煙草成花素FT基因及其調(diào)控機制研究進展

解敏敏 龔達(dá)平 孫榕 王蕾 趙澤玉 陳明麗

摘要：煙草（Mcotiana tabacum L）是葉用經(jīng)濟作物，早花嚴(yán)重影響煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。開花時間對煙葉產(chǎn)量、品質(zhì)和生育周期具有重要影響。植物成花起始的調(diào)節(jié)是由光周期途徑、春化途徑、赤霉索途徑和自主途徑等相互依賴的多條途徑共同決定的。成花素FT基因是成花各個途徑的關(guān)鍵整合子，煙草中鑒定到4個FT同源基因，僅有NtFT4是開花誘導(dǎo)子，而其他3個均是開花抑制子。煙草CET.CO.FPF1、LFY，NFL及MADSbox類基因等也在煙草開花過程中起著非常重要的作用。本文對近年來煙草成花素FT基因的特征、功能及其調(diào)控機制的研究進展進行了綜述，并展望了其在控制煙草早花和縮短育種進程中的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：煙草：成花索：FT基因：調(diào)控機制

煙草是以收獲葉片為目的的經(jīng)濟作物。生長正常的煙株一般在花期打頂后留下20～22片有效葉。早花的煙株由于未達(dá)到正常生長應(yīng)具有的高度和葉數(shù)就現(xiàn)蕾開花，過早地從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)入生殖生長，從而導(dǎo)致植株生長勢弱，葉片數(shù)少，葉片窄小，致使煙葉產(chǎn)量降低。此外，早花還會導(dǎo)致煙葉內(nèi)在化學(xué)成分失調(diào)，進而影響煙葉品質(zhì)。因此，研究煙草的開花機理對培育干旱或低溫條件下的抗早花品種具有重要意義：此外，早花材料對于縮短育種周期具有重要利用價值。

植物開花是植物由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變的重要過程，嚴(yán)格受植物內(nèi)部基因網(wǎng)絡(luò)和外部環(huán)境因素協(xié)同調(diào)控。隨著分子遺傳學(xué)及分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，在擬南芥、水稻等模式植物中，大量開花相關(guān)基因被分離鑒定。研究明確了控制植物開花至少有6條主要途徑：春化途徑、溫敏途徑、光周期途徑、赤霉素途徑、自主途徑和年齡途徑。這些途徑將不同環(huán)境（光周期、溫度等）下植物體內(nèi)各種因子產(chǎn)生的一系列響應(yīng)信號傳導(dǎo)給開花信號整合因子，從而啟動花分生組織特異基因的表達(dá)，最終誘導(dǎo)植物花的形成。FT（nowering locus T）是成花轉(zhuǎn)變過程中最重要的整合子之一，起著至關(guān)重要的作用。

1煙草開花的影響因素及遺傳分析

光周期是開花誘導(dǎo)過程中的關(guān)鍵環(huán)境因素，在煙草開花的影響因素中研究得最深入。研究發(fā)現(xiàn)多葉巨型煙草突變體馬里蘭猛犸煙（MarylandMammoth）僅在短日照條件下才能開花，長日照條件下則不能開花，說明煙草開花嚴(yán)格受光周期調(diào)控。普通煙草的二倍體祖先種林煙草是長日照植物，絨毛狀煙草則是短日照植物。大多數(shù)普通煙草品種對光照條件的反應(yīng)是中性或者弱短日性的，只有少數(shù)多葉型或稱巨型煙草品種是強短日性的。如烤煙品種中的革新5號、單育1號、喬莊多葉、云南多葉煙、NC27NF、NC37NF等，多葉型品種的實質(zhì)是短日照反應(yīng)型。研究表明，多葉型煙草的生長錐分生細(xì)胞只有在短日照條件下才能分化花芽，現(xiàn)蕾開花。如果缺少短日照條件，其生長錐分生細(xì)胞就一直進行葉芽分化，葉子和莖稈持續(xù)增長，以致長到3～4米，100多片葉子也不現(xiàn)蕾。短日照反應(yīng)型品種是由中性或弱短日性品種的基因突變而產(chǎn)生的，受一對隱性基因所決定。

2煙草成花素FT基因的特征和功能

1937年，CHAILAKHYAN提出成花激素的概念，并用嫁接試驗證實了植物由葉片感受和傳導(dǎo)光周期刺激信號。LANG等研究發(fā)現(xiàn)，將長日照植物天仙子和短日照植物煙草嫁接，在長日照或短日照條件下，兩者都能開花。近年來的研究表明，成花素的主要成分是FT蛋白，該蛋白在葉片中誘導(dǎo)產(chǎn)生，并通過韌皮部運至莖尖而誘導(dǎo)成花。但有研究表明，F(xiàn)T的mRNA是可以移動的。FT基因最早是在擬南芥（Arabidopsis thaliana L）的晚花突變體中發(fā)現(xiàn)的。此后，從水稻、番茄、楊樹、蘋果、玉米、小麥、大豆、馬鈴薯等植物體中相繼分離出多個FT同源基因。FT基因編碼磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白（phosphatidvl ethanolamine-bindingprotein，PEBP），通過結(jié)合具有晝夜節(jié)律變化的卵磷脂（phosphatidylcholine，PC）而促進植物開花。FT蛋白從葉片經(jīng)過維管束移動到莖頂端組織過程中，F(xiàn)TIP1（FT-interacting protein 1）蛋白起重要作用。在頂端分生組織中FT蛋白與FD蛋白（nowering locus D）和14-3-3蛋白相互作用并形成復(fù)合體，共同誘導(dǎo)下游開花基因的表達(dá)，從而促進開花。

HARIG等（2012）在煙草中鑒定到4個FT同源基因NtFT1、NtFT2、NtFT3和NtFT4，這4個基因均屬于磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白（PEBP）家族。其中僅有NtFT4是開花誘導(dǎo)子，而其他3個均是開花抑制子。4個FT同源基因具有相似的表達(dá)模式，在短日照條件下表達(dá)量逐步增加，而在長日照條件下均不表達(dá)，表明煙草中4個控制開花的FT基因受短日照影響。NtFT3啟動子驅(qū)動GFP表達(dá)的組織特征表明，NtFT3主要在葉片的韌皮部伴細(xì)胞中表達(dá)。開花誘導(dǎo)子NtFT4的表達(dá)水平遠(yuǎn)低于NtFT1和NtFT2，但其在發(fā)育過程中增加的倍數(shù)遠(yuǎn)高于開花抑制子。在植物的開花相關(guān)基因中，開花誘導(dǎo)子和抑制子兩者間的平衡決定著營養(yǎng)生長向開花的轉(zhuǎn)變。植物的PEBP家族分化成FT、MFT和TFL 3個主要的亞家族。FT家族和MFT家族主要是促進開花，而TFL家族主要是抑制開花。AMAYA等在煙草中過表達(dá)金魚草CEN基因（擬南芥TFL1基因的同源基因），結(jié)果導(dǎo)致植株持續(xù)營養(yǎng)生長，延遲開花：同時，在煙草中鑒定了7個TFL1的同源基因CET1-7。原位雜交實驗表明，與金魚草CEN基因和擬南芥TFL1基因主要在初級頂端分生組織中表達(dá)不同，CET2和CET4僅限于在營養(yǎng)生長過程中的腋生分生組織中表達(dá)。在營養(yǎng)分生組織發(fā)育形成花枝過程中，花分生組織決定基因是上調(diào)的，而CET基因是下調(diào)的。擬南芥FT家族中都是促進植物開花的基因，而甜菜中的BvFT1基因編碼FT類開花抑制子。研究表明，擬南芥FT蛋白中5個關(guān)鍵氨基酸殘基（Tyr-85，Glu-109，Trp-138，Gin-140和Asn-152）中，其中單個氨基酸的改變也足以將FT的開花促進作用完全轉(zhuǎn)換為TFL1同源基因的抑制功能。氨基酸殘基的改變引起了FT蛋白分子表面電荷的變化，從而影響與未知配體的結(jié)合。該未知配體可能與TCP蛋白有關(guān)，與FD之間的互作效應(yīng)無關(guān)。

3煙草成花素FT基因的調(diào)控機制

植物成花起始的調(diào)節(jié)是由光周期途徑、春化途徑、赤霉素途徑和自主途徑等相互依賴的多條途徑共同決定的。FT基因和其他關(guān)鍵基因TSF（twinsister of FT）、是整合這些調(diào)控路徑的信號整合因子，這些整合因子與花分生組織基等相互作用，從而誘導(dǎo)植物開花。而在參與成花調(diào)控的眾多基因中，F(xiàn)T是決定植物成花與否的最關(guān)鍵基因。

SMYKAL等從煙草中克隆到SOCl和FUL基因，都屬于MADSbox基因。兩個基因在長日照或短日照條件下，在日中性品種Hicks和短日照品種Hicks MM中具有相似表達(dá)模式。相反，在長日照林煙草中，兩個基因在短日照條件下不表達(dá)，而在長日照條件下表達(dá)。過表達(dá)NtSOCl和NtFUL都可以引起煙草提早開花。王小彥等（2009）發(fā)現(xiàn)低溫處理煙草后，會促使SOCl的表達(dá)量升高。SOCl在擬南芥的各種開花調(diào)控途徑中既作為信號通路響應(yīng)因子，也作為信號整合因子。在赤霉素（gibberellic aicd，GA）途徑和年齡途徑中，SOC1活性被激活：但在春化途徑和溫度途徑中，SOC1活性得到抑制。FT-FD復(fù)合物可以通過促進轉(zhuǎn)錄因子SOC1表達(dá)來激活花分生組織特征基因LFY。此外，SOC1也能直接激活LFY轉(zhuǎn)錄，還能與轉(zhuǎn)錄因子AGL24共同激活LFY的轉(zhuǎn)錄。

JANG等在林煙草中鑒定了2個在花組織中特異表達(dá)的MADS box基因NsMADS2和NsMADS2，轉(zhuǎn)基因過表達(dá)植株均表現(xiàn)為早花。JANG等（2002）相繼在普通煙草中鑒定了NtMADS4、NtMADS11和NtMADS14。轉(zhuǎn)基因過表達(dá)NtMADS4的植株表現(xiàn)為早花，NtMADS11和NtMADS14能恢復(fù)擬南芥apl-1突變體的缺陷。

KELLY等在煙草中發(fā)現(xiàn)2個擬南芥LFY的同源基因NFLl和NFL2，這2個基因在營養(yǎng)和花分生組織中均有表達(dá)。AHEARN等（2001）進一步研究表明，NFL1基因不僅調(diào)控著開花器官的發(fā)育，還控制莖分生組織形成側(cè)生器官。但是，煙草中過表達(dá)NFL1基因并沒有發(fā)生早花的現(xiàn)象，說明NFL1基因在擬南芥和煙草中具有不同的調(diào)控機制。

CONSTANS（CO）蛋白是植物特有的CCT（constans，CO-like and timing ofCABl）轉(zhuǎn)錄因子，包含兩個B-box鋅指結(jié)構(gòu)功能域。轉(zhuǎn)錄激活因子CO通過直接調(diào)控FT基因的表達(dá)來影響開花時間，而CO的轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要受光周期影響。光周期一方面通過調(diào)控泛素連接酶FKF1（navinbinding，kelch repeat，f-box 1）和GI（gigantea）蛋白相互作用，誘導(dǎo)CO基因的表達(dá)：另一方面通過抑制轉(zhuǎn)錄因子CDF（cycling doffactor）來解除其對CO基因的抑制，而促進CO的表達(dá)。光周期途徑通過轉(zhuǎn)錄激活因子CO來調(diào)控FT等基因的表達(dá)，F(xiàn)T與LFY共同誘導(dǎo)AP1的表達(dá)而誘導(dǎo)擬南芥成花。CO還通過間接調(diào)控FT的表達(dá)來激活SOC1。陸瑩等從煙草中克隆了3個CO同源基因NtC01、NtC02和NtC03。對NtC01的表達(dá)模式分析表明其表達(dá)呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性，并受到日照長度的調(diào)節(jié)。

赤霉素GA通過抑制DELLA蛋白來調(diào)控促進FT的表達(dá)。DELLA在開花途徑中主要是抑制FT的激活因子SPL3（squamosa promoter bindingprotein-like 3）的表達(dá)。赤霉素途徑中，SMYKAL等鑒定了一個煙草的NtFPF1（floweringpromoting factor l）基因。不管是在長日照還是短日照條件下，日中性品種Hicks、短日照品種HicksMM和長日照煙草林煙草3種類型的煙草過表達(dá)NtFPF1植株開花期均提前。同時，赤霉素與NTFPF1蛋白具有加性效應(yīng)，促進植株提早開花。

4展望

植物在溫度、光照和激素等內(nèi)外條件的綜合作用下，多種開花誘導(dǎo)途徑間彼此獨立又互相交叉，形成了一個復(fù)雜的開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，最終由SOC1、FT.LFY等關(guān)鍵基因決定植物開花時間和花器的形態(tài)建成。目前，對擬南芥、水稻等開花途徑的調(diào)控過程的研究比較透徹，但是仍然有許多需要解決的問題。煙草基因組測序的完成和飽和突變體庫的建立，使得煙草也成為研究植物開花途徑極好的模式植物。從應(yīng)用角度來看，利用晚花調(diào)控基因控制煙草開花時間，可以增加煙葉產(chǎn)量，防止煙草早花。在強調(diào)產(chǎn)量的前提下，我國曾經(jīng)選育種植過一些晚花多葉品種，如革新5號、單育1號、喬莊多葉、云南多葉等。為了減少早花現(xiàn)象，美國也曾經(jīng)大面積推廣過多葉品種NC22NF、NC27NF、NC37NF等。利用早花調(diào)控基因提前開花，可以大大縮短育種周期。近年來，國內(nèi)外相繼開展了擬南芥FT基因轉(zhuǎn)化煙草以加快育種進程的研究。通過將擬南芥的FT基因轉(zhuǎn)化白肋煙TN90和烤煙Coker 371 gold，獲得了花期縮短一半的陽性植株，這些材料在回交育種中可以大大縮短育種時間。此外，利用擬南芥FT基因構(gòu)建馬鈴薯x病毒（Potato Virus x，PVX）病毒瞬時表達(dá)載體，涂抹煙草使得FT基因瞬時表達(dá)誘導(dǎo)馬里蘭煙、烤煙、白肋煙和香料煙不同類型煙草早花。煙草成花素基因及其分子調(diào)節(jié)機理的研究有助于揭開植物開花過程的神秘面紗，為煙草及其他作物分子育種奠定堅實的基礎(chǔ)。