兰花MADS—box基因研究进展

李琼洁 江周

摘要 MADS-box基因是一类非常重要的转录调控因子，在植物发育和信号传导中起着关键性作用。包括花器官发育基因，花分生组织特异性基因，促进开花的基因。研究表明，A类基因可能与花器官发育和控制开花有关；B类基因可能与花被片形态和结构特异有关，并且有些基因在营养器官中也有表达。

关键词 MADS-box基因；兰科植物；花器官发育；表达模式

中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）06-0137-04

Research Progress of MADS-box Gene in Orchid

LI Qiong-jie1，JIANG Zhou2

（1.Weinan Normal University， Weinan，Shaanxi 714000；2.Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201）

Abstract The MADS-box gene is an important transcription factor， and is the key gene involved in plants growth and signal transmission. Recently， some floral growth genes including floral organ identity genes， meristem identity genes and some genes promoting flower have been identified and separated from different orchids. These researches indicated that the A-function genes might relate to the floral organ development and controlling flower. The B-function genes might regulate the tepals form and special structure. And some genes are expressed in vegetative organs.

Key words MADS-box gene；Orchidaceae；Floral development；Expression pattern

兰花泛指兰科（Orchidaceae）的所有植物，包括地生兰、附生兰和腐生兰，而我国习惯上将它们分为国兰和洋兰。国兰以其株型秀丽、叶姿飘逸、花色素雅、花香清幽等特点，自古以来深受国人青睐。洋兰因花大色艳、花型丰满圆润等特点，在国内外市场均占有一席之地。

随着分子技术的发展，对高等植物花发育的分子生物学研究成为了新热点。双子叶植物花发育的研究以拟南芥（Arabidopsis thaliana）和金鱼草（Antirrhinum majus）为模式植物展开，取得了巨大的成绩，而单子叶植物花发育的研究主要集中在禾本科植物，如水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）等。目前百合分子生物学方面发展迅速，有望成为单子叶花卉的模式植物。单子叶植物花发育的分子生物学研究明显滞后于双子叶植物。笔者总结前人所做的相关研究，对近年来影响兰花花发育的MADS-box基因进行综述。

1 花发育模型

MADS-box基因家族是一类非常重要的转录调控因子，广泛存在于动物、植物和真菌中。MADS-box基因在植物发育和信号传导中起着重要作用。基于对拟南芥和金鱼草的同源异型突变体的研究，Coen和Meyerowitz[1]提出来经典的“ABC”模型。随后科学家在矮牵牛中发现了D类基因[2-3]和E类基因[4-5]，并衍生出“ABCDE”模型，認为A+E共同控制萼片的形成，A+B+E共同控制花瓣的形成，B+C+E调控雄蕊的形成，C+E调控心皮的形成，D+E调控胚珠的形成，并且A和C相互抑制。这种模型虽然被随后提出的“四分子模型”[6-7]证实，但不能完全适用于所有的种子植物。随后又提出的“边界滑动模型”[8]，适用于百合、郁金香等部分单子叶植物和核心真双子叶植物，对经典的“ABC”模型起到了补充。而一些基部被子植物没有明显分化的萼片和花瓣，其花器官多由一轮或者多轮螺旋状渐变的花被结构组成，从苞片到最内层的心皮是逐渐转化的，不能用经典的“ABCDE”模型解释。为此，Buzgo等[9]提出了“边界衰减”模型。

但是，兰花花结构高度特化，具有花瓣状的萼片和特异的唇瓣，雄蕊和雌蕊愈合成合蕊柱，且合蕊柱顶端具有舌状的蕊喙以及与之相连的花粉块。这种高度特化的结构是为了适应昆虫传粉的结果。

2 兰花MADS-box基因的研究

对于兰花中控制花发育的MADS-box基因的研究，主要集中在热带兰中，如蝴蝶兰、文心兰、石斛兰等，而对于国兰的相关研究较少，其中以春兰的相关研究居多。通过文献整理发现，兰花中的ABCDE类基因表达与其他植物有较大不同。

2.1 兰花A类基因

A类基因包括FUL-like、AP1和euFUL基因。拟南芥中，AP1和FUL在花器官分化中的功能不同。AP1主要控制萼片与花瓣属性，而FUL参与果实和心皮的发育[10]。崔波等[11]以南茜文心兰为研究材料，克隆出一个AP1-like基因命名为OnAP1-like，发现其在营养生长和生殖生长阶段都有表达，而不同时期、不同部位的表达量不同，推测其与花的发育及形成有关。袁秀云等[12]从朵丽蝶兰中克隆出1个A类基因，发现其主要在营养器官中表达，而在花器官中痕量表达，推测其可能参与开花进程调控，而不参与花器官的形态建成。徐小雁等[13]从文心兰中克隆出的A类基因在所有器官中都有表达，且在蕊柱中高表达。调查发现，这些A类基因几乎在兰花中营养器官和花器官中均有表达，而大多与花器官的发育和控制开花有关。其中FUL不仅参与果实和心皮的发育，还在花发育早期促进花序分生组织的形成，同时还调控叶的发育。兰花A类基因的相关研究见表1。

2.2 兰花B类基因

兰花中B类基因包括拟南芥中的AP3、PI和金鱼草中的DEF和GLO基因。“ABC”模型认为该基因主要参与花瓣和雄蕊的发育。徐小雁[23]在文心兰中克隆出一个AP3基因，发现其在营养和花器官中均有表达，而在花萼中高表达，合蕊柱次之。向林等[24]从春兰中分离到的GLO基因在花瓣和唇瓣中高表达，叶片中也有较少表达。此外，在对蝴蝶兰研究时发现，AP3基因在营养和花器官中均有表达，而在花原基处高表达。

Tsai等[25]从小兰屿蝴蝶兰花芽中分离的4个DEF-like基因PeMADS2、PeMADS3、PeMADS4、PeMADS5的表达方式也存在不同。PeMADS2主要在萼片、花瓣和蕊柱中表达；PeMADS3在花瓣、唇瓣和蕊柱中表达；PeMADS4仅在唇瓣蕊柱中表达；PeMADS5在花瓣中显著表达，在萼片、唇瓣、蕊柱中少量表达。

向林等[26]从蕙兰中克隆出3个B类基因，CfGLO、CfDEF1和CfDEF2。发现CfGLO在所有组织中均有表达；CfDEF1在2、3轮器官中表达，而萼片中不表达；CfDEF2在1、2、3轮器官中都表达，营养器官中不表达，此外3个基因都在子房中有表达。张俊芳等[27]在海南钻喙兰中提取的AP3基因在花器官的各个部位均有不同程度的表达。

表2为近年来，从兰科植物中克隆出的B类基因。

从表2可以看出，这些基因不局限于在第2、3轮器官中表达，在营养器官和花原基中同样有表达。这表明其在功能上与A类基因有相似之处，参与成花的转换。此外，从表2还可看出，B类基因的表达非常复杂，其控制花器官发育的程序具有复杂的调控机制。但B类基因依然对第2轮器官花瓣和唇瓣以及参与部分合蕊柱的发育起着重要的作用。

2.3 兰花C类和D类基因

C/D类功能基因具有较高的同源性，C、D、E类基因的MADS-box转录因子调控植物心皮和子房发育。在拟南芥中，C类基因主要是AG，参与雄蕊和雌蕊的发育调控；D类基因主要是STK、SHP1和SHP2，主要调控胚珠的发育。

Song等[37]在蝴蝶兰中分离出2个AG-like基因PhalAG1和PhalAG2，分别属于C类基因和D类基因，其均在花芽中表达，而不在营养器官中表达。同样，在木石斛的花芽及花器官中分离到了2个C/D类基因，前者在所有花器官中均有表达，而后者主要在子房的发育过程中表达。说明兰科植物的C/D类基因对其生殖器官的发育起着重要的作用，符合“ABC”模型。

2.4 兰花E类基因

E功能基因与AP1/FUL基因一样，仅存在于被子植物中。E类基因包括SEP1、SEP2、SEP3、SEP4。其中SEP蛋白所形成的多聚体复合物调控着花器官特性的发育[38]。SEP基因和ABC基因同时表达，能够使营养叶转变为花器官[39]。

孙崇波等[40]从春兰中克隆的AGL6基因在春兰的不同部位均有表达，其中在唇瓣、花芽和子房中高表达，推测其对春兰成花转变和花器官形成起重要作用。贾春蕾等[41]从春兰中克隆的CgSEP3基因在花发育的各个时期均有表達，推测与春兰的花萼、花瓣形成有关。此外，陈敏燕等[42]在金钗石斛中克隆的DnSEP3-like基因，表达受春化作用的影响，表明该基因可能参与了春化调控开花的生物学过程。E功能基因的相关研究见表3。

综上所述，E功能基因与花的发育有关。

3 “兰花密码”假说

兰花MADS基因的表达模式是一个复杂的程序，尤其是B类功能基因的表达，不同于以往的表达模式。基于前人的研究，B类功能基因因发生了2次基因重复事件，1次是发生于现存的被子植物之前，产生了DEF/AP3（paleoAP3）和GLO/PI进化体系；随后DEF/AP3进化体系再次发生了基因重复事件，结果产生了TM6和euAP3进化体系[45]。而Mondragon-Palomino等[46]对已发表的兰花在内的所有单子叶植物的DEF-like基因进行了系统进化及发育方面的分析，发现兰花中的DEF-like基因明显分为4个类群。在进化过程中，这些同源基因的功能发生了一系列的亚功能化和新功能化，从而影响了兰花花被的发育，形成独特的花器官。

由此提出了“兰花密码”的兰花花器官属性决定的分子模型，认为分支Ⅰ和分支Ⅱ决定外轮花萼属性；分支Ⅰ、分支Ⅱ和分支Ⅲ基因的表达决定内轮侧瓣的发育；分支Ⅰ、分支Ⅱ、分支Ⅲ及分支Ⅳ共同决定唇瓣的发育。因为分支Ⅰ和分支Ⅱ在第1、2轮花器官中均有表达，所以推测其可能是负责“花瓣状”属性。而分支Ⅲ在第2轮花器官中表达，可能决定把外轮花被片（花萼）和内轮花被片（花瓣）区分开来。分支Ⅳ可能是唇瓣特异的原因[46]。并且DEF-like基因在野生型兰花及同源异形突变体中的表达模式得以证实[36]。之后又对“Orechid Code”进行修正，认为分支Ⅰ、分支Ⅱ基因的高水平表达及分支Ⅲ、分支Ⅳ基因的低水平表达决定内轮侧瓣的发育；分支Ⅰ、分支Ⅱ基因的低水平表达及分支Ⅲ、分支Ⅳ基因的高水平表达决定唇瓣的发育（图1）[47]。

Pan等[48]对除拟兰亚科之外的4个兰花亚科中的11个种的B类基因进行研究，绘制出B类基因调控的花器官发育图。他们将鉴定出的24个AP3-like基因和13个PI-like基因归类为4类AP3-（AP3A1、AP3A2）和2类PI-duplicated同源基因。认为AP3同源基因经过2轮复制，第1次形成了AP3A和AP3B这2个分支，第2次复制形成了AP3A1、AP3A2、AP3B1和AP3B2分支，并以此提出了兰花花被片形成的“Homeotic Orchid Tepal”假说（图2）。指出PI和AP3B分支决定花萼的发育；PI、AP3A1及AP3B分支决定侧瓣的发育；PI、AP3A1及AP3A2分支和其他的MADS-box基因决定唇瓣的发育。此模型类似于兰花密码假说，但还指出了AP3A2分支在调控唇瓣发育中的作用而显得更精确[49]。

4 展望

从古至今，花作为重要的观赏部位，也是育种工作改良的目标。而对花的改良无非是花型、花色、花香。关于花香分子生物学的研究国内外少有报道，而花型和花色方面的研究相对较多。对于洋兰的育种及分子生物学方面工作相对于国兰已经比较成功了。国兰在经历前些年的“兰花热”潮流的毁灭性打击后，逐渐得以重视。国兰正常的开花形态是由外轮（主瓣、副瓣）、内轮（捧心、舌）各3瓣，再加上处于中心部位的蕊柱（俗称“鼻”）构成。凡发生与此正常花型不同的变异，或呈现瓣数增多，或发生蝶化现象，统称为“奇种”。目前在墨兰、莲瓣兰等国兰中已经发现了多舌奇花的现象，并且表型稳定，是由内部基因控制。若能成功克隆出该变异基因，关于兰花MADS-box基因对花发育影响的研究将会有一个新的突破。

总的来说，兰科植物开花的遗传控制研究还不够成熟。首先，兰科植物本身就有800多属，种类更是有30 000～35 000种，而且其内部的基因组非常大，不是短时间内能够完成的。随之而来的问题是克隆的基因太少，不能很好地说明该基因对其花型的具体作用。此外，还需要开花时间调控方面进行研究，以进一步促进兰花，尤其是国兰的推广。

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