烟草成花素FT基因及其调控机制研究进展

解敏敏 龚达平 孙榕 王蕾 赵泽玉 陈明丽

摘要：烟草（Mcotiana tabacum L）是叶用经济作物，早花严重影响烟叶的产量和品质。开花时间对烟叶产量、品质和生育周期具有重要影响。植物成花起始的调节是由光周期途径、春化途径、赤霉索途径和自主途径等相互依赖的多条途径共同决定的。成花素FT基因是成花各个途径的关键整合子，烟草中鉴定到4个FT同源基因，仅有NtFT4是开花诱导子，而其他3个均是开花抑制子。烟草CET.CO.FPF1、LFY，NFL及MADSbox类基因等也在烟草开花过程中起着非常重要的作用。本文对近年来烟草成花素FT基因的特征、功能及其调控机制的研究进展进行了综述，并展望了其在控制烟草早花和缩短育种进程中的应用潜力。

关键词：烟草：成花索：FT基因：调控机制

烟草是以收获叶片为目的的经济作物。生长正常的烟株一般在花期打顶后留下20～22片有效叶。早花的烟株由于未达到正常生长应具有的高度和叶数就现蕾开花，过早地从营养生长转入生殖生长，从而导致植株生长势弱，叶片数少，叶片窄小，致使烟叶产量降低。此外，早花还会导致烟叶内在化学成分失调，进而影响烟叶品质。因此，研究烟草的开花机理对培育干旱或低温条件下的抗早花品种具有重要意义：此外，早花材料对于缩短育种周期具有重要利用价值。

植物开花是植物由营养生长向生殖生长转变的重要过程，严格受植物内部基因网络和外部环境因素协同调控。随着分子遗传学及分子生物学的迅速发展，在拟南芥、水稻等模式植物中，大量开花相关基因被分离鉴定。研究明确了控制植物开花至少有6条主要途径：春化途径、温敏途径、光周期途径、赤霉素途径、自主途径和年龄途径。这些途径将不同环境（光周期、温度等）下植物体内各种因子产生的一系列响应信号传导给开花信号整合因子，从而启动花分生组织特异基因的表达，最终诱导植物花的形成。FT（nowering locus T）是成花转变过程中最重要的整合子之一，起着至关重要的作用。

1烟草开花的影响因素及遗传分析

光周期是开花诱导过程中的关键环境因素，在烟草开花的影响因素中研究得最深入。研究发现多叶巨型烟草突变体马里兰猛犸烟（MarylandMammoth）仅在短日照条件下才能开花，长日照条件下则不能开花，说明烟草开花严格受光周期调控。普通烟草的二倍体祖先种林烟草是长日照植物，绒毛状烟草则是短日照植物。大多数普通烟草品种对光照条件的反应是中性或者弱短日性的，只有少数多叶型或称巨型烟草品种是强短日性的。如烤烟品种中的革新5号、单育1号、乔庄多叶、云南多叶烟、NC27NF、NC37NF等，多叶型品种的实质是短日照反应型。研究表明，多叶型烟草的生长锥分生细胞只有在短日照條件下才能分化花芽，现蕾开花。如果缺少短日照条件，其生长锥分生细胞就一直进行叶芽分化，叶子和茎秆持续增长，以致长到3～4米，100多片叶子也不现蕾。短日照反应型品种是由中性或弱短日性品种的基因突变而产生的，受一对隐性基因所决定。

2烟草成花素FT基因的特征和功能

1937年，CHAILAKHYAN提出成花激素的概念，并用嫁接试验证实了植物由叶片感受和传导光周期刺激信号。LANG等研究发现，将长日照植物天仙子和短日照植物烟草嫁接，在长日照或短日照条件下，两者都能开花。近年来的研究表明，成花素的主要成分是FT蛋白，该蛋白在叶片中诱导产生，并通过韧皮部运至茎尖而诱导成花。但有研究表明，FT的mRNA是可以移动的。FT基因最早是在拟南芥（Arabidopsis thaliana L）的晚花突变体中发现的。此后，从水稻、番茄、杨树、苹果、玉米、小麦、大豆、马铃薯等植物体中相继分离出多个FT同源基因。FT基因编码磷脂酰乙醇胺结合蛋白（phosphatidvl ethanolamine-bindingprotein，PEBP），通过结合具有昼夜节律变化的卵磷脂（phosphatidylcholine，PC）而促进植物开花。FT蛋白从叶片经过维管束移动到茎顶端组织过程中，FTIP1（FT-interacting protein 1）蛋白起重要作用。在顶端分生组织中FT蛋白与FD蛋白（nowering locus D）和14-3-3蛋白相互作用并形成复合体，共同诱导下游开花基因的表达，从而促进开花。

HARIG等（2012）在烟草中鉴定到4个FT同源基因NtFT1、NtFT2、NtFT3和NtFT4，这4个基因均属于磷脂酰乙醇胺结合蛋白（PEBP）家族。其中仅有NtFT4是开花诱导子，而其他3个均是开花抑制子。4个FT同源基因具有相似的表达模式，在短日照条件下表达量逐步增加，而在长日照条件下均不表达，表明烟草中4个控制开花的FT基因受短日照影响。NtFT3启动子驱动GFP表达的组织特征表明，NtFT3主要在叶片的韧皮部伴细胞中表达。开花诱导子NtFT4的表达水平远低于NtFT1和NtFT2，但其在发育过程中增加的倍数远高于开花抑制子。在植物的开花相关基因中，开花诱导子和抑制子两者间的平衡决定着营养生长向开花的转变。植物的PEBP家族分化成FT、MFT和TFL 3个主要的亚家族。FT家族和MFT家族主要是促进开花，而TFL家族主要是抑制开花。AMAYA等在烟草中过表达金鱼草CEN基因（拟南芥TFL1基因的同源基因），结果导致植株持续营养生长，延迟开花：同时，在烟草中鉴定了7个TFL1的同源基因CET1-7。原位杂交实验表明，与金鱼草CEN基因和拟南芥TFL1基因主要在初级顶端分生组织中表达不同，CET2和CET4仅限于在营养生长过程中的腋生分生组织中表达。在营养分生组织发育形成花枝过程中，花分生组织决定基因是上调的，而CET基因是下调的。拟南芥FT家族中都是促进植物开花的基因，而甜菜中的BvFT1基因编码FT类开花抑制子。研究表明，拟南芥FT蛋白中5个关键氨基酸残基（Tyr-85，Glu-109，Trp-138，Gin-140和Asn-152）中，其中单个氨基酸的改变也足以将FT的开花促进作用完全转换为TFL1同源基因的抑制功能。氨基酸残基的改变引起了FT蛋白分子表面电荷的变化，从而影响与未知配体的结合。该未知配体可能与TCP蛋白有关，与FD之间的互作效应无关。

3烟草成花素FT基因的调控机制

植物成花起始的调节是由光周期途径、春化途径、赤霉素途径和自主途径等相互依赖的多条途径共同决定的。FT基因和其他关键基因TSF（twinsister of FT）、是整合这些调控路径的信号整合因子，这些整合因子与花分生组织基等相互作用，从而诱导植物开花。而在参与成花调控的众多基因中，FT是决定植物成花与否的最关键基因。

SMYKAL等从烟草中克隆到SOCl和FUL基因，都属于MADSbox基因。两个基因在长日照或短日照条件下，在日中性品种Hicks和短日照品种Hicks MM中具有相似表达模式。相反，在长日照林烟草中，两个基因在短日照条件下不表达，而在长日照条件下表达。过表达NtSOCl和NtFUL都可以引起烟草提早开花。王小彦等（2009）发现低温处理烟草后，会促使SOCl的表达量升高。SOCl在拟南芥的各种开花调控途径中既作为信号通路响应因子，也作为信号整合因子。在赤霉素（gibberellic aicd，GA）途径和年龄途径中，SOC1活性被激活：但在春化途径和温度途径中，SOC1活性得到抑制。FT-FD复合物可以通过促进转录因子SOC1表达来激活花分生组织特征基因LFY。此外，SOC1也能直接激活LFY转录，还能与转录因子AGL24共同激活LFY的转录。

JANG等在林烟草中鉴定了2个在花组织中特异表达的MADS box基因NsMADS2和NsMADS2，转基因过表达植株均表现为早花。JANG等（2002）相继在普通烟草中鉴定了NtMADS4、NtMADS11和NtMADS14。转基因过表达NtMADS4的植株表现为早花，NtMADS11和NtMADS14能恢复拟南芥apl-1突变体的缺陷。

KELLY等在烟草中发现2个拟南芥LFY的同源基因NFLl和NFL2，这2个基因在营养和花分生组织中均有表达。AHEARN等（2001）进一步研究表明，NFL1基因不仅调控着开花器官的发育，还控制茎分生组织形成侧生器官。但是，烟草中过表达NFL1基因并没有发生早花的现象，说明NFL1基因在拟南芥和烟草中具有不同的调控机制。

CONSTANS（CO）蛋白是植物特有的CCT（constans，CO-like and timing ofCABl）转录因子，包含两个B-box锌指结构功能域。转录激活因子CO通过直接调控FT基因的表达来影响开花时间，而CO的转录调控主要受光周期影响。光周期一方面通过调控泛素连接酶FKF1（navinbinding，kelch repeat，f-box 1）和GI（gigantea）蛋白相互作用，诱导CO基因的表达：另一方面通过抑制转录因子CDF（cycling doffactor）来解除其对CO基因的抑制，而促进CO的表达。光周期途径通过转录激活因子CO来调控FT等基因的表达，FT与LFY共同诱导AP1的表达而诱导拟南芥成花。CO还通过间接调控FT的表达来激活SOC1。陆莹等从烟草中克隆了3个CO同源基因NtC01、NtC02和NtC03。对NtC01的表达模式分析表明其表达呈现昼夜节律性，并受到日照長度的调节。

赤霉素GA通过抑制DELLA蛋白来调控促进FT的表达。DELLA在开花途径中主要是抑制FT的激活因子SPL3（squamosa promoter bindingprotein-like 3）的表达。赤霉素途径中，SMYKAL等鉴定了一个烟草的NtFPF1（floweringpromoting factor l）基因。不管是在长日照还是短日照条件下，日中性品种Hicks、短日照品种HicksMM和长日照烟草林烟草3种类型的烟草过表达NtFPF1植株开花期均提前。同时，赤霉素与NTFPF1蛋白具有加性效应，促进植株提早开花。

4展望

植物在温度、光照和激素等内外条件的综合作用下，多种开花诱导途径间彼此独立又互相交叉，形成了一个复杂的开花调控网络，最终由SOC1、FT.LFY等关键基因决定植物开花时间和花器的形态建成。目前，对拟南芥、水稻等开花途径的调控过程的研究比较透彻，但是仍然有许多需要解决的问题。烟草基因组测序的完成和饱和突变体库的建立，使得烟草也成为研究植物开花途径极好的模式植物。从应用角度来看，利用晚花调控基因控制烟草开花时间，可以增加烟叶产量，防止烟草早花。在强调产量的前提下，我国曾经选育种植过一些晚花多叶品种，如革新5号、单育1号、乔庄多叶、云南多叶等。为了减少早花现象，美国也曾经大面积推广过多叶品种NC22NF、NC27NF、NC37NF等。利用早花调控基因提前开花，可以大大缩短育种周期。近年来，国内外相继开展了拟南芥FT基因转化烟草以加快育种进程的研究。通过将拟南芥的FT基因转化白肋烟TN90和烤烟Coker 371 gold，获得了花期缩短一半的阳性植株，这些材料在回交育种中可以大大缩短育种时间。此外，利用拟南芥FT基因构建马铃薯x病毒（Potato Virus x，PVX）病毒瞬时表达载体，涂抹烟草使得FT基因瞬时表达诱导马里兰烟、烤烟、白肋烟和香料烟不同类型烟草早花。烟草成花素基因及其分子调节机理的研究有助于揭开植物开花过程的神秘面纱，为烟草及其他作物分子育种奠定坚实的基础。