羅碧珍, 羅永海

(福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

開花(flowering)是被子植物從營養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng)的過程，關(guān)系著被子植物能否成功繁衍后代，因而是植物體最重要的生命行為.開花起始受到一系列因子的誘導(dǎo)與調(diào)控，主要可以分成兩大類：一類是環(huán)境信號(hào)，如溫度和日照時(shí)間的長(zhǎng)短等；另一類是植物內(nèi)源性的變化，如幼年到成年的轉(zhuǎn)變、激素水平的變化等.這些相互關(guān)聯(lián)的誘導(dǎo)與調(diào)控途徑主要包括光周期途徑(photoperiod pathway)、春化途徑(vernalization pathway)、環(huán)境溫度途徑(ambient temperature pathway)、植物激素途徑(plant hormone pathway)和自主開花途徑(autonomous flowering pathways).其中，光周期途徑對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有多方面的影響，除了開花，它還影響植物器官的發(fā)育(例如馬鈴薯塊莖的形成)、葉片的衰老與脫落等.在光周期途徑中，CONSTANS(CO)和FLOWERING LOCUS T(FT)基因是起核心作用的兩個(gè)基因，形成一個(gè)分子途徑，參與了多個(gè)生物學(xué)過程.

1 光周期轉(zhuǎn)錄因子CO

1.1 CO在擬南芥中的功能及分子作用機(jī)制

CO是擬南芥中首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的CONSTANS-LIKE(COL)基因成員，其mRNA和蛋白的表達(dá)受光周期的調(diào)控，進(jìn)而整合生物鐘信號(hào)和光信號(hào)調(diào)控開花[3].擬南芥在長(zhǎng)日照條件下，COmRNA到達(dá)高峰出現(xiàn)在午后，但在短日照條件下卻出現(xiàn)在黃昏后[4].研究表明[5]，開花時(shí)間與擬南芥CO啟動(dòng)子的CTTTACA重復(fù)序列個(gè)數(shù)的自然變異相關(guān)，多個(gè)與CYCLING DOF FACTORs(CDFs)同源的DNA BINDING WITH ONE FINGER (DOF)轉(zhuǎn)錄因子能夠結(jié)合CO基因的啟動(dòng)子CTTT位點(diǎn)，參與長(zhǎng)日照上午時(shí)段CO基因轉(zhuǎn)錄的抑制.同時(shí)，CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1(CCA1)和LATE ELONGATED HYPOCOTYL(LHY)能夠抑制FLAVIN-BINDING、KELCH REPEAT、F-BOX 1(FKF1)和GIGANTEA(GI)的轉(zhuǎn)錄，后幾個(gè)基因都對(duì)CDFs有負(fù)調(diào)控作用.在長(zhǎng)日照的午后階段，F(xiàn)KF1和GI以依賴藍(lán)光的方式相互作用，從而誘導(dǎo)CDFs降解，導(dǎo)致CO的mRNA能在長(zhǎng)日照午后積累[6].此外，有研究表明ZEITLUPE(ZTL)也參與了這個(gè)過程，GI在核內(nèi)與ZTL相互作用，進(jìn)而使FKF1從ZTL中分離出來，因此，GI通過協(xié)調(diào)FKF1和ZTL的平衡在精確控制開花中起著關(guān)鍵作用[7].

CO蛋白表達(dá)的精細(xì)調(diào)控對(duì)誘導(dǎo)成花素基因FT在長(zhǎng)日照午后階段的表達(dá)有重要作用.PHYTOCHROMEB(PHYB)信號(hào)和E3泛素連接酶HIGH EXPRESSION OF OSMOTICALLY RESPONSIVE GENES1(HOS1)參與了上午CO蛋白的降解[8].在午后階段，由于CDFs的降解，CO的mRNA不斷積累，CO蛋白的積累出現(xiàn)高峰.CRYPTOCHROME(CRY)會(huì)以依賴藍(lán)光的方式與SUPPRESSOR OF PHYA-105 1(SPA1)和CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1(COP1)復(fù)合物結(jié)合從而抑制其活性，使得CO蛋白在午后穩(wěn)定積累[9].CO蛋白與光敏色素作用因子PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4(PIF4)相互作用并與FT的啟動(dòng)子結(jié)合激活了FT的表達(dá)[10].在黃昏以后，盡管COmRNA仍能夠有較高水平的積累，但是COP1和SPA1的復(fù)合物能夠高效地降解CO蛋白[11]，導(dǎo)致FT的轉(zhuǎn)錄激活不能實(shí)現(xiàn).CO通過一段獨(dú)特的序列元件能夠直接與受體DNA結(jié)合，這段獨(dú)特的序列元件包含一致的TGTG(N2-3)ATG基序，該元件也在FT的啟動(dòng)子中存在，使得CO蛋白能夠順利結(jié)合并行使功能[12].

在短日照條件下，CO通過激活開花抑制因子TERMINAL FLOWER 1(TFL1)起抑制開花的作用[13].在生物學(xué)上，超級(jí)短日照(3 h)或者黑暗(有蔗糖)條件下也能促進(jìn)開花，說明短日照比超級(jí)短日照更能抑制開花這一過程[14].另外，近期研究表明[15]，CO對(duì)遮蔭誘導(dǎo)的開花有加速的作用，他通過調(diào)節(jié)FAR-RED1(HFR1)的表達(dá)量，促進(jìn)FT、TSF、SOC1和SPLs的表達(dá)，導(dǎo)致加速開花.

1.2 CO在不同物種中的功能保守性

CO直系同源基因在眾多植物物種廣泛存在.水稻光周期敏感基因Heading date 1(Hd1)是擬南芥CO的直系同源基因，在短日照和長(zhǎng)日照條件下具有不同的功能.在短日照條件下，Hd1通過誘導(dǎo)Hd3a(擬南芥FT的直系同源基因)促進(jìn)抽穗，在長(zhǎng)日照條件下則抑制抽穗[16].在葡萄中，人們發(fā)現(xiàn)VvCO的功能與葡萄開花的季節(jié)性周期有關(guān).同時(shí)，研究人員也對(duì)2個(gè)葡萄開花整合基因VFY和VvMADS8(分別是擬南芥LFY和SOC1基因的直系同源基因)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在開花誘導(dǎo)期，潛伏芽中VvCO、VFY和VvMADS8的表達(dá)量最高.VvCO主要是在11月表達(dá)，VFY和VvMADS8的峰值則分別在1月和12月，提示這些基因之間存在一定時(shí)空關(guān)聯(lián)[17].在大麥中，HvCO1的過表達(dá)加速了長(zhǎng)日照和短日照條件下大麥的開花，并導(dǎo)致長(zhǎng)日條件下HvFT1 mRNA的上調(diào).研究人員還發(fā)現(xiàn)，大麥中HvCO1的下游存在著其他光周期響應(yīng)因子Ppd-H1.對(duì)HvCO1過度表達(dá)和Ppd-H1自然遺傳變異分離群體的分析表明，HvCO1可能通過激活HvFT1誘導(dǎo)開花，而Ppd-H1獨(dú)立于HvCO1 mRNA的表達(dá)水平調(diào)節(jié)HvFT1[18].蘭科植物的花期具有重要的市場(chǎng)價(jià)值，為了探究光周期對(duì)蘭花開花的影響，研究人員在分別在墨蘭、春蘭、建蘭中鑒定和分離出CsCOL1、CgCOL和CeCOL基因.在擬南芥中異源表達(dá)發(fā)現(xiàn)CsCOL1和CeCOL能夠促進(jìn)開花，而CgCOL抑制開花[19].總而言之，隨著近年來植物科學(xué)的快速發(fā)展，人們對(duì)很多物種的開花性狀展開分子生物學(xué)研究并取得進(jìn)展，諸多物種的CO基因家族已經(jīng)得到分析.這些研究表明，盡管在不同的物種中CO基因行使功能的分子機(jī)制存在分化，但它們均與光周期的響應(yīng)相關(guān)，與高等植物的生殖生長(zhǎng)有關(guān)，顯示其具有古老的系統(tǒng)發(fā)生歷史、在物種進(jìn)化中具有高度的功能保守性.

1.3 CO基因家族及其功能分化

CO基因家族屬于植物特有的鋅指轉(zhuǎn)錄因子家族，家族成員(即COL基因)含有2個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域，一個(gè)是B-box結(jié)構(gòu)域，即在氨基末端含有一個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)，是由4個(gè)半胱氨酸CX2CX16CX2C所形成的特殊結(jié)構(gòu)，參與蛋白與蛋白間相互作用[20].另一個(gè)是CCT(CO, COL, TOC1)結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域并不只存在于CO基因家族里，由靠近羧基端的43個(gè)氨基酸組成，具有核定位的功能，能與血紅素激活蛋白(HAPS)、COP1相互作用，還可能是一個(gè)DNA結(jié)合區(qū)域[21].擬南芥、水稻和大麥等物種基因組的研究發(fā)現(xiàn)，包含至少1個(gè)B-box和1個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域的CO祖先基因發(fā)生了多次基因重復(fù)事件.擬南芥基因組有17個(gè)COL基因，水稻有16個(gè)COL基因，大麥有9個(gè)COL基因[22].根據(jù)COL序列信息，CO基因家族可分為3個(gè)分支：分支一的成員包含2個(gè)B-box(B1和B2)結(jié)構(gòu)域和1個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域；分支二的成員也包含2個(gè)B-box(B1和B2)結(jié)構(gòu)域和1個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域，但在B2中含有1個(gè)額外的鋅指結(jié)構(gòu)；分支三的成員僅包含1個(gè)B-box(B1)結(jié)構(gòu)域和1個(gè)CCT結(jié)構(gòu)域[23].

COL基因的功能眾多，就開花性狀而言，有促進(jìn)開花的，也有抑制開花的.例如在擬南芥中，與CO基因不同，COL4是長(zhǎng)日照和短日照條件下的開花抑制因子，作用于FT和SOC1等基因[24].在大麥中，HvCO1的過表達(dá)和Ppd-H1的自然變異對(duì)長(zhǎng)日照下的莖伸長(zhǎng)有重要影響，HvCO1的過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株的莖伸長(zhǎng)明顯加快，顯示其不僅具有影響開花時(shí)間的功能[18].在芥菜中，Phytochrome A signal transduction 1(PAT1)與COL13相互作用，由此產(chǎn)生的PAT1-COL13蛋白復(fù)合物介導(dǎo)了薺菜芽的分枝，揭示了光敏色素信號(hào)與開花途徑在調(diào)節(jié)植物分枝發(fā)育過程中新的介導(dǎo)模式，為提高作物產(chǎn)量提供了新的研究方向[25].此外，光敏色素信號(hào)與開花途徑在生長(zhǎng)素水平上也具有一定的調(diào)節(jié)作用.擬南芥光敏色素(phytochrome B, PhyB)能通過感知紅光與遠(yuǎn)紅光的比值(R∶FR)進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的生命活動(dòng).擬南芥COL7是連接光感應(yīng)和生長(zhǎng)素水平變化的關(guān)鍵基因[26]，在高R∶FR中促進(jìn)了編碼生長(zhǎng)素生物合成抑制因子SUPERROOT2(SUR2)的mRNA表達(dá)，但在低R∶FR中并沒有促進(jìn)SUR2的表達(dá)，表明COL7以依賴高R∶FR的方式調(diào)控植物生長(zhǎng)素水平.在矮牽牛中，研究人員鑒定到了與擬南芥COL16的同源基因PhCOL16a、PhCOL16b和PhCOL16c，發(fā)現(xiàn)這3個(gè)基因的表達(dá)模式和葉綠素的含量相關(guān).在矮牽牛過表達(dá)PhCOL16a可發(fā)現(xiàn)植株的花冠呈淡綠色，其葉綠素含量及葉綠素合成關(guān)鍵酶均明顯高于野生型.這說明PhCOL16對(duì)葉綠素的合成有正向調(diào)節(jié)作用[27].此外，近期的研究發(fā)現(xiàn)COL基因在調(diào)節(jié)ROS途徑的功能中也發(fā)揮著重要作用[28].

總之，盡管CO基因家族并不算大，COL基因的功能分化卻很明顯，除了涉及到莖的伸長(zhǎng)、芽的分枝、生長(zhǎng)素的水平、葉綠素的合成、ROS途徑的調(diào)節(jié)外，還能影響花苞的開花、塊莖的形成、淀粉的形成、細(xì)胞周期的調(diào)控等(圖1).不同的COL基因是否通過相同或類似的機(jī)制在行使功能呢？考慮到CO的功能是被光質(zhì)、光照長(zhǎng)度、光周期和其它外部信號(hào)影響或激活的，人們有理由推測(cè)其它COL蛋白也通過類似的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)[29]，回答這個(gè)問題需要人們研究更多物種、更多COL基因的分子作用機(jī)制.

圖1 開花植物COL基因的功能分化Fig.1 Functional differentiation of CO -likegenes in flowering plants

2 開花途徑整合因子FT

2.1 FT在擬南芥中的功能及分子作用機(jī)制

FT蛋白被稱為成花素(florigen)，是植物開花的關(guān)鍵整合點(diǎn)，可以整合各個(gè)開花調(diào)控途徑信號(hào)并將其傳遞給下游因子，從而調(diào)控植物的開花.主要基于擬南芥的研究表明，擬南芥FTmRNA在葉片中被誘導(dǎo)表達(dá)，形成的FT蛋白通過維管束系統(tǒng)被運(yùn)輸?shù)巾敹朔稚M織[30]；在分生組織中，F(xiàn)T和FLOWERING LOCUS D(FD)、14-3-3s等蛋白結(jié)合形成成花素激活復(fù)合體(florigen activation complex, FAC)，識(shí)別并激活包括APETALA 1(AP1)和SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1(SOC1)等花原基屬性下游基因，實(shí)現(xiàn)植物從營養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變，即誘導(dǎo)開花[31,32].

FT基因的誘導(dǎo)表達(dá)是植物開花的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這個(gè)過程受眾多上游因子/因素的復(fù)合調(diào)控，包括一系列的正調(diào)控與負(fù)調(diào)控.其中，CO是FT基因表達(dá)的關(guān)鍵正調(diào)控因子：CO通過它的CCT結(jié)構(gòu)域結(jié)合到FT啟動(dòng)子的CO應(yīng)答元件上，與同樣結(jié)合到FT啟動(dòng)子上的NUCLEAR FACTOR Y(NF-Y)一起形成特殊的染色質(zhì)構(gòu)象，激活FT基因的表達(dá)[12].其他通路的基因也參與了FT基因表達(dá)的調(diào)控，包括但不僅限于F-BOX1(FKF1)、SALT TOLERANT(STO,又名BBX24)、PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4(PIF4)、LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1(LHP1)、FLOWERING LOCUS C(FLC)和SHORT VEGETATIVE PHASE(SVP)等[33-36].

在擬南芥中，除了FT外，開花抑制子(TERMINALFLOWER1,TFL1)也是重要基因之一.FT和TFL1是同源基因，編碼一類磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白(PEBPs)基因，PEBPs在細(xì)菌、動(dòng)物和植物生長(zhǎng)和器官分化多種信號(hào)途徑中發(fā)揮重要作用[37].除誘導(dǎo)FT外，CO也可直接或間接誘導(dǎo)TFL1的表達(dá)，后者可能通過與FD相互作用、削弱了FT與FD之間的結(jié)合，從而抑制FT下游幾個(gè)基因的表達(dá)，如LEAFY(LFY)和AP1，從而延遲莖尖分生組織向生殖發(fā)育的轉(zhuǎn)變[38].

總體上，科學(xué)家們對(duì)FT在植物成花誘導(dǎo)方面的功能研究已比較深入，但對(duì)其在葉片中發(fā)揮的作用仍不夠很清楚.近期，有研究發(fā)現(xiàn)FT能夠誘導(dǎo)SWEET10的轉(zhuǎn)錄，SWEET10在葉脈中編碼蔗糖雙向轉(zhuǎn)運(yùn)體，介導(dǎo)蔗糖的轉(zhuǎn)運(yùn).該結(jié)果表明FT信號(hào)通路可能參與了開花植物能源的分配與利用[39].

2.2 FT在不同物種中的功能保守性

研究表明，F(xiàn)T同源基因在多年生木本植物、禾本科植物、豆科植物、杜鵑花科、觀賞性植物等多個(gè)物種中均具有促進(jìn)生殖發(fā)育和成花轉(zhuǎn)變的功能，顯示其具有高度保守的生物學(xué)功能[40-44].例如，Endo et al[40]將柑橘CiFT基因cDNA在擬南芥中異源表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其能夠促進(jìn)擬南芥從營養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變；將該基因在枳樹中組成型表達(dá)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出早花、早果等表型.Wang et al[45]研究表明，在擬南芥中，異源表達(dá)銀杏FT同源基因GbFT導(dǎo)致擬南芥早開花；RNA-seq和qRT-PCR分析結(jié)果表明，GbFT在擬南芥中的異源表達(dá)上調(diào)了其他與花器官發(fā)育、轉(zhuǎn)錄因子和乙烯途徑有關(guān)的內(nèi)源基因.近期研究表明[46]，菟絲子能夠“竊聽”到寄主植物的開花信號(hào)，寄主的FT蛋白能夠轉(zhuǎn)運(yùn)到菟絲子中，與CaFD結(jié)合從而啟動(dòng)開花，自身的CaFT則因一個(gè)或多個(gè)位點(diǎn)的突變導(dǎo)致功能的喪失，無法與CaFD相互作用.系統(tǒng)發(fā)育研究表明其共同祖先進(jìn)化出這種依賴寄主的開花機(jī)制.此類研究說明FT蛋白的功能在眾多物種中的生物學(xué)功能是非常保守的，能夠促進(jìn)植物從營養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變.

除此之外，人們發(fā)現(xiàn)FT同源基因具有其他方面的功能.例如，Shenhao et al[47]研究表明，黃瓜基因組的FT基因座區(qū)域在馴化過程中保留著被選擇的痕跡，顯示FT同源基因?qū)S瓜從熱帶起源向高緯度地區(qū)擴(kuò)散分布具有重要意義.Pin et al[48]研究表明，甜菜中的2個(gè)FT同源基因參與了與春化相關(guān)的開花響應(yīng).Hsu et al[49]研究表明，楊樹依靠2個(gè)FT同源基因(PtFT1和PtFT2)協(xié)調(diào)其對(duì)溫度的響應(yīng)和季節(jié)性的開花.PtFT1具有起始生殖生長(zhǎng)的作用，在高溫時(shí)其表達(dá)受到抑制，在冬季低溫時(shí)則受到誘導(dǎo)；PtFT2響應(yīng)溫度的升高和日照時(shí)間的延長(zhǎng)，其表達(dá)量升高，有促進(jìn)營養(yǎng)生長(zhǎng)和抑制芽形成的作用.

2.3 FT基因家族及其功能分化

磷脂酰乙酰胺結(jié)合蛋白(PEBP)家族是進(jìn)化上非常保守的蛋白家族，其成員在細(xì)菌、動(dòng)物和植物生長(zhǎng)和分化的多種信號(hào)途徑中發(fā)揮作用.在擬南芥中，PEBP基因家族有6個(gè)成員，除了FT和TFL1外，其他4個(gè)分別是TWIN SISTER OF FT(TSF)，BROTHER OFFTANDTFL1(BFT)，ARABIDOPSIS THALIANA CENTRORADIALIS HOMOLOG(ATC)和MOTHER OF FT ANDTFL1(MFT)[37].這些同源基因在開花調(diào)控中的作用均已有研究.TSF是最接近FT的同源基因，無論是在蛋白質(zhì)序列、表達(dá)模式、受CO的誘導(dǎo)，與FD的結(jié)合，過量表達(dá)時(shí)促進(jìn)開花等方面都跟FT相似[50].BFT也與FT具有高度的序列相似性和表達(dá)模式，但其功能卻更接近于TFL1-Like，能夠抑制開花和開花相關(guān)基因[51].ATC能夠抑制短光周期條件下的開花，有證據(jù)表明它也是種可移動(dòng)的蛋白質(zhì)，能夠通過維管系統(tǒng)向頂端運(yùn)輸[52].MFT與FT和TFL1均具有高度同源性，但參與開花誘導(dǎo)，可能與FT有功能冗余[53].

關(guān)于FT/TFL1的起源與進(jìn)化，已有的研究表明，MFT基因很可能是FT和TFL1基因的祖先，因?yàn)橐恍┑偷戎参锶缣μ\的基因組缺少FT或TFL1的同源序列，卻具有MFT的同源序列.在種子植物出現(xiàn)之前，基因復(fù)制時(shí)事件導(dǎo)致了2種PEBP的出現(xiàn)，MFT-like和FT/TFL1-Like分支，隨后兩個(gè)分支基因功能的進(jìn)一步多樣化.隨著被子植物的出現(xiàn)，基因復(fù)制事件讓FT/TFL1-Like分支分化為相互獨(dú)立的FT-Like和TFL1-Like分支[54]，第1種促進(jìn)開花，第2種抑制開花(圖2).有研究表明[55]，F(xiàn)T和TFL1的祖先以TFL1-Like的方式行使功能，F(xiàn)T和TFL1的功能在裸子植物和被子植物分離之后才發(fā)生了功能分化.例如，在挪威云杉中，PaFTL1和PaFTL2與FT和TFL1具有序列同源性，但它們的作用更傾向生長(zhǎng)抑制性的TFL1，在擬南芥中異源表達(dá)PaFTL1和PaFTL2均具有延緩開花的效.因此，可以想象，祖先基因的功能更傾向于TFL1而不是FT，并且FT很可能隨著被子植物的進(jìn)化而出現(xiàn)，其促進(jìn)開花的作用與有花植物的獨(dú)特特性相一致.由于植物的生命周期和種子形成受開花時(shí)間的影響，F(xiàn)T很可能對(duì)有花植物的快速多樣化及陸地的快速占領(lǐng)做出了重要貢獻(xiàn).對(duì)擬南芥、水稻、土豆、甘薯幾個(gè)物種的系統(tǒng)發(fā)育研究表明在不同的物種中均出現(xiàn)FT重復(fù)，表明其具有不同的時(shí)空表達(dá)模式和不同的功能(圖2).

圖2 擬南芥、水稻、土豆、甘薯PEBP蛋白的系統(tǒng)發(fā)育樹和亞家族分類Fig.2 Phylogenetic tree and subfamily classification of PEBP proteins from Arabidopsis thaliana, rice, potato and sweet potato.

在其他一些物種的研究中，部分FT同源基因獲得了阻遏開花的功能.甜菜含有2個(gè)FT同源基因BvFT1和BvFT2，它們具有相反的功能[48].BvFT1具有抑制甜菜開花的作用，在春化開始前通過抑制開花誘導(dǎo)基因BvFT2從而抑制開花.而春化會(huì)降低BvFT1的表達(dá)，導(dǎo)致BvFT2的表達(dá)被上調(diào)，從而誘導(dǎo)開花.其他物種(如向日葵、洋蔥、煙草、甘蔗等)的FT同源基因在擬南芥中異源表達(dá)也能夠延緩擬南芥開花.序列比對(duì)分析揭示了2個(gè)保守的特征氨基酸位點(diǎn)(S134與S138)，它們可能決定了FT同源基因具有誘導(dǎo)或抑制開花的功能.在S134特征位點(diǎn)，具有誘導(dǎo)開花功能的FT同源基因(大豆GmFT5a除外)為酪氨酸，具有抑制開花的FT同源基因(挪威云杉PaFTL1和PaFTL2除外)為非酪氨酸.在S138特征位點(diǎn)，具有誘導(dǎo)開花功能的FT同源基因均為色氨酸，具有抑制開花的FT同源基因(龍眼DlFT2和大豆GmFT4除外)均為非色氨酸[56].這兩個(gè)特征位點(diǎn)對(duì)FT蛋白三維構(gòu)象及生物學(xué)功能的影響仍有待進(jìn)一步的解析.

除了開花調(diào)控方面，F(xiàn)T基因家族成員具有調(diào)節(jié)地下儲(chǔ)藏器官的發(fā)育、光誘導(dǎo)氣孔開放、脅迫誘導(dǎo)開花、花后生殖發(fā)育和種子萌發(fā)等功能(圖3).例如，在馬鈴薯中，StSP6A作為可移動(dòng)的蛋白響應(yīng)光周期誘導(dǎo)塊莖的形成[57].在擬南芥中，F(xiàn)T和TSF通過在藍(lán)光下激活保衛(wèi)細(xì)胞中的H+-ATP酶調(diào)節(jié)氣孔開放[58]，也分別影響長(zhǎng)日照和短日照下的側(cè)枝發(fā)育[59].在大豆中，F(xiàn)T2a和FT5a在其開花誘導(dǎo)中起主要作用，但在花后發(fā)育中卻發(fā)揮著不一樣的功能，F(xiàn)T5a在花后抑制莖的生長(zhǎng)，且比FT2a的抑制效果明顯[60].這些研究數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)T所在的PEBP基因家族成員不多，但具有多方面的生物學(xué)功能，在不同物種中的功能分化與分子進(jìn)化機(jī)制仍有待在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的系統(tǒng)研究.

圖3 植物FT-like基因的功能分化Fig.3 Functional differentiation of FT-like genes in flowering plants

3 總結(jié)

CO/FT途徑處于植物開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心位置，是多種開花植物由營養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵控制樞紐，在不同物種中也參與了其他不同的生物學(xué)途徑或植物器官發(fā)育調(diào)控，顯示CO/FT途徑的功能具有多樣性.例如，在擬南芥中，F(xiàn)T蛋白除了從葉片運(yùn)輸?shù)巾敹朔稚M織，還被運(yùn)輸至腋芽，與TCP轉(zhuǎn)錄因子BRC1相互作用，調(diào)控腋芽與莖的發(fā)育和分化[61,62].在芥菜中，COL13基因能影響芽的分枝，為提高作物產(chǎn)量提供了新的線索[25].在大麥中，HvCO1的過度表達(dá)能影響莖的伸長(zhǎng)和生殖分生組織的晚期發(fā)育[18].

馬鈴薯的CO/FT途徑還可調(diào)控地下儲(chǔ)藏器官的發(fā)育.Navarro et al[57]研究表明，在長(zhǎng)日照下的馬鈴薯StSP6A過表達(dá)株系中StSP6A基因在葉片中的表達(dá)量明顯升高，其塊莖產(chǎn)量也顯著提高；在短日照下，馬鈴薯StSP6A沉默株系中StSP6A在葉片中的表達(dá)量降低，其塊莖的起始發(fā)育時(shí)間也大大推遲.通過嫁接試驗(yàn)表明，StCO能夠在長(zhǎng)日照下抑制匍匐莖中StSP6A基因的表達(dá)，在短日照下能緩解這種抑制，表明在短日照條件下馬鈴薯StCO-StSP6A模塊調(diào)控了塊莖的起始.此外，水稻的Hd3a基因在短日照植物馬鈴薯中異源表達(dá)，通過嫁接試驗(yàn)證實(shí)了Hd3a-GFP蛋白的遷移，發(fā)現(xiàn)了該基因可誘導(dǎo)馬鈴薯在長(zhǎng)日照條件下形成塊莖，顯示FT-like基因具有跨遠(yuǎn)距離物種、對(duì)器官發(fā)育的控制能力.最近，Abelenda et al[63]研究表明，StSP6A還能和蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體StSWEET11相互作用，它們的結(jié)合阻止了蔗糖向質(zhì)外體的滲漏，因而可能促進(jìn)了蔗糖的共質(zhì)體運(yùn)輸.StSWEET11和StSP6A蛋白之間相互作用說明了蔗糖運(yùn)輸與儲(chǔ)藏和光周期途徑之間存在緊密聯(lián)系，F(xiàn)T-like蛋白的功能擴(kuò)展到了影響植物的庫源分配.另外，Lee et al[64]研究表明，在洋蔥中，F(xiàn)T直系同源AcFT4起著抑制鱗莖形成的作用.在鱗莖發(fā)育早期，AcFT4通過抑制AcFT1的表達(dá)來抑制其形成，當(dāng)洋蔥植株在適當(dāng)?shù)娜照臻L(zhǎng)度下逐漸成熟后，AcFT4的表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致AcFT1表達(dá)上調(diào)，從而誘導(dǎo)鱗莖的形成.

綜上所述，CO/FT途徑具有古老的系統(tǒng)發(fā)育源頭，在物種進(jìn)化過程中一直處于調(diào)控個(gè)體生長(zhǎng)與繁育的樞紐位置.在現(xiàn)存的高等植物中，CO-FT的功能具有高度多樣性，可能仍有很多功能未被揭示，特別是它們?cè)谄渌锓N中的比較分析、與其他基因的互作網(wǎng)絡(luò)、與家族內(nèi)的其他成員的協(xié)作等，尚有很大的挖掘空間.