84]。

圖3 BRC1抑制植物側芽活化的機制Fig.3 The mechanisms by which BRC1 inhibits activation of axillary buds in plants

2.2 頂端優勢-生長素和糖

頂端優勢在高等植物中普遍存在,側芽由于頂端優勢的抑制,往往處于休眠狀態,當頂端優勢減弱后,側芽可發育成側枝[85]。長期以來,生長素被認為是維持頂端優勢的關鍵因素。生長素主要在植株嫩葉中產生,通過極性運輸載體PIN往外輸出[86]。一方面,根據生長素渠化模型理論,生長素極性運輸與植物維管組織發育密切相關[87],側芽生長過程的生長素運輸會與植物主莖的生長素運輸發生競爭而受到抑制[88],但是主莖的極性運輸如何抑制側芽的極性運輸仍不清楚。近期的研究發現,專一性地抑制側芽的生長素響應或運輸并不能影響頂芽去除或CK處理后側芽的早期生長[89]。同時還應當注意到,維管組織的發育也依賴生長素極性運輸,而發達的維管組織有利于養分的運輸和側芽的生長。實際觀察到番茄等園藝作物側芽長勢與植株主莖的粗細呈正相關,而與株高一般呈負相關,是否與生長素在主莖中徑向或縱向運輸的分配有關還值得進一步探究。另一方面,根據第二信使理論,生長素通過促進SL合成或抑制CK合成間接調控側枝形成[90],具體見下文闡述。生長素參與頂端優勢,看似與生長素促進植物生長相矛盾,但是仔細分析會發現,生長素并不會直接進入側芽[91]。生長素更可能間接地調控類似于BRC1等決定側芽活化的關鍵因子進而調控側芽生長。側芽早期生長階段可能更依賴其他因素,而生長素在側芽活化啟動之后促進其生長[92]。

目前的主流觀點認為,糖是側芽活化的關鍵因子。糖在植物生長發育中的作用舉足輕重,不僅是能量來源,而且還是信號物質[93]。研究發現,當去除植株頂芽后,植株中的光合產物快速重新分配,并在側芽中積累,同時觀察到側芽的生長。這表明糖是啟動側芽活化的原初因子[94],并進一步通過調控SL、CK和BR等激素信號促進側枝發育[74,95-97]。轉錄組分析發現,休眠芽與生長活躍的側芽相比,存在大量碳饑餓相關基因顯著上調,這可能與能量感受器SnRK1在能量虧缺情況下被激活,并誘導下游碳饑餓基因的表達有關[98]。在糖積累充裕的情況下,糖代謝形成海藻糖-6-磷酸(Tre6P),其作為信號能夠抑制SnRK1的活性,促進植物生長[99-100]。在解除豌豆的頂端優勢后,確實在側芽中發現Tre6P積累[101],而在側芽中特異性表達Tre6P合成酶基因TPS能促進分枝[102]。此外,RAMOSA3編碼Tre6P磷酸酶,能使Tre6P轉變為海藻糖而喪失信號功能,RAMOSA3在腋生分生組織中表達,通過調節糖信號控制花序分枝[103]。Target of Rapamycin (TOR)是真核生物中另一個糖信號受體,通過介導下游蛋白磷酸化調控莖尖細胞周期相關基因與BR信號[104-105]。但TOR在側枝發育中的功能與機制仍不清楚。

2.3 SLs與側芽生長調控

SLs是一類萜類小分子化合物,是近年來發現的新型植物激素,在調控種子萌發、根系發育、菌根共生、維管組織發育以及各種脅迫抗性方面發揮了重要作用[106]。擬南芥moreaxillarygrowth(max)、水稻high-tilleringdwarf(htd)、豌豆ramosus(rms)、矮牽牛decreasedapicaldominance(dad) 等多分支突變體,都與SL合成或信號有關[107],說明SLs在調控側枝發育中發揮關鍵作用,并且在不同物種中具有保守性。SLs主要在根系中合成,通過D27、CCD7、CCD8等類胡蘿卜素代謝酶以及MAX1等細胞色素單加氧酶所催化的系列生化反應,質體中的β-胡蘿卜素最終轉化為有生物活性的SLs[107]。SLs是參與植株地上和地下信號交流的重要信號。由于生長素信號促進SL合成基因的表達[108-109],地上部的生長素運輸到根系能夠促進根中SLs的合成[110],而根系中的SLs運輸到地上部抑制側芽生長[111]。PLEIOTROPIC DRUG RESISTANCE 1是目前僅有報道的SLs運輸載體[112]。值得注意的是,地上部SLs合成基因的表達量遠低于根系,這可能與根系運輸的SLs對地上部自身SLs合成的抑制有關,將正常植株地上部與SL合成缺失突變體的根系嫁接,則會顯著增強地上部SL合成[113],說明莖自主合成的SLs足以抑制側芽的生長。地上部營養狀況良好時,側芽生長旺盛,導致更多的生長素流入根中促進SLs合成,而SLs抑制側枝發育可能是對地上部生長狀況的一種反饋調節,生長素與SLs的相互作用對于維持生長平衡與良好株型可能具有重要作用。

側芽中SLs主要通過誘導BRC1基因抑制側芽生長[71],近年來的研究逐漸明確了SL調控BRC1基因表達的信號通路。α/β水解酶DWARF 14 (D14) 是SLs的受體,其與SLs結合后會招募F-box蛋白MORE AXILLARY GROWTH 2 (MAX2)和轉錄抑制因子D53或D53-like蛋白,MAX2作為SCF復合體的亞基,參與D53/D53-like蛋白泛素化及降解[107]。D53/D53-like蛋白通過與SPL轉錄因子互作或直接作為轉錄因子調控BRC1等下游基因表達[114-115]。SPL家族是植物特有的一類轉錄因子,能識別并結合啟動子上的GTAC順式作用元件,進而調控靶標基因的表達。SPL的表達受到miR156調控,并參與植物的許多生長發育過程[116-117]。水稻IdealPlantArchitecture1 (IPA1) 基因編碼SPL14轉錄因子,該基因在miR156識別位點發生突變使其表達量適度提高,導致分蘗數減少、抗倒伏、穗分枝數增加、產量顯著提高[118]。水稻中miR156-SPL14分子模塊也能獨立于SL信號調控分蘗[119]。此外,也有研究發現,D53能夠與BR信號下游的轉錄因子BES1互作通過抑制BRC1基因表達促進水稻分蘗[120],而MAX2也能促進BES1蛋白的降解[121]。最近研究發現,糖能夠抑制MAX2基因的表達,促進D53蛋白的積累,這為糖和SLs互作調控植物分枝提供了新的分子機制[122]。

2.4 CKs與側芽生長調控

植物體內CKs主要由AMP/ATP/ADP作為前體,在異戊烯基轉移酶(IPT)、細胞色素單加氧酶(CYP735A)及磷酸核糖水解酶(LOG)等作用下合成產生[123]。CKs的受體由組氨酸激酶AHK組成,結合CKs后受體激酶結構域內的組氨酸殘基被磷酸化,并將磷酸基團轉移到天冬氨酸殘基,然后將磷酸基團轉移到組氨酸磷酸轉移蛋白 (AHP) 的組氨酸殘基上,磷酸化的AHP從細胞質轉移到細胞核,并將磷酸基團轉移到B型和A型應答調節因子。B型應答調節因子是一類轉錄激活因子,能夠直接結合并調控大量包括A型應答調節因子等在內的基因,而A型應答調節因子則抑制B型應答調節因子的功能,從而對CKs響應起到反饋調控[124]。去除豌豆植株頂芽后會迅速誘導莖節中IPT基因的表達,以及莖節和側芽中CKs含量的提高[125]。番茄中過量表達CKs合成基因會顯著減弱頂端優勢[126],而外源處理CKs會拮抗SLs對側芽生長的抑制作用[73]。因此,CKs與SLs在調控側芽生長中具有相反的作用。但是相比SLs,CKs在腋生分生組織的建立、維管組織和葉片發育等方面,發揮了更為廣泛的作用[123]。因此,CKs調控分枝的機制更為復雜,CK可以通過不依賴于BRC1的途徑促進豌豆分枝也說明了這一點[71]。

CKs可能通過多個途徑調控側芽的生長。首先,B型應答調節因子可以激活WUS基因表達,促進腋生分生組織形成,而CKs增強WUS基因的表達會提高分生組織活性,促進葉片分化和發育,形成更多分枝[55,59]。其次,CKs與糖信號的關系密切,CKs能夠通過上調轉化酶和細胞周期相關基因表達增加庫強而促進側芽生長[13]。再次,CKs促進擬南芥分枝伴隨生長素極性運輸的增強,但是CKs信號途徑在調控生長素極性運輸中的作用仍不清楚,B型應答調節因子的缺失反而促進側枝發育[127],說明CKs可能通過其他信號元件調控生長素極性運輸和側芽生長。最后,CKs也可能通過與其他激素互作調控側芽生長。豌豆中發現了D53同源基因的缺失突變體,該突變體的頂端優勢增強,這與D53作為SL信號的負調控因子促進分枝的功能相一致,而CK可以誘導豌豆D53同源基因的表達[128],這在分子層面提供了CK與SL拮抗的證據。番茄中則發現,B型應答調節因子可以促進BR合成,進而通過BZR1抑制BRC1基因表達促進側芽生長[74]。

3 環境調控側枝生長的機制

3.1 礦質營養

側芽的生長受到多種環境條件的影響,具有高度的可塑性。礦質營養是影響植物各方面生長發育的重要因素。當養分供應不足時,光合作用、氮同化等生理過程受到抑制,限制了側枝發育等營養生長,而根系的生長則會相對得到促進以利于養分吸收。高水平的磷會抑制根部SLs合成,而在低磷條件下,番茄中SLs的合成顯著上升[129]。同樣,水稻中SLs合成基因的表達也會被誘導從而抑制分蘗[130]。CKs與作物的氮素水平密切相關。低氮條件下,豌豆和高粱的根中SLs含量會顯著上升[131],這可能與低氮環境下地上部生長素極性運輸增強,根中生長素水平升高進而促進SLs合成有關[132]。硝酸鹽能夠誘導IPT基因的表達,提高CKs含量,并促進CKs從根部向上運輸[133-134],同時氮同化形成的氨基酸也在水稻側芽CKs合成及分蘗中發揮重要作用[135]。

3.2 溫度

溫度是植物形態建成的重要環境因子。溫度適度升高會通過光信號途徑、表觀遺傳修飾等促進生長素、BR等激素合成,促進植物生長[136]。但是關于溫度如何調控植物的分枝發育研究較少。低溫環境會抑制楊樹中MADS-BOX轉錄因子編碼基因SHORTVEGETATIVEPHASE-LIKE(SVL) 的表達,而SVP通過激活TCP18以及ABA的合成與信號相關基因,同時抑制GA和FT相關基因,從而抑制芽的生長[137]。同時,低溫也能分別激活和抑制TERMINAL FLOWER 1和LIKE APETALA 1這兩個花發育相關基因,從而抑制楊樹的芽生長[138]。水稻中,低溫會促進MADS57和TB1蛋白互作,誘導SL信號受體基因D14表達,從而抑制水稻的分蘗[139]。

3.3 光照

光照是調控側枝發育最重要的環境因素。光照不僅通過光合作用為側枝發育提供所需要的糖,還作為信號通過改變激素代謝和BRC1表達等調控側枝發育。光照下,玫瑰莖和芽中的糖含量上升,同時伴隨著側芽的生長[140]。在高粱中,移除葉片顯著抑制側芽生長,同時伴隨SL信號基因MAX2和細胞周期相關基因的表達變化,但不會引起TB1基因的表達變化[141]。除了提供光合產物外,光也作為形態建成的信號調控側芽生長。在處理光合作用的抑制劑之后,光照仍然能激活腋生分生組織活性并促進玫瑰側芽生長[142-143],這可能與光信號通過TOR激酶和CKs信號誘導WUS基因表達有關[144]。環境中的光質,即紅光和遠紅光的比例(R∶FR),也對側芽生長具有重要調控作用。遠紅光主要通過增強BRC1基因表達抑制側芽生長[77,141],但不同于光合作用提供側芽生長所需要的糖,R∶FR主要通過影響光敏色素信號途徑調控側芽生長。植物的光敏色素包括PHYA-PHYE五個成員,其中PHYA和PHYB發揮主要作用[145]。光敏色素存在Pr和Pfr兩種形態,在紅光下鈍化的Pr轉變為活化的Pfr,而在遠紅光下活化的Pfr轉變為鈍化的Pr。在紅光下,PHYB的活性和穩定性較高,并轉移到細胞核調控基因表達,而在栽培密度較高的情況下,周圍植株對光照的截獲導致R∶FR比例降低以及PHYB活性下降。PHYB與轉錄因子PIF互作繼而抑制PIF活性,是目前所知PHYB調控基因表達的主要途徑。PIF轉錄因子下游,生長素合成基因是重要的調控靶標。因此,遠紅光可能抑制PHYB并通過增強PIF活性提高生長素水平和頂端優勢[146]。但是也有研究發現,遠紅光抑制側芽生長中,ABA含量的變化要早于生長素[147],而BRC1是調控ABA合成與信號的重要因子[80]。因此,PHYB可能通過抑制PIF等轉錄因子直接調控BRC1基因表達[148]。最新研究發現,PHYB可能通過激活轉錄因子HY5直接抑制BRC1基因表達促進番茄側芽生長[82]。PHYA感受光的機制較為獨特[145]。PHYA被紅光激活后在FHY1的幫助下進入細胞核,而在遠紅光下PHYA轉變為Pr形態并與FHY1蛋白解離,隨后再被紅光激活并調控基因表達。與PHYB不同,PHYA蛋白在紅光下不穩定,因而主要在R∶FR比例較低的環境下起作用,這可能是植物進化出的感受光環境變化的獨特機制。最近的研究還發現,PHYA信號途徑的調控因子FHY3和FAR1能夠促進D53-like基因的表達繼而抑制SL信號,并能夠與SPL轉錄因子互作共同抑制BRC1基因表達[149]。

4 展望

在理論研究層面上,關于早期側芽形成的調控機制方面,BR信號在其中的功能還有待進一步研究。盡管目前發現的BR合成與信號突變體的側枝發育一般都受到抑制,但是應當注意到,BR信號在側枝發育中的作用可能存在兩面性。在側芽的活化及后續的生長階段,BR作為促進生長的激素可能通過調控細胞周期、細胞膨大、生長素極性運輸以及糖的代謝利用對植物分枝發揮積極作用;而在早期側芽形成中,BR的作用并不明確。擬南芥中邊界區域中如果BR信號增強,會促進邊界區域細胞的生長,不利于邊界與腋生分生組織的形成,進而導致莖生葉與花莖融合[61]。邊界區域BR信號的強度受BR降解基因BAS1的限制[62]。作物中如何通過組織特異性控制BAS1基因表達進而調控側芽發生進程值得深入研究。

關于側芽活化調控方面,糖信號的作用機制還有待深入研究。目前的研究認為Tre6P是誘導側芽活化的信號,但是Tre6P如何發揮作用仍不清楚。雖然有研究報道Tre6P能抑制SnRK1活性進而調控PIF轉錄因子促進細胞伸長[100],但由于遠紅光通過PIF抑制分枝,Tre6P-SnRK1信號模塊在側芽活化中的作用仍不明確。Tre6P可能通過調控開花基因表達而促進分枝[102],而開花相關基因調控分枝僅在少數物種中報道,在其他作物中還有待驗證。糖信號另一關鍵受體TOR在側枝發育中的作用還未見報道。TOR屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,通過磷酸化下游底物發揮信號功能。隨著蛋白質譜技術的發展,結合磷酸化蛋白質組學、轉錄組、分子互作等有望發現TOR信號途徑的關鍵因子及其在側枝發育中的作用。這些將為解決糖信號具體如何調控CK、SL、BR等激素信號奠定基礎。最近Ye等[150]發現了TOR下游的一個新的底物FIE,其作為PRC2復合體的亞基參與H3K27me3修飾,從而在基因組全局水平調控組蛋白甲基化修飾和基因的轉錄表達,這為研究糖信號調控側枝發育的機制提供了新的思路。此外,生物鐘在調控側芽生長中的功能值得關注。生物鐘是植物適應地球24 h晝夜交替,在光照、溫度等周期性變化作用下形成的較為穩定的調控代謝、生長和抗性節律性變化的一種內在機制[151]。頂端優勢作用下,側芽的生長緩慢,但仍保持一定生理活性,其生理代謝過程理應受到生物鐘的調控。水稻中生物鐘基因CCA1突變導致側芽糖含量升高就說明了這一點[152],而糖信號也能抑制CCA1基因表達,從而形成反饋循環。側芽的生長依賴于葉片產生的光合產物,側芽的生物鐘如何與葉片生物鐘匹配,以及如何與糖信號相互作用從而促進側芽生長,這些都值得深入探討。

莖分枝是影響作物產量和品質的重要農藝性狀。對于農作物,株型緊湊、減少分蘗,有利于密植、提高單產;對于番茄等園藝作物,減少分枝還有利于減少整枝打叉的人力成本,促進輕簡化栽培和提高經濟效益。前人在分子遺傳學研究或育種工作中發現的少或無側枝突變體通常在側芽形成相關的轉錄因子基因上發生突變,這些轉錄因子由于在器官邊界的形成中發揮作用,不僅影響側枝發育,還影響花器官發育,對產量造成不利影響。在技術層面上,隨著基因編輯技術的進步,如何通過精細調控這些基因的表達,進而在減少這些基因突變對生殖發育不利影響的前提下,創制少分枝的材料是未來需要研究的方向。SPL轉錄因子在抑制側枝發育的同時,還促進開花和花序分枝[153],因此是調節植株營養生長和生殖生長的重要因子,也應當是利用基因編輯進行株型改良的分子靶標。尤其是SPL基因的表達能夠被miR156抑制,其miR156識別位點是潛在的編輯靶點。同樣,BZR1等轉錄因子通過結合BRC1啟動子抑制其基因表達,通過基因編輯破壞BRC1啟動子上BZR1的識別位點可能也是增強頂端優勢的有效手段。