成花基因FT/TFL1基因家族及其對(duì)植物成花轉(zhuǎn)變遺傳改良的研究進(jìn)展

杜麗　李勇鵬　姚瑤

摘要：研究表明，F(xiàn)T/TFL1基因家族成員編碼的一類磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白（PEBP）在高等植物成花轉(zhuǎn)變過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。本文對(duì)成花基因FT/TFL1基因家族的結(jié)構(gòu)特征、成員、各個(gè)成員在成花轉(zhuǎn)變過程中的功能，以及利用成花基因?qū)χ参锍苫ㄞD(zhuǎn)變遺傳改良的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：成花基因；基因家族；成花轉(zhuǎn)變；基因轉(zhuǎn)化

中圖分類號(hào)： Q756 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）07-0009-04

收稿日期：2013-10-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31100511）；河南省高校青年骨干教師資助計(jì)劃（編號(hào)：2010GGJS-161）；南陽師范學(xué)院博士科研啟動(dòng)費(fèi)（編號(hào)：nynu200746）。

作者簡(jiǎn)介：杜麗（1978—），女，河南南陽人，博士，副教授，主要從事生物技術(shù)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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的過程稱為成花轉(zhuǎn)變（floral transition），這一過程是由植物內(nèi)部的遺傳因子與外界環(huán)境條件相互協(xié)調(diào)控制的，是成花基因在時(shí)間和空間上表達(dá)的結(jié)果[1]。研究人員在擬南芥（Arabidopsis thaliana）基因組中分離獲得6個(gè)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(zhì)是一種磷脂酰乙醇胺結(jié)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(jié)合而得名。磷脂酰乙醇胺是構(gòu)成植物生物膜的主要磷脂，并被證實(shí)在信號(hào)傳遞過程中起著重要的蛋白質(zhì)識(shí)別和信號(hào)傳導(dǎo)作用。

擬南芥FT基因編碼的蛋白可以通過韌皮部從葉片運(yùn)輸?shù)角o端分生組織，在莖端分生組織，F(xiàn)T蛋白與bZIP轉(zhuǎn)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(dá)，從而促進(jìn)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(dá)，從而抑制成花轉(zhuǎn)變[10]。這些研究成果為成花轉(zhuǎn)變的研究帶來新的思路，使人們利用分子育種的方法調(diào)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(xué)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(gè)物種中分離得到FT/TFL1基因家族成員，而且研究發(fā)現(xiàn)這些物種中發(fā)現(xiàn)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(shí)在成花轉(zhuǎn)變過程中的調(diào)控作用途徑也十分相似。這些研究可以證實(shí)，高等植物FT/TFL1基因家族成員的某些基因在其成花轉(zhuǎn)變過程中起著重要的調(diào)控作用，具有較為重要的研究?jī)r(jià)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(gè)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(jìn)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(shí)間調(diào)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(jié)合區(qū)域可能的氨基酸對(duì)其蛋白功能的影響發(fā)現(xiàn)，互換FT與TFLl的一個(gè)氨基酸便可使兩者編碼的蛋白功能發(fā)生互換，這2個(gè)關(guān)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(duì)FT和TFLl蛋白的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，位于FT和TFLl蛋白分子表面的一個(gè)由14個(gè)氨基酸組成的多元嚕噗環(huán)對(duì)蛋白的促進(jìn)或抑制開花作用非常重要[22]。在TFLl蛋白中，該外部環(huán)在靠近配體結(jié)合區(qū)開口處有一個(gè)氫鍵基團(tuán)，而在FT中沒有。Ahn等推測(cè)，F(xiàn)D本身是個(gè)弱轉(zhuǎn)錄因子，它能與FT結(jié)合后成為強(qiáng)的激活因子，激活A(yù)P1的表達(dá)從而促進(jìn)開花；但是當(dāng)FD與TFLl結(jié)合后，卻成為抑制因子，導(dǎo)致開花延遲甚至表現(xiàn)為花的缺陷[22]。

1.1FT亞家族的功能

作為晝夜節(jié)律鐘（circadian clock）的重要輸出產(chǎn)物之一，F(xiàn)T基因在光周期調(diào)控植物開花途徑中發(fā)揮著重要作用，晝夜節(jié)律鐘輸出產(chǎn)物GIGANTEA（GI）激活轉(zhuǎn)錄因子CONSTANS（簡(jiǎn)稱CO，在生物節(jié)律鐘和下游開花時(shí)間基因間起信號(hào)傳遞作用的橋梁基因）的表達(dá)，進(jìn)一步激活FT的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)下游開花決定基因的表達(dá)[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(dá)后，都能在非誘導(dǎo)型光周期條件下促進(jìn)擬南芥開花[25-27]。在木本植物楊樹（Populus spp.）中，F(xiàn)T同源基因的組成型表達(dá)顯著縮短了童期并促進(jìn)了成花轉(zhuǎn)變[28]。而在擬南芥和水稻中，用RNAi或miRNA手段下調(diào)FT基因的表達(dá)后，可導(dǎo)致植株的開花時(shí)間延遲[29-30]。這些研究結(jié)果表明，F(xiàn)T及其同源基因是高等植物成花轉(zhuǎn)變過程所必需的，并且對(duì)開花的調(diào)控作用在不同物種間是高度保守的。目前的研究表明，F(xiàn)T蛋白或（和）mRNA可能是植物的成花素信號(hào)分子的重要組分[31]。過表達(dá)TSF基因可促進(jìn)擬南芥開花，tsf單突變體則會(huì)延遲擬南芥開花，而tsf、ft雙突變則會(huì)加劇ft單突變體的晚花表型，因此TSF基因在調(diào)控植物開花時(shí)間上與FT基因發(fā)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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，延遲植物開花，維持花序的無限生長(zhǎng)狀態(tài)。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(duì)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(dá)TFL1，營(yíng)養(yǎng)期明顯延長(zhǎng)，會(huì)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(zhuǎn)變成末端花[4]。

黑麥草（Lolium perenne）TFL1同源基因組成型表達(dá)能恢復(fù)擬南芥tfl1的表型[34]。TFL1同源基因在水稻中過表達(dá)后使水稻開花時(shí)間延遲、花序分支增多、小穗排列更緊密[35]。過表達(dá)玉米（Zea mays）TFL1同源基因ZCN1-6會(huì)導(dǎo)致玉米不同程度的晚花并伴隨玉米花序結(jié)構(gòu)的改變，并且轉(zhuǎn)基因植株表型的改變程度與蛋白的同源程度密切相關(guān)[36]。Mimida等通過對(duì)蘋果（Malus×domestica）的TFL1同源基因MdTFL1表達(dá)模式的研究發(fā)現(xiàn)，該基因在蘋果花序發(fā)育階段早期的芽中表達(dá)量較高，在花的發(fā)育過程中不表達(dá)[37]。通過定量 real-time PCR和異位表達(dá)顯示，甜橙（Citrus sinensis）TFL1的同源基因?yàn)榭刂聘涕偻诘年P(guān)鍵基因，柑橘童期與該基因的轉(zhuǎn)錄積累呈明顯正相關(guān)[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(zhǎng)、延遲開花及對(duì)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(dá)能夠互補(bǔ)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(tài)[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(xué)功能，仍需進(jìn)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(zhǎng)日照條件下，過表達(dá)MFT基因可使擬南芥開花時(shí)間稍稍提前，但不如FT基因?qū)﹂_花的促進(jìn)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?yàn)镠vMFT，在水稻中過表達(dá)HvMFT，對(duì)水稻的開花時(shí)間和花序形態(tài)沒有影響，且HvMFT在葉片中不表達(dá)[41]。因此認(rèn)為，MFT可能具有冗余的成花誘導(dǎo)作用，與FT的功能是相似的，或者擬南芥的正常發(fā)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(dá)，可能在種子發(fā)育過程中發(fā)揮作用[42]；MFT在水稻中的同源基因OsMFT1、OsMFT2在種子發(fā)育和萌發(fā)過程中均有表達(dá)[12]。目前關(guān)于MFT基因在植物中的功能了解較少，已有的試驗(yàn)結(jié)果表明，MFT亞家族成員基因可能具有冗余的成花誘導(dǎo)作用，也可能與種子的發(fā)育有關(guān)。

2高等植物FT/TFL1基因家族成員在花期改良方面的應(yīng)用FT基因和TFL1基因?yàn)镕T/TFL1基因家族的2個(gè)關(guān)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(jìn)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(fā)育的分子機(jī)理提供了理論依據(jù)?；蚍蛛x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(shù)轉(zhuǎn)基因的方法將成花基因轉(zhuǎn)化進(jìn)入植物體，是最直接和便捷的調(diào)控花期的育種手段。近年來植物花期改良的育種目標(biāo)主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）調(diào)控草本觀賞植物花期，通過促進(jìn)開花、縮短開花周期、延長(zhǎng)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(jié)束幼年期，促進(jìn)早期開花，以期加快雜交育種進(jìn)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(chǎn)生污染環(huán)境的有性生殖過程產(chǎn)物（花粉、種子飛毛、果實(shí)等）。而育種目標(biāo)則是研究者們?cè)噲D通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得組成型或特異性表達(dá)FT基因和TFL1基因的轉(zhuǎn)基因植物，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高等植物成花轉(zhuǎn)變的人為調(diào)控。

2.1促進(jìn)開花策略的應(yīng)用

最初花期改良的轉(zhuǎn)基因植物都是組成型表達(dá)擬南芥FT產(chǎn)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(dá)載體上，并運(yùn)用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將FT基因?qū)肭谢ň丈耨R中；轉(zhuǎn)基因菊花神馬的一個(gè)株系的組培苗在培養(yǎng)容器中就觀察到有花蕾分化，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因植株花芽分化不再受光周期影響的例子說明，通過轉(zhuǎn)FT基因改變菊花的花期是可行的[43]。在擬南芥FT基因轉(zhuǎn)化洋桔梗的研究中，轉(zhuǎn)基因株系在愈傷組織階段就觀察到紫色花瓣?duì)钇鞴俜只F(xiàn)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(dǎo)洋桔?；òl(fā)育的起始。以上研究說明，在草本觀賞植物中通過轉(zhuǎn)化FT基因促進(jìn)轉(zhuǎn)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(yàn)策略。

李偉明等構(gòu)建組成型表達(dá)蘋果MdFT基因和擬南芥FT基因的植物載體進(jìn)行番茄遺傳轉(zhuǎn)化，結(jié)果顯示：2個(gè)基因在番茄轉(zhuǎn)基因植株中都得到了表達(dá)，轉(zhuǎn)基因番茄均表現(xiàn)出早花性狀；部分35S：：AtFT轉(zhuǎn)基因植株在生根培養(yǎng)基中就能觀察到花芽分化，并能形成花蕾；在MdFT轉(zhuǎn)基因番茄植株中也可低頻觀察到花蕾出現(xiàn)。研究結(jié)果表明，在番茄中異位過量表達(dá)蘋果MdFT基因和擬南芥FT基因，能夠誘導(dǎo)番茄早花，初步驗(yàn)證了蘋果MdFT基因具有促花功能，對(duì)轉(zhuǎn)基因手段縮短蘋果童期具有潛在價(jià)值[45]。

不過需要注意的是，轉(zhuǎn)基因株系組成型表達(dá)擬南芥FT基因或其他FT同源基因在獲得早花性狀的同時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)異?；ǖ默F(xiàn)象，而異?；ú荒墚a(chǎn)生可育配子，這可能與多數(shù)研究的表達(dá)載體使用組成型啟動(dòng)子有關(guān)[46]。在楊樹的促花轉(zhuǎn)基因研究中，有研究者嘗試使用非組成型啟動(dòng)子——大豆熱激啟動(dòng)子HSP（heat shock promoter）構(gòu)建的表達(dá)載體，試圖減少轉(zhuǎn)基因植株花器官變異。賈小明等采用熱擊啟動(dòng)子HSP控制來自擬南芥的FT基因、來自楊樹的FT1、FT2基因來構(gòu)建表達(dá)載體，轉(zhuǎn)化結(jié)果表明：FT類基因誘導(dǎo)的楊樹轉(zhuǎn)基因植株會(huì)出現(xiàn)不同程度的早花現(xiàn)象，但來自擬南芥的FT基因促花效果優(yōu)于來自楊樹的FT1、FT2基因；同組成型啟動(dòng)子控制的開花基因轉(zhuǎn)化結(jié)果相比較，熱激啟動(dòng)子控制的轉(zhuǎn)FT類基因植株獲得了相對(duì)比較多的正常花序，而且觀察到了花藥的正常散粉現(xiàn)象[46-47]。

這些研究結(jié)果說明，通過FT基因和相關(guān)FT同源基因的轉(zhuǎn)化與表達(dá)來促進(jìn)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(jié)束幼年期，對(duì)加快木本植物尤其是果樹的常規(guī)育種進(jìn)程具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，為了克服組成型表達(dá)FT類基因造成的花器官畸變，采用非組成型啟動(dòng)子構(gòu)建植物表達(dá)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(jié)實(shí)量；楓香球果存在數(shù)量多、個(gè)體大、果實(shí)硬的特點(diǎn)；懸鈴木花粉及種子飛毛等，這些都會(huì)造成城市環(huán)境污染，給市民出行帶來不便，成為這些樹種在城市綠化應(yīng)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(guān)鍵。采取二次轉(zhuǎn)化的策略對(duì)成花基因FT類基因加以利用，能夠達(dá)到培育轉(zhuǎn)基因不育品系的目標(biāo)。大多數(shù)木本植物的植株再生體系是通過間接體胚發(fā)生途徑建立的，胚性愈傷組織作為外植體對(duì)于轉(zhuǎn)基因的優(yōu)勢(shì)在此不再贅述，但對(duì)于木本植物開花抑制或不育育種的研究則十分不便，因?yàn)橥ㄟ^體胚再生的植株可能同樣具有較長(zhǎng)的幼年期，使得抑制開花基因或者雄性不育基因的轉(zhuǎn)化效果很難被驗(yàn)證。因此，在香樟轉(zhuǎn)基因不育育種中，為了早日看到轉(zhuǎn)化雄性不育基因的植株在表型及生理上的變化，同時(shí)縮短其開花所需時(shí)間，研究者以穩(wěn)定表達(dá)雄性不育Barnase基因的香樟胚性愈傷組織為外植體，對(duì)其進(jìn)行PaFT基因（來源懸鈴木FT類基因）二次轉(zhuǎn)化[48]，并對(duì)二次轉(zhuǎn)化后再生植株的開花表型進(jìn)行調(diào)查，以達(dá)到迅速獲得不育植株的目的；來自同一實(shí)驗(yàn)室的楓香轉(zhuǎn)基因不育育種研究對(duì)成花基因PaFT的利用策略類推[49]。二次轉(zhuǎn)化進(jìn)行轉(zhuǎn)基因不育育種的策略，也可以修訂為先轉(zhuǎn)化FT類基因到相應(yīng)木本植物的胚性愈傷組織中，以確保早花性狀的穩(wěn)定表現(xiàn)，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)基因抗性愈傷組織進(jìn)行雄性不育基因的二次轉(zhuǎn)化，再對(duì)再生植株的開花性狀進(jìn)行研究。

2.2抑制開花策略的應(yīng)用

通過轉(zhuǎn)化抑制開花基因，抑制花序分生組織向花分生組織轉(zhuǎn)變，使植物的花期延后，同樣可以達(dá)到豐富觀賞植物的花期多樣性的育種目標(biāo)。在農(nóng)桿菌介導(dǎo)的TFL1基因轉(zhuǎn)化菊花的研究中，侯香玲采用CaMV35S組成型表達(dá)啟動(dòng)子和擬南芥TFL1基因構(gòu)建植物表達(dá)載體，對(duì)菊花中的早花品種廣東黃進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將試驗(yàn)獲得的5株陽性植株進(jìn)行盆栽培養(yǎng)后，觀察花期性狀發(fā)現(xiàn)其開花期均比對(duì)照株推后7 d左右，表明TFL1基因?qū)ν七t菊花花期是有效果的[50]。Kotoda等在對(duì)蘋果TFL1基因的研究中發(fā)現(xiàn)，將反義MdTFL1轉(zhuǎn)入蘋果植株后，轉(zhuǎn)基因植株嫁接后8～15個(gè)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(dá)、縮短蘋果童期可誘導(dǎo)蘋果早花，結(jié)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(zhuǎn)化TFL1類基因并抑制成花轉(zhuǎn)變的相關(guān)研究較少，研究熱點(diǎn)集中在對(duì)該基因的克隆和表達(dá)分析層面。筆者所在課題組也在進(jìn)行香樟TFL1類轉(zhuǎn)基因植物的研究，試圖將香樟抑制開花基因轉(zhuǎn)入成年植株，從而調(diào)控香樟成花轉(zhuǎn)變，為減少香樟果實(shí)造成的環(huán)境污染、獲得無果或少果香樟植株奠定研究基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kobayashi Y，Weigel D. Move on up，its time for change-mobile signals controlling photoperiod-dependent flowering[J]. Genes & Development，2007，21（19）：2371-2384.

[2]Kardailsky I，Shukla V K，Ahn J H，et al. Activation tagging of the floral inducer FT[J]. Science，1999，286（5446）：1962-1965.

[3]Yamaguchi A，Kobayashi Y，Goto K，et al. TWIN SISTER OF FT（TSF）acts as a floral pathway integrator redundantly with FT[J]. Plant & Cell Physiology，2005，46（8）：1175-1189.

[4]Bradley D，Ratcliffe O，Vincent C，et al. Inflorescence commitment and architecture in Arabidopsis[J]. Science，1997，275（5296）：80-83.

[5]Kobayashi Y，Kaya H，Goto K，et al. A pair of related genes with antagonistic roles in mediating flowering signals[J]. Science，1999，286（5446）：1960-1962.

[6]Mimida N，Goto K，Kobayashi Y，et al. Functional divergence of the TFL1-like gene family in Arabidopsis revealed by characterization of a novel homologue[J]. Genes to Cells，2001，6（4）：327-336.

[7]Yoo S Y，Kardailsky I，Lee J S，et al. Acceleration of flowering by overexpression of MFT（MOTHER OF FT AND TFL1）[J]. Molecules and Cells，2004，17（1）：95-101.

[8]Abe M，Kobayashi Y，Yamamoto S，et al. FD，a bZIP protein mediating signals from the floral pathway integrator FT at the shoot apex[J]. Science，2005，309（5737）：1052-1056.