王 夏,孙菲菲,郦月红,王 强

(南京市蔬菜科学研究所,江苏 南京 210042)

萝卜抽薹开花相关基因的研究进展

王 夏,孙菲菲,郦月红,王 强

(南京市蔬菜科学研究所,江苏 南京 210042)

通过构建萝卜抽薹开花相关基因的cDNA文库,获取大量的EST序列,并与十字花科模式植物拟南芥、白菜等进行比较基因组学研究,研究结果显示:萝卜与拟南芥、白菜等植物基因组具有很高的同源性,控制抽薹开花的相关基因在不同物种中具有保守性。拟南芥抽薹研究表明,抽薹开花过程受多基因控制,具有多种调控途径。抽薹开花是一个复杂的过程,其中FLC、FT、LFY等基因处于关键位置。目前这些关键基因在萝卜EST序列中已经发现了同源片段,并进行了一些基因克隆,结合萝卜基因组测序的完成,未来萝卜抽薹研究将进入基因功能验证和全基因组调控模式研究之中。

萝卜;抽薹;十字花科;比较基因组学

萝卜(Raphanu s sativus L.,2n=2x=18)又名莱菔,十字花科萝卜属,一、二年生草本植物,具有多种菜用和药用价值。萝卜具有一定的耐寒性并适合储运,是我国传统的蔬菜品种,近年来反季节高山萝卜栽培面积不断扩大,萝卜在蔬菜产业中的作用日趋重要。选育耐抽薹红萝卜、青萝卜等优质高产新品种还没有实现,主要是因为萝卜抽薹开花的遗传背景复杂,表现出数量性状的遗传特点,田间选择难度大,因此在分子水平上研究萝卜抽薹开花的调控机理,是解决萝卜先期抽薹,进行开花调控的根本途径。

萝卜抽薹开花的过程紧密相连,抽薹之后进入花期标志营养生长向生殖生长的转变。虽然在抽薹开花过程中有一些基因表达的差异,但是从耐抽薹的育种目标出发,两者之间的基因调控过程具有很强的连续性与一致性。

萝卜作为十字花科植物中的一员,在研究过程中借助十字花科模式植物拟南芥及白菜的研究成果是一种便捷高效的研究方法。萝卜与拟南芥、白菜等十字花科植物的比较基因组研究为这种借鉴提供了依据。目前萝卜全基因组测序尚未完成,通过萝卜cDNA文库的EST序列信息,开展萝卜与拟南芥、白菜的比较基因组研究是一种比较可信的方法,许多相似的研究都表明了萝卜基因组与拟南芥、白菜基因组具有很高的同源性,其中开花时间作为生殖隔离机制的关键,在进化过程中本就具有极高的保守性,目前不同十字花科植物中的抽薹开花研究表明,拟南芥、白菜等植物中控制抽薹开花的基因具有同源性,这些同源基因在不同调控途径中都有作用,这也表明这些基因可以作为抽薹开花的关键基因。确定了十字花科植物中抽薹开花的关键基因,通过在萝卜EST序列中的同源比对,大量同源拷贝被发现,这也反证了萝卜抽薹开花的基因控制与拟南芥、白菜的相似性。

1 萝卜比较基因组学研究进展

萝卜的分子遗传研究相对滞后,基因组测序还未完成,因此借鉴十字花科模式植物拟南芥、白菜、油菜的成果是提升萝卜分子研究的重要手段。近年来萝卜与拟南芥等植物的比较基因组研究取得了重大的进展。

随着测序技术的发展,通过cDNA文库获得大量EST序列,利用EST序列开发萝卜分子标记进行萝卜基因组研究成为目前重要的研究手段。Kenta Shirasawa利用EST-SSR标记构建了萝卜连锁图谱,通过26 606个EST序列开发了3 800个SSR标记,其中具有多态性的标记630个,结合213个报道过的分子标记,构建了覆盖1 129.2 c M的连锁图谱,位点之间的平均长度1.3 c M,共9个连锁群。在这张图谱的基础之上,开展了萝卜与拟南芥的比较基因组研究,研究结果认为,萝卜与拟南芥、白菜等十字花科植物具有共同的祖先,萝卜中的基因片段是拟南芥中相同片段的2～3倍[1],相似的研究方法与结果出现在不同的研究中[2]。Di Shen利用315 000个萝卜EST序列发现基因和标记,这些EST序列能够在拟南芥等物种的85 083个功能基因之中发现同源,比较分析认为5 595个基因是萝卜特有的与小分子代谢有关的基因,12 899个基因是十字花科油脂与激素合成有关的基因,与白菜基因组的比较研究显示萝卜与白菜拥有共同的祖先,大约2 140～1 280万年前其共同祖先发生了一次全基因组重复,1 460～890万年前萝卜与白菜在进化过程中产生分化,大约840～510万年前萝卜基因组再次发生了重复[3]。

通过EST序列开展的比较基因组研究表明,萝卜与拟南芥、白菜等十字花科植物具有很高的同源性,而植物开花时间的差异是一种重要的生殖隔离机制,它在植物的进化过程中占有重要地位,十分保守。拟南芥与白菜的基因组研究也发现抽薹开花的关键调控基因非常相似,这为萝卜抽薹研究提供了基础[4]。

2 十字花科植物抽薹相关基因研究进展

植物抽薹开花是植物从营养生长向生殖生长的过渡,受到外界温度、光照、自身发育情况、內源激素等综合作用的调节,必然是一个复杂的生理生化变化过程,从进化的角度看关系到植物种群的延续,因此在相对稳定的环境中具有稳定的调控机制非常重要。Shinichiro Aikawa发现一个野生拟南芥亚种必须经过6周4℃低温处理才能够抽薹开花,这保证了在某些时刻气温变化与季节不一致时控制开花的稳定性[5]。

模式植物拟南芥的抽薹开花研究较早,相关基因的克隆取得了极大的进展,是其它植物尤其是十字花科植物研究抽薹开花的重要参照。拟南芥中的研究显示,抽薹开花是受多基因控制的数量性状,目前已知的相关基因超过180多个[6],调控的主要途径包括春化途径、光周期途径、自主途径、激素途径、FRI依赖途径等。在拟南芥生长过程中,温度、光照、激素等因子的不断改变会造成植株不同调控途径中的基因激活或者关闭,结果就是使拟南芥在合适的时间进行抽薹开花结果。

春化途径和自主途径的核心调控开关是开花抑制基因FLC(Flowering Locus C),FLC基因是植物中的一个非常保守的基因,不同物种之间都具有极高的同源性,拟南芥中FLC基因的突变对抽薹开花时间的影响非常显著[7]。春化作用影响FLC与FRI(Frigida)基因[8],FRI基因促进FLC的高水平表达, FLC抑制FT(Flowering Locus T)、SOC1(Suppressor of Overexpression of Constans1)基因表达,从而推迟植株开花。在春化作用下,FLC的m RNA表达量降低,从而使FT和SOC1基因表达量升高,综合作用于下游LFY(Leafy)和AP1基因,从而促使植株开花。自主途径主要通过抑制FLC的表达而促进植株的开花[9],自主途径中包括7个主要调控基因,分别为FCA、FLD、FLK、FPA、FVE、FY和LD。这些基因与春化途径中的基因相互独立,通过抑制开花阻遏基因FLC的表达来促进开花。自主途径中基因的变异会导致FLC表达量的上升从而延迟开花。

光周期途径主要通过CO(CONSANS)基因作用于FT基因进行调控,CO处于光周期途径下游,可以诱导光周期调控途径中上游基因的表达,从而将光信号转换为开花信号,促进植物开花[10]。激素途径主要是赤霉素途径,植物通过赤霉素合成基因的表达激活SOC1基因表达,从而加强LFY基因的转录活性,促使植株抽薹开花[11]。拟南芥抽薹开花的调控非常复杂,相关的基因信息并没有全部掌握,但是审视这些不同途径的调控过程,我们发现不同的基因网络调控过程中,FLC、FT、LFY等基因总是处于关键位置,是决定作物抽薹开花特性的关键基因[12]。

FLC基因对抽薹开花起抑制作用,由它编码的MADS核蛋白是一个MADS-box类的转录因子, FLC的转录水平与开花时间有量化的关系。FLC基因到其他基因的调节,比如FRI基因的表达会促进FLC m RNA的积累,加强对抽薹开花的抑制作用。目前在白菜、甘蓝中均获得FLC基因的同源序列[13]。拟南芥中的LFY基因与花芽分化有关,这对抽薹具有促进作用,在白菜中已报到克隆出LFY同源基因片段[14]。FT基因是植物开花调控途径的重要整合因子,大白菜基因组中鉴定出两个控制开花的FT同源基因[15]。

3 萝卜抽薹相关基因研究进展

萝卜抽薹过程中,同样具有一系列复杂的生理生化变化,温度、光照、激素等因子都对萝卜抽薹有影响,目前研究认为温度是最重要的条件。根据萝卜抽薹开花的春化条件不同,一般将萝卜分为春性、弱冬性、冬性、强冬性4种生态型。通过对低温春化过程中萝卜生理生化的跟踪观察,显示可溶性蛋白、游离氨基酸含量总体表现为逐渐升高的趋势,而可溶性糖含量则呈下降趋势。强冬性萝卜品种可溶性蛋白和可溶性糖含量明显低于春性萝卜品种,游离氨基酸含量则相反。萝卜是长日照植物,增加光照时长和光照强度对萝卜的生理生化有影响,但目前尚没有准确的证据表明光照与萝卜抽薹之间的必然联系。內源激素对萝卜抽薹的影响与拟南芥相似,赤霉素、生长素对萝卜的抽薹开花起着一种正向调控的作用[16]。

萝卜抽薹开花性状遗传规律复杂,一般认为萝卜抽薹性状符合两对主基因加多基因遗传模型[17]。Libin Zhang通过分析萝卜叶片的EST序列认为,萝卜抽薹时有2个重要的的表现,剪接体组装和生物碱合成[18]。剪接体组装与转录水平调控有关,而促进抽薹开花的基因AGL20、AGL24、CO、SOC1,抑制抽薹开花的基因FLC、FLM、FRI、SVP等基因都是MADS-box基因,MADS-box基因是一类序列特异的调节基因家族,它所编码的MADS-box蛋白因子为转录因子,其主要功能是激活或抑制基因的转录反应,植物中MADS-box编码的蛋白为MIKC型,保守性非常高[19]。

越来越多的证据表明,调控萝卜抽薹开花的关键基因与拟南芥、白菜等植物中的基因是同源的。早期研究也发现了一些与抽薹相关的分子标记,随着测序技术的发展,基于EST序列的全基因组研究为萝卜抽薹研究提供了更直观的基因信息。通过EST序列,已经在萝卜中发现FLC、FRI、LFY基因的同源片段,其余相关基因的发现与功能验证尚需要进一步研究[20]。

萝卜抽薹研究是关系到萝卜育种的一个重要方面,萝卜耐抽薹品种的选育关系到萝卜产业的发展。由于萝卜抽薹开花受环境和基因遗传的交互影响,非常复杂,通过分子标记进行辅助选择是一个有效的手段,在掌握基因调控的基础之上进行分子标记的应用将极大提升耐抽薹育种的效率。我们相信随着萝卜全基因测序的完成,必将加速萝卜抽薹开花研究的突破,促进萝卜耐抽薹新品种的选育。

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(责任编辑:谭彩霞)

The Research Progress on Bolting and Flowering Gene of Radish

WANG Xia,SUN Fei-fei,LI Yue-hong,WANG Qiang
(Nanjing Research Institute of Vegetables,Nanjing 210042,China)

Based on a radish cDNA library,a lot of EST sequences are obtained and a comparative genomic research is carried out between cruciferous model plants such as Arabidopsis thaliana and cabbage.The results show that radish is in high homology with Arabidopsis thaliana and cabbage.Related genes are conserved about bolting and flowering traits in different species. Studies in bolting traits of Arabidopsis show that the process of bolting and flowering is controlled by many genes,and there are a variety of regulatory pathways.It is a complex process, including FLC、FT、LFY genes in a critical position.Currently the homologous fragments of these key genes have been found and cloned in radish EST sequences,combined with the completion of the genomic sequencing of radish.Future researches will explore the function of genes and genome-wide regulation model.

radish;bolting;brassicaceae;comparative genomics

S631.1

A

1672-755X(2014)03-0068-04

2014-04-22

江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(13)2007);江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(12)2006)

王夏(1985-),男,江苏南京人,农艺师,硕士,主要从事萝卜、小白菜育种研究。