雄蕊瓣化形成機制研究進展

摘要：雄蕊瓣化是產生重瓣花的重要方式，在雄蕊完全瓣化而雌蕊未瓣化的情況下還可以產生雄性不育材料。人為誘導雄蕊瓣化可以快速獲得重瓣觀賞植物新品種，或獲得雄性不育系用以簡化雜交育種過程，降低雜交種子生產成本，提高種質創新和雜交育種效率。摸清雄蕊瓣化的形成機制是開展上述工作的前提，本文從影響雄蕊瓣化的外界因素、調控雄蕊瓣化的關鍵基因及其作用的分子機制等研究進展進行綜述，旨在為后期開展相關研究，利用雄蕊瓣化開展高效育種提供參考。

關鍵詞：雄蕊瓣化；形成機制；研究進展；基因調控；同源基因

中圖分類號：S603.2 文獻標志碼：A

Abstract： Stamen petaloidy is an important origin of double flowers. Male sterile materials can be produced while stamens completely convert into petaloid tissues when the pistil is still intact. Inducting stamen petaloidy can quickly obtain new double flower varieties of ornamental plants， or can simplify crossbreeding process by using male sterile lines， which will reduce the cost of hybrid seed production， and improve germplasm innovation and crossbreeding efficiency. To find out the formation mechanism of stamen petaloidy is the prerequisite for carrying out the above work. This paper reviewed the research progress of external factors affecting stamen petaloidy， key genes regulating stamen petaloidy and their molecular mechanisms， aiming at providing reference for later related research and efficient breeding by using stamen petaloidy.

Key words： Stamen petaloidy; formation mechanism; research progress; gene regulation; homeotic gene

基金項目：廣西農業科學院科技發展基金項目（桂農科2021JM125）；廣西農業科學院基本科研業務專項項目（桂農科2021YT146）。

第一作者：歐景莉（1986—），女，碩士，助理研究員，主要從事作物種質資源保護和創新利用、作物育種工作，E-mail：caoyinglinglan@163.com。

花是被子植物特有的器官，被子植物的完全花包含花柄、花托、花萼、花冠、雄蕊群和雌蕊群等部分[1]。雄蕊是花的雄性生殖器官，由花藥和花絲兩部分組成。花絲一般為管狀結構，和花托連接，具有運輸水和營養物質的功能。花藥包括生殖和非生殖組織，負責產生并釋放花粉粒。花瓣是花中花冠的一個組成部分，也是花被的內部組成部分，屬于花的非生殖組織，但通常在有性生殖中起著吸引傳粉者和保護的作用。雄蕊瓣化是指雄蕊失去花藥并扁化擴大或雌蕊上端擴大轉變為花瓣狀[2]。雄蕊瓣化是重瓣花起源的主要方式之一[3]，根據雄蕊瓣化程度可分為部分雄蕊瓣化、全部雄蕊瓣化[4]，在雄蕊完全瓣化而雌蕊未瓣化的情況下還可以產生雄性不育材料[5， 6]。摸清雄蕊瓣化的形成機制，并在植物品種選育中加以應用，可以大大加快育種進程，培育出具目標性狀的新品種。

雄蕊瓣化現象早在半個多世紀以前就被發現[7]，但在隨后相當長的時期內研究較少，根據Web" of" Science數據庫和中國知網的檢索結果，直至2000年后發文量才逐漸增加。前期的研究大多局限于其結構和發育過程[8-17]，隨著分子生物技術手段的不斷發展，特別是高通量測序技術為等分子檢測技術的出現，使人們能夠在基因組成、表達調控及信號傳導等分子水平上了解雄蕊瓣化現象[2， 18-30]。本文總結雄蕊瓣化產生原因、發育過程、相關基因挖掘等方面的研究進展，為后續開展雄蕊瓣化提供參考。

1 影響雄蕊瓣化的外界因素

低溫是導致雄蕊瓣化現象產生的重要因素。研究發現，溫度是影響植物成花的重要因素。低溫會影響植物花芽分化進程，并且可以通過影響花瓣和雄蕊等花器官的發育從而造成植物花朵畸形[31]。月季花芽分化早期對溫度敏感，低溫能夠引起部分月季品種的花瓣數增加[32]，范天剛等研究了不同溫度條件下月季（Rosa hybria）品種‘芬得拉（Vendela）花朵及各器官的形態變化，發現低溫導致花瓣過度重瓣化，并且在一定溫度范圍內表現出溫度越低，花瓣數越多、雄蕊數越少的趨勢，且內層花瓣上有雄蕊的痕跡[33]。紅粉雪輪花（Silene coeli-rosa）低于13 ℃條件下，花瓣增加，雄蕊數量減少[34]。低溫促進雄蕊瓣化在雙花仙客來（Cyclamen" persicum）也等到了證實，但對瓣化雄蕊型重瓣花的花器官數量和形態的影響因品系而異[35]。

除溫度外，光照、水分、肥料等外部因素也能夠影響植物成花。程金水[36]研究發現花朵的畸形化程度，在一定程度受植株營養條件、栽培狀況和環境因素的共同影響。但目前尚未有實際證據證明這些因素可以單獨影響花的正常發育。有研究表明，光照強度對玫瑰畸形花（畸形花比普通花更短更寬，花瓣和瓣化瓣的總數更高）的形成沒有影響[32]。而一些輻射因子的輻照，可以影響雄蕊瓣化。聶碩等人用不同劑量的60Co-γ射線處理不同品種紫薇（Lagerstroemia" indica" L.）種子，‘紅粉錦簇’‘金4號’‘六月飛雪’3個品種的紫薇當年開花幼苗均出現長雄蕊瓣化現象；每個劑量下基本均有幼苗出現瓣化現象，但以100、150 Gy劑量下出現的較多；而對照的各個株系及‘四海升平’均未出現長雄蕊瓣化的現象[37]。

研究表明，修剪可以影響玫瑰側枝上畸形花的發生，低位修剪（修剪較重，保留2個芽眼）的植株側枝上產生畸形花的概率比輕度修剪（保留4個芽眼）高，正常花的比例更少。推測修剪是通過影響側枝的內源性生長素水平從而影響花芽的發育[32]。在該試驗中未明確說明玫瑰瓣化瓣是雄蕊瓣化而來，故修剪是否對雄蕊瓣化有直接作用，還有待進一步研究確認。

2 調控雄蕊瓣化的關鍵基因

花器官發育受多種生物過程和通路復雜調控，前人通過對擬南芥（Arabidopsis" thaliana）、金魚草（Antirrhinum" majus）花等器官同源異型突變進行研究，推導出多個花器官的發育模型。在經典“ABC模型”中，每輪花器官的決定是3類器官特征基因A、B、C不同組合表達的結果。第1輪萼片器官特征由A基因決定，第2輪花瓣由A、B功能基因共同決定，B、C基因決定第3輪花器官花瓣的形成，C基因決定第4輪心皮形成，A類和C類基因相互抑制[38]。之后在經典“ABC模型”基礎上擴展完善的“ABCDE模型”，更加合理地闡釋了花器官形成決定機制[39]。新增的D類基因特定參與胚珠形成，E類基因參與各輪花器官的形成。經典的“ABC模型”和“ABCDE模型”均是在基因的水平上驗證基因的功能。隨著蛋白質組學的發展，Theiβen[40]提出了4種花同源異型蛋白的不同組合決定花器官的“四聚體模型”，從蛋白互作的層面上解釋了花器官形成，表明植物花器官發育受到多基因調節。見表1。

植物原始花器官發育嚴格由花發育同源基因控制，但在進化過程中出現大量變異，花器官數量、排列和形狀等均呈現出多樣性，這些同源變異造就了雄蕊瓣化等諸多變異性狀。研究雄蕊瓣化形成的分子機制，可為后期進行分子輔助育種提供理論依據和技術參考。表1列舉了研究者在不同植物中發現的調控雄蕊瓣化的相關基因及其產生作用的分子機理。這些基因表達受抑制或過表達又或者突變，引發下游基因和基因互作從而導致。

C類基因在花瓣和心皮（雄蕊）形成過程中起重要決定作用，目前發現的對雄蕊瓣化起關鍵作用的基因多為C類功能基因。在擬南芥[43]、百合[19]、仙客來[44]、山茶花[45， 55]、日本晚櫻[47]、玫瑰[48]、花菱草[51]等植物中，雄蕊瓣化主要受AGAMOUS （AG）基因或其同源基因調控。除了AG基因，C類基因中調控雄蕊瓣化的基因還有DUPLICATED（DP）、pMADS3、FBP6和SHP。

AG基因被認為能夠調控內2輪花器官的發育，并可以調控花分生組織終止，在花發育過程中備受關注。AG在花發育的第6個階段誘導SPL/NZZ基因編碼的一個核蛋白表達，控制雄蕊花藥的形態建成[56]。通過調控編碼C2H2類鋅指蛋白的NUBBIN （NUB）和JAGGED （JAD） 基因，促進雄蕊末端細胞增殖[57]。AG基因還可通過直接調控茉莉酸（JA）合成過程中的一個催化酶——DELAYED ANTHER DEHISCENCE1 （DAD1），來控制花蕊后期發育，包括花藥形態發生和開裂，以及花絲的形成和伸長，以及花藥的成熟[58， 59]。

在月季中，雄蕊瓣化是A類基因RcAP2 （AP2）過表達引起的[2]，而臘梅和桃的雄蕊瓣化分別是B類基因CpAP3 （AP3）和PpPI （PI）在起作用[1，42]。AP2參與花分生組織特性建立和花器官特化，調控萼片和花瓣的形成，是ABCD這4類基因中唯一不屬于MADS-box基因家族的基因[60]。芍藥和牡丹中雄蕊瓣化則是多種功能基因共同作用的結果，芍藥中為A+B+E基因[54]，牡丹中為A+B+C+E基因共同調控[2]，其機理用四聚體模型來闡述更為合理。

雄蕊瓣化是一個復雜的生命過程，其形成除了關鍵基因發揮作用外，還需要其他基因、轉錄因子、蛋白質和植物激素等的配合，不同的植物中調控網絡和信號通路不盡相同。在有的植物中雄蕊瓣化的機制已經研究得較為清楚，而在一些植物中，其形成機制還有待進一步深入研究。

3 展望

目前植物育種主要通過雜交育種與選擇育種相結合來選育具有穩定優良性狀的后代，但該傳統方法育種周期長、針對性差，要獲得具有目標性狀的品種具有一定的困難。雄蕊在完全瓣化，失去花粉或花粉喪失活力的情況下可以產生雄性不育材料。利用雄性不育系配制雜交種是簡化制種的有效手段，可以省去人工去雄，降低雜交種子生產成本，提高雜種質量，擴大雜種優勢的利用范圍，是目前雜種優勢利用最優化的制種途徑。特別是對于一些花型微小，觸碰易掉落的植物而言，雄性不育系材料的應用，可以大大提高雜交的成功率。此外，雄蕊瓣化是產生重瓣花的重要方式，使花朵的形狀和花瓣數量的變化形式更為豐富，具有更多的觀賞價值。豐富的重瓣品種憑其花型美觀、層次眾多、立體感強的優點，在觀賞植物市場上應用極為廣泛，占據重要地位，故選育重瓣品種是觀賞植物育種的重點方向。雖然前期研究已證明低溫是引起雄蕊瓣化的主要外因，但低溫同樣會抑制花芽的分化和發育，而不同的植物甚至同一種植物中不同的品種對低溫脅迫也會有差異。因此對于不同的植物而言，開展低溫脅迫的時期，低溫脅迫的強度和脅迫時長等都還需要進行更深入的探索。同時，不同植物雄蕊瓣化的分子機制也仍然是未來的研究熱點。摸清影響雄蕊瓣化形成的因素以及內在的分子作用機制，一方面育種者可以通過低溫脅迫等手段獲得雄蕊瓣化的重瓣花變異遺傳材料或雄性不育材料，根據需要進行常規雜交育種后結合分子標記，快速鑒定雜交后代，提高種質創新和雜交育種效率。另一方面，還可以根據已挖掘花器官發育調控基因和雄蕊瓣化關鍵基因，在構建植物再生體系和遺傳轉化體系的基礎上，開展轉基因或基因編輯分子育種工作，高效快捷地根據需求獲得定向性狀目標品種，突破育種瓶頸。

參考文獻

[1] 蔡亞明.桃重瓣及雄性不育性狀形成的機理研究[D].武漢：中國科學院大學（中國科學院武漢植物園），2021.

[2] 何新穎.基于比較轉錄組研究栽培牡丹雄蕊瓣化機制[D].北京：北京林業大學，2017.

[3] 趙印泉，劉青林.重瓣花的形成機理及遺傳特性研究進展[J].西北植物報，2009，29（4）：832-841.

[4] 熊陽陽.大花鐵線蓮重被花形成機制研究[D].昆明：西南林業大學，2019.

[5] LIU B，OU C G，CHEN S M，et al. Differentially expressed genes between carrot petaloid cytoplasmic male sterile and maintainer during floral development.[J].Scientific Reports，2019，9（1）：17384.

[6] RONSE CRAENE L P. Are petals sterile stamens or bracts？ The origin and evolution of petals in the core eudicots.[J].Annals of Botany，2007，100（3）：621-630.

[7] BRAAK J P， KHO Y O. Some observations on the floral biology of the carrot （Daucus carota L.）[J]. Euphytica， 1958，7（2）： 131-139.

[8] EISA H M， WALLACE D H. Morphological and anatomical aspects of petaloidy in the carrot （Daucus carota L.）[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 1969，5（94）： 545-548.

[9] MOTA I. Flower abnormalities in the cashew （Anacardium occidentale L.）[J]. Agronomia mocambicana， 1973.

[10] 王蓮英.牡丹品種花芽形態分化觀察及花型成因分析[J].園藝學報，1986，13（3）：203-208.

[11] 王宗正，章月仙.從芍藥的花芽分化試論芍藥、牡丹的花型形成和演化[J].園藝學報，1991，18（2）：163-168，194-195.

[12] 葉茂宗，金顯忠，王成炬，等.山茶花花芽分化和花型成因的探討[J].園藝學報，1989，16（2）：153-160.

[13] 趙敏桂.芍藥屬植物花部器官發育和轉化的研究[D].蘭州：西北師范大學，2002.

[14] 姜珊，易星灣，徐庭亮，等.月季花瓣數量遺傳分析[J].植物科學學報，2021，39（2）：142-151.

[15] 孫明偉，邵小斌，趙統利，等.東方百合花器官數量變異分析[J].福建農業學報，2018，33（4）：373-380.

[16] 黃秀，田代科，張微微，等.荷花“重瓣化”的花器官形態發育比較觀察[J].植物分類與資源學報，2014，36（3）：303-309.

[17] 陳學林，陸毛珍，崔治家，等.牡丹和芍藥雄蕊筒狀花瓣的形態解剖特征及形成[J].園藝學報，2007（5）：1223-1226.

[18] FU Q， LIU H F， ALMEIDA A M R， et al.Molecular basis of floral petaloidy： insights from androecia of Canna indica[J].AoB Plants，2014，6：329–338.

[19] AKITA Y， NAKADA M， KANNO A.Effect of the expression level of an AGAMOUS-like gene on the petaloidy of stamens in the double-flowered lily， ‘Elodie’[J].Scientia Horticulturae，2010，128（1）：48-53.

[20] ALMEIDA" A M R， YOCKTENG R， OTONI W C， et al.Positive selection on the K domain of the AGAMOUS protein in the Zingiberales suggests a mechanism for the evolution of androecial morphology[J].EvoDevo，2015，6（1）：1-15.

[21] KRAMER E M，HODGES S A. Aquilegia as a model system for the evolution and ecology of petals[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B： Biological Sciences，2010，365（1539）：477-490.

[22] 胡玲.大花紫薇雄蕊瓣化關鍵基因挖掘[D].北京：北京林業大學，2019.

[23] 林鐘員. 蓮的花器官瓣化分子調控機制的研究[D]. 武漢：中國科學院大學（中國科學院武漢植物園）， 2019.

[24] LING H， ZHENG T C ， CAI M， et al.Transcriptome analysis during floral organ development provides insights into stamen petaloidy in Lagerstroemia speciosa[J].Plant Physiology and Biochemistry，2019，142：510-518.

[25] 秦密，劉鳳欒，張大生，等.荷花由單瓣到千瓣的演化及調控機制探討[J].自然雜志，2018，40（3）：218-223.

[26] 鄭赟，王昊寧，劉靖文，等.牡丹花發育相關基因PsPI的克隆與表達分析[J].分子植物育種，2021，19（7）：2185-2192.

[27] 李紅賢.舞春花重瓣性狀遺傳特性和分子機理的探究[D].武漢：華中農業大學，2017.

[28] 黃和喜，王巖，許玉超，等.不結球白菜雄蕊瓣化相關AP3基因的克隆和表達分析[J].南京農業大學學報，2015，38（5）：748-756.

[29] 王巖.不結球白菜雄蕊突變系及其保持系中BcERF-B3基因功能的研究[D].南京：南京農業大學，2015.

[30] 李心. 矮牽牛重瓣形態建成及PMADS3互作蛋白解析[D]. 武漢：華中農業大學， 2014.

[31] HARRIS P G，SCOTT M A.Studies on the glasshouse carnation： effects of light and temperature on the growth and development of the flower[J].Annals of Botany，1969，33（129）：143-152.

[32] MOE R. Factors affecting flower abortion and malformation in roses[J].Physiologia Plantarum，1971，24（2）：291-300.

[33] 范天剛，張鋼，田亞然，等.低溫誘導切花月季過度重瓣化的形態學觀察[J].東北林業大學學報，2014，42（9）：116-121.

[34] LYNDON R F.Aberrations in flower development in silene[J].Canadian Journal of Botany，1979，57（3）：233-235.

[35] MIZUNOE Y， OZAKI Y. Effects of growth temperature and culture season on morphogenesis of petaloid-stamen in double-flowered cyclamen[J].The Horticulture Journal，2015，84（3）：269-276.

[36] 程金水. 園林植物遺傳育種學[M]. 北京：中國林業出版社， 2010.

[37] 聶碩，張林，王峰，等.紫薇種子輻射變異和抗性初步研究[J].農學學報，2016，6（5）：47-52.

[38] COEN E S， MEYROWITZ E M. The war of the whorls： genetic interactions controlling flower deve-lopment[J]. Nature，1991，353（6339）：31-37.

[39] GRAMZOW L，WEILANDT L， THE?EN G. MADS goes genomic in conifers： towards determining the ancestral set of MADS-box genes in seed plants[J]. Annals of Botany， 2014（7）：1407-1429.

[40] THEI?EN G. Development of floral organ identity： Stories from the MADS house[J]. Current Opinion Plant Biology， 2001， 4（1）： 75-85.

[41] YU H， TANG A ， WAN H， et al. An APETALA2 homolog， RcAP2， regulates the number of rose petals derived from stamens and response to temperature fluctuations[J]. Frontiers in Plant Science ， 2018， 09：481.

[42] ZHANG Q， WANG B G， DUAN K ， et al. The paleoAP3-type gene CpAP3， an ancestral B-class gene from the basal angiosperm Chimonanthus praecox， can affect stamen and petal development in higher eudicots[J]. Development Genes amp; Evolution， 2011， 221（2）：83-93.

[43] MIZUKAMI Y， MA H. Ectopic expression of the floral homeotic gene AGAMOUS in transgenic Arabidopsis plants alters floral organ identity[J].Cell，1992，71（1）：119-131.

[44] TANAKA Y， OSHIMA Y， YAMAMURA T， et al.Multi-petal cyclamen flowers produced by AGAMOUS chimeric repressor expression[J].Scientific Reports，2013，3（1）：2641.

[45] SUN Y K，FAN Z Q，LI X L，et al.Distinct double flower varieties in Camellia japonica exhibit both expansion and contraction of C-class gene expression[J].BMC Plant Biology，2014，14（1）：288.

[46] 孫迎坤，李紀元，殷恒福，等.重瓣山茶花‘金盤荔枝’C功能基因CjAGL6.的全長克隆與表達分析[J].植物研究，2013，33（3）：330-338.

[47] LIU Z X， ZHANG D D， LIU D，et al. Exon skipping of AGAMOUS homolog PrseAG in developing double flowers of Prunus lannesiana （Rosaceae）[J].Plant Cell Reports， 2013，32（2）：227-237.

[48] DUBOIS A， RAYMOND O， MAENE M， et al. Tinkering with the C-function： A molecular frame for the selection of double flowers in cultivated roses[J]. PLoS One， 2010， 5（2）：e9288.

[49] MA N， CHEN W， FAN T G， et al. Low temperature-induced DNA hypermethylation attenuates expression of RhAG， an AGAMOUS homolog， and increases petal number in rose （Rosa hybrida）[J].BMC Plant Biology，2015，15（1）：237.

[50] SHARIFI A， OIZUMI K， KUBOTA S， et al. Double flower formation in Tricyrtis macranthopsis is related to low expression of AGAMOUS ortholog gene[J]. Scientia Horticulturae， 2015， 193： 337-345.

[51] YELLINA A L， ORASHAKOVA S， LANGE S，" " "et al. Floral homeotic C function genes repress specific B function genes in the carpel whorl of the basal eudicot California poppy （Eschscholzia californica）[J]. EvoDevo， 2010， 1： 13-13.

[52] NITASAKA E. Insertion of an En/Spm-related transposable element into a floral homeotic gene DUPLICATED causes a double flower phenotype in the Japanese morning glory[J].The Plant Journal，2003，36（4）：522-531.

[53] NOOR S H， USHIJMA K， MURATA A，et al.Double flower formation induced by silencing of C-class mads-box genes and its variation among petunia cultivars[J].Scientia Horticulturae，2014，178：1-7.

[54] GE J T， ZHAO D Q， HAN C X， et al.Cloning and expression of floral organ development-related genes in herbaceous peony （Paeonia lactiflora Pall.）[J].Molecular Biology Reports，2014，41（10）：6493-6503.

[55] 孫迎坤.山茶花MADS-box家族A類和C類基因克隆及功能分析[D].北京：中國林業科學研究院，2013.

[56] LIU X D， HUANG J， PARAMESWARAN S， et al. The SPOROCYTELESS/NOZZLE gene is involved in controlling stamen identity in Arabidopsis [J]. Plant Physiology， 2009，151（3）： 1401-1411.

[57] GóMEZ-MENA C，de FOLTER S， COSTA M M R. Transcriptional program controlled by the floral homeotic gene AGAMOUS during early organogenesis[J]. Development， 2005， 132（3）：429-438.

[58] ITO T ， NG K H ， LIM T S， et al. The homeotic protein AGAMOUS controls late stamen development by regulating a jasmonate biosynthetic gene in Arabidopsis[J]. Plant Cell， 2007， 19（11）：3516-3529.

[59] PLACKETT A R G， THOMAS S G， WILSON Z A， et al. Gibberellin control of stamen development： A fertile field[J]. Trends in Plant Science， 2011， 16（10）： 568-578.

[60] JOFUKU K D， DEN BOER B G， van MONTAGU M， et al. Control of Arabidopsis flower and seed development by the homeotic gene APETALA2[J]. Plant Cell， 1994， 6（9）： 1211-1225.

責任編輯：李菊馨