杜丽　李勇鹏　姚瑶

摘要：研究表明，FT/TFL1基因家族成员编码的一类磷脂酰乙醇胺结合蛋白（PEBP）在高等植物成花转变过程中发挥着重要的调控作用。本文对成花基因FT/TFL1基因家族的结构特征、成员、各个成员在成花转变过程中的功能，以及利用成花基因对植物成花转变遗传改良的研究进展进行详细介绍。

关键词：成花基因；基因家族；成花转变；基因转化

中图分类号： Q756 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0009-04

收稿日期：2013-10-21

基金项目：国家自然科学基金（编号：31100511）；河南省高校青年骨干教师资助计划（编号：2010GGJS-161）；南阳师范学院博士科研启动费（编号：nynu200746）。

作者简介：杜丽（1978—），女，河南南阳人，博士，副教授，主要从事生物技术改良园林植物研究。Tel：（0377）63513797；E-mail：dldldlucky@163.com。在高等植物生命周期中由营养生长向生殖生长转换的过程称为成花转变（floral transition），这一过程是由植物内部的遗传因子与外界环境条件相互协调控制的，是成花基因在时间和空间上表达的结果[1]。研究人员在拟南芥（Arabidopsis thaliana）基因组中分离获得6个FT/TFL1基因家族成员：FT（FLOWERING LOCUS T）、TSF（TWIN SISTER OF FT）、TFL1（TERMINAL FLOWER1）、BFT（BROTHER OF FT AND TFL1）、ATC（ARABIDOPSIS THALIANA CENTRORADIALIS HOMOLOGUE）、MFT（MOTHER OF FT AND TFL1）[2-7]。FT/TFL1基因家族成员编码的蛋白质是一种磷脂酰乙醇胺结合蛋白（phosphatidylethanolamine-binding protein，PEBP）。PEBP最早从牛脑中分离，因易与磷脂酰乙醇胺结合而得名。磷脂酰乙醇胺是构成植物生物膜的主要磷脂，并被证实在信号传递过程中起着重要的蛋白质识别和信号传导作用。

拟南芥FT基因编码的蛋白可以通过韧皮部从叶片运输到茎端分生组织，在茎端分生组织，FT蛋白与bZIP转录因子FLOWERING LOCUS D（FD）互作，共同激活花分生组织基因APETALA1（AP1）的表达，从而促进拟南芥开花[8-9]。TFL1基因与FT基因的功能相反，在拟南芥中，TFL1主要通过延迟开花途径整合基因LEAFY（LFY）及花分生组织基因AP1、CAULIFLOWER（CAL）的表达，从而抑制成花转变[10]。这些研究成果为成花转变的研究带来新的思路，使人们利用分子育种的方法调控高等植物花期开始成为可能。

随着成花基因研究的深入，科学家们相继在粮食作物小麦（Triticum aestivum）[11]、水稻（Oryza sativa）[12]，蔬菜作物南瓜（Cucurbita moschata）[13]、黄瓜（Cucumis sativus）[14]，果树山核桃（Carya cathayensis）[15]、苹果（Malus × domestica）[16]，观赏植物文心兰（Oncidium gower）[17]、菊花（Chrysanthemum morifolium）[18]等多个物种中分离得到FT/TFL1基因家族成员，而且研究发现这些物种中发现的FT/TFL1类似基因不仅与拟南芥的FT/TFL1基因具有很高的同源性，同时在成花转变过程中的调控作用途径也十分相似。这些研究可以证实，高等植物FT/TFL1基因家族成员的某些基因在其成花转变过程中起着重要的调控作用，具有较为重要的研究价值。

1高等植物FT/TFL1基因家族成员的功能

高等植物的FT/TFL1基因家族主要可分成3个亚家族：FT亚家族、TFL1亚家族、MFT亚家族。FT、TSF属于FT亚家族，起开花促进作用，TSF与FT的功能部分冗余；TFL1、ATC、BFT属于TFL1亚家族，起开花抑制作用；MFT属于MFT亚家族，在开花时间调控上与FT的功能部分冗余[19-20]。

Hanzawa等通过探索FT和TFLl蛋白配合体结合区域可能的氨基酸对其蛋白功能的影响发现，互换FT与TFLl的一个氨基酸便可使两者编码的蛋白功能发生互换，这2个关键的氨基酸就是FT蛋白中85位的酪氨酸（Tyr）、TFLl蛋白中88位的组氨酸（His）[21]。对FT和TFLl蛋白的结构进行分析发现，位于FT和TFLl蛋白分子表面的一个由14个氨基酸组成的多元噜噗环对蛋白的促进或抑制开花作用非常重要[22]。在TFLl蛋白中，该外部环在靠近配体结合区开口处有一个氢键基团，而在FT中没有。Ahn等推测，FD本身是个弱转录因子，它能与FT结合后成为强的激活因子，激活AP1的表达从而促进开花；但是当FD与TFLl结合后，却成为抑制因子，导致开花延迟甚至表现为花的缺陷[22]。

1.1FT亚家族的功能

作为昼夜节律钟（circadian clock）的重要输出产物之一，FT基因在光周期调控植物开花途径中发挥着重要作用，昼夜节律钟输出产物GIGANTEA（GI）激活转录因子CONSTANS（简称CO，在生物节律钟和下游开花时间基因间起信号传递作用的桥梁基因）的表达，进一步激活FT的转录，从而促进下游开花决定基因的表达[9，23-24]。

不同植物如番茄（Solanum lycopersicum）、牵牛花（Pharbitis nil）、葡萄（Vitis vinifera）的FT同源基因在拟南芥中组成型表达后，都能在非诱导型光周期条件下促进拟南芥开花[25-27]。在木本植物杨树（Populus spp.）中，FT同源基因的组成型表达显著缩短了童期并促进了成花转变[28]。而在拟南芥和水稻中，用RNAi或miRNA手段下调FT基因的表达后，可导致植株的开花时间延迟[29-30]。这些研究结果表明，FT及其同源基因是高等植物成花转变过程所必需的，并且对开花的调控作用在不同物种间是高度保守的。目前的研究表明，FT蛋白或（和）mRNA可能是植物的成花素信号分子的重要组分[31]。过表达TSF基因可促进拟南芥开花，tsf单突变体则会延迟拟南芥开花，而tsf、ft双突变则会加剧ft单突变体的晚花表型，因此TSF基因在调控植物开花时间上与FT基因发挥冗余的功能[3，32]。除此以外，TSF基因可能是除FT、LFY、SUPPRESSOR OF OVEREXPRE-SSION OF CO1（SOC1）基因以外的成花整合途径上的另一新成员[3]。

1.2TFL1亚家族的功能

TFL1亚家族基因在草本和木本植物中广泛存在，其主要功能有：维持植物的营养生长，延迟植物开花，维持花序的无限生长状态。植物种类不同，TFL1同源基因显示相似但不同的功能。拟南芥的TFL1属于花序分生组织基因，对花序分生组织类型的维持起着极其重要的作用。在拟南芥中超表达TFL1，营养期明显延长，会形成多分枝的花序[33]；拟南芥中tfl1突变体开花早，花序分生组织转变成末端花[4]。

黑麦草（Lolium perenne）TFL1同源基因组成型表达能恢复拟南芥tfl1的表型[34]。TFL1同源基因在水稻中过表达后使水稻开花时间延迟、花序分支增多、小穗排列更紧密[35]。过表达玉米（Zea mays）TFL1同源基因ZCN1-6会导致玉米不同程度的晚花并伴随玉米花序结构的改变，并且转基因植株表型的改变程度与蛋白的同源程度密切相关[36]。Mimida等通过对苹果（Malus×domestica）的TFL1同源基因MdTFL1表达模式的研究发现，该基因在苹果花序发育阶段早期的芽中表达量较高，在花的发育过程中不表达[37]。通过定量 real-time PCR和异位表达显示，甜橙（Citrus sinensis）TFL1的同源基因为控制柑橘童期的关键基因，柑橘童期与该基因的转录积累呈明显正相关[38-40]。由此可见，TFL1基因及其同源基因在参与维持芽顶端分生组织的无限生长、延迟开花及对木本植物童期的维持方面可能起着较重要的控制作用。

拟南芥的ATC基因与TFL1基因同属TFL1亚家族，ATC基因的过表达能够互补tfl1突变体的晚花表型，但atc突变体却没有明显的表型，这表明ATC基因可能并不控制花序分生组织的分化状态[27]。拟南芥BFT基因也属于TFL1亚家族，但至今为止还不清楚其生物学功能，仍需进一步研究[27]。

1.3MFT亚家族的功能

MFT与FT、TFL1几乎具有相同的序列同源性，在长日照条件下，过表达MFT基因可使拟南芥开花时间稍稍提前，但不如FT基因对开花的促进作用明显，T-DNA 插入引起的mft突变体没有明显的表型[7]。MFT 在大麦（Hordeum vulgare）中的同源基因为HvMFT，在水稻中过表达HvMFT，对水稻的开花时间和花序形态没有影响，且HvMFT在叶片中不表达[41]。因此认为，MFT可能具有冗余的成花诱导作用，与FT的功能是相似的，或者拟南芥的正常发育并不需要MFT[7]。玉米MFT类似基因ZCN9和ZCN10在种子中的特异表达，可能在种子发育过程中发挥作用[42]；MFT在水稻中的同源基因OsMFT1、OsMFT2在种子发育和萌发过程中均有表达[12]。目前关于MFT基因在植物中的功能了解较少，已有的试验结果表明，MFT亚家族成员基因可能具有冗余的成花诱导作用，也可能与种子的发育有关。

2高等植物FT/TFL1基因家族成员在花期改良方面的应用FT基因和TFL1基因为FT/TFL1基因家族的2个关键成员，其蛋白一致性很高，但生物功能却截然相反：FT基因促进成花，TFL1基因抑制成花[20]。FT基因和TFL1基因的分离克隆，为揭示植物花发育的分子机理提供了理论依据。基因分离的目的是为了更好地研究基因的功能并加以利用，通过生物技术转基因的方法将成花基因转化进入植物体，是最直接和便捷的调控花期的育种手段。近年来植物花期改良的育种目标主要集中在以下几个方面：（1）调控草本观赏植物花期，通过促进开花、缩短开花周期、延长花期，获得花期多样性的花卉系列品种；（2）缩短木本植物童期、提前结束幼年期，促进早期开花，以期加快杂交育种进程；（3）通过抑制开花，从而改良园林行道树种（悬铃木、香樟、枫杨等）产生污染环境的有性生殖过程产物（花粉、种子飞毛、果实等）。而育种目标则是研究者们试图通过转基因技术获得组成型或特异性表达FT基因和TFL1基因的转基因植物，以实现对高等植物成花转变的人为调控。

2.1促进开花策略的应用

最初花期改良的转基因植物都是组成型表达拟南芥FT产生的。姜丹等将拟南芥的FT基因连接到Super 1 300+组成型植物表达载体上，并运用农杆菌介导法将FT基因导入切花菊神马中；转基因菊花神马的一个株系的组培苗在培养容器中就观察到有花蕾分化，转入外源FT基因后，短日照菊花神马具有在16 h光照条件下开花的特性，且该品种的花期能够提前。菊花神马转基因植株花芽分化不再受光周期影响的例子说明，通过转FT基因改变菊花的花期是可行的[43]。在拟南芥FT基因转化洋桔梗的研究中，转基因株系在愈伤组织阶段就观察到紫色花瓣状器官分化现象[44]，初步证明外源FT基因在洋桔梗中是有生物活性的，能够诱导洋桔梗花发育的起始。以上研究说明，在草本观赏植物中通过转化FT基因促进转基因植株开花，从而获得花期多样性的花卉系列品种是可行的试验策略。

李伟明等构建组成型表达苹果MdFT基因和拟南芥FT基因的植物载体进行番茄遗传转化，结果显示：2个基因在番茄转基因植株中都得到了表达，转基因番茄均表现出早花性状；部分35S：：AtFT转基因植株在生根培养基中就能观察到花芽分化，并能形成花蕾；在MdFT转基因番茄植株中也可低频观察到花蕾出现。研究结果表明，在番茄中异位过量表达苹果MdFT基因和拟南芥FT基因，能够诱导番茄早花，初步验证了苹果MdFT基因具有促花功能，对转基因手段缩短苹果童期具有潜在价值[45]。

不过需要注意的是，转基因株系组成型表达拟南芥FT基因或其他FT同源基因在获得早花性状的同时，可能会出现异常花的现象，而异常花不能产生可育配子，这可能与多数研究的表达载体使用组成型启动子有关[46]。在杨树的促花转基因研究中，有研究者尝试使用非组成型启动子——大豆热激启动子HSP（heat shock promoter）构建的表达载体，试图减少转基因植株花器官变异。贾小明等采用热击启动子HSP控制来自拟南芥的FT基因、来自杨树的FT1、FT2基因来构建表达载体，转化结果表明：FT类基因诱导的杨树转基因植株会出现不同程度的早花现象，但来自拟南芥的FT基因促花效果优于来自杨树的FT1、FT2基因；同组成型启动子控制的开花基因转化结果相比较，热激启动子控制的转FT类基因植株获得了相对比较多的正常花序，而且观察到了花药的正常散粉现象[46-47]。

这些研究结果说明，通过FT基因和相关FT同源基因的转化与表达来促进草本观赏植物开花，获得花期多样性花卉品系并缩短木本植物童期、提前结束幼年期，对加快木本植物尤其是果树的常规育种进程具有十分重要的应用价值，为了克服组成型表达FT类基因造成的花器官畸变，采用非组成型启动子构建植物表达载体是较为可行的策略。

此外，园林绿化常用树种香樟、悬铃木、枫香等在有性生殖过程中的常见问题有：香樟巨大结实量；枫香球果存在数量多、个体大、果实硬的特点；悬铃木花粉及种子飞毛等，这些都会造成城市环境污染，给市民出行带来不便，成为这些树种在城市绿化应用推广中的限制因素，因而不育品系的培育成为解决上述问题的关键。采取二次转化的策略对成花基因FT类基因加以利用，能够达到培育转基因不育品系的目标。大多数木本植物的植株再生体系是通过间接体胚发生途径建立的，胚性愈伤组织作为外植体对于转基因的优势在此不再赘述，但对于木本植物开花抑制或不育育种的研究则十分不便，因为通过体胚再生的植株可能同样具有较长的幼年期，使得抑制开花基因或者雄性不育基因的转化效果很难被验证。因此，在香樟转基因不育育种中，为了早日看到转化雄性不育基因的植株在表型及生理上的变化，同时缩短其开花所需时间，研究者以稳定表达雄性不育Barnase基因的香樟胚性愈伤组织为外植体，对其进行PaFT基因（来源悬铃木FT类基因）二次转化[48]，并对二次转化后再生植株的开花表型进行调查，以达到迅速获得不育植株的目的；来自同一实验室的枫香转基因不育育种研究对成花基因PaFT的利用策略类推[49]。二次转化进行转基因不育育种的策略，也可以修订为先转化FT类基因到相应木本植物的胚性愈伤组织中，以确保早花性状的稳定表现，进而对转基因抗性愈伤组织进行雄性不育基因的二次转化，再对再生植株的开花性状进行研究。

2.2抑制开花策略的应用

通过转化抑制开花基因，抑制花序分生组织向花分生组织转变，使植物的花期延后，同样可以达到丰富观赏植物的花期多样性的育种目标。在农杆菌介导的TFL1基因转化菊花的研究中，侯香玲采用CaMV35S组成型表达启动子和拟南芥TFL1基因构建植物表达载体，对菊花中的早花品种广东黄进行遗传转化。研究结果发现，将试验获得的5株阳性植株进行盆栽培养后，观察花期性状发现其开花期均比对照株推后7 d左右，表明TFL1基因对推迟菊花花期是有效果的[50]。Kotoda等在对苹果TFL1基因的研究中发现，将反义MdTFL1转入苹果植株后，转基因植株嫁接后8～15个月即可开花，而正常野生型要5年才能开花；研究表明，抑制MdTFL基因的表达、缩短苹果童期可诱导苹果早花，结果可以反证TFL1基因的确具有使植物保持童期、抑制其开花的功能[51]。

目前，直接转化TFL1类基因并抑制成花转变的相关研究较少，研究热点集中在对该基因的克隆和表达分析层面。笔者所在课题组也在进行香樟TFL1类转基因植物的研究，试图将香樟抑制开花基因转入成年植株，从而调控香樟成花转变，为减少香樟果实造成的环境污染、获得无果或少果香樟植株奠定研究基础。

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