付正莉， 劉 蕊， 王寧寧， 朱克明， 陳 松， 張潔夫， 譚小力

(1.江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，江蘇南京 210014)

植物分枝(branching)是植物普遍存在的生長(zhǎng)現(xiàn)象，腋芽形成后進(jìn)一步生長(zhǎng)形成側(cè)枝，側(cè)枝上的腋芽也可以發(fā)育成側(cè)枝，進(jìn)而形成株系。植物分枝受基因、激素、自然環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)條件等多種因素的影響，也與作物的產(chǎn)量有關(guān)，可通過(guò)影響作物的結(jié)實(shí)量進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量。

腋生分生組織(axillary meristem，簡(jiǎn)稱AM)的形成與腋芽的生長(zhǎng)為植物分枝發(fā)育的2個(gè)階段。腋生分生組織在葉片的葉腋處生成，進(jìn)而發(fā)育成腋芽，腋芽生長(zhǎng)成為側(cè)枝。側(cè)枝具有與主莖相同的能力，如產(chǎn)生葉片、花等組織。由于植物的性質(zhì)和種類有差異，植物的地上株型和分枝組成也各不相同。觀察植株的分枝形態(tài)，可以將所有的分枝歸為五大類：?jiǎn)屋S分枝(monopodial branching)、合軸分枝(sympodial branching)、假二叉分枝(false dichotomous branching)、二叉分枝(dichotomous branching)、分蘗(tiller)。通過(guò)對(duì)植物分枝發(fā)育調(diào)控機(jī)制的研究，從水稻、擬南芥、番茄、玉米、矮牽牛突變體中得到一系列與分枝相關(guān)的基因。由于這些基因影響分枝發(fā)育的階段存在差異，將其歸納為三大類：第一類是參與腋生分生組織形成的基因，如MOC/LS、LAX、BLIND等；第二類是參與腋生分生組織生長(zhǎng)的基因，如MAX、RMS、DAD等；第三類是對(duì)上述2個(gè)方面均有影響的基因，如TB1、SPS/BUS。

本文將從腋生分生組織的形成和生長(zhǎng)2個(gè)方面著手，闡述參與調(diào)節(jié)植物分枝發(fā)育相關(guān)基因的研究進(jìn)展，以期為植物分枝的分子機(jī)制研究提供參考。

1 調(diào)控腋生分生組織形成的基因

1.1 Lateral suppressor(簡(jiǎn)稱LAS)與LS基因

LS基因調(diào)控腋生分生組織的形成，起初是從番茄突變體中被發(fā)現(xiàn)的。番茄LS突變體在營(yíng)養(yǎng)生殖階段不能產(chǎn)生腋生分生組織，同時(shí)花的發(fā)育也會(huì)產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致花瓣喪失以致生育率下降[1]。LS基因編碼的蛋白屬于GRAS家族的VHIID轉(zhuǎn)錄因子，且GRAS蛋白僅在植物中被發(fā)現(xiàn)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面具有重要作用[2]。LS和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑Goblet分級(jí)調(diào)控番茄葉基部異位分生組織的形成，異位分生組織形成導(dǎo)致芽數(shù)量的增加，增強(qiáng)了生存能力并打開了營(yíng)養(yǎng)繁殖的途徑[3]，Gob和Ls以分級(jí)方式行使功能，因?yàn)長(zhǎng)s轉(zhuǎn)錄物積累取決于Gob活性，但反之亦然。擬南芥Lateralsuppressor(簡(jiǎn)稱LAS)基因是LS的同源基因，其在葉原基的近軸邊界處的帶型結(jié)構(gòu)域中表達(dá)，是腋生分生組織形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)子，該基因突變后植株幾乎無(wú)分枝[4]。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，LAS功能和調(diào)節(jié)在進(jìn)化上是高度保守的。進(jìn)一步研究表明，LAS的邊界特異性表達(dá)是由其開放閱讀框下游高度保守的增強(qiáng)子所控制的，并且調(diào)節(jié)序列在LAS和LS中是功能保守的[5]。

1.2 Monoculm1(簡(jiǎn)稱MOC1)

水稻MOC1與來(lái)自番茄和擬南芥的LS/LAS屬于同源基因，是通過(guò)圖位克隆方法從少分蘗水稻突變體植株中分離出來(lái)的[6]。MOC1定位在核內(nèi)，編碼的蛋白屬于GRAS家族蛋白。水稻單稈突變體moc1為1個(gè)主莖且無(wú)分枝產(chǎn)生，而在野生型植株中過(guò)表達(dá)MOC1，植株分蘗大量增加，說(shuō)明MOC1基因作為轉(zhuǎn)錄因子對(duì)水稻分蘗起到正調(diào)控的作用。MOC1基因參與調(diào)控水稻AM的起始和分蘗芽的生成，促進(jìn)分蘗芽的伸長(zhǎng)，且在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)時(shí)期都影響分枝發(fā)育。研究者近期報(bào)道了2個(gè)新型基因TAD1[7]和TE[8]，這2個(gè)基因被證實(shí)作用于MOC1的上游，在葉腋處與MOC1共表達(dá)，并通過(guò)調(diào)控MOC1基因來(lái)決定水稻的分枝。TAD1從tad1(tilleringanddwarf1)分蘗矮化突變體中分離出來(lái)，該突變體表現(xiàn)為分蘗增多且植株矮化。研究表明，TAD1編碼1個(gè)后期促進(jìn)復(fù)合物泛素連接酶(APC/C)的共激活因子，APC/CTAd1復(fù)合物與OsAPC10結(jié)合后作為APC/C的共激活因子作用于MOC1基因，以細(xì)胞周期依賴性方式使靶基因MOC1降解。從多分蘗突變體Te(tiller enhancer)中分離出TE基因，TE編碼1個(gè)水稻同源基因Cdh1，即泛素連接酶APC/C的輔激活因子。APC/CTE復(fù)合物與OSCDC27、MOC1相互作用，通過(guò)泛素化26S蛋白酶體途徑介導(dǎo)MOC1的降解。如圖1所示，水稻通過(guò)MOC1降解調(diào)節(jié)分枝，最終影響水稻谷粒產(chǎn)量[9]。

1.3 BLIND(簡(jiǎn)稱BL)/RAX1

Blind番茄突變體表現(xiàn)為腋生分生組織的形成在莖和花序的發(fā)育時(shí)期受到抑制，進(jìn)而使分枝數(shù)量減少。BLIND基因從番茄突變體blind中被分離出來(lái)，通過(guò)編碼MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)腋生分生組織的起始[10]，同時(shí)其他側(cè)生分生組織的形成如側(cè)莖、合軸莖等均受到抑制。BLIND基因?qū)儆贛YB轉(zhuǎn)錄因子家族中的R2R3類，該家族參與調(diào)節(jié)植物次生代謝、細(xì)胞周期過(guò)程。比較基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥分枝調(diào)節(jié)基因REGULATOROFAXILLARYMERISTEMS1(RAX1)與BLIND同源，屬于R2R3MYB基因家族。擬南芥rax1突變體表型與blind相似，即側(cè)生分生組織形成受阻，分枝減少。通過(guò)表達(dá)研究和互補(bǔ)試驗(yàn)分析表明，BLIND、RAX基因由于啟動(dòng)子分化，已經(jīng)具有子功能或者新功能化。由功能獲得性突變植株得出，基因LS/LAS和BLIND/RAX均通過(guò)抑制生長(zhǎng)發(fā)揮作用[11]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，LS/LAS和BLIND/RAX功能在參與腋生分生組織AM的形成過(guò)程中具有冗余性[10]。同時(shí)，RAX1在LAS之前表達(dá)，并僅限于腋生分生組織的中心，是最早的腋生分生組織定位基因。

1.4 LAX/BA1

水稻LAX1(LAXPANICLE1)編碼轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過(guò)定位克隆方法從lax1突變體中分離出來(lái)[12]。水稻LAX1(LAXPANICLE1)突變體表現(xiàn)為花序較少、側(cè)生小穗缺失腋生分生組織導(dǎo)致其生長(zhǎng)受抑制。進(jìn)一步研究表明，LAX1在水稻生殖生長(zhǎng)時(shí)期調(diào)節(jié)腋生分生組織的起始，在相同的遺傳途徑中，與SPA(smallpanicle)基因具有冗余性。lax/spa雙突變體植株表現(xiàn)為花序無(wú)分枝、分蘗數(shù)嚴(yán)重減少、腋生分生組織的形成被抑制。LAX1瞬時(shí)積聚在第四葉隔期腋生分生組織起始時(shí)，并嚴(yán)格調(diào)節(jié)mRNA的表達(dá)和控制隨后蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)[13]。LAX2基因通過(guò)圖位克隆的方法從lax2(laxpanicle2)突變體中被分離出來(lái)，并且與lax1具有相似的表型，即大多數(shù)側(cè)生小穗腋生分生組織缺失、花序減少。LAX2編碼1個(gè)核定位蛋白且與LAX1相互作用，共同調(diào)節(jié)水稻腋生分生組織的形成[14]。

玉米中barrenstalk1(簡(jiǎn)稱ba1)基因與玉米LAX基因同源，編碼bHLH(basic helix-loop-helix)轉(zhuǎn)錄因子。ba1突變體側(cè)生分生組織的形成在營(yíng)養(yǎng)和生殖生長(zhǎng)時(shí)期被抑制，表型與lax突變體相似。研究證實(shí)，BA1可與BIF2(barren inflorescence 2)發(fā)生互作[15]，BIF2基因編碼1個(gè)蛋白激酶，參與調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素信號(hào)運(yùn)輸過(guò)程[16]。BA1直接受到BIF2磷酸化調(diào)節(jié)，被激活后進(jìn)而調(diào)節(jié)下游基因Kn1(knotted1)表達(dá)和蛋白分布[17-19]，Kn1屬于同源異形盒基因，編碼1種轉(zhuǎn)錄因子，在莖分生組織形成和維持中具有重要作用。如果BA1發(fā)生突變，下游基因Kn1無(wú)法發(fā)揮作用，最終導(dǎo)致AM的形成受阻，植株分枝減少[20-21]。

2 調(diào)控腋生分生組織生長(zhǎng)相關(guān)基因

2.1 MAX/RMS/DAD/D

擬南芥moreaxillarygrowth(簡(jiǎn)稱max)突變體相比于野生型植株分枝增多、株高降低，與豌豆ramosus(簡(jiǎn)稱rms)基因、矮牽牛decreasedapicaldominance(簡(jiǎn)稱dad)基因、水稻dwarf(簡(jiǎn)稱d)基因突變體表型類似，max1、max3、max4在植株根部、莖部抑制分枝。MAX/RMS/DAD/D基因參與獨(dú)腳金內(nèi)酯(strigolactones，簡(jiǎn)稱SLs)生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。獨(dú)腳金內(nèi)酯是一種調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的新型植物激素，在植物根部產(chǎn)生，沿莖干向上運(yùn)輸，直接或間接抑制植物分枝發(fā)育。

擬南芥MAX3與水稻D17、矮牽牛DAD3、豌豆RMS5屬于同源基因[22-24]，編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7(簡(jiǎn)稱CCD7)。MAX3編碼1個(gè)質(zhì)體定位蛋白，相比于在根中的表達(dá)水平，在莖和穗中的表達(dá)水平較高，同時(shí)還受到生長(zhǎng)素的調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)植物側(cè)枝發(fā)育具有保守性。MAX4編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶8(簡(jiǎn)稱CCD8)，與水稻D10、矮牽牛DAD1、豌豆RMS1同源[25-26]。MAX4/D10/DAD1/RMS1定位在質(zhì)體上，在植株中表達(dá)量低，也受生長(zhǎng)素誘導(dǎo)[26]。MAX4參與SL的合成過(guò)程，并在CCD7的下游發(fā)揮作用[27]。MAX1/OsMAX1[28-29]編碼細(xì)胞色素蛋白P450，可抑制側(cè)枝的發(fā)育[30]。研究表明，MAX1/OsMAX1在MAX3/D17/RMS5/DAD3、MAX4/D10/RMS1/DAD1下游發(fā)揮作用，通過(guò)以CCD7和CCD8的反應(yīng)產(chǎn)物或其他代謝物為底物，合成SLs復(fù)合物[31]。擬南芥MAX2與水稻D3[32]、豌豆RMS4屬于同源基因，MAX2編碼1種F-box蛋白。max突變體相比于野生型植株初級(jí)分枝數(shù)較少，腋芽分生組織生長(zhǎng)受抑制。MAX2/D3/RMS4位于MAX1/OsMAX1、MAX3/D17/RMS5/DAD3、MAX4/D10/RMS1/DAD1M基因下游，在抑制分枝的過(guò)程中不可或缺。近期報(bào)道表明，水稻D53[33-34]、D27[35]、D14/D88/HTD2/AtD14/DAD2等基因也通過(guò)參與SL信號(hào)途徑調(diào)節(jié)植物的分枝發(fā)育。將上述基因按參與獨(dú)腳金內(nèi)酯途徑功能不同歸類，即MAX3/D17/RMS5/DAD3、MAX4/D10/RMS1/DAD1、OsMAX1s/MAX1參與調(diào)控SL的合成；MAX2/D3/RMS4及D53、D14/D88/HTD2/AtD14/DAD2、MAX2/D3/RMS4調(diào)控SL的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

2.2 WUS/OsWUS

擬南芥WUS(wuschel)基因?qū)儆赪OX家族，與水稻OsWUS、MOC3基因及玉米Zm-WUS1、ZmWUS2基因同源[36-37]。WUS在莖端分生組織中表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞增殖。WUS功能獲得性突變體植株表現(xiàn)為下胚軸細(xì)長(zhǎng)，相反，WUS功能缺失性突變體下胚軸的伸長(zhǎng)被抑制。研究表明，WUS基因在下胚軸異位表達(dá)時(shí)通過(guò)其靶基因GLUTAMINE-RICHPROTEIN23(GRP23)促進(jìn)細(xì)胞分裂[38]。水稻OsWUS、MOC3基因與擬南芥WUS同源[37]，OsWUS在調(diào)控水稻分蘗時(shí)其同源異形域起到關(guān)鍵作用[39]。水稻單稈基因MONOCULM3(MOC3)[40]是最近通過(guò)圖位克隆方法被分離出來(lái)的，在moc3中，分蘗芽的起始受到阻斷，植株幾乎沒(méi)有分蘗。MOC3定位在核內(nèi)，編碼1個(gè)核定位轉(zhuǎn)錄因子，MOC3發(fā)生點(diǎn)突變，導(dǎo)致OsWUS的表達(dá)提前終止。研究表明，MOC3調(diào)控腋芽的形成受到細(xì)胞分裂素的誘導(dǎo)。MOC3功能缺失時(shí)，會(huì)影響細(xì)胞分裂素響應(yīng)調(diào)節(jié)因子OsRRs、ORR的表達(dá)，且可與TPR(topless-related protein)蛋白發(fā)生互作，TPL/TPR是一類在植物中廣泛存在的轉(zhuǎn)錄共抑制子(co-repressor)，在激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起到基因轉(zhuǎn)錄抑制作用。而獨(dú)腳金內(nèi)酯途徑中D53蛋白與TPL/TPR蛋白形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體，協(xié)同抑制SL信號(hào)下游靶基因的表達(dá)[33]，提示MOC3可能通過(guò)與TPR互作參與SL途徑，從而影響SL信號(hào)途徑下游基因的響應(yīng)。

3 調(diào)控腋生分生組織形成和生長(zhǎng)的基因

3.1 TB1/OsTB1

TB1(teosintebranched1)基因編碼1個(gè)含TCP[TCP為最先發(fā)現(xiàn)的3個(gè)該家族的蛋白名稱的首字母縮寫，分別是玉米中的TEOSINTE BRANCHED1(TB1)、金魚草中的CYCLOIDEA(CYC)和水稻中的PROLIFERATING CELL FACTORS(PCF)]。結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，屬于TCP蛋白家族一員。TCP結(jié)構(gòu)域由1個(gè)螺旋-環(huán)-螺旋構(gòu)型和DNA結(jié)合的基序組成[41]。玉米TB1基因可抑制側(cè)枝發(fā)育和雄花的形成，隨著植株生長(zhǎng)，其表達(dá)量逐漸減少，即兩者呈負(fù)相關(guān)。玉米TB1的同源基因水稻OsTB1基因通過(guò)圖位克隆被分離得到。水稻中OsTB1作為分枝的負(fù)調(diào)控基因，明顯受到MOC1調(diào)節(jié)。從Ostb1轉(zhuǎn)基因水稻的表型來(lái)看，分蘗和圓錐花序的數(shù)量在過(guò)表達(dá)OsTB1水稻中減少，而在RNAi干擾OsTB1水稻中增多，進(jìn)一步表明OsTB1對(duì)水稻分枝起負(fù)調(diào)控作用[42-44]。近期有報(bào)道表明，OsTB1調(diào)控OsIAA6的表達(dá)，Osiaa6干擾突變體表現(xiàn)出非正常分蘗生長(zhǎng)，OsIAA是水稻Aux/IAA的同源基因，在莖基部的葉腋分生組織中特異表達(dá)，同時(shí)受到生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPIN1的調(diào)控作用。生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN介導(dǎo)生長(zhǎng)素運(yùn)輸，其中OSPIN1、OSPIN2和OsPIN3t/3a/10a、OsPIN5b參與生長(zhǎng)素運(yùn)輸和分布[45-48]。試驗(yàn)結(jié)果表明，OsTB1調(diào)控生長(zhǎng)素相關(guān)基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素水平，維持植物激素平衡，參與到水稻分蘗生長(zhǎng)調(diào)節(jié)的過(guò)程中[49]。

FC1(FINECULM1)[50]從多分蘗水稻細(xì)稈突變體fc1中被分離出來(lái)，編碼轉(zhuǎn)錄因子且與TB1基因同源，序列分析顯示，fc1的OsTb1開放閱讀框的第327位堿基(C堿基)缺失導(dǎo)致移碼突變，產(chǎn)生終止密碼子，引起了隨后的轉(zhuǎn)錄和翻譯終止。用獨(dú)腳金內(nèi)酯類似物GR24處理fc1植株時(shí)，植株表型不受影響，說(shuō)明FC1是SL抑制腋芽生長(zhǎng)所必需的，在d3突變體中過(guò)表達(dá)水稻FC1，可以部分恢復(fù)d3的表型，提示FC1作用于SL的下游，其表達(dá)量受到D53基因的抑制[34]。此外，細(xì)胞分裂素和SL可快速地減少和增加腋芽中FC1的表達(dá)量，意味著FC1/TB1可能是細(xì)胞分裂素和SL途徑的共同靶目標(biāo)[51]。

3.2 Supershoot(簡(jiǎn)稱SPS)與bushy(簡(jiǎn)稱BUS)

sps突變體和bus突變體均在擬南芥中被發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)為分枝和花序濃密。除此之外，bus突變體還表現(xiàn)出葉片皺縮、維管生長(zhǎng)緩慢。在sps突變體中，細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素水平提高，SPS/BUS在植株葉腋處表達(dá)水平最高，說(shuō)明SPS/BUS基因在葉腋處通過(guò)間接或直接調(diào)節(jié)植物激素水平進(jìn)而調(diào)控植株腋生分生組織的形成發(fā)育[52-53]。SPS/BUS編碼的蛋白屬于細(xì)胞色素P450 CYP79F1亞家族成員，參與生長(zhǎng)素的合成過(guò)程[52]，將CYP79F1失活后，植株頂端優(yōu)勢(shì)上升，生長(zhǎng)素增多[54-55]。調(diào)節(jié)植物分枝發(fā)育基因的編碼蛋白及其功能等信息見(jiàn)表1。

4 討論

植物分枝基因包含在多個(gè)進(jìn)程中：在蛋白降解途徑方面，探究蛋白與已知成分的相互作用在了解獨(dú)腳金內(nèi)酯調(diào)節(jié)植物分枝機(jī)制方面也起到了關(guān)鍵作用；在植物激素途徑方面，通過(guò)改變激素的含量調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素的平衡等來(lái)起作用；有些基因?qū)儆谵D(zhuǎn)錄因子，通過(guò)調(diào)控其他基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)發(fā)揮作用。隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的快速發(fā)展，植物腋生分生組織的形成和腋芽的生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制已被了解。特別是通過(guò)篩選突變體而克隆出與植物分枝相關(guān)的新基因，然后用轉(zhuǎn)基因技術(shù)鑒定出包含在植物分枝過(guò)程中的這些基因，可為闡明植物分枝發(fā)育機(jī)制提供理論依據(jù)。人們希望通過(guò)對(duì)分枝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解，找出關(guān)鍵基因并進(jìn)行改造，進(jìn)而培育出抗倒伏、高產(chǎn)等具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀的農(nóng)作物。

表1 調(diào)節(jié)植物分枝發(fā)育的基因

目前，已有超過(guò)100種植物品種完成基因組測(cè)序工作，部分植株突變體庫(kù)也已建立，推進(jìn)了植物分枝機(jī)制的研究進(jìn)程和優(yōu)良農(nóng)作物的培育工作。近幾年來(lái)，科學(xué)家從重要的單子葉模式生物水稻中克隆出大量分枝相關(guān)基因，并將其與擬南芥比較，得到同源基因。通過(guò)對(duì)水稻突變體的研究，發(fā)現(xiàn)新的基因和新的分枝發(fā)育調(diào)節(jié)途徑，有助于對(duì)植物分枝發(fā)育機(jī)制的進(jìn)一步研究。

通過(guò)科學(xué)家的不斷努力，植物分枝發(fā)育分子機(jī)制及信號(hào)通路中基因間的關(guān)系逐漸清晰。但植物分枝發(fā)生過(guò)程受到多途徑調(diào)控，包括基因、遺傳、激素、環(huán)境等相互作用的調(diào)節(jié)均可影響植株分枝的正常發(fā)育。因此，人們?cè)谥参锓种Πl(fā)育機(jī)制的研究中還需要付出很多努力。