中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 2 3 2 8 7 5 7 6 7 J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y h t t p z g n y d x x b i j o u r n a l s c n 史梅容 舒文波 邱明萱 李林宴 韓蕾 孫振元 巨關(guān)升 李振堅(jiān) 蘭花花器官及成花基因調(diào)控研究進(jìn)展 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 2 3 2 8 0 7 5 7 6 7 S H I M e i r o n g S H U W e n b o Q I U M i n g x u a n L I L i n y a n H A N L e i S U N Z h e n y u a n J U G u a n s h e n g L I Z h e n j i a n C u r r e n t p r o g r e s s o n g e n e r e g u l a t i o n i n t h e f l o r a l o r g a n a n d f l o w e r f o r m a t i o n o f o r c h i d J JournalofChinaAgriculturalUniversity 2 0 2 3 2 8 0 7 5 7 6 7 D O I 1 0 1 1 8 4 1 j i s s n 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 7 0 5 蘭花花器官及成花基因調(diào)控研究進(jìn)展 史梅容1 舒文波2 邱明萱2 李林宴2 韓蕾1 孫振元1 巨關(guān)升1 李振堅(jiān)1 1 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京1 0 0 0 9 1 2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢4 3 0 0 7 0 摘 要 為了更有效地對開花植物中最大家族之一的蘭科 O r c h i d a c e a e 植物進(jìn)行開花調(diào)控 對具有蕊柱和唇瓣等 獨(dú)特花結(jié)構(gòu)的蘭花花器官調(diào)控和成花過程的分子遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行了闡述 并在此基礎(chǔ)上對蘭科花發(fā)育的調(diào)控進(jìn)行了 展望 結(jié)果表明 1 蘭花花器官A B C D E模型中 A和E類基因決定萼片 A B和E類基因決定花瓣 B C和E類 基因決定雄蕊 而D和E類基因決定心皮 2 溫度 光周期和激素是決定蘭花花起始和發(fā)育的關(guān)鍵 3 成花過程中 的轉(zhuǎn)錄組 基因組以及功能基因驗(yàn)證的研究 取得了較大的突破 綜上 本研究可為蘭花花發(fā)育的分子遺傳基礎(chǔ)研 究開辟新的思路 關(guān)鍵詞 蘭科植物 花器官 成花 基因調(diào)控 中圖分類號 S 6 8 文章編號 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 7 0 0 5 7 1 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 收稿日期 2 0 2 2 0 8 1 3 基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng) 2 0 1 8 Y F D 1 0 0 0 4 0 0 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 2 6 6 2 0 1 9 Q D 0 1 2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院科技創(chuàng)新基金 S R F 2 0 2 2 Y L S R F 1 6 第一作者 史梅容 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 3 0 2 6 6 5 3 2 4 副教授 主要從事蘭花相關(guān)研究 E m a i l m e i r o n g s h i 9 9 y e a h n e t 通訊作者 孫振元 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 2 2 4 7 5 4 7 8 5 研究員 主要從事園林植物與觀賞園藝研究 E m a i l s u n z y 2 6 3 n e t C u r r e n t p r o g r e s s o n g e n e r e g u l a t i o n i n t h e f l o r a l o r g a n a n d f l o w e r f o r m a t i o n o f o r c h i d S H I M e i r o n g 1 S H U W e n b o 2 Q I U M i n g x u a n 2 L I L i n y a n 2 H A N L e i 1 S U N Z h e n y u a n 1 J U G u a n s h e n g 1 L I Z h e n j i a n 1 1 ResearchInstituteofForestry KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivationofStateForestryAdministration ChineseAcademyofForestry Beijing100091 China 2 CollegeofHorticultureandForestry KeyLaboratoryofHorticulturePlantBiologyofMinistryofEducation HuazhongAgricultureUniversity Wuhan430070 China A b s t r a c t InordertoeffectivelyregulatethefloweringofOrchidaceae oneofthelargestfamiliesoffloweringplants themoleculargeneticbasisoffloralorganregulationandfloweringprocessoforchidswithuniquefloralstructuressuch asstamensandlabellumwereelaborated Onthisbasis theregulationoforchiddevelopmentwasprospected The resultsshowedthat 1 IntheABCDEmodeloforchidflowerorgans typeAandEdeterminesepals typeA BandE determinepetals typeB CandEdeterminestamens andtypeDandEdeterminecarpels 2 Temperature photoperiodandhormonesarethekeyfactorstodeterminetheinitiationanddevelopmentoforchids 3 Great breakthroughsaremadeintheresearchoftranscriptome genomeandfunctionalverifiedgenesduringflowering In conclusion thisreviewcanopenupnewideasforresearchonthemoleculargeneticbasisofflowerdevelopmentin orchids K e y w o r d s Orchidaceae floralorgan flowerformation generegulation 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 蘭花是蘭科 O r c h i d a c e a e 植物的總稱 有5個(gè) 亞科 杓蘭亞科 S u b f a m C y p r i p e d i o i d e a e 擬蘭亞 科 S u b f a m A p o s t a s i o i d e a e 樹蘭亞科 S u b f a m E p i d e n d r o i d e a e 香莢蘭亞科 S u b f a m V a n i l l o i d e a e 和蘭亞科 S u b f a m O r c h i d o i d e a e 8 0 0多個(gè)屬和2 8 0 0 0多個(gè)種 具有地生 腐生和附生 3種生活型 是植物最大的開花家族之一 位列中國 十大名花之一 1 其中 蘭屬 CymbidiumS w 蝴蝶蘭屬 PhalaenopsisBlume 文心蘭屬 Oncidiumhybridum 卡特蘭屬 CattleyaL i n d l 兜蘭屬 PaphiopedilumP f i t z 萬代蘭屬 Vanda coerulescens 和石斛蘭屬 Dendrobium 已成為7大 商品化蘭花 2 目前 蘭花商品化應(yīng)用的主要瓶頸 是花器官的形成和花期的調(diào)控 所以 對蘭花花器 官調(diào)控和開花過程進(jìn)行研究 對蘭花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤 為重要 蘭花花器官有其獨(dú)特性 而開花過程可分 為成花和花發(fā)育2個(gè)階段 每個(gè)階段都由相應(yīng)的 基因調(diào)控 3 雖然分子遺傳方法已使人們對模式 植物 如擬南芥 Arabidopsisthaliana 和水稻 OryzasativaL 中的花器官形成以及成花機(jī)制 有所了解 4 但目前對蘭花成花的整體認(rèn)識仍不 甚透徹 本研究重點(diǎn)研究了蘭花花器官調(diào)控以及 成花的分子調(diào)控機(jī)制 并解析了蘭花成花轉(zhuǎn)錄組 基因組和已功能驗(yàn)證的相關(guān)基因 以期為蘭花開 花研究提供重要的基礎(chǔ)信息 開辟新的研究策略 和途徑 1 蘭花花器官調(diào)控的分子機(jī)制 1 1 蘭花花器官特征 與其他開花植物相比 單子葉蘭花進(jìn)化出了壯 觀的花形態(tài)特征 以適應(yīng)其特殊的授粉和適應(yīng)性繁 殖策略 1 長期進(jìn)化中 蘭科植物形成了獨(dú)有的花 被結(jié)構(gòu) 由3個(gè)萼片 S e p a l 2個(gè)花瓣 P e t a l 1個(gè) 由花瓣特化成的唇瓣 L i p 以及合蕊柱 G y n o s t e m i u m 組成 圖1 a 1 成花是植物的 重要特征之一 其表達(dá)模式可以分為A B C或 A B C D E模型 A B C D E模型解釋了五類花同源異型 基因的相互作用 以確定每個(gè)花器官的特性 圖1 b 1 蘭花與其他植物在A B C D E表達(dá)模 式的基因相似 A和E類基因一起決定萼片 A B 和E類基因決定花瓣 B C和E類基因共同決定雄 蕊 而D和E類基因決定心皮 1 5 a 蘭花花結(jié)構(gòu)側(cè)視圖 左 與俯視圖 右 的比較 b 擬南芥花發(fā)育的A B C D E模型 AP1 無瓣花1 AP2 無瓣花2 AP3 無瓣花3 PI 雌蕊 AG 無性生殖 STK 種子儲(chǔ)備 SEP SEPALLATA a C o m p a r i s o n o f s i d e v i e w s l e f t a n d t o p v i e w s r i g h t o f t h e f l o r a l s t r u c t u r e s o f o r c h i d b T h e A B C D E m o d e l o f f l o w e r d e v e l o p m e n t i nArabidopsis AP1 APETALA1 AP2 APETALA2 AP3 APETALA3 PI PISTILLATA AG AGAMOUS STK SEEDSTICK SEP SEPALLATA 圖1 蘭花花器官發(fā)育 F i g 1 F l o r a l o r g a n d e v e l o p m e n t o f o r c h i d s 85 第7期史梅容等 蘭花花器官及成花基因調(diào)控研究進(jìn)展 1 2 蘭花花器官調(diào)控 對蘭花中高度特化的花結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究 不僅揭 示了參與花發(fā)育的基因 還揭示了A B C D E模型調(diào) 控的復(fù)雜性 1 A B C D E基因?qū)儆贛 A D S b o x轉(zhuǎn)錄 因子家族的MIKCC基因 蘭花植物的成花是由 M A D S b o x型轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo) 目前 已在擬南芥花 同源異型基因和其他物種的同源物中分離到各種蘭 花 如蘭花屬 石斛屬 文心蘭屬和蝴蝶蘭屬 的 MIKCC基因 一些功能亦得到了驗(yàn)證 4 1 2 1 A和E類基因 A和E類基因?qū)儆贏P1 AGL9超家族 6 A 功能基因來自SQUA l i k e亞群 可分為FUL AGL8 l i k e和euAP1 l i k e演化支 E功能基因來自 包含AGL9 l i k e和AGL2 3 4 l i k e c l a d e s的SEP l i k e亞群 AGL6是SQUA l i k e和SEP l i k e亞群 間的A P 1 A G L 9群 4 研究發(fā)現(xiàn) 蝴蝶蘭玫瑰 PhalaenopsisFormosaR o s e 的ORAP11和 ORAP13基因在花芽早期高度表達(dá) 7 且過表達(dá) DOAP1的轉(zhuǎn)基因梳唇石斛 DendrobiumChao PrayaSmile 表現(xiàn)出開花早 花序分生組織過早 轉(zhuǎn)變?yōu)榛ǚ稚M織 1 但臺(tái)灣蝴蝶蘭 Phal aphrodite 的PaAP1 1和PaAP1 2基因則在雌蕊 和花粉發(fā)育中發(fā)揮作用 而PaAGL6 1基因在唇瓣 表達(dá) PaAGL6 2在所有花器官中表達(dá) 8 蝴蝶蘭 雜種A t h e n s的PhaMADS1和PhaMADS2基因 在授粉前的子房中高表達(dá) 而PhaMADS4 PhaMADS5和PhaMADS7皆在萼片 花瓣和唇瓣 中表達(dá) 9 但石斛蘭 D MadameT o n g I n 中的 DOMADS2僅在花發(fā)育后期的花柱上表達(dá) 文心蘭 OncidiumG o w e r R a m s e y OMADS6 OMADS7和 OMADS11基因在除雄蕊外的所有花器宮中均有表 達(dá) 6 過表達(dá)OMADS6產(chǎn)生心皮狀萼片和雄蕊狀 花瓣 1 黃花文心蘭的AP1同源基因OMADS10 在成熟花的唇瓣和心皮中表達(dá) 但過表達(dá)文心蘭 OMADS1基因?qū)е禄ㄆ谔崆?1 0 木石斛 D crumenatumS w 的DcOAP2基因在所有花器官中 都有表達(dá) 1 1 小扇葉蘭 Erycinapusilla 的AP1 like 基因EpMADS10 EpMADS11和EpMADS12在所 有花器官中皆弱表達(dá) 4 另外 小蘭嶼蝴蝶蘭的 PeSEP基因在所有花器官中都有表達(dá) 1 2 但石斛 蘭 D MadameT o n g I n 中DOMADS1和DOMADS3 基因以及鴿石斛 D crumenatum 中的DcOSEP1 基因在花轉(zhuǎn)變過程中不斷被激活 并持續(xù)到成熟的 花階段 1 3 且沉默蝴蝶蘭PeSEP3導(dǎo)致花被片轉(zhuǎn)化 為葉狀組織 1 1 2 2 B類基因 蘭花B類基因包含DEFICIENS DEF APETALA3 AP3 l i k e和GLOBOSA GLO PISTILLATA PI l i k e基因 且所有花器官都可 檢測到B類基因 1 對蘭科植物的B類基因進(jìn)行 調(diào)查 發(fā)現(xiàn)1 1個(gè)物種具有4個(gè)AP3和2個(gè)PI同源 基因 1 4 臺(tái)灣蝴蝶蘭的PaAP3 1 PaAP3 2 PaAP3 3和PaAP3 4基因在萼片 花瓣和唇瓣 柱 中表達(dá) 8 石斛的DcOAP3A和DcOPI基因在所有 花器官中積累 1 3 意大利蘭 Orchisitalica 的 OrcPI和OrcPI2基因在未成熟花芽的所有花器官 中均表達(dá) 而狐尾蘭 Rhynchostylisgigantea 中的 RgPI在所有花器官表達(dá) 1 5 蝴蝶蘭雜種PhPI10 基因僅在唇瓣表達(dá) 1 6 小蘭嶼蝴蝶蘭 Phal equestris 的PeMADS4基因決定蝴蝶蘭的唇 形 1 7 文心蘭的OMADS5基因負(fù)向調(diào)控唇瓣結(jié) 構(gòu) 1 8 而春蘭 Cymbidiumgoeringii 花被的形成 是通過A B和E類基因的共表達(dá) 1 9 1 2 3 C和D類基因 C和D類基因是由被子植物基因復(fù)制和多樣 化事件產(chǎn)生的 1 C和D類基因都屬于M A D S b o x基因的A G亞家族 在A B C D E模型中 C類基 因?qū)τ谛廴锖托钠さ陌l(fā)育非常重要 而D類基因則 是胚珠發(fā)育所必需 4 小蘭嶼蝴蝶蘭的PeMADS1 基因參與蕊柱的發(fā)育 2 0 蝴蝶蘭和雅典蝴蝶蘭 Phal Athens 的C類和D類基因中的PhIAG1 和PhIAG2 在唇瓣 蕊柱和胚珠中均有表達(dá) 但 PhaMADS8 PhaMADS9和PhaMADS10在蕊柱 和子房中均有特異性表達(dá) 木石斛 D crumenatum S w 和球花石斛 D thyrsiflorum 的DcOAG1表 達(dá)于所有花器宮 DcOAG2僅在子房表達(dá) 但 DthyrAG1和DthyrAG2在授粉后的花序和胚珠中 均有表達(dá) 1 3 2 1 且梳唇石斛C類基因DOAG1和D 類基因DOEG2都參與了蕊柱的形成 2 2 黃花文 心蘭的OMADS4基因在雄蕊和心皮中表達(dá) 但 OMADS2基因的表達(dá)僅限于心皮的柱頭腔和子 房 2 3 蘭屬CeMADS1基因只在柱中表達(dá) 而 CeMADS2基因在所有花器官中部有 2 4 桃紅蝴蝶 蘭PeMADS1和PeMADS7與柱和胚珠發(fā)育 有關(guān) 1 95 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 2 蘭花成花轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制 大多數(shù)蘭花需要數(shù)年時(shí)間才能完成幼年階 段 4 成花是由被稱為開花時(shí)間的基因啟動(dòng) 該基 因調(diào)節(jié)著營養(yǎng)分生組織向花分生組織的轉(zhuǎn)化 然 后 花分生組織相關(guān)基因調(diào)節(jié)花的形成 一旦成花 開始 控制花中螺旋形成的基因就會(huì)表達(dá) 雖然在 被子植物中出現(xiàn)了花形態(tài)的極端變異 但可以區(qū)分 出4種相對簡單的花器官 即萼片 花瓣 雄蕊和心 皮 4 在此 本研究從分子遺傳學(xué)的角度 綜述近年 來蘭花成花和花發(fā)育的研究 2 1 蘭花成花信號 中國野生蘭科植物約有2 0 8個(gè)屬1 7 6 1個(gè)種 包括特有種6 0 1種 中國蘭花主要分布在熱帶 亞 熱帶以及長江流域以南地區(qū) 包括華東 華南和西 南 世界蘭科有5大觀賞屬 中國有兜蘭屬 蝴蝶 蘭屬 蘭屬和石斛屬4個(gè)屬 且2 0 1 9年觀賞蘭花年 產(chǎn)值占花卉總產(chǎn)值2 0 中國花卉協(xié)會(huì)蘭花分會(huì)內(nèi) 部資料 蘭科植物花的同源異型突變頻率較高 這 使其在花的形態(tài) 大小和顏色等特征上有著高度的 差異 1 9 2 5 2 0 2 1年國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄 第 二批 共列入國家重點(diǎn)保護(hù)野生蘭科植物2 9種和8 類 為保存豐富的蘭花資源 中國花卉協(xié)會(huì)批準(zhǔn)建 設(shè)了1 0個(gè)國家級蘭花資源庫 其中 廣東農(nóng)科院環(huán) 藝所已收集保存各類蘭花資源1 3 6 5份 2 6 福建農(nóng) 林大學(xué)森林蘭苑保存瀕危蘭科植物1 2 0 0種及人工 種質(zhì)資源3 0 0 0多份 中國花卉協(xié)會(huì)蘭花分會(huì)內(nèi)部 資料 這表明 蘭花存在多樣的棲息地 蘭花多樣的生境表明蘭花可能已經(jīng)進(jìn)化出不同 的開花策略 以應(yīng)對各種環(huán)境和發(fā)育條件 圖2 1 例如蘭花中都有明顯的全基因組復(fù)制 W G D 事件 可能與蘭花的多樣性有關(guān) 樹蘭亞科 S u b f a m E p i d e n d r o i d e a e 中的各種蘭花對不同的環(huán)境溫度和 光照條件作出響應(yīng) 從而誘導(dǎo)開花 低溫促進(jìn)蝴蝶 蘭 春蘭和石斛的開花 而高溫促進(jìn)文心蘭屬和幾個(gè) 石斛雜交品種的開花 同時(shí)短日照下 有助于五唇蘭 Phalpulcherrima 和米爾頓蘭 Miltoniopsis orchids 的開花 而短日照下扇蘭 Psygmorchis pusilla 花峰值的誘導(dǎo)與日照長度的增加呈正相 關(guān) 1 此外 也有研究表明 植物激素 如細(xì)胞分裂 素 C T K 和脫落酸 A B A 對蘭花的花轉(zhuǎn)變有促進(jìn) 作用 1 相比生長素抑制花尖的起始 赤霉素 G A 3 開花抑制子和啟動(dòng)子分別顯示在粉色和黃色框中 而環(huán)境和發(fā)育信號則顯示在基因上方 F l o w e r i n g r e p r e s s o r s a n d p r o m o t e r s a r e s h o w n i n p i n k a n d y e l l o w b o x e s r e s p e c t i v e l y w h i l e e n v i r o n m e n t a l a n d d e v e l o p m e n t a l s i g n a l s a r e i n d i c a t e d a b o v e t h e g e n e s 圖2 蘭花開花時(shí)間的遺傳調(diào)控 F i g 2 G e n e t i c c o n t r o l o f f l o w e r i n g t i m e i n o r c h i d s 06 第7期史梅容等 蘭花花器官及成花基因調(diào)控研究進(jìn)展 對開花沒有影響 但可挽救高溫下花朵發(fā)育障礙 1 這些結(jié)果表明 蘭花在決定開花時(shí) 會(huì)對常見的外部 和內(nèi)部信號作出反應(yīng) 2 2 蘭花成花的主要影響因子 在成花過程中 花期 環(huán)境溫度和光周期是決定 蘭花起始和個(gè)體發(fā)育的關(guān)鍵 成花是開花植物生命 周期的關(guān)鍵 這種從營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變是 發(fā)育狀態(tài)和多種環(huán)境累積的響應(yīng) 1 植物開花由多 種遺傳途徑組成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié) 包括光周期 春化 赤霉素 年齡 自主和熱感應(yīng)途徑 1 目前 對 蘭花成花的機(jī)制研究有限 而闡明蘭科植物的開花 機(jī)制 將有助于蘭花育種及其商業(yè)化潛力 4 在成 花過程中 幼年期 環(huán)境溫度和光周期是決定蘭花始 花和季節(jié)的關(guān)鍵因素 4 目前 已發(fā)現(xiàn)6條受內(nèi)外 信號調(diào)控開花的分子遺傳機(jī)制 環(huán)境溫度途徑 光周 期途徑 春化途徑 赤霉素途徑 生物鐘途徑和自主途 徑 圖3 保證了不同環(huán)境下蘭花開花 當(dāng)前 在蘭科 植物中 石斛屬植物花發(fā)育相關(guān)的研究較為完善 2 7 由圖3可知 外部溫度變化 生物鐘和光周期導(dǎo)致石斛 晝夜節(jié)律的變化 而后許多信號通路被激活 包括植物 激素中的細(xì)胞分裂素 生長素和赤霉素 一些關(guān)鍵基 因 如DnVRN1 DoSOC1 DoAP1 DnCOL和DnFT 等 被發(fā)現(xiàn)與花發(fā)育相關(guān) 本研究主要從分子生物學(xué) 的角度總結(jié)近年來蘭花成花的主要進(jìn)展 圖3 石斛屬植物花發(fā)育相關(guān)的環(huán)境因子及基因 27 F i g 3 E n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a n d g e n e s r e l a t e d t o f l o w e r d e v e l o p m e n t i nDendrobium 2 7 2 2 1 溫度對蘭花成花的影響 溫度是蘭花成花的關(guān)鍵因子 溫度水平以及晝 夜溫差都會(huì)影響花芽分化與發(fā)育 3 不同種類蘭花 對環(huán)境溫度的要求不同 2 8 一些蘭花對溫度變化的 開花反應(yīng)不同 如低溫促進(jìn)金釵石斛 2 9 美堇蘭屬 Miltoniopsis 蝴蝶蘭屬和軛瓣蘭屬 Zygopetalum 開花 4 而文心蘭屬 4 和一些石斛雜交品種 3 0 開花 需高溫環(huán)境 另外 也發(fā)現(xiàn)一些與溫度相關(guān)的開花 基因 在感應(yīng)低溫下 黑斑蝴蝶蘭FLOWERING LOCUST1 PaFT1 基因被上調(diào) 3 1 目前 對蝴蝶 蘭低溫誘導(dǎo)花發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究較為完善 圖4 具體為低溫誘導(dǎo)PaFT1表達(dá) 與PaFD相 互作用 激活誘導(dǎo)成花所需的下游基因 4 2 2 2 光周期對蘭花成花的影響 光周期以信號方式向植物光受體 主要為光敏 色素 P h y t o c h r o m e s 向光素 P h o t o t r o p i n 和隱花 色素 C r y p t o c h r o m e 傳遞生物鐘變化 從而誘導(dǎo) C O表達(dá) 啟動(dòng)開花相關(guān)基因的表達(dá) 3 研究發(fā)現(xiàn) 不同種類的蘭花對光周期的要求也不同 如五唇蘭 Phal pulcherrima 9 h光照比1 2 h光照能更有 效地啟動(dòng)開花 3 2 扇蘭 Psygmorchispusilla 花的 形成與白天時(shí)長的增加呈正相關(guān) 3 3 美堇蘭在 16 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 圖4 低溫條件下臺(tái)灣蝴蝶蘭的開花調(diào)控 F i g 4 F l o w e r i n g r e g u l a t i o n o fPhal formosaa t l o w t e m p e r a t u r e 2 3 短日照 S D 后轉(zhuǎn)移到低溫 1 1 1 4 有 利于開花 3 0 但光周期對臺(tái)灣蝴蝶蘭開花沒有顯著 影響 4 另外 也發(fā)現(xiàn)一些與光周期相關(guān)的基因影 響開花 如文心蘭中的開花啟動(dòng)子FT OnFT 的表 達(dá)受光周期的調(diào)控 3 4 霍山石斛DhPEBPs具有與 FT TFL1對立的調(diào)節(jié)開花的功能 3 5 鐵皮石斛 DoSUTs在主要花器官的發(fā)育中起作用 4 朵麗蝶 蘭雜交種的EARLYFLOWERING4 like4 DhEFL4 基因受光周期調(diào)節(jié) 3 6 蝴蝶蘭CO l i k e Phalacol 的異位表達(dá) 引起煙草早期開花表 型 3 7 2 2 3 植物激素對蘭花成花的影響 植物激素對蘭花開花也有影響 4 植物激素對 大花蕙蘭花的形態(tài)發(fā)生和發(fā)育起重要作用 3 8 蝴蝶 蘭花發(fā)育需開花莖尖中維持最佳的G A 3 9 而6 芐 基氨基嘌呤 B A 促進(jìn)了單軸蘭花 蝴蝶蘭 和合生 蘭花 石斛蘭 的開花 且與赤霉素 G A 聯(lián)合使用 對開花也有促進(jìn)作用 4 0 在蝴蝶蘭和朵麗蝶蘭中 噴施B A可提前3 9 d產(chǎn)生花序 4 1 A B A在蘭花 的成花過程中發(fā)揮了抑制作用 4 2 且N A A也抑制 蘭花花芽分化 延遲花期 3 可見 植物激素對植物 開花有顯著影響 但其效果差異較大 2 3 蘭花成花功能基因組研究 目前 我國已經(jīng)開發(fā)出一些蘭花新品種 如通過 野生資源的馴化篩選 中國已培育出蘭花品種5 9 6 個(gè) 2 6 采用多倍體技術(shù) 已在大花蕙蘭 石斛蘭和蝴 蝶蘭等中獲得了多倍體植株 4 3 蘭花雜交育種也是 獲得新品種的一個(gè)重要手段 從1 8 5 4年第一個(gè)在 英國皇家園藝學(xué)會(huì) R o y a l H o r t i c u l t u r a l S o c i e t y R H S 國際蘭花品種登錄委員會(huì)登錄的蘭花雜交 種蝦脊蘭 Cal furcata Cal masuca 開始 目前 登記的蘭花雜交種已超過1 4萬個(gè) 主要包括石斛 蘭 卡特蘭 萬代蘭 兜蘭 蝴蝶蘭 蘭屬和文心蘭 表1 4 4 另外 通過生物技術(shù)也獲得了一些蘭花 新品種 如白色文心蘭 黑色蝴蝶蘭和藍(lán)色蝴蝶蘭 等 這些不同開花品種的獲得 為我們研究蘭花的 開花分子機(jī)制 提供了豐富的材料 2 3 1 蘭花成花轉(zhuǎn)錄組研究 近年來 蘭科多種植物利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù) 在 花器官 成花和花發(fā)育等轉(zhuǎn)錄組研究方面取得了很 大的進(jìn)展 如中國臺(tái)灣成功大學(xué)熱帶植物研究所建 立了O r c h i d B a s e 3 0 收集到5個(gè)亞科的1 0種蘭花 花器官轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù) 4 5 并對蝴蝶蘭 4 6 卡特蘭雜交 種K O V A 4 7 等的花部特征進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析 同時(shí) 對建蘭 2 5 4 8 4 9 等的唇瓣和重瓣進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析 在花啟動(dòng)方面 研究人員對蝴蝶蘭 3 1 等進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄 組分析 在低溫花誘導(dǎo)方面 研究人員對金釵石斛 D nobileL i n d l 和臺(tái)灣蝴蝶蘭 5 0 5 2 等進(jìn)行了轉(zhuǎn) 錄組分析 在春化作用方面 研究人員對金釵石斛的 春化腋芽 5 3 和石斛春化過程中的細(xì)胞分裂素 C T K 赤霉素 G A 信號網(wǎng)絡(luò) 5 1 等進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組 分析 在花發(fā)育方面 對竹葉蘭 Arundinagraminifolia D D o n H o c h r 5 4 大花蕙蘭 丹心蘭 5 5 和鐵皮 石斛 5 5 6 等進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析 最近 在大花惠蘭 26 第7期史梅容等 蘭花花器官及成花基因調(diào)控研究進(jìn)展 表1 RHS注冊登錄的蘭科雜交品種 T a b l e 1 R H S r e g i s t e r e d O r c h i d a c e a e h y b r i d 名稱 N a m e 總數(shù) 個(gè) T o t a l 育種者 個(gè) B r e e d e r 全球登錄最多的 單位或個(gè)人 T h e m o s t l o g g e d i n u n i t s o r i n d i v i d u a l s i n t h e w o r l d 國家或 地區(qū) C o u n t r y o r r e g i o n 總數(shù) 個(gè) T o t a l 中國登錄最多的 單位或個(gè)人 T h e m o s t l o g g e d i n u n i t s o r i n d i v i d u a l s i n C h i n a 總數(shù) 個(gè) T o t a l 石斛 Dendrobiumnobile L i n d l 1 1 9 4 4 1 5 7 0 J Y a m a m o t o日本7 7 0 C L L a i 中國臺(tái)灣 9 5 卡特蘭 Cattleya hybrida H J V e i t c h 3 7 5 7 0 3 4 9 9 A r m a c o s t美國9 5 6 0 0 萬代蘭 Vanda 7 2 0 7 1 4 7 0 R F O r c h i d s美國6 5 3 0 0 兜蘭 Paphiopedilums p p 2 3 9 4 2 1 3 6 1 R a t c l i f f e英國1 5 6 5 0 0 蝴蝶蘭 Phal aphrodite H G R e i c h e n b a c h 3 2 3 2 5 2 1 0 6 H a u s e r m a n n s O r c h i d s 美國1 4 2 3廣東農(nóng)科院環(huán)藝所2 1 蘭屬 CymbidiumS w 1 4 8 0 6 1 1 2 1 M u k o y a m a日本7 1 1廣東農(nóng)科院環(huán)藝所2 1 文心蘭 Oncidiumhybridum 9 6 7 2 1 1 6 3 C h a r l e s w o r t h L t d 英國1 6 3 6 H w u l u d u e n O r c h i d s 中國臺(tái)灣 1 4 0 Cymbidium 和文心蘭 Erycina 轉(zhuǎn)錄組分析中 發(fā) 現(xiàn)了許多可能影響開花的基因 4 2 3 2 蘭花成花基因組研究 蘭花基因組測序項(xiàng)目和其他先進(jìn)工具 如基因 組編輯技術(shù) 極大地促進(jìn)了蘭花花發(fā)育的分子生物 學(xué)研究 蘭花基因組研究的一個(gè)關(guān)鍵里程碑是 2 0 1 5年蝴蝶蘭的測序 隨著更經(jīng)濟(jì)有效的測序技 術(shù)的快速發(fā)展 蘭科植物中已有1 8個(gè)物種先后完成 了高質(zhì)量參考基因組測序與組裝 主要包括蝴蝶蘭 小蘭嶼蝴蝶蘭 鐵皮石斛 深圳擬蘭 白花蝴蝶蘭 香 莢蘭 建蘭 霍山石斛 鼓槌石斛 墨蘭 沉香虎頭蘭 黃色素花 黃輝大花蕙蘭和金釵石斛等 表2 5 7 這些蘭花基因組序列的發(fā)布 為在全基因組范圍內(nèi) 鑒定和比較具有潛在新功能的蘭花基因提供了巨大 的機(jī)會(huì) 例如 在蘭花花發(fā)育調(diào)控中起關(guān)鍵作用的 M A D S b o x基因 1 在小蘭嶼蝴蝶蘭和蝴蝶蘭的基 因組中分別鑒定出5 1和5 6個(gè) 盡管這些蘭花基因 組中的M A D S b o x基因總數(shù)遠(yuǎn)少于擬南芥 1 0 7個(gè) 基因 和水稻 8 0個(gè)基因 的基因組 但蘭花中含有 更多與花器官形成有關(guān)的M A D S b o x基因 這種差 異意味著增加的M A D S b o x基因可能與蘭花高度 特異多樣性的花形態(tài)特征有關(guān) 擬蘭亞科和其他亞 科間M A D S b o x基因的數(shù)量不同進(jìn)一步支持了這 一假設(shè) 36 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 表2 蘭科已完成全基因組測序的種 T a b l e 2 S p e c i e s o f o r c h i d a c e a e w h o s e w h o l e g e n o m e h a s b e e n s e q u e n c e d 亞科 S u b f a m i l y 中文名 C h i n e s e n a m e 拉丁名 L a t i n n a m e 亞科 S u b f a m i l y 中文名 C h i n e s e n a m e 拉丁名L a t i n n a m e 擬蘭亞科 A p o s t a s i o i d e a e 樹蘭亞科 E p i d e n d r o i d e a e 深圳擬蘭Apostasiashenzhenica 多枝擬蘭Apostasiaramifera 鐵皮石斛Dendrobiumofficinale 霍山石斛Dendrobiumhuoshanense 金釵石斛Dendrobiumnobile 鼓槌石斛Dendrobiumchrysotoxum 墨蘭 Cymbidiumsinense 春蘭 Cymbidiumgoeringii 建蘭 Cymbidiumensifolium 香莢蘭亞科 V a n i l l o i d e a e 蘭亞科 O r c h i d o i d e a e 大花香莢蘭Vanilaplanifolia 天麻Gastrodiaelata 勐海天麻Gastrodiamenghai 小蘭嶼蝴蝶蘭Phalaenopsisequestris 蝴蝶蘭Phalaenopsisaphrodite 白花蝴蝶蘭Phalaenopsisamabilis 廣東舌唇蘭Platantheraguangdongensis 紫金舌唇蘭Platantherazijinensis 沉香虎頭蘭 黃色素花 黃輝大花蕙蘭 Cymbidiumtracyanumv a r h u a n g h u a Cymbidium faberic v h u a n g h u i 2 3 3 蘭花成花基因功能驗(yàn)證 近來 蘭科基因功能鑒定技術(shù)也取得了飛速發(fā) 展 與許多其他作物相似 蘭科首先使用基因槍 法 5 8 5 9 將外源基因?qū)胩m花基因組 進(jìn)一步利用農(nóng) 桿菌介導(dǎo)法 將外源基因轉(zhuǎn)入蝴蝶蘭 石斛屬 大花 蕙蘭和文心蘭等 6 0 6 1 并使用原球莖外植體將蝴蝶 蘭的轉(zhuǎn)化過程縮短到8個(gè)月 6 0 另外 建立了高效 的墨蘭原生質(zhì)體分離及瞬時(shí)表達(dá)體系 6 2 將病毒誘 導(dǎo)基因沉默 V i r u s i n d u c e d g e n e s i l e n c i n g V I G S 技術(shù)應(yīng)用于蘭科植物的基因功能驗(yàn)證 6 3 隨著許 多蘭花高質(zhì)量基因組序列的完成 表2 CRISPR Cas9基因編輯系統(tǒng)已成功應(yīng)用于蝴蝶蘭 鐵皮石斛 和霍山石斛 1 迄今為止 通過異源系統(tǒng)或同源系統(tǒng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化技 術(shù) 發(fā)現(xiàn)蘭花開花的特性高度保守 圖2 例如 過 表達(dá)FT l i k e基因 CymbidiumCgFT Dendrobium DOFT DnFT OncidiumOnFT和Phalaenopsis PaFT1 SOC1 l i k e基因 DendrobiumDOSOC1 DnAGL19 CO l i k e基因 CymbidiumCsCOL1 CeCOL和PhalaenopsisPaCOL1 和其他開花相關(guān) 的同源基因 DendrobiumDcOAG1 DOAGL24 DOAP1 DOFTIP1 OncidiumOMADS2 OMADS4 OMADS6 OSEP3 OMADS7 OAGL6 1 OMADS10 OAP1 OMADS11和PhalaenopsisPaFD PeMADS7 PeSEP3 導(dǎo)致早花 而SVP l i k e基因 Cymbidium CgSVP2和DendrobiumDOSVP TFL1 l i k e基因 DendrobiumDOTFL1和OncidiumOnTFL1 和其他基 因 CymbidiumCgCOL和DoritaenopsisDhEFL2 3 4 的異位表達(dá) 延遲了不同類型轉(zhuǎn)基因植物的開 花 1 6 1 2 1 3 2 3 3 1 3 4 5 3 6 4 6 8 有趣的是 與擬南芥中的對 應(yīng)物一樣 蘭花中的FT和TFL1同源物以類似拮 抗的方式調(diào)節(jié)開花 圖3 在石斛蘭中 DOFT的下調(diào)或上調(diào)分別延遲或 加速開花 而DOTFL1影響蘭花開花的方式則相 反 6 6 且DOFT1和DOTFL1的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在擬南 芥中也相似 例如 過表達(dá)