王 硕, 葛秀秀

北京农学院生物科学与工程学院, 农业部华北都市农业重点实验室, 北京 102206

植物分枝性状研究进展

王 硕, 葛秀秀*

北京农学院生物科学与工程学院, 农业部华北都市农业重点实验室, 北京 102206

分枝性状在植物的生长过程中发挥重要作用，分枝数量会影响作物的产量，对于观赏植物而言，分枝的多少会影响其观赏效果。介绍了影响植物分枝的因素以及与植物分枝性状相关的基因，总结了前人在研究植物分枝性状时所用的方法，以期为以后的植物分枝性状的研究提供广泛的选择空间及新的思路。

植物分枝；性状；转录组测序

分枝普遍存在于植物的生长过程中。高等植物的分枝系统在植物形态建成中具有十分重要的作用[1]，粮食作物的分枝、分蘖的多少会影响其结实率进而影响粮食产量。在研究玉米的栽培过程中发现其分枝越少，玉米产量越高，因而可以通过减少其分枝数达到增产的目的，水稻的分蘖数同样会影响水稻的产量。观赏植物的分枝情况影响其形态建成，可以作为评价其观赏效果的指标。植物的分枝受到外界环境、植物激素、遗传因子三个方面的影响，这三个方面协同调控植物的分枝性状。近年来人们已经通过种种生物学方法对植物分枝调控机理进行了广泛的研究，并且找到了大量的控制植物分枝性状的基因。应用各种实验方法来研究植物的分枝性状、认清调控植物分枝的机理对于从根本上控制植物分枝、提高粮食作物产量、改善观赏植物株型具有非常重要的意义。

1 植物分枝性状研究进展

1.1 影响植物分枝的因素

为了适应自然环境的变化，植物分枝呈现出千姿百态的样式。高等植物植株形态的形成受到自然环境的影响，如光照、温度、水分、氮、钾[2]、钠复合肥等营养因素的影响，但主要受植物激素和遗传等内在因素调控。

目前已经被证实了的调控植物分枝的关键激素是生长素和细胞分裂素，2008年研究发现的一类新的植物激素独脚金内酯(strigolactone)与植物茎的分枝和侧芽的发育有关，这种新的植物激素调控植物的茎分枝和侧芽发育[3,4]。独脚金内酯通过一定的调控机制抑制植物地上部分的分枝发育，这3种植物激素协同控制植物的分枝数量[5]。

遗传因子从根本上决定植物的分枝特点。植物的分枝是从腋生分生组织中分化出来的，侧芽生成先是叶腋处的特殊性状基因表达；然后，腋生分生组织生长；接着生长成侧芽。在此生命活动过程中控制分枝的基因和植物激素共同协调控制植物的分枝性状。很多影响植物分枝的基因已被陆续报道，它们的作用机理不尽相同。

1.2 与植物分枝相关的基因

植物分枝发育分为两个过程，这两个过程分别是腋生分生组织的形成和腋生分生组织的生长，这两个阶段受差异基因调控。

1.2.1 与腋生分生组织的形成相关的基因 与腋生分生组织形成相关的基因有LAS[6]、LS[7,8]和MOC1[9,10]，它们都是GRAS蛋白家族中的成员，LS基因是在番茄突变体中发现的，LAS是拟南芥中发现的与LS同源的基因，MOC1是水稻中发现的。LBD基因家族[11,12]是最新发现的一种与腋生分生组织形成相关的基因，它在侧生分生组织始基的萌动与器官的形成、以及侧生器官与顶端分生组织边界的形成上起重要作用。番茄中的bl/to基因调控茎和花序的发育，从而影响侧生分生组织的生成。MYB蛋白家族R2R3类中的Bl/to基因，含有MYB结构域与DNA结合。拟南芥中与Bl同源的基因RAX，对侧生分生组织形成起一定的调控作用。

1.2.2 与腋生分生组织的生长有关的基因MAX基因和RMS基因都是在腋生分生组织生长发育中发挥作用的基因，max与rms突变体有非常近似的表现型，它们株型较低、分枝偏多[13,14]。max1、max3、max4会抑制野生型植株分枝的产生。MAX1基因促进类黄酮基因表达，间接抑制腋芽的生长。矮牵牛dad1-1突变体分枝较多[15]，植株矮小。HTD1(HUGH-TILIERING DWARFl)基因是水稻分蘖的负调控因子，是MAX3/RMS5的同源基因[16]。MAX4/RMS1/DAD1的同源基因D10 (DWARF10)是抑制分枝途径的关键基因。

1.2.3 与腋生分生组织形成和生长都相关的基因 与腋生分生组织形成和生长都有关的基因有TCP家族的TB1基因[17]。通过原位杂交实验在玉米的腋生分生组织和穗原基的雄蕊中都发现了TB1基因的表达，并且随着玉米的生长其表达水平下降，说明TB1可以抑制这些组织的生长。在拟南芥中发现的BRC1(BRANCH1)是TB1的同源基因，这个基因调控腋芽的形成和生长[18]。在双子叶植物金鱼草的腋生分生组织中发现了TCP基因家族成员的表达，它主要通过控制金鱼草的生长速度达到调控其花朵背腹轴的不对称性[19]。

2 植物分枝性状研究方法

研究植物分枝性状有很多方法，嫁接法、QTL分析法、经典的生理学方法以及研究植物分枝突变体的分子遗传学方法、转基因技术和近几年发展起来的转录组测序技术。

2.1 嫁接法

已有研究发现拟南芥的分枝受类胡萝卜素衍生的激素调节，MAX基因与激素共同发挥作用。在整个分枝路径的调控过程中，MAX3、MAX4和MAX1这3个基因共同完成调控分枝信号物质的生成，而MAX2主要在信号的接收过程中发挥作用。将突变体max1、max3、max4的接穗嫁接到野生型砧木上后突变体恢复到跟野生型一样的表型，这说明野生型植株的根或茎中存在着MAX基因的表达产物能够抑制茎的分枝[20]。该研究揭示了拟南芥中与调控分枝相关的远程信号通路的基因，证实了基因与激素共同调控植物的分枝性状。这种嫁接方法操作简单、效果显著，这种方法在大豆的研究中也有应用。

2.2 QTL分析法

张媛等[21]运用QTL复合区间作图法研究了甜玉米雄穗分枝数。他利用2个雄穗分枝数有显著差异的甜玉米自交系为亲本配制组合，在F2群体和F2∶3家系中检测到14个雄穗分枝数QTLs，分别位于第2、3、4、8、9染色体上。其中，qTPBN-ch.9-1位于第9染色体，与汤华等[22]定位的雄穗分枝数QTL qTBN9同时位于标记bnlg127附近。因此可以推测在标记bnlg127附近存在稳定可靠的雄穗分枝数QTL，可作为玉米雄穗分枝数相关数量性状基因的候选基因。QTL分析方法不仅在植物分枝性状研究中广泛应用，在其他数量性状如植物抗逆等研究也大量应用，是一种通用经典的研究方法。

2.3 AFLP分析方法

AFLP是RAPD和RFLP结合后的方法。杨建玉等[23]应用AFLP分析方法研究一串红的分枝突变体。他们对一串红株型突变体BN35-1、野生型BN35及4个商品种样品提取基因组DNA然后进行AFLP分析。用EcoRⅠ和MseⅠ限制性内切酶对样品基因组DNA进行双酶切，同时在T4 DNA Ligase作用下，酶切片段与EcoRⅠ和MseⅠ接头连接，酶连后的反应液稀释6倍预扩增，预扩增产物稀释20倍选择性扩增，扩增后电泳观察分析，最后确定了突变体BN35-1与野生型BN35间的亲缘关系，同时BN35-1和BN35基因组DNA有52处基因座位位点存在差异，相应的条带是控制一串红株型突变或与突变基因连锁的候选基因片段，可以作为后续对一串红分枝性状深入研究的基础。AFLP分析方法既克服了RFLP技术的复杂和放射性危害，也避免了RAPD的稳定性差的缺点，兼具二者之长，使AFLP迅速成为迄今为止最有效的分子标记。

2.4 RFLP和SSR标记结合F2群分法

冯宗云[24]从(f151X Gateway)F2群体中随机取10个穂部无分枝和穂部分枝单株构建混池提取DNA，形成穂部无分枝和穂部分枝DNA池，进行SSR标记和RFLP标记，将结果转换成数字形式，用MAP MAKER软件将观察到的F2分离群体的穗有分枝和无分枝与SSR和RFLP标记的结果进行连锁剖析，通过Kosambi公式将重组率转变为遗传图距。应用SSR和RFLP标记结合群分法，将该基因定位于4H染色体的短臂上，距RFLP标记CDO669 5.8cM，距SSR标记HVM40 8.7cM。推断该基因为一个新基因，暂定名为mb。通过SSR标记和RFLP标记的综合利用筛选出了与分枝性状相关的候选基因，更好地确定了候选基因在染色体上的位置，这两种分子标记结合F2群分法为植物其他性状的研究提供了一条新的思路。

2.5 转录组测序技术在植物分枝中的应用

RNA-Seq技术作为一种新出现的、快捷的转录组研究手段能够更为迅速、精确地为人们提供大量的生物体转录信息，用转录组测序技术来研究植物分枝性状更加方便快捷。王磊[25]对水稻全生育期基因表达谱的构建与侧生分枝发育的基因调控网络方面进行了研究，他通过构建覆盖39个器官的转录组，建立了覆盖水稻全生育期的表达谱，并且和拟南芥的转录组进行了比较研究，发现了大量的与穗分枝发育有关的基因。通过对这些基因的功能研究，发现了一个主要由小RNA和转录因子组成的基因调控网络协同调控了水稻侧生分枝的发育。通过表达谱分析了各个组织在发育上的关系，发现基因表达模式和器官发育的同源性之间有很好的对应关系。该研究还发现超量表达miR156导致分蘖极大增多，但是穗部分枝被严重抑制；而抑制miR156则得到了和超量表达相反的表型，说明miR156正调控分蘖发育，但是负调控花序分生组织活性。因为被miR156调控的SPL7、SPL14和SPL17都从幼穗发育的早期到后期逐渐下调表达，因此推测这3个SPL基因可能调控了水稻的侧枝发育。

葛秀秀[26]在进行一串红的分枝性状研究时，通过选取野生型“35”与其突变型“彩铃虹”为材料各混合同一生长阶段的10株植株的根、茎和叶片，提取RNA，利用Illumina Cluster Station和Illumina Genome Analyzer系统进行转录组测序，通过比对、拼接和组装，获得了含49 310个基因片段的一串红转录组序列库。对其进一步分析开发出了2 453个SSR序列和1 966个2个品系间的SNP序列。将所得49 310个基因序列与各类基因功能数据库进行比对，分别对 24 888个基因进行了GO功能富集注释，对6 995个基因进行了Kegg代谢通路富集注释，对9 896个基因进行了COG功能富集分析，同时，获得了33 925个Nr、23 167个Nt、25 371个swissprot和34 081个trembl基因功能的注释。通过IDEG6 software检测，筛选到143个2品系间的差异表达基因。

除去这些方法，还有一些其他的方法被用来研究植物的分枝性状，如Li等[27]应用遗传图谱定位克隆技术鉴定出了1株水稻分蘖突变体——单杆突变体moc1。另外还有射线照射、FPNI和比较基因组学等方法。

3 展望

嫁接法、QTL分析法和经典生理学方法成功的与更多分枝发育相关基因重叠突变体研究的分子遗传学和转基因技术相结合，给我们提供了研究植物分枝发育遗传控制更加有力的工具。多种方法相融合的研究趋势将随着转录组学技术的迅猛发展得到加强。

虽然，转录组测序技术在植物各种性状的研究中都得到了高效利用并且取得了显著的成效。然而，把转录组测序技术应用于植物分枝性状方面的研究还很少见，随着高通量测序技术的不断发展，测序成本不断降低，转录组测序技术将会更广泛的应用到植物分枝性状的研究中，通过转录组测序技术获得控制其分枝的基因然后通过分子手段来改良植株株型，实现对植物株型的定向设计。

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Progress on Plant Branch Characters

WANG Shuo, GE Xiuxiu*

KeyLaboratoryofUrbanAgriculture(NorthChina),MinistryofAgriculture,CollegeofBiologicalScienceandEngineering,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing102206,China

Branching plays an important role in the growth of plants, and the number of branches affects the yield of crops. For ornamental plants, the number of branches affects their appreciation effect. In this paper, the factors affecting plant branching and the genes related to the branching shapes were briefly introduced, and the methods used in the study of plant branching traits were summarized, which was expected to provided a wide range of selection space and new ideas for subsequent plant branching research.

plant branch; character; RNA-Seq

2016-11-17; 接受日期：2016-12-16

北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201510020001)资助。

王硕，硕士研究生，研究方向为功能基因发掘与系统生物工程。E-mail:13910904130@139.com。*通信作者：葛秀秀，副教授，研究方向为功能基因发掘与系统生物工程。E-mail:nkygxx@sohu.com

10.3969/j.issn.2095-2341.2017.02.02