生长素调控植物腋芽发育的研究进展

王铭，焦其庆，徐海成，焦付超，张海艳，陈景堂

(1. 青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109；2. 山东省农业科学院，山东 济南 250100；3. 潍坊科技学院，山东 寿光 262700)

株型对植物的叶面积、光合作用、响应外界环境变化具有重要影响，进而间接影响到果实品质、生物产量、花卉品质等重要性状[1－4]。植物腋芽发育是植物株型和形态建成的关键因素之一，其取决于植株叶腋处的腋芽响应内源和外源刺激而产生新分枝的能力。植物腋芽萌发后会进一步生长形成侧枝，进而构成不同株型，是植物构成自身形态的一种重要手段。植物体内腋芽发育受到外界环境、内源激素、水分、营养、光照等因素复杂而精密的调控[5－7]。

植物激素(phytohormones)是产生于植物体内的调节自身各种生理过程的物质，参与植物发芽、生根、开花、结实、休眠、衰老等各个时期的几乎所有生理过程[8]。调控植物腋芽发育的关键激素包含生长素(auxin)、细胞分裂素(cytokinin，CK)、独脚金内酯(strigolactone，SL)、脱落酸(abscisic acid，ABA)等[9]，其中生长素是最早报道的参与植物腋芽发育的植物激素[10]。生长素主要分布于植物根尖和芽的分生组织、受精后的子房、幼嫩种子等生长旺盛部分，参与调控植物的胚胎发育、器官发生、种子和果实生长、向性运动、侧芽生长发育等重要生理过程[11－14]。生长素信号转导是生长素影响植物生长发育的重要手段之一。研究表明从SCFTIR1/AFB受体到Aux/IAA 蛋白的泛素化降解最终通过ARF 家族转录因子调控下游基因表达是植物体内生长素主要信号转导通路之一[15]。

至今，在植物体中研究人员已经克隆并鉴定了一系列与腋芽发育相关的基因，例如双子叶植物的BRC1(BRANCHED1)、RMS(RAMOSUS)、FHY3(FAR－RED ELONGATED HYPOCOTYL3)、FAR1(FAR － RED － IMPAIRED RESPONSE1)、MAX2(MORE AXILLARY GROWTH2)、SUPPRESSOR OF MORE AXILLARY GROWTH2(MAX2)－LIKE6(SMXL6)、SMXL7、SMXL8、DAD2(DECREASED APICAL DOMINANCE2)等，单子叶植物的TB1(TEOSINTE BRANCHED1)、IPA1(IDEAL PLANT ARCHITECTURE1)、D14(DWARF14)、D53(DWARF53)、LAX(LAX PANICLE)等，以及编码双加氧酶(CCD7 和CCD8)和类胡萝卜素异构酶(D27)等植物体内激素代谢关键酶的基因，这些基因都被实验证明参与植物对腋芽发育的调控[9，16－21]。

目前，国内外对于植物腋芽发育的调控机制，尤其是生长素通过细胞分裂素和独脚金内酯等植物激素影响腋芽发育的相关机理已有较多报道。本文将从生长素入手，综述其调控植物腋芽发育的模型和调控植物分枝的关键基因两方面研究内容，以期为生长素调控植物腋芽发育的分子机制相关研究提供一定参考。

1 生长素调控植物腋芽发育的模型

研究认为，顶端分生组织产生的生长素通过调控腋芽中的细胞代谢、信号转导等生理生化过程来抑制植物腋芽发育[22]。然而，直接将生长素施用于腋芽并不能抑制腋芽生长，并且在植物顶端施用的生长素不能被输送到腋芽中，说明生长素并非抑制腋芽发育的直接作用因子[23，24]。对此学界提出用第二信使模型和生长素运输模型来解释生长素如何调控腋芽的发育。

1.1 第二信使模型

根据第二信使模型，生长素通过调控独脚金内酯和细胞分裂素这两种植物激素的代谢和信号转导来调节腋芽发育，进而影响下游BRC1(TB1)等腋芽发育关键基因的表达[6，25－28]。独脚金内酯近些年被确认为是一种新型植物激素，它参与调控植物种子萌发、叶片发育、侧根生长、侧芽伸长、植株衰老等过程，是植物腋芽发育的关键抑制因子[26]。研究表明生长素可以促进独脚金内酯的生物合成。MAX4编码多烯双加氧酶基因，它是植物体内合成独脚金内酯的关键酶之一。Sorefan等[29]研究发现，生长素不能在拟南芥腋芽中积累，但可以诱导腋芽中MAX4基因的表达。此外，拟南芥max4缺失突变体表现出多分枝的表型，说明生长素可促进腋芽中独脚金内酯生物合成基因的转录，从而提高腋芽中独脚金内酯含量[30]。植物体内CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE7(CCD7)和CCD8编码类胡萝卜素裂解双加氧酶，也是独脚金内酯合成的关键基因之一。研究显示，生长素可以通过诱导CCD7和CCD8的表达来提高腋芽中独脚金内酯含量，进而调控植物腋芽发育[31－35]。上述研究表明，生长素可以通过诱导独脚金内酯生物合成的关键基因的表达来提高腋芽中独脚金内酯含量，抑制腋芽发育。生长素还会通过调控独脚金内酯信号转导来影响腋芽发育。研究表明，D53和SMXL等独脚金内酯信号转导关键基因的表达受到生长素的调控，从而间接影响D53和SMXL下游腋芽生长发育关键负调控基因TB1和BRC1的转录[36－39]。并且，独脚金内酯信号转导关键基因的缺失突变体会表现出高度分枝的表型，并对外源生长素的敏感性降低，例如豌豆rms突变体、矮牵牛dad突变体和拟南芥max突变体[40]。

细胞分裂素在植物生长发育中起到重要作用，参与调控植物细胞分裂并诱导芽的形成，是腋芽发育的诱导因子。研究表明，将细胞分裂素直接作用于植物休眠芽后会促进休眠芽的萌发[27]。Bangerth[41]的试验表明，摘除菜豆(Phaseolus vulgarisL.)顶芽后，木质部和腋芽中的细胞分裂素含量提高，但施用生长素后，腋芽中的细胞分裂素含量减少，表明生长素可能会调控细胞分裂素的生物合成。异戊烯基转移酶(IPT)是细胞分裂素合成的重要限速酶，控制细胞分裂素合成的关键步骤。进一步研究表明，施用生长素会抑制IPT基因的转录水平，从而达到抑制细胞分裂素合成的目的，证实生长素可以通过降低腋芽内的细胞分裂素含量抑制腋芽的发育[42－44]。

1.2 生长素运输模型

在植物体内，生长素主要产生于幼叶、茎尖、根尖等生长旺盛部分，并在维管束中通过极性运输方式转运[45，46]。生长素运输模型表明腋芽的发育取决于植株对生长素极性运输的调控，即腋芽的生长受到生长素极性运输的调节，而不是生长素含量的调节[47－49]。前人研究表明，主茎顶芽产生的生长素被加载到生长素极性运输流(polar auxin transport stream，PATS)中，并以极性运输方式向基部运输[50]。当主茎中的PATS 饱和时，腋芽内产生的生长素不能及时向外输出，进而导致腋芽内生长素含量增加，腋芽发育被抑制；而当主茎中的PATS 未饱和时，腋芽内产生的生长素可以转运到主茎中，使腋芽内生长素含量维持在适宜生长的浓度。Hall 等[51]用放射性同位素标记吲哚乙酸，发现顶芽产生的生长素不能被转运到腋芽中。还有研究发现，顶芽产生的生长素可以促进腋芽中产生的细胞分裂素向主茎中运输，从而降低腋芽中的细胞分裂素浓度[42]。而在去顶的茎上施用外源生长素可以提高PATS 中的生长素浓度，并抑制下端腋芽生长，表明腋芽发育受到生长素极性运输的调控[52－55]。根据生长素运输模型，主茎中的生长素极性运输限制腋芽与主茎之间生长素外排通道的建立，从而导致腋芽中产生的生长素不能及时外排而浓度升高，过高浓度的生长素会抑制腋芽发育[56]。

生长素的极性运输和外排转运还受到生长素转运蛋白的影响[57，58]。植物体内主要的生长素转运蛋白包括:PIN－FORMED(PIN)蛋白、ATPbinding cassette B(ABCB)蛋白以及Auxin Resistant(AUX)1/like AUX1(LAX)转运蛋白等。在腋芽发育过程中，生长素转运主要受到维管组织细胞膜上分布的外排载体PIN 蛋白的调控[59，60]。Petrásek 等[61]研究表明，PIN 蛋白在木质部相关的细胞中高度表达，并且其分布位置决定了细胞之间生长素的流动方向。Balla 等[53]研究表明，豌豆(Pisum sativumL.)顶芽和腋芽中的生长素共同调控PIN 蛋白分布，且腋芽依赖PIN 蛋白建立定向的生长素外流通道。去顶后，PIN 蛋白的分布受到影响，腋芽向外转运生长素的速率提高，从而诱导腋芽的发育。也有研究表明，SL 可以通过抑制编码PIN 蛋白基因的表达来调节腋芽和茎之间的生长素运输，从而调控腋芽中的生长素含量[36，53，62]。Shinohara 等[5]研究也证实，PIN 蛋白的积累可以通过SL 信号途径调控腋芽生长关键转录因子BRC1 的表达，表明BRC1的表达可能受到生长素运输的调控。

2 生长素调控植物分枝的关键基因

植物细胞内的TIR1/AFB－Aux/IAA－ARF 通路是响应生长素的重要信号转导途径，生长素通过其调控下游一系列基因的表达来影响包括腋芽发育在内的诸多性状[63－66]。Stirnberg 等[64]研究表明，拟南芥AXR1(AUXIN RESISTANT 1)是植物响应生长素信号转导的重要因子，其编码一个与泛素激活酶E1 相关的蛋白，拟南芥axr1缺失突变体对生长素敏感性降低，表现出高度分枝的表型。此外，Lincoln 等[65]也比较了拟南芥野生型和axr1缺失突变体的腋芽发育情况，表明axr1缺失突变不影响腋芽分生组织形成的时间，但axr1缺失突变体中腋芽的生长速率显著高于对照，表明生长素对腋芽发育的影响主要是调控腋芽的伸长，并非腋芽的萌发。

BRC1编码一个TCP 家族的转录因子，是腋芽发育的关键负调控基因。前人研究表明BRC1的转录水平受到生长素信号转导的控制[28]。实验显示植物茎中的生长素不能被转运到腋芽中直接诱导BRC1的表达，而是通过CK 和SL 两种激素调控BRC1的表达，从而影响腋芽的生长发育[28，37]。Shen 等[67]研究表明，黄瓜中的CsBRC1可以直接结合在编码生长素外排载体CsPIN3基因的启动子上，并对其表达进行负调节，从而升高腋芽中生长素的水平。通过RNAi 对CsBRC1的表达进行抑制，CsPIN3基因的表达量提高，促进腋芽中生长素的外排，进而诱导黄瓜腋芽发育。

参与植物生长素运输的PIN 蛋白和AUX1/LAX 蛋白也都被证实参与调控植物腋芽的发育[68，69]。Krogan 等[70]的试验证明，MONOPTEROS(MP)编码一个生长素响应因子(auxin response factor，ARF)家族的转录因子，其通过结合PIN基因的启动子来调控PIN基因的表达，从而参与对植物腋芽发育的调控。ARR1编码细胞分裂素信号转导通路中的重要转录因子，其缺失突变体arr1表现出高度分枝的表型。Waldie 等[71]研究表明，施加细胞分裂素可以促进PIN3、PIN7 和PIN4 积累，而PIN3、PIN4 和PIN7 表达量的减少可以抑制arr1缺失突变体的腋芽发育。这表明细胞分裂素可能促进腋芽中生长素的外排转运，而PIN 蛋白反馈调节腋芽中细胞分裂素的信号转导。Bennett 等[72]通过放射性标记的吲哚－3－乙酸(IAA)观察到，拟南芥max4缺失突变体中编码生长素外排载体基因PIN1的表达量显著高于对照，并且不依赖于生长素信号转导。表明SL 能够通过降低PIN 蛋白在木质部的积累而抑制生长素由腋芽向外转运，以此来负调控腋芽发育[5]。Xie 等[73]研究也表明PIN 蛋白介导的生长素转运对腋芽的发育有重要影响。

Dun 等研究表明，豌豆中的RAMOSUS(RMS)是控制豌豆腋芽发育的重要基因，其编码类胡萝卜素裂解酶，是SL 信号转导的重要因子之一。在植物腋芽发育过程中，生长素会通过诱导RMS基因的表达来激活SL 信号转导，从而抑制植物腋芽的发育[74]。这表明RMS介导的SL 信号是生长素调控植物腋芽发育的重要途径[31，74]。此外，rms缺失突变体的生长素含量虽然高于野生型，但腋芽的发育却并未受到抑制，进一步表明生长素可能通过调控SL 信号途径影响植物腋芽发育[31，75]。

AUXIN RESPONSE FACTOR3(ARF3)是介导生长素信号的关键转录因子，研究表明arf3缺失突变体中的IPT5表达量提高，促进CK 的生物合成。进一步研究表明，ARF3直接与AtIPT5基因的启动子结合，并负调控AtIPT5的表达，说明生长素可以抑制腋芽内细胞分裂素的合成[76]。

Wei 等[77]在番茄中鉴定到一个调控腋芽发育的基因SlTCP26，过表达SlTCP26会促进腋芽发育，并能抑制与生长素信号相关基因的表达。此外，脱落酸信号相关基因在SlTCP26过表达突变体中的表达也受到抑制，表明在番茄中脱落酸信号和生长素信号可能通过SlTCP26协同调控腋芽的发育。

Phytochrome B(phyB)是植物体内光信号转导的重要因子，phyB缺失突变体的腋芽发育受到抑制。Krishna 等[78]研究表明，去除顶芽或抑制PATS 可促进拟南芥phyB缺失突变体的腋芽发育，而在phyB缺失突变体幼苗中，IAA 含量升高，表明phyB 介导的植物光信号可能通过抑制生长素信号转导从而促进腋芽发育。

3 讨论与展望

植物对腋芽生长发育的调控是一个复杂过程，涉及到细胞代谢、环境变化、信号转导等诸多因素[6，28]。除了生长素、细胞分裂素、独脚金内酯、脱落酸、油菜素内酯等植物激素外，蔗糖、葡萄糖、6－磷酸海藻糖等细胞内的能源和碳源物质也可通过库源关系或糖信号的转导影响植物腋芽的发育[79－82]；此外，光照、温度、水分等植物所处的外界环境因素对腋芽发育也有重要影响[6，28，83，84]；也有研究表明己糖激酶、氮、活性氧也在调控植物腋芽发育过程中扮演了信号分子的作用[85－89]。几十年来，随着分子生物学和遗传学的快速发展，生长素调控植物腋芽发育的机制机理以及与植物激素、细胞代谢、环境因素等协同调控腋芽发育的互作机制一直在不断地研究中。近年来这些方面研究虽然取得一些进展，但仍有许多基本问题尚未得到解答，例如:外界环境通过何种途径调控植物腋芽发育及其关键基因，生长素第二信使模型和生长素运输模型调控腋芽发育的时空关系，生长素转运蛋白在调控腋芽发育中的作用，生长素信号和糖信号之间协同调控腋芽发育的机制，腋芽发育过程中生长素调控细胞分裂素信号转导的机制，等等。

今后进一步的研究也将是着重于发现调控植物腋芽发育的更多关键基因并解析其遗传机制，探究植物腋芽发育的分子调控网络，以期为阐明植物腋芽发育机制和顶端优势机理提供重要理论依据，挖掘出有重要育种应用价值的关键基因，并通过现代育种手段选育出突破性的植物新品种，使其能更好地适应外界环境的变化。