辣椒始花节位研究进展

袁欣捷，方 荣，周坤华，张鸿燕，陈学军

(江西省农业科学院 蔬菜花卉研究所，江西 南昌 330200)

辣椒属(Capsicumspp.)约有30多个物种，原产于美洲热带地区，为一年生或多年生植物，其中C.annuum、C.baccatum、C.chinense、C.frutescens、C.pubescens在6 000年前被当地人驯化栽培[1]，后逐渐在世界各地广泛种植，成为世界性重要经济作物。

辣椒植株为合轴分枝结构，主茎生长到一定时候停止生长，其顶端分生组织转化为花序分生组织，花序分生组织在适宜的内在条件和外在环境(如日照长度和温度)下发育为单生花，开花标志着主茎生长的终止，由侧生分生组织生长发育为新枝，不久新枝又停止生长，继续由新枝顶端的侧生分生组织代替顶端分生组织生长，不断重复形成合轴分枝[2]。辣椒的合轴单元包括两片对向叶和一个单生花[3]。开花作为辣椒生活史中的重要事件，协调着外界环境与植物的生命周期。开花意味着植物从营养生长阶段转换到生殖生长阶段。植物在适宜的时间开花才能产生具有生活力的种子，使世代得以延续。因此，开花时间是作物的一个主要适应性特征，在作物驯化及适应新气候环境过程中起重要作用[4]，同时也是辣椒传统育种中最重要的目标性状之一。

辣椒第一朵花的着生节位称为始花节位，一般以主茎上从子叶到第一朵花之间的真叶(节位)数来度量，人们常常以始花节位来衡量辣椒开花的时间[3，5-6]。始花节位低的辣椒品种往往开花坐果早，在春茬种植中能适度规避雨水和病害，降低农药使用量，增加早期产量[7]，在秋茬种植中规避后期低温环境，减少设施栽培能耗，提高产量[8]；始花节位高的辣椒品种开花坐果晚，能避开上市旺季，满足市场多样化需求。因此，研究辣椒始花节位具有重要理论和实践意义。本文对国内外辣椒始花节位的研究进行了综述，以期为深入开展相关研究，促进辣椒熟性遗传改良提供有益参考。虽然影响开花时间但对始花节位无明显改变的QTLs/基因在辣椒生长发育中也具有重要意义，但不在本文综述范围内，上述情况多由营养生长速率的改变造成[9]。

1 辣椒始花节位的遗传定位

始花节位作为辣椒的重要熟性性状一直备受研究者的关注。前期的遗传定位研究发现，自然变异中辣椒始花节位受少数主效基因和部分微效基因控制，同时也受温度和光照等环境影响，为数量性状[5-6，10-11]。Barchi等[10]用Yolo Wonder×CM334的297株重组自交系群体检测到4个始花节位QTLs(quantitative trait loci)，能解释25%的表型变异。Mimura等[5]基于种内双单倍体群体构建了包含15个连锁群全长1 213 cM的遗传图谱，并将始花节位QTL定位于LG8的标记CAMS606附近。Tan等[6]利用种间作图群体鉴定了一个主效QTL和5个微效QTLs，能解释2.09%～51.63%的表型变异，并将主效位点Nle2.2定位到标记EPMS677和CIDHjw2_6间约2.76 Mb物理距离内，Nle2.2位点与宗洪霞[12]利用茄门甜椒C.annuum和野生灌木辣椒C.frutescen种间群体检测到的ffn22.1位点在同一个染色体区域。基于前期研究鉴定出一些与始花节位相关分子标记(表1)，其应用将有助于辣椒熟性的分子标记辅助育种。前期研究者应用不同群体在不同的染色体上鉴定出众多始花节位QTLs(表1)，说明辣椒对始花节位的调控涉及多基因协作的复杂生理过程。这一过程所涉及的基因及其调控始花节位的分子机制与相互关系已有初步研究结果，后续研究有望更全面地揭示辣椒调控始花节位的奥秘。

2 基于辣椒突变体发掘的始花节位调控基因

辣椒始花节位相关基因的研究起步较晚，目前已克隆的基因多为基于辣椒EMS(ethyl methanesulfonate)突变体发掘的，基于自然变异发掘的基因十分有限。Ilan Paran研究团队用EMS诱变辣椒材料Capsicumannuumcv. Maor(其野生型始花节位为10.3±1.0)，筛选诱变后的M2家系，找到一些与始花节位相关的基因。其中多为促进开花的基因，如激活花分生组织决定基因Ca-ANANTHA(Ca-AN)所必需的CapsicumannuumS(CaS)基因突变后，辣椒始花节位增加到(21.3±1.1)，CaS基因控制辣椒分生组织的终止，促进茎尖和合轴分枝的生殖转变，为花形成所需[2]；抑制茎分生组织营养生长的辣椒CaJOINTLESS(CaJ)基因突变体，始花节位增至(17.0±0.6)[2，17]，该MADS-box基因能促进花序分生组织早熟以维持辣椒单生花的形成，促进主茎和合轴分枝开花；CaBLIND(CaBL)基因调控辣椒腋生分生组织的起始及开花转变，该基因突变体E-2580的始花节位变为(14.0±1.6)，原本连续的合轴生长变为在终止前重复一或两次，并常常在伸长的节间额外长出一不带腋芽的叶片[18]。Ilan Paran研究团队也找到少数抑制开花的基因，如FALSIFLORA(FA)基因在营养生长阶段抑制开花，其相应辣椒突变体提前开花，始花节位降为(8.6±0.5)，合轴单元节间变短，合轴发育中的叶片生长受到抑制，形成紧凑的植株结构和成簇生长的花果[2-3]；此外，辣椒E-62突变体始花节位由野生型材料的(8.6±0.5)降至突变型材料的(4.0±0)，相应候选基因为APETALA2转录因子家族的CaAP2基因，该基因据推测是辣椒开花主要阻遏基因，同时影响植株茎和果实大小[19]。

表1 不同研究中检测到的始花节位QTLs

在辣椒中发现的早花突变体少于晚花突变体，原因可能是选育的优良系中(如Maor)开花抑制相关基因在长期育种过程中被人们舍弃，这种情况在番茄中也存在[19-20]。另一个原因可能是自然界中某些引起早花的变异会带来多种负面影响，从而使早花变异的基因数量有限，比如开花抑制因子EMF1和EMF2中发生变异能引起极早花现象，但是突变体种子产量急剧下降[21]，这种突变体在自然界生存具有劣势，容易被淘汰。

3 辣椒始花节位调控基因功能的保守性与多样性

人们在遗传定位中发现辣椒属内不同物种间，辣椒与茄科其他作物(如番茄、茄子)间发掘的重要农艺性状QTLs间具有良好共线性，说明不同种属可能通过相同机制控制植物生长发育[10]。研究也证实一些辣椒始花节位调控基因在其他作物中具有类似功能。比如辣椒CaJ基因与其番茄直系同源基因JOINTLESS(J)对开花都有促进作用，同时影响合轴分枝发育，并对FA基因有上位作用[17，22]；CaS基因及其番茄直系同源基因COMPOUNDINFLORESCENCE(S)[23]和牵牛花EVERGREEN(EVG)基因[24]都在分生组织成熟中起作用；辣椒CaBL基因与其番茄直系同源基因BLIND(BL)和拟南芥直系同源基因RAX都具有调控腋生分生组织早期发育的作用[18]。

虽然在不同的植物中许多控制开花和始花节位的基因都相同，但有的基因会进化出物种特异性功能，甚至在不同作物中作用相反。例如辣椒CaJ基因与番茄J基因除对开花有促进作用外，还分别进化出各自的特异功能，CaJ基因维持单生花形成并影响始花节位，J基因参与花梗离区发育但对始花节位没有显著影响[17，22]；辣椒CaJ基因是一个主要开花促进因子，其拟南芥直系同源基因SVP(SHORTVEGETATIVEPHASE)则是主要开花抑制因子，SVP通过抑制开花整合子SUPPERSSOROFWOEREXPRESSIONOFCO1(SOC1)和FLOWERINGLOCUST(FT)基因抑制开花[17，25-26]；拟南芥中与SVP基因同源性最高的AGL24基因功能与SVP相反，它能通过激活SOC1基因促进开花[27-28]；CaS基因在辣椒中为花形成所需，但其番茄直系同源基因S发生突变并不影响番茄花形成[2]；辣椒(C.annuum)中CaBL基因具有调控腋生分生组织起始的作用，而拟南芥中与CaBL基因最相近的RAX3基因对腋芽形成没有影响[29-30]，甚至在同为辣椒属的C.frutescens中，只有少数Cabl突变体腋芽形成受到抑制，这可能是因为C.frutescens中存在其他功能冗余相关基因弥补了Cabl基因突变对腋芽形成的影响[18]。

4 辣椒始花节位调控基因之间的关系

目前从辣椒突变体着手展开的研究已揭示CaS、CaJ、CaBL、FA和CaAP2等基因参与调控辣椒始花节位。为了研究CaS基因与CaJ、FA和E-62基因间关系，Cohen等[2]用Cas基因突变的杂合单株和相应基因突变体为亲本构建F2群体，利用标记辅助选择从中得到双突变体CasCaj、Casfa和CasE-62(CaAP2)：发现CasCaj和CasE-62双突变体都和Cas单突变体一样没有花，说明在花形成方面Cas上位Caj和E-62；CasCaj双突变体很晚才开始合轴生长，始花节位高达(61.5±1.5)，而Cas和Caj单突变体的始花节位分别为(21.3±1.1)和(17±0.6)，CasE-62双突变体始花节位介于Cas和E-62(CaAP2)单突变体之间，说明在起始合轴生长方面Cas与Caj基因具有正向协同作用，与E-62具有加性效应。用相同的方法构建Cajfa双突变体，该突变体表型类似于Caj单突变体，始花节位为17，无花簇形成，说明在顶端分生组织、合轴分生组织和花分生组织发育方面Caj上位fa；通过qRT-PCR检测野生型、Caj突变体、fa突变体、Cajfa双突变体中CaJ和FA基因的表达量，也证实FA抑制CaJ[17]。双突变体Cablfa同时具有Cabl和fa单突变体的表型，即拥有大花瓣、合轴生长提前终止，此加性现象说明FA和CaBL在合轴生长调控中独立起作用；而双突变体如Cabl突变体一样腋芽形成受到抑制，说明在侧分枝方面CaBL上位FA[18]。

5 展望

辣椒是茄科重要经济作物，开花时间是辣椒品种改良的主要目标性状之一[8]。因辣椒始花节位常被用来衡量辣椒开花的时间[3，5-6]，所以一直备受科研人员和遗传育种学者的关注。早期人们定位了一些辣椒始花节位QTLs，并开发了一些连锁分子标记[5-6，10，12，14-16]，多为传统分子标记，如扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism，RFLP)和简单重复序列(simple sequence repeat，SSR)，数量有限且与相关基因遗传距离较远，大多不能有效用于育种材料的分子标记辅助选择。随着近年测序技术升级和测序成本降低，利用第二代或第三代测序技术能快速开发高通量分子标记[31-33]。其中单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)标记具有共显性、密度高、分布广、遗传稳定、检测快速、省时省力等特点，已在水稻、玉米、大豆、黄瓜等作物中得到有效应用[34-38]。相关技术方法在辣椒中也显现出优势，如Han等[39]通过对亲本C.annuum‘Perennial’、C.annuum‘Dempsey’及其120株重组自交系进行重测序，构建了重组单元(bin)均距0.53 cM的遗传图谱，并检测到86个重要QTLs。后期利用相关技术开展辣椒核心种质资源始花节位表型和基因型鉴定，挖掘与辣椒始花节位表型多样性相关等位基因分子标记，将加速分子标记辅助育种步伐，帮助育种学者在分子聚合育种过程中快速选择适宜的始花节位材料。

在模式植物拟南芥中，约180个基因被报道参与调控开花时间，它们形成复杂的开花调控网络[40]。外界环境和内在因素主要通过春化途径、自主途径、光依赖途径、赤霉素途径、环境温度途径和年龄途径调控开花时间[40-41]。这些途径汇聚于少数开花整合因子，如FT基因[42]、LEAFY(LFY)基因[43]和SOC1基因[44]等，这些开花整合因子与过渡到开花的时间密切相关。茄科作物番茄中也鉴定了一些影响开花时间和始花节位的基因，其中ANANTHA(AN)基因抑制开花，an突变体始花节位降低，S、FA、SINGLEFLOWERTRUSS(SFT)和UNIFLORA(UF)等基因促进开花，相应突变体始花节位升高[9，45-48]。辣椒中开花时间相关研究多以始花节位为考量重点[3，5-6]，目前已基于辣椒突变体发掘了若干对始花节位有调控作用的基因，这些基因的功能除了调控辣椒始花节位，往往还兼具其他功能(比如影响果实大小、参与花形成、影响合轴单元的节间长短等)，其同源基因在不同物种中功能可能保守，也可能发生特异性分化甚至作用相反。辣椒种质资源中始花节位变异丰富，目前，对自然变异中始花节位多样性背后调控机制还不清楚，环境因素如温度和光照通过怎样的内源途径影响始花节位也未见报道，辣椒开花调控途径相关研究与模式植物相比严重滞后。

今后继续运用相关突变体挖掘辣椒始花节位调控基因，可完善辣椒始花节位调控网络；也可通过模式植物中已知的开花基因来预测辣椒中始花节位调控基因并加以验证；此外，随着辣椒全基因组测序的完成[49-50]及测序技术的日益成熟，利用全基因组关联分析[51]、QTL-Seq[52]、BSR-seq[53]等方法有利于快速挖掘辣椒中与始花节位多样性有关的等位基因，可望更为全面地阐述自然变异中辣椒始花节位调控的分子机制。