蘭花MADS—box基因研究進展

李瓊潔 江周

摘要 MADS-box基因是一類非常重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在植物發(fā)育和信號傳導中起著關(guān)鍵性作用。包括花器官發(fā)育基因，花分生組織特異性基因，促進開花的基因。研究表明，A類基因可能與花器官發(fā)育和控制開花有關(guān)；B類基因可能與花被片形態(tài)和結(jié)構(gòu)特異有關(guān)，并且有些基因在營養(yǎng)器官中也有表達。

關(guān)鍵詞 MADS-box基因；蘭科植物；花器官發(fā)育；表達模式

中圖分類號 S188 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）06-0137-04

Research Progress of MADS-box Gene in Orchid

LI Qiong-jie1，JIANG Zhou2

（1.Weinan Normal University， Weinan，Shaanxi 714000；2.Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201）

Abstract The MADS-box gene is an important transcription factor， and is the key gene involved in plants growth and signal transmission. Recently， some floral growth genes including floral organ identity genes， meristem identity genes and some genes promoting flower have been identified and separated from different orchids. These researches indicated that the A-function genes might relate to the floral organ development and controlling flower. The B-function genes might regulate the tepals form and special structure. And some genes are expressed in vegetative organs.

Key words MADS-box gene；Orchidaceae；Floral development；Expression pattern

蘭花泛指蘭科（Orchidaceae）的所有植物，包括地生蘭、附生蘭和腐生蘭，而我國習慣上將它們分為國蘭和洋蘭。國蘭以其株型秀麗、葉姿飄逸、花色素雅、花香清幽等特點，自古以來深受國人青睞。洋蘭因花大色艷、花型豐滿圓潤等特點，在國內(nèi)外市場均占有一席之地。

隨著分子技術(shù)的發(fā)展，對高等植物花發(fā)育的分子生物學研究成為了新熱點。雙子葉植物花發(fā)育的研究以擬南芥（Arabidopsis thaliana）和金魚草（Antirrhinum majus）為模式植物展開，取得了巨大的成績，而單子葉植物花發(fā)育的研究主要集中在禾本科植物，如水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）等。目前百合分子生物學方面發(fā)展迅速，有望成為單子葉花卉的模式植物。單子葉植物花發(fā)育的分子生物學研究明顯滯后于雙子葉植物。筆者總結(jié)前人所做的相關(guān)研究，對近年來影響蘭花花發(fā)育的MADS-box基因進行綜述。

1 花發(fā)育模型

MADS-box基因家族是一類非常重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，廣泛存在于動物、植物和真菌中。MADS-box基因在植物發(fā)育和信號傳導中起著重要作用?；趯M南芥和金魚草的同源異型突變體的研究，Coen和Meyerowitz[1]提出來經(jīng)典的“ABC”模型。隨后科學家在矮牽牛中發(fā)現(xiàn)了D類基因[2-3]和E類基因[4-5]，并衍生出“ABCDE”模型，認為A+E共同控制萼片的形成，A+B+E共同控制花瓣的形成，B+C+E調(diào)控雄蕊的形成，C+E調(diào)控心皮的形成，D+E調(diào)控胚珠的形成，并且A和C相互抑制。這種模型雖然被隨后提出的“四分子模型”[6-7]證實，但不能完全適用于所有的種子植物。隨后又提出的“邊界滑動模型”[8]，適用于百合、郁金香等部分單子葉植物和核心真雙子葉植物，對經(jīng)典的“ABC”模型起到了補充。而一些基部被子植物沒有明顯分化的萼片和花瓣，其花器官多由一輪或者多輪螺旋狀漸變的花被結(jié)構(gòu)組成，從苞片到最內(nèi)層的心皮是逐漸轉(zhuǎn)化的，不能用經(jīng)典的“ABCDE”模型解釋。為此，Buzgo等[9]提出了“邊界衰減”模型。

但是，蘭花花結(jié)構(gòu)高度特化，具有花瓣狀的萼片和特異的唇瓣，雄蕊和雌蕊愈合成合蕊柱，且合蕊柱頂端具有舌狀的蕊喙以及與之相連的花粉塊。這種高度特化的結(jié)構(gòu)是為了適應昆蟲傳粉的結(jié)果。

2 蘭花MADS-box基因的研究

對于蘭花中控制花發(fā)育的MADS-box基因的研究，主要集中在熱帶蘭中，如蝴蝶蘭、文心蘭、石斛蘭等，而對于國蘭的相關(guān)研究較少，其中以春蘭的相關(guān)研究居多。通過文獻整理發(fā)現(xiàn)，蘭花中的ABCDE類基因表達與其他植物有較大不同。

2.1 蘭花A類基因

A類基因包括FUL-like、AP1和euFUL基因。擬南芥中，AP1和FUL在花器官分化中的功能不同。AP1主要控制萼片與花瓣屬性，而FUL參與果實和心皮的發(fā)育[10]。崔波等[11]以南茜文心蘭為研究材料，克隆出一個AP1-like基因命名為OnAP1-like，發(fā)現(xiàn)其在營養(yǎng)生長和生殖生長階段都有表達，而不同時期、不同部位的表達量不同，推測其與花的發(fā)育及形成有關(guān)。袁秀云等[12]從朵麗蝶蘭中克隆出1個A類基因，發(fā)現(xiàn)其主要在營養(yǎng)器官中表達，而在花器官中痕量表達，推測其可能參與開花進程調(diào)控，而不參與花器官的形態(tài)建成。徐小雁等[13]從文心蘭中克隆出的A類基因在所有器官中都有表達，且在蕊柱中高表達。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些A類基因幾乎在蘭花中營養(yǎng)器官和花器官中均有表達，而大多與花器官的發(fā)育和控制開花有關(guān)。其中FUL不僅參與果實和心皮的發(fā)育，還在花發(fā)育早期促進花序分生組織的形成，同時還調(diào)控葉的發(fā)育。蘭花A類基因的相關(guān)研究見表1。

2.2 蘭花B類基因

蘭花中B類基因包括擬南芥中的AP3、PI和金魚草中的DEF和GLO基因?！癆BC”模型認為該基因主要參與花瓣和雄蕊的發(fā)育。徐小雁[23]在文心蘭中克隆出一個AP3基因，發(fā)現(xiàn)其在營養(yǎng)和花器官中均有表達，而在花萼中高表達，合蕊柱次之。向林等[24]從春蘭中分離到的GLO基因在花瓣和唇瓣中高表達，葉片中也有較少表達。此外，在對蝴蝶蘭研究時發(fā)現(xiàn)，AP3基因在營養(yǎng)和花器官中均有表達，而在花原基處高表達。

Tsai等[25]從小蘭嶼蝴蝶蘭花芽中分離的4個DEF-like基因PeMADS2、PeMADS3、PeMADS4、PeMADS5的表達方式也存在不同。PeMADS2主要在萼片、花瓣和蕊柱中表達；PeMADS3在花瓣、唇瓣和蕊柱中表達；PeMADS4僅在唇瓣蕊柱中表達；PeMADS5在花瓣中顯著表達，在萼片、唇瓣、蕊柱中少量表達。

向林等[26]從蕙蘭中克隆出3個B類基因，CfGLO、CfDEF1和CfDEF2。發(fā)現(xiàn)CfGLO在所有組織中均有表達；CfDEF1在2、3輪器官中表達，而萼片中不表達；CfDEF2在1、2、3輪器官中都表達，營養(yǎng)器官中不表達，此外3個基因都在子房中有表達。張俊芳等[27]在海南鉆喙蘭中提取的AP3基因在花器官的各個部位均有不同程度的表達。

表2為近年來，從蘭科植物中克隆出的B類基因。

從表2可以看出，這些基因不局限于在第2、3輪器官中表達，在營養(yǎng)器官和花原基中同樣有表達。這表明其在功能上與A類基因有相似之處，參與成花的轉(zhuǎn)換。此外，從表2還可看出，B類基因的表達非常復雜，其控制花器官發(fā)育的程序具有復雜的調(diào)控機制。但B類基因依然對第2輪器官花瓣和唇瓣以及參與部分合蕊柱的發(fā)育起著重要的作用。

2.3 蘭花C類和D類基因

C/D類功能基因具有較高的同源性，C、D、E類基因的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物心皮和子房發(fā)育。在擬南芥中，C類基因主要是AG，參與雄蕊和雌蕊的發(fā)育調(diào)控；D類基因主要是STK、SHP1和SHP2，主要調(diào)控胚珠的發(fā)育。

Song等[37]在蝴蝶蘭中分離出2個AG-like基因PhalAG1和PhalAG2，分別屬于C類基因和D類基因，其均在花芽中表達，而不在營養(yǎng)器官中表達。同樣，在木石斛的花芽及花器官中分離到了2個C/D類基因，前者在所有花器官中均有表達，而后者主要在子房的發(fā)育過程中表達。說明蘭科植物的C/D類基因?qū)ζ渖称鞴俚陌l(fā)育起著重要的作用，符合“ABC”模型。

2.4 蘭花E類基因

E功能基因與AP1/FUL基因一樣，僅存在于被子植物中。E類基因包括SEP1、SEP2、SEP3、SEP4。其中SEP蛋白所形成的多聚體復合物調(diào)控著花器官特性的發(fā)育[38]。SEP基因和ABC基因同時表達，能夠使營養(yǎng)葉轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄆ鞴賉39]。

孫崇波等[40]從春蘭中克隆的AGL6基因在春蘭的不同部位均有表達，其中在唇瓣、花芽和子房中高表達，推測其對春蘭成花轉(zhuǎn)變和花器官形成起重要作用。賈春蕾等[41]從春蘭中克隆的CgSEP3基因在花發(fā)育的各個時期均有表達，推測與春蘭的花萼、花瓣形成有關(guān)。此外，陳敏燕等[42]在金釵石斛中克隆的DnSEP3-like基因，表達受春化作用的影響，表明該基因可能參與了春化調(diào)控開花的生物學過程。E功能基因的相關(guān)研究見表3。

綜上所述，E功能基因與花的發(fā)育有關(guān)。

3 “蘭花密碼”假說

蘭花MADS基因的表達模式是一個復雜的程序，尤其是B類功能基因的表達，不同于以往的表達模式?；谇叭说难芯?，B類功能基因因發(fā)生了2次基因重復事件，1次是發(fā)生于現(xiàn)存的被子植物之前，產(chǎn)生了DEF/AP3（paleoAP3）和GLO/PI進化體系；隨后DEF/AP3進化體系再次發(fā)生了基因重復事件，結(jié)果產(chǎn)生了TM6和euAP3進化體系[45]。而Mondragon-Palomino等[46]對已發(fā)表的蘭花在內(nèi)的所有單子葉植物的DEF-like基因進行了系統(tǒng)進化及發(fā)育方面的分析，發(fā)現(xiàn)蘭花中的DEF-like基因明顯分為4個類群。在進化過程中，這些同源基因的功能發(fā)生了一系列的亞功能化和新功能化，從而影響了蘭花花被的發(fā)育，形成獨特的花器官。

由此提出了“蘭花密碼”的蘭花花器官屬性決定的分子模型，認為分支Ⅰ和分支Ⅱ決定外輪花萼屬性；分支Ⅰ、分支Ⅱ和分支Ⅲ基因的表達決定內(nèi)輪側(cè)瓣的發(fā)育；分支Ⅰ、分支Ⅱ、分支Ⅲ及分支Ⅳ共同決定唇瓣的發(fā)育。因為分支Ⅰ和分支Ⅱ在第1、2輪花器官中均有表達，所以推測其可能是負責“花瓣狀”屬性。而分支Ⅲ在第2輪花器官中表達，可能決定把外輪花被片（花萼）和內(nèi)輪花被片（花瓣）區(qū)分開來。分支Ⅳ可能是唇瓣特異的原因[46]。并且DEF-like基因在野生型蘭花及同源異形突變體中的表達模式得以證實[36]。之后又對“Orechid Code”進行修正，認為分支Ⅰ、分支Ⅱ基因的高水平表達及分支Ⅲ、分支Ⅳ基因的低水平表達決定內(nèi)輪側(cè)瓣的發(fā)育；分支Ⅰ、分支Ⅱ基因的低水平表達及分支Ⅲ、分支Ⅳ基因的高水平表達決定唇瓣的發(fā)育（圖1）[47]。

Pan等[48]對除擬蘭亞科之外的4個蘭花亞科中的11個種的B類基因進行研究，繪制出B類基因調(diào)控的花器官發(fā)育圖。他們將鑒定出的24個AP3-like基因和13個PI-like基因歸類為4類AP3-（AP3A1、AP3A2）和2類PI-duplicated同源基因。認為AP3同源基因經(jīng)過2輪復制，第1次形成了AP3A和AP3B這2個分支，第2次復制形成了AP3A1、AP3A2、AP3B1和AP3B2分支，并以此提出了蘭花花被片形成的“Homeotic Orchid Tepal”假說（圖2）。指出PI和AP3B分支決定花萼的發(fā)育；PI、AP3A1及AP3B分支決定側(cè)瓣的發(fā)育；PI、AP3A1及AP3A2分支和其他的MADS-box基因決定唇瓣的發(fā)育。此模型類似于蘭花密碼假說，但還指出了AP3A2分支在調(diào)控唇瓣發(fā)育中的作用而顯得更精確[49]。

4 展望

從古至今，花作為重要的觀賞部位，也是育種工作改良的目標。而對花的改良無非是花型、花色、花香。關(guān)于花香分子生物學的研究國內(nèi)外少有報道，而花型和花色方面的研究相對較多。對于洋蘭的育種及分子生物學方面工作相對于國蘭已經(jīng)比較成功了。國蘭在經(jīng)歷前些年的“蘭花熱”潮流的毀滅性打擊后，逐漸得以重視。國蘭正常的開花形態(tài)是由外輪（主瓣、副瓣）、內(nèi)輪（捧心、舌）各3瓣，再加上處于中心部位的蕊柱（俗稱“鼻”）構(gòu)成。凡發(fā)生與此正?；ㄐ筒煌淖儺?，或呈現(xiàn)瓣數(shù)增多，或發(fā)生蝶化現(xiàn)象，統(tǒng)稱為“奇種”。目前在墨蘭、蓮瓣蘭等國蘭中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多舌奇花的現(xiàn)象，并且表型穩(wěn)定，是由內(nèi)部基因控制。若能成功克隆出該變異基因，關(guān)于蘭花MADS-box基因?qū)òl(fā)育影響的研究將會有一個新的突破。

總的來說，蘭科植物開花的遺傳控制研究還不夠成熟。首先，蘭科植物本身就有800多屬，種類更是有30 000～35 000種，而且其內(nèi)部的基因組非常大，不是短時間內(nèi)能夠完成的。隨之而來的問題是克隆的基因太少，不能很好地說明該基因?qū)ζ浠ㄐ偷木唧w作用。此外，還需要開花時間調(diào)控方面進行研究，以進一步促進蘭花，尤其是國蘭的推廣。

參考文獻

[1] COEN E S，MEYEROWITZ E M.The war of the whorls：Genetic interactions controlling flower development[J].Nature，1991，353（6339）：31-37.

[2] SCHNEITZ K.The molecular and genetic control of ovule development[J].Curr Opinion Plant Biol，1999，2（1）：13-17.

[3] ANGENENT G C，F(xiàn)RANKEN J，BUSSCHER M，et al.A novel class of MADS box gene is involved in ovule development in petunia [J].Plant cell，1995，7（10）：1569-1582.

[4] FERRARIO S，IMMINK R G，SHCHENNIKOVA A，et al.The MADS box gene FBP2 is required for SEPALLATA function in petunia[J].Plant cell，2003，15（4）：914-925.

[5] HONMA T，GOTO K.Complexes of MADS-box proteins are sufficient to convert leaves into floral organs[J].Nature，2001，409（6819）：525-529.

[6] THEISSEN G，SAEDLER H.Floral quartets [J].Nature，2001，409：469-471.

[7] KAUFMANN K，MELZER R，THEISSEN G，et al.MIKC-type MADS-domain proteins：Structural modularity，protein interactions and network evolution in land plants[J].Gene，2005，347（2）：183-198.

[8] 唐璐璐，宋云澎，李交昆.花器官發(fā)育的分子機制研究進展[J].西北植物學報，2013，33（5）：1063-1070.

[9] BUZGO M，SOLTIS D E，SOLTIS D E.Floral development morphology of Amborella trichopoda（Amborellaceae）[J].International journal of plant sciences，2004，165（6）：925-947.

[10] KRAMER E M，HALL J C.Evolutionary dynamics of genes controlling floral development [J].Curr Opin Plant Biol，2005，8（1）：13-18.

[11] 崔波，武振江，劉佳，等.文心蘭開花相關(guān)OnAP1-like基因的克隆及表達分析[J].園藝學報，2014，41（2）：357-364.

[12] 袁秀云，田云芳，蔣素華，等.朵麗蝶蘭MADS-box基因DtpsMADS1的克隆與表達特性[J].植物研究，2014，34（1）：53-61.

[13] 徐小雁，龍明華，田敏.OMADS10和OAP3基因在文心蘭各器官中的表達[J].湖南農(nóng)業(yè)科學，2011，47（11）：1-3，7.

[14] 袁秀云，蔣素華，田云芳，等.1個蘭花MADA-box基因的克隆與表達分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報，2013，11（6）：683-690.

[15] 崔波，蔣素華，劉佳，等.萼脊蘭AP1-like基因的克隆與表達分析[J].西北植物學報，2013，33（9）：1739-1744.

[16] 吳菁華，吳少華，楊超，等.建蘭AP1基因的克隆、表達及其與MADS-box轉(zhuǎn)錄因子相互作用的分析[J].園藝學報，2013，40（10）：1935-1942.

[17] YU H，GOH C J.Identification and characterization of three orchid MADS-box genes of the AP1/AGL9 subfamily during floral transition[J].Plant physiol，2000，123（4）：1325-1336.

[18] HSU H F，HUANG C H，CHOU L T，et al.Ectopic expression of an orchid（Oncidium gower ramsey）AGL6-like gene promotes flowering by activating flowering time genes in Arabidopsis thaliana[J]. Plant cell physiology，2003，44（8）：783-794.

[19] 陳東紅.蝴蝶蘭SQUA-like基因的表達模式和功能分析[D].上海：復旦大學，2007：1-65.

[20] ZHANG J X，WU K L，TIAN L N，et al.Cloning and characterization of a novel CONSTANS-like gene from Phalaenopsis hybrida[J].Acta physiologiae plantarum，2011，33（2）：409-417.

[21] CHEN D H，GUO B，HEXIGE S Y，et al.SQUA-like genes in the orchid Phalaenopsis are expressed in both vegetative and reproductive tissue[J].Planta，2007，226（2）：369-380.

[22] SKIPPER M，PEDERSEN K B，JOHANSEN L B，et al.Identification and quantification of expression levels of three FRUITFULL-like MADS-box genes from the orchid Dendrobium thyrsiflorum（Reichb.f.）[J].Plant Sci，2005，169（3）：579-586.

[23] 徐小雁.文心蘭AP3-like基因的克隆與表達分析研究[D].廣西：廣西大學，2011：1-57.

[24] 向林，李伯均，秦德輝，等.春蘭GLO基因的克隆和實時定量表達分析[J].浙江農(nóng)業(yè)學報，2011，23（3）：517-522.

[25] TSAI W C，KUOH C S，CHUANG M H，et al.Four DEF-like MADS box genes displayed distinct floral morphogenetic roles in Phalaenopsis orchid [J].Plant cell physiol，2004，45（7）：831-844.

[26] 向林，秦德輝，李小白，等.蕙蘭B類MADS-box基因的克隆及表達分析[J].園藝學報，2011，38（12）：2333-2341.

[27] 張俊芳，李志英，徐立.海南鉆喙蘭B類MADS-box基因的克隆與表達分析[J].分子植物育種，2013，11（4）：570-574.

[28] 陳小強，王春國，李秀蘭，等.大花蕙蘭MADS-box基因ChMADS1的克隆及表達分析[J].南開大學學報（自然科學版），2008，41（6）：1-7.

[29] 李冬梅，呂復兵，朱根發(fā)，等.兜蘭DEFICIENS（DEF）-和GLOBOSA（GLO）-like基因的克隆及表達分析[J].西北植物學報，2012，32（2）：215-224.

[30] 張浩.蝴蝶蘭花發(fā)育相關(guān)B族和C族MADS盒基因的功能研究[D].上海：復旦大學，2009：1-51.

[31] 郭濱，陳東紅，戴薇，等.蝴蝶蘭花發(fā)育相關(guān)基因pPI9的克隆與表達分析[J].復旦學報（自然科學版），2006，45（3）：277-282.

[32] 張浩，郭濱，李敏，等.蝴蝶蘭PhAP3基因的表達特性研究[J].復旦學報（自然科學版），2010，49（1）：16-20.

[33]XU Y F，TEO L L，ZHOU J，et al.Floral organ identity genes in the orchid Dendrobium crumenatum[J].Plant J，2006，46（1）：54-68.

[34] KRAMER E M，DORIT R L，IRISH V F.Molecular evolution of genes controlling petal and stamen development：Duplication and divergence within the APETALA3 and PISTILLATA MADS-box gene lineages[J].Genetics，1998，149（2）：765-783.

[35] TSAI W C，PAN Z J，HSIAO Y Y，et al.Interactions of B-class complex proteins involved in tepal development in Phalaenopsis orchid [J].Plant cell physiology，2008，49（5）：814-824.

[36] KIM S Y，YUN P Y，F(xiàn)UKUDA T，et al.Expression of a DEFICIENS-like gene correlates with the differentiation between sepal and petal in the orchid，Habenaria radiata （Orchidaceae）[J].Plant Sci，2007，172（2）：319-326.

[37] SONG I J，NAKAMURA T，F(xiàn)UKUDA T，et al.Spatiotemporal expression of duplicate AGAMOUS orthologues during floral development in Phalaenopsis[J].Dev Genes Evol，2006，216（6）：301-313.

[38] ZAHN L M，KONG H Z，LEEBENS-MACK J H，et al.The evolution of the SEPALLATA subfamily of MADS-box genes：A preangiosperm origin with multiple duplications throughout angiosperm history[J].Genetics，2005，169（4）：2209-2223.

[39] 崔榮峰，孟征.花同源異型MADS-box基因在被子植物中的功能保守型和多樣性[J].植物學通報，2007，24（1）：31-41.

[40] 孫崇波，向林，施季森，等.春蘭AGL6基因的克隆及實時定量表達分析[J].分子植物育種，2010，8（5）：939-944.

[41] 賈春蕾，向林，秦德輝，等.春蘭CgSEP3基因的克隆和表達分析[J].西北植物學報，2014，34（7）：1305-1310.

[42] 陳敏燕，郭無瑕，劉小如，等.金釵石斛SEP3-like基因的克隆及其在春化過程中的表達分析[J].園藝學報，2011，38（8）：1579-1588.

[43] 羅云汝.AGL6-like基因參與蝴蝶蘭花被發(fā)育之探討[D].臺南：成功大學，2009.

[44] 鄭至勤.參與蝴蝶蘭唇瓣發(fā)育之轉(zhuǎn)錄因子與研究[D].臺南：成功大學，2007.

[45] 呂山花，孟征.MADS-box基因家族基因重復及其功能的多樣性[J].植物學通報，2007，24（1）：60-70.

[46] MONDRAGN-PALOMINO M，THEISSEN G.MADS about the evolution of orchid flowers[J].Trends Plant Sci，2008，13（2）：51-59.

[47] MONDRAGN-PALOMINO M，THEISSEN G.Conserved differential expression of paralogous DEFICIENS-and GLOBOSA-like MADS-box genes in the flowers of Orchidaceae：Refining the ‘orchid code[J].The plant journal，2011，66（6）：1008-1019.

[48] PAN Z J，CHENG C C，TSAI W C，et al.The duplicated B-class MADS-box genes display dualistic characters in orchid floral organ identity and growth[J].Plant and cell physiology，2011，52（9）：1515-1531.

[49] HSIAO Y Y，PAN Z J，HSU C C，et al.Research on orchid biology and biotechnology [J].Plant cell physiology，2011，52（9）：1467-1486.