PNAS | 南京農業大學陳發棣團隊揭示生長素調控菊花舌狀花發育新機制

合瓣花（花瓣融合成花冠筒）是被子植物中一個重要的形態創新，尤其在菊類植物中普遍存在。根據發育方式的不同，合瓣花可分為晚期合瓣（花瓣原基獨立起始，后期再融合）和早期合瓣（花瓣原基直接由環狀原基共同發育而來）。菊科植物是典型的早期合瓣花類群，其頭狀花序由邊緣的舌狀花和中央的管狀花構成，其中舌狀花的花冠筒融合程度在不同品種間呈現豐富的連續變異（從平到匙、再到管瓣），這為研究早期合瓣花的發育機制提供了理想模型。然而，與晚期合瓣花中已報道的NAM、WOX1等調控基因不同，早期合瓣花冠筒形成的遺傳基礎長期以來是一個“黑匣子”。菊花的栽培種多為高度雜合的多倍體，傳統遺傳學手段難以精確定位關鍵基因。

近日，南京農業大學園藝學院陳發棣教授團隊在PNAS上在線發表了題為An auxin-induced transcriptional cascade CmBES1-CmSAUR66 orchestrates the ray floret development inChrysanthemum morifolium的研究論文，揭示了生長素調控菊花舌狀花發育的新機制。

為了破解這一難題，研究團隊利用200份切花菊種質資源進行了全基因組關聯分析（GWAS），結合不同花型（平瓣與管瓣）的轉錄組比較，成功鑒定到一個與花冠筒融合程度顯著關聯的候選基因——CmSAUR66。該基因編碼一個典型的早期生長素響應蛋白（SAUR家族），在平瓣品種中的表達量顯著高于管瓣品種。系統發育分析表明，它與擬南芥的AtSAUR66親緣最近，因此得名。

圖1 全基因組關聯分析鑒定CmSAUR66為菊花舌狀花形態調控候選基因

通過amiR沉默載體穩定轉化菊花品種‘神馬’，研究團隊發現：在CmSAUR66表達量下降49%~69%的轉基因株系中，舌狀花的花冠筒融合程度顯著增加。更為關鍵的是，掃描電鏡觀察顯示，在野生型中本應早期停止伸長的背側花瓣原基，在CmSAUR66沉默株系中持續發育，與腹側花瓣同步伸長，最終形成管狀花。這表明CmSAUR66是花冠筒融合的負調控因子，其功能是通過特異性抑制背側花瓣的伸長來實現的。

圖2 CmSAUR66通過抑制背瓣發育負調控舌狀花花冠筒融合

那么，CmSAUR66如何實現對背側花瓣伸長的抑制？研究團隊將目光投向了已知的背腹極性基因CmCYC2c（一個TCP轉錄因子）。RNA原位雜交結果顯示：在野生型菊花中，CmCYC2c在發育早期（Ⅲ期）于背側和腹側花瓣原基中均有表達，但隨著發育推進（Ⅳ-Ⅴ期），其在背側花瓣中的表達逐漸減弱，僅保留在腹側；而在CmSAUR66沉默株系中，CmCYC2c在背側和腹側花瓣中均持續高表達。RT-qPCR也證實，CmSAUR66沉默后CmCYC2c的轉錄水平顯著上調。為了驗證二者的遺傳關系，團隊在CmSAUR66沉默背景下利用病毒誘導的基因沉默技術瞬時沉默CmCYC2c。結果顯示，同時沉默兩個基因后，增強的冠管融合表型得到部分恢復。這說明CmSAUR66主要通過抑制背側花瓣中CmCYC2c的表達來限制其伸長，從而維持平瓣形態。

圖3 CmSAU66通過CmCYC2c調控花瓣背腹不對稱性

既然CmSAUR66是一個早期生長素響應基因，生長素信號必然參與其中。研究團隊首先用10 μM IAA處理菊花花序，發現CmSAUR66的轉錄在2分鐘內迅速誘導，30分鐘達到峰值——這是典型的早期響應模式。然而，當進行持續每天噴施生長素直至開花時，意想不到的現象出現了：雖然外源生長素顯著促進了野生型舌狀花冠筒融合，但CmSAUR66的表達反而被抑制了。這一矛盾暗示存在一個“二次響應”因子：在持續生長素處理下，上游某個轉錄因子被激活，進而抑制了CmSAUR66的轉錄。

圖4 生長素介導CmSAUR66調控菊花舌狀花花冠筒融合

通過酵母單雜交文庫篩選，團隊發現核心BR信號轉錄因子CmBES1能夠直接結合CmSAUR66的啟動子。ChIP-qPCR、EMSA和雙熒光素酶報告實驗進一步證實：CmBES1蛋白特異性識別CmSAUR66啟動子上的E-box元件（CATGTG），并抑制其轉錄活性。在過表達CmBES1的轉基因菊花中，CmSAUR66的表達量顯著下降。重要的是，持續生長素處理能夠顯著誘導CmBES1的表達（而非瞬時誘導）。這完美解釋了上述矛盾：短期生長素處理直接誘導CmSAUR66，而長期處理則通過誘導CmBES1反過來抑制CmSAUR66。

為了確立二者的遺傳關系，團隊在CmBES1過表達植株中利用TRV病毒瞬時過表達CmSAUR66。結果顯示：僅過表達CmBES1會導致管瓣化，而同時過表達CmSAUR66則顯著挽救了該表型，接近于野生型水平。這表明CmSAUR66在遺傳上位于CmBES1的下游，且二者對花冠筒融合的調控具有上位性。

圖5 CmSAUR66作用于CmBES1下游調控花冠筒融合

綜合以上發現，研究團隊提出了如下工作模型：在菊花舌狀花發育過程中，相對較高的生長素水平誘導CmBES1表達，CmBES1直接抑制CmSAUR66轉錄，從而解除對背側花瓣中CmCYC2c的抑制，促使背腹兩側花瓣同步伸長，形成管瓣；相反，低生長素水平下CmBES1表達降低，CmSAUR66去抑制，限制CmCYC2c在背側的表達，形成平瓣。有趣的是，CmSAUR66的啟動子同時含有E-box（BR響應）和AuxRE（生長素響應）元件，這暗示它可能是一個整合生長素和油菜素內酯（BR）兩大激素信號的樞紐基因。

圖6 生長素通過CmBES1-CmSAUR66模塊調控舌狀花發育的工作模型

該研究不僅填補了早期合瓣花冠筒形成的遺傳機制空白，更為菊花花型的精準設計育種提供了關鍵靶點。團隊已在多種菊花品種中驗證了CmSAUR66表達水平與花型之間的相關性，未來可通過基因編輯或分子標記輔助選擇，定向培育不同花型的菊花新品種，滿足切花、盆栽和園林綠化等多樣化市場需求。

南京農業大學園藝學院博士研究生賈棣文為論文共同第一作者，丁蓮副教授和陳發棣教授為共同通訊作者。蔣甲福教授、陳素梅教授、蘇江碩副教授等團隊成員共同參與了研究工作。該工作得到了國家自然科學基金重點項目、國家現代農業產業技術體系、江蘇省種業振興“揭榜掛帥”項目及中央高校基本科研業務費專項資金等資助。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2527961123