拟南芥开花时间调控的分子基础_张艺能

植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (4): 469–482,
doi: 10.3724/SP .J.1259.2014.00469 ——————————————————
收稿日期: 2013-10-18; 接受日期: 2014-05-04
基金项目: 国家自然科学基金(No.31170204)、广东省自然科学基金(No.S2011020002167)和羊城学者科研项目(No.12A001G) * 通讯作者。

E-mail: changentian@
拟南芥开花时间调控的分子基础
张艺能, 周玉萍, 陈琼华, 黄小玲, 田长恩*
广州大学生命科学学院, 植物抗逆基因功能研究广州市重点实验室, 广州 510006
摘要 在合适的时间开花对大多数植物的生存和成功繁衍极为重要。

开花时间受错综复杂的环境因素和植物自身的遗传因子影响, 由开花调控因子所构成的光周期、春化、温度、赤霉素、自主以及年龄等至少6条既相互独立又相互联系的遗传途径调控。

该文综述了有关拟南芥(Arabidopsis thaliana )开花时间调控的分子机制的最新研究进展, 并对今后的研究进行了展望。

关键词 开花时间, 开花调控, 拟南芥, 光周期, 春化
张艺能, 周玉萍, 陈琼华, 黄小玲, 田长恩 (2014). 拟南芥开花时间调控的分子基础. 植物学报 49, 469–482.
开花是高等植物由营养生长向生殖生长转变的一个非常重要的发育过程, 只有在适当的时期完成开花才能保证植物个体的正常发育和后代繁衍。

因此, 开花是植物最重要的生活史性状, 在植物生产和物种进化中起到核心作用(罗睿和郭建军, 2010)。

此外, 通过对农作物或园艺作物开花时间的调控还可以获得重要的农业价值或观赏价值(张素芝和左建儒, 2006)。

开花时间的调控是一个非常复杂的过程, 受自身遗传因子和外界环境因素两方面的共同影响, 二者所产生的多种信号汇集在一起, 实现对开花时间的精准控制(孙昌辉等, 2007)。

目前, 对植物开花时间调控的理解主要是通过对模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana )成花的生理学和遗传学的研究获得的。

迄今, 已经探明包括光周期、春化、温度、赤霉素、自主以及年龄等6条遗传途径参与调控拟南芥的开花时间(Srikanth and Schmid, 2011)。

本文总结了多年来对拟南芥开花时间的分子调控机制的研究成果, 着重论述近几年的最新进展, 同时对今后的研究进行了展望。

1 光周期途径
光周期是影响植物开花的重要因素。

光周期途径是植
物的光受体感受光信号后, 作用于生物钟, 进而启动或者抑制开花的过程。

拟南芥是一种典型的长日照植物, 长日照促进其开花, 短日照则抑制其开花。

不同波长的光信号由叶片上的光受体接收和识别。

目前, 在植物中发现的光受体主要有3类: 光敏色素(phytochromes)、隐花色素(cryptochromes)和向光素(phototropin)(Schäfer and Nagy, 2006)。

光敏色素主要吸收红光和远红光, 拟南芥至少有PHYA 、PHYB 、PHYC 、PHYD 和PHYE 五种光敏色素。

PHYA 促进开花, 而PHYB 抑制开花(雍伟东等, 2000); PHYC 抑制短日照下开花, 并在长日照下和PHYA 一起促进开花(Monte et al., 2003); PHYD 和PHYE 抑制开花, 并与PHYB 的功能有重叠(Devlin and Kay, 2000)。

隐花色素主要吸收蓝光和紫外光, 拟南芥主要有CRY1、CRY2和CRY3三种隐花色素。

CRY1和CRY2均促进开花(雍伟东等, 2000); CRY3是否涉及开花时间调控尚不明确。

迄今, 尚未发现向光素参与植物开花时间调控。

光受体感知光周期后将信号传给生物钟, 通过后者完成对日照长度的测量。

房迈莼等(2005)和田素波等(2010)详细介绍了位于光受体下游的生物钟调节因子, 如ELF3(EARLY FLOWERING 3)、ELF4、PIF3(PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3)、ZTL(ZEITLUPE)、FKF1(FLAVIN-BINDING KEL
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CH REPEAT F-BOX 1)和DET1(DEETIOLATED 1)等分别介导不同光受体的光信号输入。

这些基因突变会引起生物节律变化。

根据McClung(2006)对生物钟分子模型的总结, 拟南芥具有维持和重设生物钟的负反馈调节环, 主要由CCA1(CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1)、LHY(LATE ELONGATED HYPOCOTYL)和TOC1/ APRR1(TIMING OF CAB OF EXPRESSION 1/AR- ABIDOPSIS PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 1)组成。

生物钟的昼夜节律变化正是基于LHY、CCA1和TOC1/APRRs转录和翻译水平的昼夜周期性变化(田素波等, 2010)。

LHY和CCA1属于MYB转录因子家族。

TOC1是拟南芥伪应答调节蛋白, LHY和CCA1清晨时由光激活表达, 新合成的LHY和CCA1结合到TOC1启动子上, 抑制后者的表达。

同时, 蓝光促进ZTL和GI(GIGANTEA)互作, 通过泛素-蛋白酶体系降解TOC1(田素波等, 2010)。

所以, 白天开始时LHY和CCA1逐渐增加, TOC1逐渐减少。

有趣的是, TOC1是LHY和CCA1表达所必需的促进因子, 因此TOC1受抑制将导致LHY和CCA1的表达下调。

LHY和CCA1的水平在夜间降到最低, 解除对TOC1的表达抑制, TOC1的量逐渐升高, 再次启动LHY和CCA1的表达, 从而进入新一轮循环(田素波等, 2010)。

处于生物钟信号输出途径的重要基因有CO(CONSTANS)、GI和FT(FLOWERING LOCUS T)。

CO编码1个具B-box锌指结构的转录因子, 其表达受生物钟调控, 产生24小时的周期性振荡(An et al., 2004)。

CO的转录水平受到FKF1和GI调控, 该调控是通过FKF1-GI复合物和CDFs(CYCLING DOF FAC-TOR)互作实现(Imaizumi et al., 2005; Fornara et al., 2009)。

CDFs家族是一类转录因子, 其中CDF1能与CO的调控区结合, 抑制其转录(Imaizumi et al., 2005)。

研究表明, 这3个基因的表达本身也受生物钟调控。

长日照下, CDF1首先合成并结合到CO启动子上, 当GI积累到一定量时, 形成CDF1-GI复合物, 抑制CO转录; 在光照大约13小时后, FKF1和GI的蛋白量达到峰值, 形成FKF1-GI复合物, 激活CO转录(Imaizumi et al., 2005; Sawa et al., 2007)。

但是, 在短日照下, GI和FKF1的蛋白量分别在光照7和10小时达到峰值, 不能形成FKF1-GI复合物进而激活CO转录(Sawa et al., 2007; Fornara et al., 2009)。

所以, FKF1、GI和CDFs的互作导致长日照下CO的转录水平高于短日照。

CO在转录后还受到其它蛋白的调控。

隐花色素信号途径的下游组分COP1(CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1)具有E3泛素连接酶的功能, 借助其重复的WD结构域(WD-repeat domain)与CO结合, 并使后者降解(Liu et al., 2008b)。

拟南芥SPA(SUPPRESSOR OF PHYA-105)家族有4个成员, 均具类似于COP1的WD结构域, 能与CO结合, 间接地使后者降解(Laubinger and Hoecker, 2003; Laubinger et al., 2006)。

光受体还通过光质调控CO。

例如, CRY1和CRY2在蓝光下使CO稳定; PHYA在远红光下使CO稳定(Schepens et al., 2004); 而PHYB 在红光下使CO不稳定(Valverde et al., 2004; Jang et al., 2008)。

此外, DNF(DAY NEUTRAL FLOWER-ING)蛋白以独立于GI/FKF1/CDF的方式调控CO。

dnf 突变体因CO的生物钟节律被破坏而呈现早花表型, 但其分子机制尚不清楚(Morris et al., 2010)。

以上因子对CO调控的结果是: 长日照下, CO在黄昏时积累; 短日照下, CO不能稳定产生和积累, 因而使拟南芥能够感知日照长度的周期性变化, 适时完成营养生长向生殖生长的过渡。

GI除了与FKF1协同参与CO的转录调控外, 还能调控miR172(microRNA172)的加工, 使miR172水平在长日照下比短日照下高。

而miR172通过抑制FT的抑制子如TOE1(TARGET OF EAT 1)、TOE2、SMZ(SCHLAFMUTZE)和SNZ(SCHNARCHZAPF EN)等mRNA的翻译以及抑制AP2(APETALA 2)转录后的剪切而促进开花(徐雷等, 2011)。

光周期信号在叶片产生, 必须传递到茎尖分生组织才能诱导成花。

其分子机制曾经是学者们探究的热点。

经长期研究, Corbesier等(2007)最终发现FT蛋白是从叶片运输到茎端分生组织诱导成花的信号物质。

在叶片中, FT的表达依赖于CO(Wigge et al., 2005; Corbesier et al., 2007)。

CO超表达植株的FT mRNA大量增加, 开花提前; 而CO超表达的ft突变体仍呈迟花表型(An et al., 2004), 表明FT位于CO的下游。

FD(FLOWERING LOCUS D)是分生组织特异性的bZIP转录因子, 在成花诱导发生之前存在于茎尖分生组织中, 能与FT结合形成FT-FD复合物, 激活花
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序分生组织特异性基因AP1(APETALA 1)的表达, 完成开花诱导(Wigge et al., 2005; Abe et al., 2005; Corbesier et al., 2007)。

FT的表达受CO激活的同时, 也受PRC2(poly- comb repressive complex 2)复合物和LHP1(LIKE TETEROCHROMATIN PROTEIN 1)的抑制。

PRC2复合物参与FT染色质组蛋白H3氨基端第27位赖氨酸残基的三甲基化(H3K27me3), 为开花抑制性复合物的形成提供了条件(Jiang et al., 2008)。

LHP1能够识别并结合到FT染色质H3K27me3的位点, 维持FT转录抑制状态(Turck et al., 2007; Jiang et al., 2008)。

2春化途径
植物在营养生长的初期, 经过一个阶段的低温处理, 能在适宜的条件下加速开花, 这种低温诱导植物开花的过程称为春化作用。

拟南芥分为冬季生态型(winter-annual)和夏季生态型(summer-annual), 自然界中大多数属于前者。

冬季生态型需要经过春化作用才能正常开花, 否则开花明显推迟, 如CLA(Cla- mart)、CUR(Curemonte)和FET(Fetigny)等(Le Corre et al., 2002 )。

夏季生态型不需要经过春化作用就能开花, 但春化处理可加速开花, 如常用的Col(Colum- bia)、L er(Landsberg erecta)和WS(Wassilewskija)等属于夏季生态型。

诸多文献显示, FRI(FRIGIDA)和FLC(FLOWERING LOCUS C)2个基因在冬季生态型开花中起重要作用, FRI基因功能缺失或减弱是后者生活史形成的关键。

FIR位于FLC的上游, 通过调控FLC介导春化过程(张素芝和左建儒, 2006; Srikanth and Schmid, 2011)。

FRI蛋白通过2个螺旋-螺旋结构域与细胞核的帽结合复合物(CBC)互作, 增加开花抑制因子FLC的转录和有效剪接, 推迟开花(Geraldo et al., 2009)。

FRI对FLC的激活伴随着组蛋白的特异性修饰, 通过甲基转移酶ATX1(ARABIDOPSIS TRI- THORAX 1)(Pien et al., 2008)、ATX2(ARABIDOP- SIS TRITHORAX 2)和ATXR7(ATX-RELATED 7) (Berr et al., 2009; Tamada et al., 2009)等参与的组蛋白H3K4me3而实现。

最新发现 ATXR3/SDG2 (ATX-RELATED 3/SET DOMAIN GROUP 2)能激活FLC的转录, 且有利于FLC分支途径的其它成员, 如FLM/MAF1(FLOWERING LOCUS M/MADS AF-FECTING FLOWERING 1)和MAF5(MADS AF-FECTING FLOWERING 5)的转录激活, 在冬季生态型生活史的形成中起重要作用(Yun et al., 2012)。

FLC编码1个MADS-box结构的蛋白, 能直接抑制包括FT、FD和SOC1(SUPPRESSOR OF OVER-EXPRESSION OF CONSTANS1)在内的开花整合基因的表达, 并与这些因子共同构成1个开花调控网络枢纽(He, 2009)。

FLC能与SOC1和FT的染色质CArG-box结构域结合, 阻碍二者转录, 从而削弱光周期途径对它们的激活(Hepworth et al., 2002; Hel-liwell et al., 2006)。

研究显示, 染色质重塑机制对FLC的表达起重要的调节作用。

FLC除了由FRI激活表达外, 还存在其它3种正调控方式, 包括UBC1 (ubiquitin-conjugating enzyme (UBC))、UBC2、HUB1(HISTONE MONOUBIQUITINATION 1)和HUB2(HISTONE MONOUBIQUITINATION 2)介导的FLC染色质H2B单泛素化、PAF1c(RNA Poly-merase II Associated Factor 1 Complex)对FLC染色质的H3K4me3以及SWR1c(SWR1 Complex)介导的H2A.Z在FLC染色体上的富集等(He, 2009)。

春化作用能通过组蛋白修饰使FLC表观遗传沉默而间接地促进开花。

目前已发现VIN3 (VER-NALIZATION INSENSITIVE 3)、VRN5 (VER-NALIZATION 5)、VRN1(VERNALIZATION 1)、VRN2(VERNALIZATION 2)和HPL1等5个与春化直接相关的调控因子(He, 2009; Srikanth and Schmid, 2011)。

VIN3编码1个PHD指蛋白, 且受低温诱导表达, 它在春化起始阶段使FLC组蛋白H3去乙酰化, 表达受抑制(Sung and Amasino, 2004; Bond et al., 2009)。

另外, VIN3还与另一个PHD指蛋白VRN5互作, 组成PRC2复合物, 参与FLC染色质的H3K27me3和组蛋白去乙酰化, 使其表观遗传沉默(Greb et al., 2007; De Lucia et al., 2008)。

VRN1编码1个核定位的DNA结合蛋白, 除与VRN2一起维持春化后FLC低水平表达外, 还有其它功能(Levy et al., 2002)。

VRN2编码1个与果蝇聚梳蛋白家族的Su(z)12类似的核定位锌指蛋白, 可能与H3K27和H3K9的甲基化修饰有关(Gendall et al., 2001; Bastow et al., 2004)。

在春化起始阶段, 突变体vrn1和vrn2中的FLC 表达沉默; 当温度恢复正常时, FLC的表达上调, 表明这2个基因的产物在春化后期维持FLC的沉默
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(Gendall et al., 2001; Levy et al., 2002)。

春化处理后, LHP1在FLC上富集, 也是FLC沉默所必需的。

LHP1可能识别并结合到被H3K9me2或H3K9me3和H3K27me3修饰的FLC染色体上, 维持春化后FLC的抑制状态(Sung et al., 2006; Mylne et al., 2006)。

除以上因子外, 非编码RNA也参与调控春化作用途径。

FLC RNA的反义RNA——COOLAIR在春化初期最先被转录, 在VIN3起作用之前抑制FLC的表达(Swiezewski et al., 2009); 另一个非编码RNA ——COLDAIR在春化前10天转录增强, 抑制FLC的表达(Heo and Sung, 2011)。

FLC是春化作用主要的但不是唯一的靶基因, 已经发现AGL19(AGAMOUS LIKE 19)和AGL24 (AGAMOUS LIKE 24)也是春化作用的靶标。

这2个基因都编码MADS-box蛋白, 二者表达上调都能促进开花(Yu et al., 2002; Schönrock et al., 2006)。

与FLC 的作用相反, 这2个因子都受长期的低温(即在春化后期)激活而促进开花。

不过, 二者的下游因子尚待明确(Alexandre and Hennig, 2008)。

十字花科植物存在FLC的同源基因(Hecht et al., 2005)。

如小花拟南芥(Arabis alpina)的AaPEP1, 其染色质甲基化在春化过程中会增强, 但回暖后不能维持, 致使小花拟南芥成为多年生植物(Wang et al., 2009b)。

然而, 在其它植物中没有发现FLC的同源基因, 其春化作用可能通过不同的调控因子来实现。

例如, 小麦(Triticum aestivum)的春化作用就是通过具有1个CO类蛋白的CCT结构域的ZCCT1实现(Yan et al., 2004)。

3温度途径
营养生长期的温度对植物的开花有重要影响, 呈现出高温促进、低温抑制开花的趋势(Samach and Wigge, 2005)。

当温度为25或27°C时, 即使在短日照条件下, 拟南芥开花时间与23°C长日照下相似(Balasubra- manian et al., 2006)。

一些开花调控基因的突变体表现出温度依赖性。

如phyb在23°C早花, 而在16°C正常开花(Halliday et al., 2003); cry2在16°C比23°C迟开花(Blázquez et al., 2003); fri和flc在27°C比23°C早开花(Balasubramanian et al., 2006)。

然而, FRI/FLC 基因正常的植株对提高温度的响应较弱, 表明FLC在高温信号途径中起抑制作用。

FLM是FLC的同源基因, 编码MADS-box蛋白, 其遗传位点缺失是导致Nd-1生态型拟南芥在23°C短日照下早花的主要原因。

与FLC 相反, FLM功能缺失植株的温度响应能力较野生型弱, 说明FLM能调控对温度的感知。

27°C短日照下, FLM 转录本的剪接方式发生改变, 减弱对FT的转录抑制, 从而促进开花(Balasubramanian et al., 2006)。

最近发现, FLM转录本的选择性剪接依赖于温度变化, 产生2种主要的蛋白变异体——FLM-β和FLM-δ, 并且两者竞争性地与开花抑制因子SVP(SHORT VEGET- ATIVE PAHSE)互作(Posé et al., 2013)。

在低温下, FLM-β蛋白水平升高, 形成SVP-FLM-β阻遏物, 抑制开花; 而在高温下, SVP水平下降, SVP-FLM-β阻遏物减少, 促进开花(Lee et al., 2013)。

温度依赖性的另一个调控因子SVP也是MADS-box蛋白, 除了与FLM协同作用外, 还能与FT 和SOC1启动子的CArG元件结合, 抑制开花(Hartmann et al., 2000; Lee et al., 2007)。

SVP作用于2个感知温度的自主途径成分FCA和FVE的下游(Blázquez et al., 2003; Lee et al., 2007)。

尽管遗传互作分析表明SVP不能调控FLC, 但是SVP和FLC的时空表达相似。

染色体免疫共沉淀分析结果表明, FLC和SVP在开花整合因子FT和SOC1的启动子上有共同的结合位点。

因此, SVP可能以依赖于FLC的方式调控整合因子FT和SOC1(Li et al., 2008)。

HOS1(HIGH EXPRESSION OF OSMOTI-CALLY RESPONSIVE GENES1)编码1个E3泛素连接酶, 受低温诱导而抑制开花, 其突变体对温度变化不敏感。

HOS1不受春化和赤霉素途径调控, 通过泛素化作用负调控FVE和FLK, 减弱二者对FT的激活而调控开花(Lee et al., 2012)。

miR156/SPL3(microRNA156/SQUAMOSA PRO- MOTER BINDING PROTEIN-LIKE 3)组件也是温度依赖性的开花调控因子。

SPL蛋白家族都含有1个高度保守的SBP结构域, 以此同下游靶基因启动子区域结合, 调控靶基因表达。

而大多数SPL均具有miR156/157识别位点, 其表达受miR156/157调控(李明等, 2013)。

在16°C下, miR156的表达水平比在23°C高, 开花延迟。

SPL3的mRNA水平因miR156的存在而显著下降。

SPL3能与FT启动子的GTAC元件结合, 促进FT的表达, 从而调控温度依赖的开花途径
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(Kim et al., 2012)。

虽然已经成功鉴定出一些响应温度而调控开花的基因, 但是植物感应温度变化的分子机制尚不清楚。

ARP6(ACTIN RELATED PROTEIN 6)是一个通过调控FLC的表达而抑制开花的核蛋白(Choi et al., 2005; Deal et al., 2005), 且被发现是温度途径的重要组分(Kumar and Wigge, 2010)。

该蛋白是染色体变构复合体SWR1的组分, 可以介导在感知温度中起关键作用的组蛋白H2A.Z进入核小体。

含组蛋白H2A.Z的核小体对DNA分子的缠绕比含组蛋白H2A 的核小体紧, 而较高的温度可以消减含H2A.Z核小体对DNA的缠绕, 形成一种依赖于温度的调控机制(Kumar and Wigge, 2010)。

4赤霉素途径
赤霉素(gibberellins, GA)参与调节植物生长发育的许多过程, 其中调控开花是其重要的功能之一。

外源GA 促进开花; 阻断内源GA生物合成则延迟开花。

GA合成相关基因的突变影响植物开花。

GA1(GA REQUIRING 1)编码1个net-kaurene合成酶(Sun et al., 1992)。

其突变体ga1在长日照下能正常开花, 但是在短日照下必须外加GA才能开花(Wilson et al., 1992)。

GA由受体GID1(GIBBERELLIC INSENSITIVE DWARF 1)接受。

拟南芥存在3个GID1同源基因——GID1a、GID1b和GID1c。

gid1单突变体生长发育正常, 而三突变体对GA处理无响应, 呈现迟花表型, 说明这3个基因功能冗余(Griffiths et al., 2006; Willige et al., 2007)。

进一步研究发现, GID1通过与DELLA蛋白结合来调控GA信号转导(Murase et al., 2008)。

拟南芥有5个DELLA蛋白, 分别为GAI (GIB-BERELLIC ACID INSENSITIVE)、RGA (REP-RESSOR OF ga1-3)、RGL1 (RGA-LIKE 1)、RGL2 和RGL3, 它们都是GA信号转导途径的成员。

其中, GAI、RGA、RGL1和RGL2参与开花的负调控(Galvão et al., 2012)。

Achard和Genschik(2009)总结了GA信号转导的分子模型, 即活性GA使DELLA蛋白泛素化, 并通过26S蛋白酶体将其降解, 是解除对开花抑制的一种主要方式。

SPY(SPINDLY)处于GAI和RGA的上游, 编码1个与哺乳动物丝氨酸/苏氨酸N-乙酰氨基葡萄糖(O-linked N-acetylglucosamine)转移酶类似的蛋白, 是GA途径的负调控因子。

spy呈现早花表型, 可能与GA信号途径的激活有关(Mouradov et al., 2002)。

SOC1受DELLA蛋白负调控, 也是响应GA信号而调控开花的关键基因(Moon et al., 2003)。

ga1在短日照下几乎检测不到SOC1的表达; 外加GA可以增强SOC1的表达, 并且SOC1超表达能使ga1在短日照下开花(Moon et al., 2003)。

有趣的是, 外加GA也能提高AGL24的转录水平(Yu et al., 2002), 但是SOC1突变完全抑制了AGL24的表达上调(Liu et al., 2008b), 说明GA对AGL24转录的调控依赖于SOC1。

研究还表明, AGL24能够与SOC1的启动子结合; GA 处理可明显提高SOC1和AGL24的转录水平。

在短日照下, soc1agl24双突变体只有施加GA才能开花。

这些结果表明, SOC1和AGL24可能以依赖于GA的方式相互调节, 进而调控开花(Liu et al., 2008a)。

在茎尖, SVP对SOC1起负调控作用, 但是受GA 负调控。

用GA处理野生型拟南芥能使SVP的表达水平降低。

而GA合成障碍的ga1中SVP表达水平比野生型高, 并且在短日照下不开花。

说明GA也通过抑制SVP的表达而促进开花(Li et al., 2008)。

LFY(LEAFY)是开花遗传调控途径的整合因子。

短日照下, ga1中LFY的表达量很低, 而外加GA则可以增强LFY启动子的活性(Blázquez et al., 1997)。

其中, GA3和GA4对LFY启动子的激活作用最强; GA4的生物活性最高, 开花转变的过程中在茎尖大量累积(Eriksson et al., 2006)。

MYB转录因子也参与GA信号转导。

LFY的启动子中含有响应GA的元件, 是MYB共有的结合位点(Blázquez and Weigel, 2000)。

在GA的作用下, MYB33在茎尖的表达增强(Gocal et al., 2001)。

研究还表明, miR159能调控MYB33、MYB65和MYB101的时空表达(Park et al., 2002; Palatnik et al., 2003)。

而miR159又受DELLA蛋白负调控, 表明GA途径是通过抑制DELLA蛋白来响应miR159信号进而调控开花的(Achard et al., 2004)。

最近发现, 转录因子GNC(GATA, NITRATE- INDUCIBLE, CABONMETABOLISM INVOLVED)和GNL(GNC-LIKE )也参与赤霉素途径。

gnc和gnl的单突变体或双突变体在长日照下都呈现早花表型, 并且
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单突变体能在一定的程度上消除ga1的迟花表型。

这2个基因由GA以依赖于DELLA蛋白的方式调控, 抑制开花(Richter et al., 2010)。

5 自主途径
在缺乏外因诱导的情况下, 有些植物在营养生长达到一定阶段后也会开花, 这条内源调控途径称为自主途径(孙昌辉等, 2007)。

自主途径的突变体在长日照和短日照下都推迟开花, 并且在短日照下迟花表型更明显。

自主途径涉及的基因主要包括LD(LUMINI- DEPENDENS )、FCA、FY、FPA、FLD(FLOWERING LOCUS D)、FVE、FLK(FLOWERING LOCUS KH DOMAN)和REF6(RELATIVE OF EARLY FLOW- ERING 6)(Srikanth and Schmid, 2011)。

这些自主途径的基因都通过抑制FLC间接地促进开花, 不同生态型中自主途径基因与FLC的作用结果不尽相同(张素芝和左建儒, 2006)。

目前, 涉及自主途径的8个基因已被克隆, 各自通过不同的机制调控开花。

自主途径基因的编码蛋白主要分为两大类: 参与染色质重塑和影响RNA加工。

与染色质重塑相关的蛋白有3个, 即FLD、FVE和REF6。

FLD含有SWIRM结构域, 是FLC的转录抑制子, 抑制FLC的高度乙酰化(He et al., 2003)。

突变体fld的FLC染色质组蛋白H4高度乙酰化, 且组蛋白H3K4me2水平升高, 因而导致FLC表达增加, 出现迟花表型(He et al., 2003; Liu et al., 2007)。

FVE是哺乳动物视网膜母细胞瘤相关蛋白(retinoblastoma-associated protein)RbAp46和Rb- Ap48的同源蛋白, 含有重复的WD结构域。

FVE与其它蛋白形成复合物, 参与FLC染色体组蛋白去乙酰化修饰, 导致FLC转变为抑制态, 从而促进开花(Ausín et al., 2004)。

REF6编码1个锌指蛋白, 其突变体ref6的FLC染色质区域组蛋白H4高度乙酰化, FLC mRNA 水平升高, 开花延迟; 春化处理可以恢复开花表型(Noh et al., 2004)。

FCA、FPA、FY和FLK都编码RNA结合蛋白, 调节FLC前体mRNA的加工, 影响FLC的mRNA水平, 进而影响开花。

FCA编码的RNA结合蛋白有2个RNA 识别基序(RNA recognition motifs, RRM)和1个WW 结构域, 对转录后RNA的修饰起重要调节作用。

FCA 的表达具自身负反馈调控机制。

曾群等(2006)对其作了具体的描述。

FCA mRNA前体被选择性剪接, 得到4种转录产物: α、β、γ和δ, 但是只有γ编码活性FCA 具有启动开花的功能。

有活性的FCA蛋白的WW结构域却是FCA mRNA选择性剪接所必需的, 正是这种负反馈调控在时空上限制了γ转录本的水平, 从而适时启动开花(曾群等, 2006)。

FCA负调控FLC, 并且依赖于FLD, 其对染色质的沉默调控在一定程度上还依赖DCL3(DICER-LIKE 3)(Liu et al., 2007)。

FPA编码1个含有3个RRM的蛋白, 在整个生命周期中都表达, 而在新生组织和分生组织中表达最强。

fpa开花明显延迟, FPA超表达植株在短日照下能提前开花(Schomburg et al., 2001)。

FPA和FCA都能通过调控FLC的反义非编码RNA选择性聚腺苷酸化而调控FLC的表达, 并且两者功能冗余(Hornyik et al., 2010)。

FY是一个RNA 3′端加工因子, C端有2个富含脯氨酸(PPLPP)的基序, 能直接与FCA的WW结构域相互作用, 进而使FLC表达下调, 调控开花时间(Simpson et al., 2003)。

FLK编码含有3个KH基序(K homology motif)的RNA结合蛋白, 参与FLC转录后负调控。

flk在长、短日照下都迟花, 其迟花表型可能是由于FLC表达增强, 引起FT和SOC1的表达减弱所致, 春化处理和外加GA可以克服这种迟花表型(Lim et al., 2004)。

但FLK并非直接作用于FLC mRNA, 还需要RNA结合蛋白参与, 但具体调控机制尚不明确(徐雷等, 2011)。

此外, LD编码1个类似于转录因子的蛋白, 含有2个核定位结构域, 在C端还有1个富含谷氨酸的区域。

LD转录本分布于整个植物体, 在生长点含量最丰富。

LD调控LFY的启动子活性(Aukerman et al., 1999); 还能与SUF4(SUPPRESSOR OF FRIGIDA 4)结合, 抑制其作用于FLC, 间接地促进开花(Kim et al., 2006a)。

除以上8个已经被鉴定的基因外, 还有DRM1 (DEVELOPMENTALLY RETARDED MUTANT 1)、PRP39-1(Pre-mRNA Processing Protein 39-1)、EDS4(EARLY IN SHORT DAYS 4)以及酪蛋白激酶基因CK2(CASEIN KINASE II)也通过自主途径调控开花(徐雷等, 2011; Mulekar et al., 2012)。

6年龄途径
植物中有一些表观遗传因子仅与年龄的增长相关, 不
张艺能等:拟南芥开花时间调控的分子基础 475
依赖于光周期、春化、赤霉素等途径而独立地调控开花, 形成一条新的成花调控途径——年龄途径。

microRNA和SPL是年龄途径的重要组分。

Wang等(2009a)最早发现miR156及其靶基因SPL不仅作用于FT/FD的下游, 而且独立地形成一条依赖年龄的开花调控途径。

幼年期的植物miR156水平高, 开花受抑制; 随着年龄增长, miR156水平下降, SPL表达上调, 促进开花(Wang et al., 2009a)。

根据编码产物的SBP 结构域大小, 可将miR156调控的SPL分为两大类。

第1类包括SPL3、SPL4和SPL5,编码较小蛋白, 促进成花; 第2类的SPL9和SPL15编码较大蛋白, 主要促进叶片发生, 也促进开花(Cardon et al., 1999; Wu and Poethig, 2006; Yang et al., 2008; Schwarz et al., 2008)。

同时, 两大类SPL因子的协同作用对开花也很重要, 如SPL3和SPL9超表达能加速开花(Wang et al., 2009a)。

另外, 还发现miR172也是年龄途径的成员, 能降解AP2-like基因的转录本, 从而促进开花。

miR172受SPL9的正调控, 与miR156相反, 随年龄增长而增加(Yamaguchi and Abe, 2012)。

此外, JMJ18(JUMONJI DOMAIN-CONTAIN- ING PROTEIN 18)也作为自身年龄的衡量因子调控开花。

JMJ18编码一类具有JmjC(Jumonj C)结构域的组蛋白脱甲基化酶, 主要在韧皮部的伴胞中表达, 且表达水平随年龄的增加而升高。

其功能缺失突变体和超表达植株分别呈现迟花和早花表型。

进一步分析发现, JMJ18可以结合到FLC的染色质上, 降低FLC染色质的H3K4me3和H3K4me2修饰, 从而抑制FLC表达, 促进FT在伴胞中积累, 进而运输到顶端分生组织促进开花(Yang et al., 2012)。

因此认为可能存在2条年龄调控途径: miR156- SPLs和JMJ18-FLC/MAFs。

二者都属于表观遗传调控, 且都通过FT调控开花。

目前, 关于年龄调控途径的文献资料不多, 这2条途径之间的关系还有待深入研究。

7开花调控途径的整合
在复杂遗传途径的调控下, 植物整合环境信号和内源信号精准地调控开花时间。

以上6条开花调控遗传途径不是孤立的, 各种信号途径最终通过调控整合基因实现对成花转变的调控(图1)。

目前, 在拟南芥中发现了FT、LFY和SOC1三个整合基因。

FT是光周期途径关键基因CO的下游靶标, 直接由CO正调控。

另外, 还发现2类含有AP2结构域的转录因子是FT的抑制子, 包括RAV家族的TEM1(TEMPRANILLO 1)和TEM2以及6个euAP2谱系基因(AP2、SMZ、SNZ、TOE1、TOE2和TOE3)(Kim et al., 2006b)。

此外, FT也是FLC的直接靶标(Helli- well et al., 2006), 说明FT是春化途径和光周期途径的连接点。

FLC也在茎尖分生组织中表达, 并且与叶片中的表达模式不同。

在茎尖分生组织中, SOC1是FLC作用的靶标。

另外, SOC1还受GA信号调控(Moon et al., 2003)。

SOC1 mRNA水平升高依赖于miR156/SPL 组件, 与年龄途径有关(Wang et al., 2009a)。

因此, SOC1是光周期、春化、GA和年龄等几条途径的整合基因。

最后, 各条途径的信号汇集于茎尖分生组织, 调控LFY、FUL(FRUITFULL)和AP1, 共同决定花器官的形成(Yamaguchi et al., 2009)。

AP1和LFY是主要的花序分生组织基因, 其中AP1在成花诱导和花器官形成的调控网络中起核心作用。

LFY和FD分别与AP1的启动子直接结合, 以及SPL家族的转录因子与AP1的调控区域结合是目前发现的3种激活AP1表达的分子机制(Wellmer and Riechmann, 2010)。

同时, TFL1(TERMINAL FLOWER 1)竞争性地与FD结合。

开花抑制子SMZ和AP2直接与AP1结合, 抑制AP1的表达(Wellmer and Riechmann, 2010)。

开花整合基因作为各条途径的汇集点, 整合不同途径的信号。

然而, 每条开花途径不可能同时均衡地作用于几个整合基因。

因此, 各条途径作用的整合因子应有主次之分, 整合因子之间也存在复杂的协调关系, 但整合因子间互作的具体机制尚不清楚。

8研究展望
目前, 许多调控拟南芥开花的基因已被克隆, 除了Srikanth和Schmid(2011)统计的55个基因外, 还有SPL3(Cardon et al., 1997)、ESD4(Reeves et al., 2002)、DRM1(Zhu et al., 2005)、PRP39-1(Wang et al., 2007)、CML23(Delk et al., 2005)、CML24(Tsai et al., 2007)、JMJ18(Yang et al., 2012)、HOS1(Lee。