生長素對花發育過程的調控機制
開花是高等植物個體發育的中心環節，也是植物從營養生長轉向生殖生長，繁衍后代的關鍵步驟，以下是小編搜集整理的一篇探究生長素對花發育過程的調控機制的論文范文，供大家閱讀查看。
花是被子植物特有的在繁殖過程中產生的生殖器官，是植物組織中最為復雜的結構，也是被子植物區別于其他陸生植物的重要特征。以雙子葉植物擬南芥為例，在營養生長時期，頂端分生組織(shootapicalmeristem,SAM)在其兩側產生葉片，并向生殖生長過渡，抽薹后逐步形成花序頂端分生組織(inflorenscenceshootapicalmer-istem,IM)。在抽薹的過程中，先前存在的葉原基變成莖生葉支撐橫向花序，同時頂部開始產生花器[1].植物開花器官的發育內容包括了花器官的大小、數目以及位置。人們最早是以經典ABC模型[2]來闡述擬南芥花器官的發育，但是在后續的研究中發現，其他雙子葉植物以及單子葉植物的花器官形成也能夠用該模型解釋[3-4].植物花的發育受到多種因素的調控，除了光照、溫度等環境因素外，國內外許多學者都證實了相關基因表達水平變化和細胞分裂素(Cytokinin)、生長素(Auxin)等植物激素的含量變化對花發育的調控作用[5-9].生長素是一種極性分子，是迄今發現的唯一一種極性運輸的激素。生長素作為最早發現的植物激素，在植物的整個生長發育過程中起重要作用。
參與調控如細胞的伸長、分裂和分化、胚胎發育、側根的形成、頂端優勢、根莖葉的形態建成和向性反應等。越來越多的研究表明生長素的含量變化、極性運輸和信號轉導與花發育具有緊密聯系，表明生長素在植物花生長發育過程中具有關鍵的調控功能。本文著重總結生長素含量變化、極性運輸和信號轉導與植物花發育的相互關系，以期闡明生長素對花發育過程的調控機制。
1生長素極性運輸與花發育
通過直接測定的方法，發現植物的根部有合成生長素的能力[11].研究證實，大多數的生長素還是在生長旺盛的幼嫩葉片或子葉中合成的，之后通過韌皮部快速運輸到植物的根等部位[12].生長素在植物體內的運輸主要有兩種形式，一是快速的，與其他代謝產物一起以集束流(massflow)的形式通過成熟維管束組織進行的被動運輸，這種運輸不需要消耗能量，無固定方向;二是慢速的，單方向、在細胞之間進行的依賴于載體來完成的運輸，這種運輸發生在維管束形成層和韌皮部薄壁細胞，稱為極性運輸(polarauxintransport,PAT)[13-14].生長素極性運輸是一種主動運輸，具有幾個顯著的特點，一是廣泛存在于高等植物體內，二是可被一些化學物質如1-萘氨甲酰苯甲酸(NPA)、2,3,5-三碘苯甲酸(TIBA)等所抑制[15],導致發生一些異�，F象，如花芽形成被抑制等，三是需要輸出載體PIN和輸入載體AUX/LAX[16-17].對生長素極性運輸調控花發育的研究依賴于相關突變體的研究。PIN1編碼一種參與到生長素輸出的跨膜蛋白[18-19],對pin1突變體植株的研究發現，該種突變體表現出花發育的缺陷性[20-21],在整個花序發育的過程中表現出多向性的缺陷，并且不能開花，表明生長素是花原基起始的基本條件。
但是，阻斷生長素的極性運輸卻不能夠抑制植株從營養生長向生殖生長的轉換，即使是pin1突變體植株也能夠產生花序，而植株由花序分生組織向花分生組織發育的過程中是需要正常的生長素運輸的[22],對正常的植株施用生長素運輸抑制劑也不能夠抑制其開花。對此，Cheng等人[23]認為，對植株施用NPA等生長素極性運輸抑制劑阻斷生長素的極性運輸并不能夠改變整個植株的生長素水平，只對局部的生長素濃度梯度有影響。
對擬南芥另外一種突變體pinoid的研究也有相似的結果，兩種突變體的花芽發育都受到了抑制，并且在花序發育上和pin1突變體植株相似。而PINOID編碼一種參與到生長素極性運輸的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，這為生長素極性運輸對花芽發育的調控提供了有力的證據。
張憲省等[24]報導了生長素運輸對蘭花子房發育的作用，作者將NAA(Naphthaleneaceticacid)施用于蘭花，與未處理的對照組相比，經NAA處理的蘭花子房發育要優于對照組。同時，又進行了NPA施用試驗，作者將NPA和NAA混合施用，發現花粉柱和花被與授粉后的表現一致，但子房的生長受到了抑制，并且該種抑制效果隨著NPA的濃度降低而減弱直至消失，這表明生長素運輸受抑制的程度與子房發育的程度成負相關，生長素運輸所受抑制程度越高，子房發育越緩慢，這表明授粉后子房的發育需要通過生長素的極性運輸轉運來的生長素。對毛白楊(Populustomentosacarr)中PtAUX1的過量表達對子房發育的影響試驗結果也證實了生長素極性運輸對花發育的作用[25].PtAUX1的作用是在毛白楊中合成生長素輸入載體。將PtAUX1導入到正常的毛白楊中是其表達量高于正常水平，觀察到在導入4-5周后，子房會在芽周圍聚集形成類似于花序的結構，不同于野生型的毛白楊雌花，這種結構不會形成杯狀的苞片，并且也與野生型的會聚集成柔荑花序的情況有所差異。這種異常的情況表明了受PtAUX1的表達水平影響的生長素極性運輸對子房發育的調控作用。
MtPIN10的作用是在蒺藜狀苜蓿(Medicagotruncatula)中合成生長素運輸載體，Peng&Chen[26]對MtPIN10研究發現，(MtPIN1-MtPIN10)編碼的蛋白與擬南芥中(PIN1-PIN8)編碼的蛋白序列進行對比發現，MtPIN10和擬南芥中的pin1基因編碼的蛋白有65%的相同序列，并且二者都有一個結構相似的內含子-外顯子結構，因此，MtPIN10和pin1屬于功能性同源，并且MtPIN10突變體和pin1突變體會呈現出相似的三子葉、四子葉或二者混合的異常性狀。而在pin1突變的擬南芥中，植株表現出了花序發育等過程中的明顯缺陷。因此，作者推測在生長素運輸載體合成不足的缺陷型蒺藜狀苜蓿中同樣會表現出花發育上的缺陷。作者的研究也證實了這一點，同時也發現了二者的區別。擬南芥pin1突變體表現出因缺少側身器官而不能夠產生花序分生組織，與之對比的MtPIN10突變體則是能產生異常的花序組織和花器，突變體是不育的。不僅如此，作者還發現了突變體中其他一些異常情況。例如，在正常的蒺藜狀苜蓿中，一個花柄上產生1~3朵花，而在MtPIN10突變體中，一個花柄上可以產生10朵花，并且與正常植株的花朵形成的封閉結構不同的是，突變體的花朵會形成類似于提早成熟的花朵形成的開放式結構。這表明抑制生長素極性運輸會導致花發育出現異常。
花形成的過程主要有四個步驟：從營養生長向生殖生長的過渡，花序分生組織的形成，花分生組織的形成和花器的形成。Oka等人[27]對擬南芥IAApin突變體植株的研究發現，突變體植株產生了異常的花序，對其籽苗施用不同濃度的NAA或者2,4-D并不能夠讓其花序恢復正常，產生正常的花朵。對于轉入了吲哚乙酰胺水解酶基因的pin突變體植株，其體內的游離態生長素水平要遠低于正常植株，結合態的生長素含量則比正常植株高，而表現型也與pin突變體植株類似即不能夠開花或花序軸上的花朵異常。對該種轉基因突變體植株內的生長素運輸情況研究發現，轉基因pin植株花序軸頂部和基部的生長素運輸水平遠低于野生型植株，甚至比pin的還要低。而對這兩種突變體植株施用外源的吲哚乙酰胺后，兩種突變體植株的'花序表型并不能夠恢復至野生型，表明增加內源生長素的含量并不能對突變體花序軸中的生長素極性運輸產生影響。作者推測，生長素極性運輸的變化對突變體植株的花序發育的影響要大于其含量變化所產生的影響。
Orlova等人[28]報道了轉基因矮牽�；ㄖ幸虮郊姿岷铣傻臏p少而導致了花發育的異常情況。他們發現，轉基因的矮牽�；ㄓ斜纫吧透蟮幕ǚ�，并且花粉釋放的時期也較晚。而苯甲酸的合成對生長素的極性運輸有著影響[29].于是，為了驗證苯甲酸合成減少導致的生長素運輸變化情況，他們采用了放射性同位素標記的方法，發現生長素從頂端合成部位向根冠過渡區的運輸量比野生型有了明顯的提高。作者推測由于內源苯甲酸合成量的變化導致的生長素極性運輸水平的改變促使了花發育水平的異常情況的發生。
2生長素含量變化對花發育的調控
植物體內多數激素的含量都維持在一定的水平，但會隨著所處器官、所處發育時期的不同以及外界環境的變化而變化。激素含量變化是植物生長發育進程的重要響應途徑。
Aloni[30]等人指出了生長素在擬南芥花的形態建成中的作用。作者提出用DR5::GUS(Auxinre-sponseelementfusedtoβ-glucuronidase)基因的表達水平來衡量植物體內游離生長素含量，并做外源生長素處理試驗。先前的研究已證實在擬南芥的根部和頂部，該種基因一定范圍里的表達水平能夠直接表征游離生長素的含量[31].而他們發現，DR5::GUS的表達不僅僅受游離生長素濃度的影響，也因不同組織而異(DR5::GUS在萼片和花粉中的表達水平高于花瓣中)。而作者認為產生該種現象恰恰是由于不同的組織部位所含內源生長素的濃度不同(花瓣中的生長素濃度高于其他部位)。此外，作者還發現，將任意一個花的器官去除，該部位的DR5::GUS表達水平會提高，同時其他的花器官的縱向發育會受到抑制。作者認為，花器官被去除后，該部位會合成可觀濃度的生長素來抑制其他花器官的縱向發育，這種模式與植株去頂后側芽的發育相似。
國內方面，有學者[32]發現了白樺樹花發育過程中內源生長素含量的動態變化，IAA在形成雄花原基時期，含量在一定范圍內波動，但總的趨勢是不斷增高。在該時期，雄蕊原基分化形成花絲和花藥，進而形成孢原細胞。這表明IAA高水平的表達，有利于雄蕊原基分化及孢原細胞的形成。IAA含量的動態變化在雌花發育的過程中與上述基本一致[33],表現為在花芽分化初期含量較低，然后在10天里含量會上升到一個可觀的數值，這表明較高的IAA含量有利于雌花的形成。
內源生長素含量變化對花發育的作用在其他種類植株的花發育過程中也得到了證實。在可育荔枝的雌蕊發育過程中，IAA的含量會一直高于敗育的雄蕊，并且IAA對離體培養的雌蕊發育也有促進作用，此外，在雌蕊發育的早期，IAA含量較高，而在減數分裂結束后，IAA含量會急劇地下降[34],作者推測IAA含量的升高是雌蕊發育的原因，而IAA含量的降低導致了減數分裂后雌蕊發育的終止。曹衛星與王兆龍[35]報道了不同穗型小麥花發育過程中幼穗中內源激素水平的動態變化情況，他們發現類似的IAA含量動態變化。在不同穗型的小麥小花發育的過程中，雄蕊和雌蕊發育的早期，IAA含量逐漸升高至最高水平，然后在小花退化的過程中逐步降低至最低水平。盛婧等人[36]的研究結果也證實了內源生長素與小麥的小花分化、退化的密切關系。代春初等人[37]推測內源生長素含量變化異常是三角葉黃連花粉粒發育異常，不能產生種子的原因。三角葉黃連和峨眉黃連為毛茛科黃連屬植物。三角葉黃連無種子，但能產生側生匍匐莖，進行無性繁殖;峨眉黃連可進行有性繁殖，無側生匍匐莖。作者通過對兩種黃連在初花期、盛花期和末花期3個階段的內源生長素含量進行測定并分析其變化規律發現，三角葉黃連與峨眉黃連內源生長素含量在開花過程中變化趨勢相反，而在盛花期二者幾乎一致。作者推測三角葉黃連在初花期濃度相對過低的生長素濃度，對花各部分發育不利，這表明生長素在開花過程中對花的各部分發育有至關重要的作用。
花衰老的時間是園藝和農業生產研究中的一個重要課題，它會對果實的產量和質量產生影響。
研究表明，生長素含量的變化決定了花脫落過程的開始，Meir等人[38]對花梗脫落過程中的相關基因研究表明，花蕾的去除導致了生長素合成的減少導致了Aux/IAA家族中的IAA1、IAA3、IAA4、IAA7和IAA8等基因的表達水平降低，導致脫落區相關基因表達水平發生變化，脫落區對乙烯敏感度提高，開始了花梗脫落的進程。另外，作者發現在去花后立即施用生長素能夠遏止脫落的進程。這表明，生長素含量的變化決定花梗脫落進程的起始。Basu等人[39]的研究也證實了生長素含量變化對花器衰老的調控作用。作者利用脫落區細胞的染色程度高低來表征DR5::GUS的表達水平高低。從第一朵花開到果實成熟，隨著時間的推移，脫落區的染色程度逐漸降低，表明脫落區的DR5::GUS的表達水平對花器脫落起著調控作用。并且，施用了外源生長素后，則可以減弱這種趨勢;施用生長素運輸抑制劑則可以加速花器的脫落，反應了由生長素含量變化而導致的生長素信號轉導水平的變化是花器脫落的首要條件。
除此之外，生長素對花梗的發育也有著影響，研究[40]表明，在花梗發育的不同時期，對花梗長度存在著明顯差異的兩種不同品種的玫瑰花施用NAA,均能促進花梗的伸長。
外源生長素處理離體蓮花的試驗證實了生長素對花瓣發育的調控作用[41],對離體的蓮花花瓣施用不同濃度的NAA后，較高濃度(10mM,1mM和0.1mM)的NAA均能夠加快花瓣黑化的速度，同時，花梗的上端出現了彎曲的情況;而較低濃度(0.01mM,1μM,0.1μM和0.01μM)的NAA和空白處理則無此效果，以此推測生長素含量變化對蓮花花瓣發育的調控作用。
3生長素信號轉導與花發育
生長素響應因子(auxinresponsefactors,ARF)[42-44]是一類調控生長素響應基因表達的轉錄因子，ARF基因家族包含了許多個成員。在生長素的信號轉導途徑中處于中心地位，它與生長素響應原件特異結合，促進或抑制基因的表達。
Tabata等[45]報道了ARF6和ARF8調控擬南芥花器發育的作用，并指出其信號轉導途徑。他們研究發現，與野生型擬南芥相比，arf6、arf8突變體植株在花開放過程中，花器的延長受到了抑制。對arf6、arf8雙重突變體的研究結果顯示，突變體植株中茉莉酸合成量遠低于野生型。進一步研究發現，突變體植株中DAD1基因表達量降低是茉莉酸合成量降低的唯一原因，對突變體植株施用外源茉莉酸能夠使其花器伸長效果恢復到野生型。這表明ARF6和ARF8通過促進茉莉酸在花器中的表達來調控花器的延長。不僅如此，ARF6和ARF8對花器分化也起到了正向的調控作用。
ARF家族中的其他幾個成員在花發育的過程中起著不同的作用，Ellis[46]發現了ARF1和ARF2有調控擬南芥花器脫落和衰老的作用。對其功能的摸索仍然依賴于對arf1、arf2兩種突變體植株的研究，作者發現arf2單突變體、arf1和arf2雙重突變體植株的開花時間均晚于野生型植株，分別晚了5天和6天。同樣的，在授粉后，兩種突變體的果實脫落時間比野生型大約要晚4天，并且arf2突變體植株果實從結實到成熟所需的時間要長于野生型植株，這表明了ARF1和ARF2有促進開花、花器脫落和果實成熟的作用(作者發現突變體植株雖然表現出或多或少的不育性，但這與花器脫落的推遲無關)。另外，作者還注意到，arf1、arf2兩種單一突變體植株的表型與野生型區別不大，而二者的雙重突變體卻產生了明顯不同于正常植株的缺陷，這表明ARF1和ARF2二者有部分重疊的功能，也有區別明顯的分工。
Li等[47]報道了LEAFY通過影響生長素信號轉導來調控花原基形成。LEAFY基因是一個參與到花發育過程調控的轉錄因子[48-49],它啟動了植物從營養生長到生殖生長的轉換，在花原基發育的早期新生的花原基中表達。在野生型植株中，PIN1蛋白有一個相對于花原基的極性定位，而在LEAFY突變體的植株中PIN1蛋白極性的降低，導致的結果是頂部生長素信號轉導強度的減弱，并且LEAFY基因的過量表達后，花序的結構和發育均出現了異常，同時合成生長素響應報道因子(thesyntheticauxinresponsereporter)[50]在花原基中的表達水平提高，這表明LEAFY基因能促進生長素的信號轉導過程。那么LEAFY基因是如何實現這一功能的呢?作者提出猜想：LEAFY突變體植株中生長素信號轉導的減弱是其轉導過程被抑制或生長素合成減少抑或是二者同時作用的結果。
那么對野生型和LEAFY突變體植株在花原基發育早期頂部的生長含量水平的研究發現，在野生型中生長素含量要低于突變體植株，表明了LEAFY基因對生長素生物合成的調控作用。那么進一步研究發現，LEAFY基因是通過調控生長素的YUCCA合成途徑[51-52]來調控其信號轉導。同時，作者還提出，生長素對LEAFY基因的反饋調節和LEAFY基因的自我調節作用的存在，至此作者提出了這樣的一條信號轉導路徑：生長素促進LEAFY基因的表達，LEAFY基因促進生長素的信號轉導過程調節植物花的發育，同時LEAFY基因對自身以及生長素的YUCCA合成途徑都有著抑制作用。
Cheng[53]的研究也證實了YUCCA基因的過量表達能夠促進生長素合成，并指出YUCCA的mRNA含量的升高會伴隨著花原基的形成和花序的建成。YUC基因主要在分生組織、生殖器官等組織中表達，YUCCA家族共有11位成員，作者研究其中四個，YUC1、YUC2、YUC4和YUC6.作者發現，抑制其中任意一種基因的表達不會對植物發育產生明顯的影響，然而yuc1yuc4,yuc2yuc6這兩種雙重突變體和所有的三重、四重突變體植株均表現出花發育上的重大缺陷，例如，突變體幾乎不產生花粉，是不育的;突變體雖然和野生型一樣有相同的萼片、花瓣、雄蕊數，但是雄蕊要比野生型的短。
究其原因，突變體植株中的DR5::GUS的表達水平明顯低于正常植株，這表明突變體植株中的生長素含量要比野生型低。
其他學者的研究也證實了生長素信號轉導的水平對花發育的影響。Pfluger[54]發現了一個影響生長素信號轉導的因子SEU.SEU編碼一種抑制花器官特征決定基因表達的蛋白。而SEU突變體植株seu也表現出在花發育上的異常，例如，seu植株的橫向花序平均為6個，而野生型的通常只有3個，并且作者發現，seu植株表現出在根部發育上的缺陷，這與生長素信號轉導出現異常的突變體植株性狀表現較為一致。因此，作者人為seu植株內的生長素信號轉導存在著缺陷。對該種植株的側根發育、外源生長素試驗、根的向地性試驗也證實了作者的猜想。seu植株的側根要明顯少于野生型，有些植株甚至不產生側根;與野生型的相比，seu植株的主根對NAA的抗性要強，NAA對主根發育的抑制作用要弱于野生型，這幾種表型證實了SEU對生長素信號轉導的調節作用。作者進一步研究發現，seu植株根尖和莖尖的DR5::GUS的含量要低于正常植株，具體體現在基因表達的部位發生了變化。例如，在野生型植株里，DR5在主根、根管部位均有表達，而在突變體中，DR5只會在根冠中表達，并且表達量也減少了。這樣，SEU通過調節DR5::GUS的表達水平來調控生長素的信號轉導，進而影響花器的建成。
Krizek[55]推測了在擬南芥中生長素調控花的發育的信號轉導途徑，生長素通過AIL/PLT(AIN-TEGUMENTA-LIKE/PLETHORA)基因家族調控花器官的數目和位置。AIL/PLT基因家族共有八個成員，但其中有功能重疊，在花發育過程中主要起作用的是AINTEGUMENTA(ANT)，AIL1,AIL5,AIL6/PLT3和AIL7[56],ANT的表達與花原基的起始發育有關，而AIL5和AIL6在花序分生組織中表達，而AIL7僅在花序分生組織中生長素聚集的中心區域內發揮作用。作者發現，ANT、AIL5、AIL6的單一突變體植株的花分生組織發育正常，并沒有缺陷，而ANT、AIL6的雙重突變體則出現了花發育過程中的部分缺陷[57],而對AIL6突變體植株施用NPA后發現花序分生組織的起始發育被終止，為此作者認為生長素調節ANT、AIL5、AIL6基因的表達來調控花序分生組織的起始發育，而且這幾個基因在這個信號轉導路徑上處于并列的關系，發揮著相互補充的作用。進一步的基因學研究表明，在擬南芥中，ANT的表達水平受生長素介導的基因AR-GOS(auxin-regulatedgeneinvolvedinorgansize)的直接或間接的調控，這就揭示了生長素參與花發育調控的一個可能途徑。
4結語
生長素作為最早發現的植物激素，參與花發育各個進程的調控之中。外源生長素的施用對植株花發育的影響也為大眾所接受，而對生長素極性運輸、生物合成、響應因子的突變體的研究也使我們對可能存在的調控途徑有了深入的了解。但仍然有許多的未知領域等待著人們去探索，例如：參與花發育調節的許多基因如ANT、AIL5、AIL6和YUC1、YUC2、YUC4、YUC6等基因家族存在功能上的重疊，其原因是什么;如何解釋施用外源生長素不能夠使某些pin突變體植株恢復野生性狀等。
植物花的發育是植物科學研究的熱點之一，其進程受到了內源激素、遺傳基因和外界環境的影響，隨著生物化學、遺傳學和分子生物學的發展，越來越多的有關作用機理將會被研究人員所揭示，其中的調控網絡結構也會越來越清晰。
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