曾 康，汪淑雯，周冰瑩，王華森，徐云敏

（浙江農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院 浙江省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改良技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300）

葫蘆科Cucurbitaceae植物多為1年生爬藤植物，全球廣泛分布，以熱帶和亞熱帶地區(qū)居多；葫蘆科共有90屬800余種，中國(guó)有26屬130余種，以西南地區(qū)各省最為豐富[1]。葫蘆科植物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，其重要性僅次于禾本科Gramineae、豆科Leguminosae和茄科Solanaceae。葫蘆科園藝作物為人類日常生活所需蔬菜和水果的重要來(lái)源，如黃瓜Cucumissativus、南瓜Cucurbitamoschata、絲瓜Luffacylindrica等重要蔬菜[2]，西瓜Citrulluslanatus、甜瓜Cucumismelo等重要水果[3]；此外，葫蘆Lagenariasiceraria還與中國(guó)特殊文化息息相關(guān)。卷須是葫蘆科植物重要的形態(tài)學(xué)特征，賦予其攀爬和附著能力，來(lái)獲取更好的生存條件(如空間、光照等)，但是，卷須與植物生長(zhǎng)發(fā)育之間并沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)性。生產(chǎn)中，多為爬地或人工綁蔓栽培，卷須則成為消耗養(yǎng)分的多余器官。因此，卷須需人工摘除，一來(lái)減少養(yǎng)分消耗，防止卷須和果實(shí)之間的養(yǎng)分需求競(jìng)爭(zhēng)；二來(lái)便于人工控制植物空間分布，防止因卷須造成的無(wú)序攀爬生長(zhǎng)。卷須的摘除不僅增加勞動(dòng)力成本，摘除后留下的傷口也為病菌滋生提供機(jī)會(huì)，因此，無(wú)卷須育種是滿足設(shè)施園藝栽培需求的重要育種方向。卷須為植物特殊的觸覺(jué)器官，適當(dāng)?shù)拇碳ぜ纯蓪?dǎo)致滲透驅(qū)動(dòng)的可逆纏繞，卷須纏繞可敏感地響應(yīng)外界環(huán)境(光、溫度)和內(nèi)源信號(hào)(生長(zhǎng)素、茉莉酸、鈣離子)刺激，因此，卷須是研究特定條件刺激和植物快速應(yīng)答的良好模型[4]。葫蘆科植物卷須最近被確定為莖(側(cè)枝)變態(tài)來(lái)源，且受關(guān)鍵基因TCP1調(diào)控[5]，為植物卷須發(fā)生調(diào)控的標(biāo)志性研究成果。伴隨著葫蘆科植物遺傳轉(zhuǎn)化體系和基因編輯技術(shù)的日趨成熟[6]，實(shí)現(xiàn)無(wú)卷須精準(zhǔn)編輯育種將成為可能?；诖?，本研究對(duì)葫蘆科園藝作物卷須變態(tài)來(lái)源、關(guān)鍵調(diào)控基因、卷須特異(或高量)表達(dá)基因、環(huán)境條件和內(nèi)源激素調(diào)控卷須等方面的研究結(jié)果進(jìn)行綜述。

1 植物卷須的不同變態(tài)來(lái)源

卷須是植物行使攀爬、吸附、機(jī)械支撐的特殊變態(tài)器官，有助于植物獲取有利的光照條件和生存空間。不同科屬植物卷須的變態(tài)來(lái)源不盡相同，可分為花序變態(tài)卷須、葉變態(tài)卷須和莖變態(tài)卷須(圖1)[7]。不同變態(tài)來(lái)源的卷須，其發(fā)生過(guò)程和調(diào)控機(jī)制存在顯著差異。

1.1 花序變態(tài)來(lái)源的卷須

花序變態(tài)來(lái)源卷須的植物常見(jiàn)于葡萄科Vitaceae、西番蓮科Passifloraceae、花須藤科Petermanniaceae、無(wú)患子科 Sapindaceae、蓼科 Polygonaceae、夾竹桃科 Apocynaceae、車前草科Plantaginaceae和桔?？艭ampanulaceae[7]。該類型植物卷須發(fā)生的典型特征為：植物早期無(wú)卷須，進(jìn)入生殖期后才發(fā)生卷須。其中，以葡萄科和西番蓮科報(bào)道居多[8]。

圖 1 植物不同變態(tài)來(lái)源的卷須[7]Figure 1 The formation of tendril in different plants

葡萄Vitisvinifera為葡萄科葡萄屬Vitis木質(zhì)藤本植物，其卷須與花序?yàn)橥雌鞴?圖1A)。BOSS等[9]基于一份矮化葡萄無(wú)卷須突變體材料，發(fā)現(xiàn)其卷須被替換為花序，證明葡萄卷須為花序的變態(tài)器官。研究發(fā)現(xiàn)：矮化無(wú)卷須葡萄為VvGAI(編碼DELLA蛋白)的赤霉素不敏感型突變，VvGAI與小麥Triticum aestivum綠色革命基因Reducedheight-1和擬南芥Arabidopsisthalianainsensitive(GAI)基因同源，證明赤霉素可抑制葡萄花序，促進(jìn)卷須發(fā)生[9]。

1.2 葉變態(tài)來(lái)源的卷須

葉變態(tài)來(lái)源卷須的植物常見(jiàn)于豆科Fabaceae、菊科Asteraceae、紫葳科Bignoniaceae、罌粟科Papaveraceae、毛茛科Ranunculaceae和花荵科Polemoniaceae[7]，其中，以豆科的豌豆Pisumsativum被研究得最為清楚[7]。豌豆葉片屬于復(fù)葉，復(fù)葉末端的小葉變態(tài)形成卷須。因此，較容易判斷其卷須為葉片來(lái)源的變態(tài)器官(圖1B)。

豌豆中存在豐富的卷須缺陷材料，如uni、tl、lath等[10]。HOFER等[10]基于tendril-less(tl)研究發(fā)現(xiàn)：HD-ZIP Ⅰ為豌豆卷須發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控子，HD-ZIP Ⅰ通過(guò)抑制葉片舒展從而變態(tài)發(fā)育形成卷須。此外，UNIFOLIATA/LEAFY、LATH可通過(guò)HD-ZIP Ⅰ調(diào)控豌豆卷須發(fā)生。進(jìn)化樹分析顯示：該HD-ZIPⅠ屬于一個(gè)特殊小分支家族基因，推測(cè)蝶形花亞科Papilionoideae野豌豆Viciasepium的卷須進(jìn)化產(chǎn)生與HD-ZIPⅠ基因的獲得相關(guān)[10]。

1.3 莖變態(tài)來(lái)源的卷須

莖變態(tài)是被子植物卷須最為常見(jiàn)的形式，植物莖變態(tài)卷須分多次獨(dú)立進(jìn)化產(chǎn)生。莖變態(tài)卷須植物常見(jiàn)于：木蘭目Magnoliales的番荔枝科Annonaceae；超菊類植物，如鐵青樹科Olacaceae、茶茱萸科Icacinaceae、夾竹桃科Apocynaceae和馬錢科Loganiaceae；薔薇類植物，如衛(wèi)矛目Celastrales、酢漿草目Oxalidales、金虎尾目Malpighiales、豆目Fabales、薔薇目Rosales、葫蘆目Cucurbitales和無(wú)患子目Sapindales[7]。有趣的是，薔薇類植物下屬的各個(gè)目幾乎都含有莖變態(tài)卷須的代表植物。相較于花序變態(tài)和葉變態(tài)卷須，莖變態(tài)卷須研究積累較少，且僅限于葫蘆科植物[7]。

1.4 葫蘆科植物卷須的莖變態(tài)來(lái)源

卷須是葫蘆科植物重要的形態(tài)學(xué)特征，除少數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇?如Momordicaspinosa)或者丟失(如Citrullusecirrhosus，Melanciumcampestre)之外，葫蘆科植物普遍具有卷須[7]。葫蘆科植物卷須發(fā)生于葉腋處。該位置同時(shí)存在側(cè)分枝、葉片、花序，因此，卷須變態(tài)來(lái)源一直存在爭(zhēng)議。曾經(jīng)流行3種不同的觀點(diǎn)：花變態(tài)[11]、莖變態(tài)[12]、莖-葉變態(tài)[5]。GERRATH等[12]對(duì)刺囊瓜Echinocystislobata葉腋復(fù)合體(axillary bud complex)產(chǎn)生雌雄花序、側(cè)分枝、卷須的次序進(jìn)行詳細(xì)觀察，提出葫蘆科植物卷須為側(cè)分枝變態(tài)器官。

解剖觀察發(fā)現(xiàn)：葫蘆科植物卷須的結(jié)構(gòu)與莖的結(jié)構(gòu)存在相似性。SENSARMA[13]發(fā)現(xiàn)：葫蘆科植物卷須內(nèi)部的維管結(jié)構(gòu)與莖(或者莖-葉)的維管結(jié)構(gòu)相似，暗示其卷須與莖為同源器官。譚敦炎等[14]解剖發(fā)現(xiàn)：西瓜卷須的結(jié)構(gòu)與莖的結(jié)構(gòu)基本相似。何金鈴等[15]解剖發(fā)現(xiàn)：黃瓜卷須和莖的橫切面均包含表皮、皮層與維管柱3個(gè)部分；卷須解剖結(jié)構(gòu)由基部向末梢越來(lái)越簡(jiǎn)單，主要表現(xiàn)為皮層中的厚角組織和厚壁細(xì)胞層數(shù)逐漸減少，維管束結(jié)構(gòu)逐漸簡(jiǎn)化。此外，黃瓜卷須基部維管柱內(nèi)含有維管束5～9束(通常為5束)，排成1圈，遠(yuǎn)軸面3束，較大；近軸面2束，較??；卷須的維管束結(jié)構(gòu)與莖相同，為典型的雙韌維管束[15]。解剖結(jié)構(gòu)的相似性，也提示葫蘆科植物卷須的莖變態(tài)來(lái)源。

瓜類蔬菜遺傳協(xié)會(huì)(Cucurbit Genetics Cooperative, http://cuke.hort.ncsu.edu/cgc/)記錄的葫蘆科植物卷須缺陷突變體，包括黃瓜的tendrilless(td)[16]、西瓜的tendrilless/branchless(tl/bl)[17]、西葫蘆Cucurbita pepo的tendrilless(td)[18]，多為卷須發(fā)育缺陷、退化的突變體，而非卷須發(fā)生缺陷突變體，且相應(yīng)功能基因未被克隆。

OIZUMI等[19]于2005年報(bào)道一份甜瓜無(wú)卷須(Tendril-less，TL)材料“Chiba TL”?！癈hiba TL”源自甜瓜品種‘Fuyukei 1’的自發(fā)突變(收集于1991年)，為單基因隱性突變。MIZUNO等[5]將“Chiba TL”(簡(jiǎn)寫為ctl)與“Fuyukei 1”(Wildtype，簡(jiǎn)寫為CTL)雜交獲得CTL/ctl雜合子，詳細(xì)記錄CTL、CTL/ctl、ctl的卷須發(fā)生。CTL的第5節(jié)位及之后節(jié)位均發(fā)生1個(gè)側(cè)分枝和1個(gè)卷須；ctl的每個(gè)節(jié)位則發(fā)生2個(gè)側(cè)分枝，側(cè)分枝1和側(cè)分枝2(與CTL的卷須同源)；CTL/ctl的第10節(jié)位及之后節(jié)位發(fā)生1個(gè)側(cè)分枝和1個(gè)卷須(與野生型CTL第5節(jié)位及之后的表型一致)，第10之前的節(jié)位產(chǎn)生一種特殊的莖-卷須過(guò)渡結(jié)構(gòu)，基部為莖變態(tài)結(jié)構(gòu)，末梢處為葉變態(tài)結(jié)構(gòu)。由此確定，甜瓜卷須為側(cè)分枝的莖葉變態(tài)結(jié)構(gòu)(modified stem-leaf complex)[5]。同年，WANG等[16]在3 342份黃瓜材料中發(fā)現(xiàn)1份無(wú)卷須材料(Tendrillessline，CG9192 line，命名為ten)，其無(wú)攀爬能力，卷須之外的其他器官均正常；表型觀察發(fā)現(xiàn)：ten的缺陷卷須由莖、雄花、1片或幾片葉(葉柄卷曲)構(gòu)成，證明黃瓜卷須為側(cè)分枝的變態(tài)器官[16]?；谏鲜鎏鸸?ctl)和黃瓜(ten)無(wú)卷須材料，證明葫蘆科植物卷須為莖變態(tài)(側(cè)分枝)來(lái)源(圖1C)[16]。

2 葫蘆科園藝作物卷須的特征

卷須初始發(fā)生是葫蘆科植物由幼年期進(jìn)入抽蔓期的形態(tài)標(biāo)志，有助于葫蘆科園藝作物熟性育種研究。以黃瓜為例，通常3～5節(jié)位初始發(fā)生卷須，前面節(jié)位發(fā)生的卷須較細(xì)、較短，顏色較白，為不具備卷曲纏繞能力的“無(wú)功能性”卷須(圖2A)；后面節(jié)位發(fā)生的卷須較粗，長(zhǎng)度一般10～20 cm，顏色淡綠，頂部彎曲，與主莖夾角小于90°，具有卷曲纏繞能力(圖2B)[15]。

依據(jù)末梢是否分叉和分叉比例，可分為不分叉、等比例分叉和不等比例分叉3種不同類型卷須(圖2C和圖2D)。黃瓜、甜瓜的卷須多為不分叉類型，西瓜的卷須多為等比例分叉類型，南瓜、絲瓜、葫蘆的卷須多為不等比例分叉類型[18]?？喙系木眄毚嬖诓环植婧偷缺壤植?種類型，前者更為普遍[20]。鐘建等[20]將‘佛瀝734’(卷須分叉，栽培苦瓜Momordicacharantia自交系，作母本)和‘AVBG1602’(卷須不分叉，半野生苦瓜自交系，作父本)進(jìn)行雜交，發(fā)現(xiàn)苦瓜卷須分叉/不分叉受1對(duì)顯性基因控制，卷須分叉為顯性性狀。

圖 2 葫蘆科園藝作物卷須的不同形態(tài)[15]Figure 2 Different types of tendrils in Cucurbitaceae horticultural crops

3 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的相關(guān)基因

3.1 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的關(guān)鍵基因TCP1

基于甜瓜ctl和黃瓜ten無(wú)卷須突變體，證明葫蘆科植物卷須的莖變態(tài)來(lái)源，并確定卷須發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控基因CTL和TEN，兩者為同源基因，編碼葫蘆科植物特有的TCP1轉(zhuǎn)錄因子[5]。TCP(TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF)為植物特有的轉(zhuǎn)錄因子家族，含有1個(gè)TCP結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)核定位和DNA識(shí)別結(jié)合[21]。植物TCPs可分為Ⅰ類型和Ⅱ類型，其中Ⅱ類型又可細(xì)分為CIN類型和CYC/TB1類型。CIN類型的TCPs多為miR319的靶基因；CYC/TB1類型的TCPs與植物側(cè)分枝發(fā)育相關(guān)，如CsBRC1通過(guò)抑制CsPIN3基因表達(dá)，進(jìn)而通過(guò)生長(zhǎng)素的積累來(lái)抑制黃瓜側(cè)枝的發(fā)育[22]。Ⅰ類型TCPs可識(shí)別結(jié)合GGNCCCAC序列，Ⅱ類型TCPs則可識(shí)別結(jié)合G(T/C)GGNCCC序列，兩者在識(shí)別DNA序列上的存在重疊[23]。TCPs轉(zhuǎn)錄因子可行使轉(zhuǎn)錄激活或者抑制的功能，這可能與相應(yīng)的互作蛋白相關(guān)[24]。TCPs已被證明參與植物多個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)調(diào)控。隨著研究的深入，植物TCPs轉(zhuǎn)錄因子的功能將得到進(jìn)一步豐富。

MIZUNO等[5]通過(guò)圖位克隆將甜瓜ctl突變位點(diǎn)定位在Ⅸ連鎖群1個(gè)約200 kb(第9連鎖群的1 238～1 451 kb)的區(qū)間，區(qū)間內(nèi)含有17個(gè)注釋基因。二代測(cè)序顯示“Chiba TL”和“Fuyukei 1”僅在MELO3C022091基因第1外顯子內(nèi)存在1個(gè)單堿基插入/缺失差異。MELO3C022091屬于CYC/TB1類型的TCP基因，將其命名為CmTCP1。該基因在甜瓜卷須特異表達(dá)。CmTCP1Fuyukei1可編碼1個(gè)完整TCP蛋白，含TCP結(jié)構(gòu)域和C端的R domain(Ⅱ類型TCP蛋白特有，長(zhǎng)度為18～20 個(gè)氨基酸，富含精氨酸)；CmTCP1ChibaTL編碼的TCP蛋白則缺失包含R domain的C端序列[5]。

氨基酸序列比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)：TCP結(jié)構(gòu)域的Helix I(屬于bHLH結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)DNA結(jié)合)區(qū)域內(nèi)有1個(gè)高度保守的丙氨酸(Ala)，在葫蘆科植物TCP1中被特異性替換為絲氨酸(Ser)[5]。有趣的是，野豌豆族植物卷須的關(guān)鍵調(diào)控子HD-ZIP Ⅰ也存在類似現(xiàn)象，HD-ZIP Ⅰ的Helix 3(屬于Homeodomain結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)DNA結(jié)合)區(qū)域內(nèi)有1個(gè)高度保守的丙氨酸，在野豌豆族植物HD-ZIP Ⅰ中被特異性替換為蘇氨酸(Thr)[10]。丙氨酸和絲氨酸/蘇氨酸在親水性和極性上存在差異，且絲氨酸/蘇氨酸可被絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Ser/Thr protein kinases)修飾。葫蘆科植物和野豌豆族植物上述相似的關(guān)鍵氨基酸替換和卷須的進(jìn)化出現(xiàn)，暗示不同植物卷須獨(dú)立進(jìn)化發(fā)生可能存在機(jī)制上的相似性。

WANG等[16]通過(guò)基因組重測(cè)序和基因表達(dá)分析，確定ten突變基因?yàn)辄S瓜第5連鎖群上的Csa5G644520，TEN與CmTCP1為同源基因。噴瓜Ecballiumelaterium為葫蘆科植物中卷須缺失的物種，序列分析顯示噴瓜TCP1基因至少存在2個(gè)提前終止突變，噴瓜TCP1為無(wú)功能基因，該序列分析結(jié)果與噴瓜無(wú)卷須表型相吻合[16]。黃瓜ten無(wú)卷須突變體中，CsTCP1(TEN)第338位天冬酰胺替換為酪氨酸(N338Y)，該突變氨基酸位于TCP結(jié)構(gòu)域和R結(jié)構(gòu)域之外[16]。蛋白序列比對(duì)分析顯示：葫蘆科植物TCP1在337～343處存在7個(gè)保守的氨基酸序列(CNNFYFP，下劃線為ten的突變氨基酸位置)；有趣的是，該序列在所有已知物種TCPs蛋白序列中均不存在(包括rosid Ⅰ下屬的與葫蘆科植物相近物種)。由此，WANG等[16]提出該特有氨基酸序列對(duì)于葫蘆科植物進(jìn)化產(chǎn)生卷須具有重要貢獻(xiàn)。

3.2 CsTCP1 調(diào)控的下游基因

雙分子熒光檢測(cè)系統(tǒng)證明：CsTCP1為一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活子，CsTCP1ten的轉(zhuǎn)錄激活能力顯著低于CsTCP1TEN(wild type)，表明葫蘆科植物特有的CNNFYFP序列可能是1個(gè)轉(zhuǎn)錄激活功能域(transcriptional activation domain，TAD)[16]。轉(zhuǎn)錄組分析顯示：黃瓜ten的缺陷卷須中，1 271個(gè)基因顯著上調(diào)，433個(gè)基因顯著下調(diào)[16]。

1 271個(gè)上調(diào)基因的基因注釋(GO)分析顯示：上調(diào)基因主要參與調(diào)控植物形態(tài)建成，如器官極性形態(tài)、葉片形態(tài)和花形態(tài)[25]。以CsYAB1(Csa5G160 210)為例，該基因?qū)儆赮ABBY基因家族，在ten突變體中上調(diào)約80倍。擬南芥中，YABBYs基因缺失突變體的葉片呈現(xiàn)針狀形態(tài)(needle-like leaf)，類似于黃瓜卷須的形態(tài)。EMSA檢測(cè)顯示：CsTCP1不直接結(jié)合CsYAB1基因啟動(dòng)子，提示CsTCP1通過(guò)間接抑制CsYAB1表達(dá)以確保卷須正常發(fā)育[16]。

433個(gè)下調(diào)基因的GO分析顯示：下調(diào)基因主要參與趨向性、生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸、鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)、谷氨酸代謝、木質(zhì)素代謝。這些過(guò)程已知與卷須發(fā)生、發(fā)育、卷曲纏繞密切相關(guān)[25]。組織特異性表達(dá)分析顯示：433個(gè)下調(diào)基因中，71個(gè)基因在卷須中特異表達(dá)，這些基因主要編碼鈣離子和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)體、水通道蛋白、生長(zhǎng)素響應(yīng)相關(guān)蛋白、果膠酯酶、合成酶等，與細(xì)胞響應(yīng)刺激、細(xì)胞膨脹、信息傳遞相關(guān)[25]。CsTCP1被證明是轉(zhuǎn)錄激活子，下調(diào)基因可能為CsTCP1的直接下游靶基因。上述轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果可為CsTCP1介導(dǎo)黃瓜卷須發(fā)生、發(fā)育、卷曲纏繞的分子網(wǎng)絡(luò)解析提供重要參考。

3.3 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的其他基因

CHEN等[26]通過(guò)EMS誘變篩選獲得1份黃瓜無(wú)卷須突變體td-1(tendril-lessmutant)，為隱性突變。td-1同時(shí)具有多樣性缺陷表型，包括矮化、表皮毛減少、葉片褶皺、根系短小。圖位克隆和BSA測(cè)序確定突變基因?yàn)镃sGCN5(Csa6G527 060)，為錯(cuò)義突變，造成第82位天冬氨酸突變?yōu)樘於０贰＝M織表達(dá)檢測(cè)顯示：CsGCN5在黃瓜根、莖、葉、卷須等組織均有較高表達(dá)量，與td-1具有多樣性缺陷表型相吻合[26]。CsGCN5編碼黃瓜1個(gè)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase)，已知組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶調(diào)控基因活化表達(dá)，提示表觀修飾對(duì)黃瓜卷須發(fā)生具有重要調(diào)控作用[27]。但是，CsGCN5調(diào)控黃瓜卷須發(fā)生的具體分子機(jī)制、CsGCN5與卷須發(fā)生關(guān)鍵基因CsTCP1是否存在關(guān)系等問(wèn)題仍然未知。

近期，國(guó)內(nèi)相繼報(bào)道的黃瓜圓葉突變體(round-leafmutants，rl)均為Csa1G537 400基因的等位突變體，Csa1G537 400基因編碼CsPID[28]。PID為絲氨酸/蘇氨酸激酶，通過(guò)磷酸化修飾PIN而調(diào)控生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸過(guò)程[29]。rl突變體除葉片形態(tài)缺陷表型外，其卷須發(fā)生、花器官、胚珠也存在缺陷[29]，提示生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸及生長(zhǎng)素信號(hào)在黃瓜卷須發(fā)生中具有重要的未知調(diào)控功能。

Aux/IAA為生長(zhǎng)素響應(yīng)早期關(guān)鍵基因。莊丹等[30]對(duì)黃瓜29個(gè)IAA基因(CsaIAA1～CsaIAA29)表達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：大部分CsaIAA不具備組織表達(dá)特異性，而CsaIAA29表現(xiàn)為卷須特異性表達(dá)，提示其可能在卷須響應(yīng)生長(zhǎng)素信號(hào)途徑中具有重要作用。

4 內(nèi)源激素調(diào)控葫蘆科園藝作物卷須

生長(zhǎng)素與黃瓜卷須發(fā)生調(diào)控方面：WANG等[16]鑒定得到5個(gè)卷須特異表達(dá)的生長(zhǎng)素響應(yīng)基因(Auxin-responsiveSAUR、AUX/IAA)，并且這5個(gè)基因在黃瓜ten無(wú)卷須突變體中均顯著下調(diào)。此外，莊丹等[30]也鑒定發(fā)現(xiàn)：CsaIAA29為黃瓜卷須特異表達(dá)基因。黃瓜rl圓葉突變體(具有卷須發(fā)生缺陷表型)的突變基因?yàn)镃sPID。CsPID通過(guò)磷酸化修飾PIN來(lái)調(diào)控生長(zhǎng)素信號(hào)途徑，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)rl圓葉突變體特定組織中生長(zhǎng)素(IAA)水平降低[31]。生長(zhǎng)素調(diào)控黃瓜卷須發(fā)生的具體分子機(jī)制未知，但從上述研究報(bào)道可推測(cè)：黃瓜卷須的發(fā)生或生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程涉及生長(zhǎng)素信號(hào)途徑。

赤霉素與黃瓜卷須發(fā)生調(diào)控方面：AMEHA等[11]通過(guò)體外添加方法，研究激素對(duì)黃瓜花芽和卷須發(fā)生的影響，發(fā)現(xiàn)體外添加GA4+7可導(dǎo)致黃瓜節(jié)間伸長(zhǎng)，抑制節(jié)間花芽發(fā)生和促進(jìn)卷須發(fā)生。

5 外界環(huán)境條件調(diào)控葫蘆科園藝作物卷須

卷須的生長(zhǎng)發(fā)育快速，且對(duì)外界刺激響應(yīng)敏感，因此，不利外界環(huán)境下，葫蘆科園藝作物卷須最先出現(xiàn)異常。以黃瓜為例，正常生長(zhǎng)條件下，新生卷須通常比較粗壯，顏色為淡綠色，與主莖呈＜90°夾角，有彈性且易折斷。植株根系缺水、營(yíng)養(yǎng)不足或出現(xiàn)衰老時(shí)，黃瓜新生卷須細(xì)短、末梢卷曲；植株體內(nèi)糖含量降低時(shí)，黃瓜新生卷須顏色發(fā)黃；外界環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，黃瓜卷須發(fā)生數(shù)量將增加；環(huán)境溫度高濕度大時(shí)，黃瓜卷須出現(xiàn)直立生長(zhǎng)狀態(tài)。因此，生產(chǎn)中，可通過(guò)卷須的形態(tài)特征指示葫蘆科園藝作物生長(zhǎng)狀況，但是，外界環(huán)境條件如何調(diào)控卷須的相關(guān)研究積累很少。

LóPEZ-JUEZ等[32]報(bào)道1份黃瓜長(zhǎng)下胚軸(long-hypocotylmutant，lh)突變體，表現(xiàn)為光形態(tài)建成缺陷和過(guò)度避光反應(yīng)(extreme shade avoidance)。lh突變體具有節(jié)間伸長(zhǎng)、葉片變薄、卷須發(fā)生增強(qiáng)的表型。野生型黃瓜用遠(yuǎn)紅光(模擬遮光反應(yīng))處理后，出現(xiàn)節(jié)間伸長(zhǎng)、葉片變薄、卷須發(fā)生增強(qiáng)，類似于lh突變體表型。以上研究結(jié)果表明：遮光可促進(jìn)黃瓜卷須的發(fā)生，推測(cè)卷須發(fā)生增多，利于其向上攀爬，從而躲避光照不足，但是這種調(diào)控的分子機(jī)制未知。

6 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的調(diào)控及其利用展望

綜上所述，基于甜瓜(ctl)和黃瓜(ten)的無(wú)卷須突變體，證明葫蘆科植物卷須為莖(側(cè)分枝)變態(tài)，研究揭示卷須發(fā)生的關(guān)鍵基因?yàn)門CP1，并鑒定獲得一些卷須特異表達(dá)基因[5]?？傊J科園藝作物卷須發(fā)生的研究已經(jīng)取得一些關(guān)鍵性成果。

TCPs為植物保守存在的轉(zhuǎn)錄因子家族，那么TCP1為何能作為葫蘆科植物卷須發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控子？基于甜瓜ctl無(wú)卷須突變體，MIZUNO等[5]研究認(rèn)為：TCP結(jié)構(gòu)域內(nèi)Helix Ⅰ區(qū)域內(nèi)1個(gè)高度保守丙氨酸(Ala)，在葫蘆科植物TCP1中被特異性替換為絲氨酸(Ser)，此氨基酸替換對(duì)于TCP1調(diào)控卷須發(fā)生具有關(guān)鍵作用?；邳S瓜ten無(wú)卷須突變體，WANG等[16]則研究認(rèn)為：葫蘆科植物卷須進(jìn)化發(fā)生與TCP1的CNNFYFP序列(位于TCP結(jié)構(gòu)域之后)獲得相關(guān)。將來(lái)，對(duì)葫蘆科植物TCP1特有氨基酸或氨基酸序列的分析和功能研究，將有望回答葫蘆科植物卷須如何進(jìn)化產(chǎn)生的科學(xué)問(wèn)題。

植物卷須可為花序變態(tài)、葉變態(tài)和莖變態(tài)，分多次獨(dú)立進(jìn)化而成，為研究趨同進(jìn)化(convergent evolution)的理想器官[16]。莖變態(tài)為植物最常見(jiàn)的卷須來(lái)源，涉及的科屬物種也最為豐富，但是其研究積累少且僅限于葫蘆科植物。因此，葫蘆科植物卷須發(fā)生調(diào)控分子機(jī)制的解析，可為其他莖變態(tài)卷須植物的研究提供借鑒。甜瓜(莖變態(tài)卷須)卷須被認(rèn)為與關(guān)鍵調(diào)控子TCP1的Helix Ⅰ區(qū)域1個(gè)Ala替換為Ser相關(guān)[5]，豌豆(葉變態(tài)卷須)卷須被認(rèn)為與關(guān)鍵調(diào)控子HD-ZIP Ⅰ的Helix 3區(qū)域1個(gè)Ala替換Thr相關(guān)[10]。此外，赤霉素可促進(jìn)黃瓜(莖變態(tài)卷須)卷須發(fā)生[11]；有趣的是，在葡萄(花序變態(tài)卷須)中，赤霉素通過(guò)抑制花序進(jìn)而產(chǎn)生卷須[9]。上述研究結(jié)果提示：植物卷須在趨同進(jìn)化過(guò)程中，可能存在相似的作用機(jī)制。今后，隨著以葫蘆科植物為代表的莖變態(tài)卷須發(fā)生機(jī)制的不斷解析，有望回答植物卷須趨同進(jìn)化的更多生物學(xué)問(wèn)題。

設(shè)施栽培(或爬地栽培)中，卷須為耗能的多余器官。OIZUMI等[19]利用甜瓜無(wú)卷須材料ctl，將其雜交導(dǎo)入商用品種“Takami”，成功育成甜瓜無(wú)卷須商用種“TL Takami”。田間測(cè)試發(fā)現(xiàn)：“TL Takami”甜瓜的藤蔓管理勞動(dòng)成本降低20%～40%，證明無(wú)卷須在葫蘆科園藝作物育種上具有重要應(yīng)用價(jià)值。今后，隨著葫蘆科植物卷須發(fā)生分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的不斷解析，各葫蘆科園藝作物基因組信息的不斷完善，結(jié)合日趨成熟的遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯體系，可望實(shí)現(xiàn)基于基因精準(zhǔn)編輯育成無(wú)卷須葫蘆科園藝作物品種。