花对称性基因CYC、RAD、DIV的研究进展

易竞

摘   要：花对称性作为花器官的重要特征，影响植物的授粉和繁殖效率。在过去的20年，科学家们在模式植物金鱼草（Antirrhinum majus）的经典花对称突变体中鉴定出花对称性的关键遗传成分，揭示了花的左右對称性是由一个相互作用的基因网络控制的。CYCLOIDEA（CYC）类基因属于植物特异的TCP（Teosinte branched 1/ Cycloidea / Proliferating cell factors）家族基因，与其同源基因DICHOTOMA（DICH）激活RADIALIS（RAD）和抑制DIVARICATA（DIV）基因而共同决定金鱼草花的背部属性，促进左右对称性结构的形成。目前关于花对称性的研究重点主要集中在被子植物的花对称性系统发育以及核心真双子叶植物CYC、RAD、DIV基因复制事件和不同时空表达模式对花对称进化的影响上。随着研究范围的扩大，许多研究逐渐开始关注具有独特对称性特征或具有重要系统发育地位的非核心真双子叶植物和单子叶植物的花对称性发育情况和分子调控机制。

关键词：花对称性;基因;CYC;RAD;DIV;研究进展

文章编号： 1005-2690（2020）10-0010-02       中图分类号： Q944       文献标志码： A

1   花对称性进化概述

近年来，花对称性的发育进化过程逐渐受到关注，Reyes等人（2016）对426科761种被子植物研究发现，辐射对称多数发生在酢浆草目（Oxalidales）、锦葵目（Malvales）和山茱萸目（Cornales）等目中。在白垩纪时期，被子植物的花对称性始终以放射状为主，直到古新世和始新世前后，左右对称花才开始出现（Dilcher et al.，2000）。现存的对称性花主要可分为3类：大多数支系成员保持祖先的放射性对称;在后期独立进化为很多支系的左右对称的花;早期左右对称作为一个独立事件发生，后来从左右对称花又独立进化（回归）成为放射性对称的花。

2   花对称性发育分子调控机制

在核心双子叶植物中，CYC2是花对称性的主要调控因子，可以独立建立花的左右对称性状（Garces et al.，2016）。有研究表明，CYC2基因至少参与了5种核心双子叶左右对称类群（十字花目Brassicales、金虎尾目Malpighiales、川绿断目Dipsacales、菊目Asterales和唇形目Lamiales）的进化（Hileman et al.，2014）。在左右对称的金鱼草（Antirrhinum majus）花中，CYC建立背部特征的能力取决于其对雄蕊轮中细胞周期基因（包括CYCLIN D3B）表达的负调控，以及对花瓣轮中RAD的正调控（Corley et al.，2005;Gaudin et al.，2000）。RAD转而对花背部区域和侧部区域的腹部特性蛋白DIV负调控（Almeida et al.，1997;Galego et al.，2002）。在核心双子叶植物中，CYC类基因包含CYC1、CYC2和CYC3，其中CYC2具有决定花两侧对称性（背腹分化）的功能。在很多被子植物的基因组中，CYC1、CYC2和CYC3类基因都会发生更加广泛的基因复制（Reeves et al.，2003;Citerne et al.，2003），例如向日葵的CYC2基因经多次复制，可以产生至少5个CYC2拷贝（Chapman et al.，2008）。一些MYB基因如RAD和DIV也控制着金鱼草的背腹对称性，RAD和DIV基因与CYC基因一样也可以被广泛复制。研究发现，花对称性基因拷贝数的增加与多次复制事件相关，很可能这些拷贝受到不同的选择压力，影响突变率并导致表达变化和功能分化。DIV基因是单系类群，在双子叶植物分化之前发生了两次重复事件，并产生了EudiDIV1、EudiDIV2、和 EudiDIV3分支（Gao et al.，2017;Howarth and Donoghue，2009）。在川绿断目（Dipsacales）中，RAD基因可复制为RAD1、RAD2和RAD3（Boyden et al.，2012）。大多数植物与金鱼草（Antirrhinum）相似，在RAD类基因中，RAD1和RAD3在许多植物组织中都有表达，而只有RAD2最有可能参与花的对称进化;在唇形目（Lamiales）中，RAD基因在整个放射对称花（所有花瓣）中表达，而在左右对称花群的背部和侧部花瓣中存在差异表达（Zhong et al.，2015）。此外，对唇形科（Lamiaceae）最近的一项研究发现，在恢复放射对称性物种如华紫珠（Callicarpa cathayana）中，RAD在整朵花中都有表达（Zhong et al.，2017）。

DIV和RAD属于MYB-r相关蛋白，DIV蛋白属于CCA1类/RR-型，含有一个MYB结构域（HTH）以及参与蛋白质-蛋白质相互作用的特有的SANT结构域（Chen et al.，2006;Du et al.，2013）。RAD是一种属于I-box类的小蛋白，缺少MYB结构域，但保留SANT相互作用基序（Chen et al.，2006;Du et al.，2013），后者是DIV/RAD竞争的决定性因素。此外，DIV和RAD蛋白之间的相互作用是由另一种MYB转录因子—DIV-RAD-INTERACTING FACTOR（DRIF）介导的（Chen et al.，2006;Du et al.，2012;Raimundo et al.，2013）。RAD 与DIV相为拮抗，RAD和DIV竞争DRIF基因，从而阻止DRIF–DIV复合体的形成，并中断腹部特性基因的激活，因此，虽然DIV在整个花分生组织中表达，但在发育后期，CYC-RAD-DIV的表达重叠使得DIV在背侧区域被抑制（Raimundo et al.，2013;Su et al.，2017）。

3   非核心双子叶植物CYC、RAD、DIV的表达差异

那么模式种之外是否维持上述这样的机制呢？已有研究表明，由DRIF介导的RAD与DIV的相互作用也发生在意大利红门兰（Orchis italica）和番茄（Solanum lycopersicum）真双子叶植物中（MacHemer et al.，2011;Su et al.，2017;Valoroso et al.，2017）。此外，能维持金鱼草（Antirrhinum majus）背腹特性和建立左右对称性的RAD基因在其他左右对称花中也具有保守功能，例如，RAD直系同源物VmRAD 和GoRAD分别在车前草科植物（Gratiola officinalis）和Veronica Montana背部表达（Preston et al.，2009）;在左右对称的唇形花（Lamialean）如Torenia fournieri（Scrophulariaceae玄参科）中，TFCYC2和TFRAD1能在花背侧区域高度表达，并且调控花瓣形状和花冠色素（Su et al.，2017）。相反，唇形花（Lamialean）的辐射对称可能是由于CYC和RAD在整个花分生组织中更广泛的同源表达（Reardon et al.，2014;Su et al.，2017）。此外，大多数对RAD和DIV同源基因的进化和表达的研究主要集中在某些核心真双子叶植物，包括川绿断目（Dipsacales）、豆目（Fabales）、车前目（Plantaginales）和茄目（Solanales）（Boyden et al.，2012;Du et al.，2012;Gao et al.，2017;Howarth and Donoghue，2009;MacHemer et al.，2011;Reardon et al.，2014），其控制两侧对称性的遗传网络相对较为保守，很少有针对单子叶植物的研究，不过少量研究已经在非核心双子叶植物或单子叶植物中鉴定了RAD和DIV基因（Gao et al.，2017;Valoroso et al.，2017），发现RAD/DIV遗传调控模式在驱动单子叶植物和核心双子叶植物左右对称性的形成上，具有一定程度的保守性，但是目前尚未確定这些基因在早期分化的被子植物中的进化和表达模式（Valoroso et al.，2017）。

4   CYC 时间和空间表达模式的多样性

国内外学者对CYC基因和植物花对称性的关系进行了广泛的研究，但尚不清楚CYC基因是何时获得花瓣对称功能的，例如，在马兜铃属（Aristolochia）的研究中发现，CYC类基因控制花瓣对称性的可能性不大，因为CYC基因是在植株发育成为左右对称花后表达的（Horn et al.，2015）。然而，很有可能在单子叶植物和双子叶植物分化之前，CYC就获得了这种新的功能。因为单子叶植物中出现了CYC类基因的表达，例如，左右对称的单子叶植物姜花（Zingiberales），一些CYC类基因在其腹侧区域有差异表达（Bartlett et al.，2011）。同样的，在基部双子叶植物中，CYC基因可以通过控制花的后期形态特征发育（如刺的生成），对花的对称性发挥作用（Damerval et al.，2013）。研究表明，CYC2基因不同时间的表达会影响其花对称性，如拟南芥虽然是放射状花，但其CYC同源基因（TCP1）在背部确有表达，一些研究者认为，拟南芥花呈放射对称的原因在于背侧TCP1的基因表达是暂时的，无法持续到花瓣生长的后期（Cubas et al.，2001）。而另一种十字花科植物屈曲花（Iberis amara）的IaTCP1，正是因为表达于比拟南芥发育更晚的背侧花瓣中，才产生了左右对称的性状（Busch et al.，2007）。因此CYC2基因被认为是通过基因复制和基因表达时间变化来实现花的左右对称性，一些CYC3基因也在花中表达（Howarth et al.，2006;Howarth et al.，2011），但是目前还没有直接证据表明CYC3基因在花的对称性中发挥作用，需要未来进一步研究。

另一方面，频繁的基因复制可能也导致了CYC空间表达模式的多样性。例如，在川绿断目（Dipsacales）中，CYC2A和CYC2B都只在D. sessilifolia的背侧花瓣中表达，而不在腹侧花瓣中表达。然而，CYC2A和CYC2B却在金银木L. morrowii中的表达情况不同，CYC2A仅在其背部表达，而CYC2B在背部和侧边都有表达。同样的，常绿油麻藤（L. sempervirens）的CYC2A在其背面和侧面有表达，而CYC2B在整朵花中都有表达（Howarth et al.，2011）。关于RAD和DIV在花对称性中的功能及分析，目前仅有少量研究报道。Garces等人（2016）研究发现，与CYC2基因的表达方式类似，RAD基因表达的空间变化可能与花的对称性转变有关，需要未来更多研究对其进行验证和探索。

综上所述，目前对于花对称性的研究重点逐渐转向研究不同非模式植物花对称性发育的机理、关键遗传成分的调控及其功能变化对花对称性转变的影响，以及探究CYC、RAD、DIV基因的进化与被子植物系统发育的关系。

然而除了模式植物金鱼草（Antirrhinum majus）和少数物种的花对称性发育分子调控机制被阐明外，其他具有重要系统发育地位的非模式物种的花对称性发育的分子机制仍有待探索。