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西红花Crocus sativus是鸢尾科Iridaceae番红花属Crocus著名药用植物,其干燥柱头(雌蕊)为名贵药材和香料,素有“植物黄金”之称[1−3]。西红花为不育同源三倍体(2n=3x=24),依赖球茎进行无性繁殖,其顶芽为典型的花叶混合芽[4],在发育过程中同时分化叶原基与花原基,通常仅顶芽可分化1~3朵花并抽生相应的叶片;而侧芽成花能力极低,多维持叶芽状态,这导致球茎繁殖系数低,单位产量有限[5−6]。因此,解析西红花花原基分化的分子调控机制,可为促进顶芽开花、诱导侧芽成花提供理论依据,对提高雌蕊产量具有重要实践意义。
高等植物从营养生长转向生殖生长的开花过程,是由复杂的基因网络精细调控,主要涉及光周期、春化、自主、赤霉素、温度及年龄等多条调控途径[7−9]。FLOWERING LOCUS T (FT)基因编码的成花素蛋白,是整合多条环境与内源信号通路的关键因子,在茎顶端分生组织触发花原基分化[10−12]。FT基因在植物中高度保守,如拟南芥Arabidopsis thaliana AtFT过表达导致极早开花,而其突变体则延迟开花[13],大豆Glycine max GmFT2a/GmFT5a在短日照下高表达并促进开花[14];矮牵牛Petunia × hybrida PhFT4亦具有类似功能[15]。因西红花是三倍体,其基因家族解析复杂。在西红花单倍型基因组组装完成之前,已有研究报道了其6个FT同源基因(CsatFT1~CsatFT6)[16−17]。KALIA等[16]研究发现:CsatFT1与CsatFT2在叶组织中高表达,可能参与营养生长;CsatFT3在顶芽中特异性表达,推测与成花诱导相关。然而,王桢等[17]研究发现:CsatFT3在顶芽中几乎不表达,且异源转化实验表明CsatFT1、CsatFT2和CsatFT3均能不同程度地促进拟南芥和烟草Nicotiana tabacum开花,提示西红花中可能存在多个功能重叠的FT同源基因,但其中与花原基分化直接相关、并决定成花与否的关键成员仍未明确。
近年来,XU等[18]完成了西红花单倍型基因组的组装工作,为系统解析其多倍体基因家族提供了基础。本研究基于该基因组数据,对西红花PEBP基因家族成员进行全面鉴定,并通过分析花原基分化关键阶段的转录组数据,结合多种逆境胁迫(低温、干旱、低氧)处理的成花/非成花样本,筛选出与成花密切相关的FT同源基因Csativus09980。通过系统进化、序列分析、亚细胞定位及拟南芥异源过表达等功能验证,明确Csativus09980在促进西红花花原基分化中的关键作用,为阐明西红花成花分子机制及分子育种提供新的基因资源与理论依据。
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所用西红花球茎购自浙江建德。试验采用常规二段式栽培模式进行管理,即在每年11月室内开花采收后,将球茎移栽至大田,翌年5月初采收球茎并保存于室内阴凉通风处。
烟草种子与拟南芥哥伦比亚野生型(Col)种子,种植基质由蛭石、腐殖质、营养土按质量比1∶1∶1混匀配制,播种后覆盖保鲜膜保湿,并在22 ℃,16 h光照/ 8h黑暗环境中培养,待烟草和拟南芥长至10 d时进行移栽,新移栽的幼苗需要覆盖保鲜膜进行保湿,移栽7d后,去除保鲜膜,常规培养。
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选取大小均一、质量范围为(20 ± 2) g的健康球茎,随机分为2个组,分别置于9 ℃(低温,非成花)和22 ℃ (常温,成花)的光照培养箱中培养,相对湿度为60%~70%。
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选取(20 ± 2) g的球茎于休眠期去除褐色外皮,使球茎早期脱水从而达到早期极度干旱胁迫的目的。
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选取(20 ± 2) g的球茎,放入人工气候箱中,通入按体积分数配制的低氧混合气体(3%O2 + 5%CO2 +92%N2),在相对湿度为60%~70%条件下培养。
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根据已有文献报道[19],在花原基分化前后的6个关键发育时期[休眠期(S1)、休眠打破期(S2)、花原基分化早期(S3)、花原基分化中期(S4)、花原基分化晚期(S5)、花器官形成期(S6)],分别采集常温处理组和低温处理组的球茎顶芽组织。各处理在每个时期采集60个球茎顶芽,每20个顶芽混合为1个生物学重复,共设置3个生物学重复。样品迅速置于液氮中冷冻,−80 ℃保存,用于总RNA提取及转录组建库、测序。
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为验证候选基因的表达与成花能力的相关性,对常温对照组、干旱处理组、低氧胁迫组于S6期剥取顶芽并在体视显微镜下观察有无花器官,分别采集成花与非成花顶芽样品。每个样品由10个球茎顶芽混合组成,设3个生物学重复。所有样品液氮速冻,−80 ℃保存,用于RNA提取及实时荧光定量PCR (RT-qPCR)分析。
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从Pfam数据库中获得PEBP结构域(编号PF01161),利用HMMER软件对西红花基因组中的所有蛋白序列进行搜索,初步筛选得到29条含有PEBP结构域的候选氨基酸序列。采用在线分析工具SMART和美国国家生物技术信息中心保守结构域数据库(NCBI-CDD)对其进行保守结构域验证,结果表明上述序列均含有部分或完整的PEBP结构域。
采用DNAMAN软件对序列进行多重比对,并通过NCBI BLAST进行同源性分析。显示在29条含有PEBP结构域的序列中,共鉴定出17条FT-like 基因序列、5条MFT-like基因序列和7条TFL1-like基因序列。其中,17条FT-like序列中有3条(Csativus
38290 、Csativus53610 和Csativus53609 ) PEBP结构域不完整,故不参与后续分析。从GenBank数据库下载的代表性植物拟南芥及水稻Oryza sativa的FT、MFT和TFL同源蛋白序列,并与剩余26条含有完整PEBP结构域的序列一起,采用MEGA 7.0软件基于邻接法构建系统进化树,Bootstrap分析重复1 000次[20]。
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收集新鲜的植物组织并在液氮中快速冷冻,每个样品3个生物学重复,提取样本RNA后进行质控检测,然后通过Illumina平台进行测序。原始测序数据去除接头序列和低质量读数后进行数据分析。
使用HISAT2软件将reads比对至参考基因组,随后利用StringTie软件进行转录本组装。采用R软件中的cor函数计算样品间的Pearson相关系数,并进行主成分分析(PCA)。利用DESeq2软件包进行差异表达基因分析,以假发现率(FDR)<0.05,且|log2FC| ≥1 (FC为表达量变化倍数)为筛选标准,鉴定显著差异表达基因[21]。采用R软件中的gplots包对差异表达基因进行层次聚类分析。进一步利用R软件中的clusterProfiler包进行功能富集分析,包括基因本体论(GO)分析和京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路分析,显著性阈值为P<1 × 10−5。
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使用TaKaRa MiniBEST Plant RNA Extraction Kit提取总RNA,NanoDrop定量。取1 μg RNA用PrimeScript™ RT reagent Kit with gDNA Eraser进行基因组DNA去除及cDNA合成。以Tublin为内参基因,使用TB Green® Premix Ex Taq™ II在QuantStudio™ 5实时荧光定量PCR系统上进行扩增。反应程序为95 ℃ 30 s;95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,40个循环。采用2−ΔΔCt法计算基因相对表达量[22]。所用引物序列见表1。
引物名称 正向引物(5′→3′) 反向引物(5′→3′) CsatFT1q ATGAGTAGGGATTCGCTGGTGCTCG AACCTCCCGAGACTGGTACGTCACC CsatFT2q TGGCTAAACAAACGAGCTACGACTA CAATCACTCTACCAACAACCAAAGG CsatFT3q ATATGGCCGCAGCTACTAGAGAAAC TCCACCATCACCAGAGTGTAGAAAT CsatFT2-1q CCGAGGGTCGAGGTCGGAG GCGCATATACCGTTTGCCGTC CsatFT2-2q CCACCGGTTTGTCTTCATGC CCGACTCCCTCTGACAGTTGA CsatFT2-2CDS扩增 ATGGTTAGGGAGAGGAATCCTTTGG GCTCCGGTGGGAGAAGGATTTAA CsatFT2-2过表达载体构建 ACACGGGGGACTCTTGACATGGTTA
GGGAGAGGAATCCTCCTTTACTAGTCAGATCTACTTAA
ATCCTTCTCCCACCGGAGCsatFT2-2亚细胞定位 ACACGGGGGACTCTTGACATGGTTA
GGGAGAGGAATCCTCCTTTACTAGTCAGATCTACAATC
CTTCTCCCACCGGAGCTable 1. Primer sequences used in this study
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常温成花组各时期另取5个顶芽,乙醇-甲醛-冰乙酸(FAA)固定液固定48 h,再进行包埋处理,随后利用轮转式切片机完成切片,切片厚度为8 μm,经脱蜡、水化、番红-固绿染色、透明、封片后于光学显微镜观察并拍照[23]。
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根据FT基因的引物序列,以基因组DNA (gDNA)和cDNA为模板进行PCR扩增。通过测序获得FT基因序列后,设计特异性正向和反向引物,用于构建超量表达载体。扩增出的cDNA特异片段通过DNA琼脂糖凝胶回收试剂盒进行回收,连接pMD20 T载体,热激转化大肠埃希菌Escherichia coli DH5α感受态细胞。挑选阳性克隆扩大培养后,提质粒,再通过相应的酶切位点,酶切,回收并连接pCAMBIA1302构建的过表达载体35S::Csativus09980。
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以西红花顶芽cDNA为模板扩增Csativus09980基因的全长编码序列(CDS),通过同源重组技术将其克隆至pCAMBIA1302-35S::GFP双元载体。经测序验证无误后,将重组质粒35S::Csativus09980 -GFP与空载体35S::GFP分别通过电击转化法导入农杆菌Agrobacterium tumefaciens GV3101感受态细胞。于含有50 mg·L−1卡那霉素和25 mg·L−1利福平的Luria-Bertani (LB)液体培养基中将含有重组质粒和空载体的农杆菌培养至吸光度D(600)为0.6~0.8,离心收集菌体。将农杆菌培养物悬浮于缓冲液[10 mmol·L−1MgCl2、10 mmol·L−1 2-(N-吗啉)乙磺酸(MES)、100 μmol·L−1乙酰丁香酮(AS),pH 5.7],采用注射器将农杆菌悬浮液注入4周龄烟草叶片背面进行瞬时表达。培养48 h后,利用共聚焦显微镜观察绿色荧光蛋白(GFP)信号,以空载体pCAMBIA1302-35S::GFP为对照[24]。
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将35S::Csativus09980-GFP重组质粒通过电击转化导入农杆菌GV3101,采用花序浸染法侵染野生型拟南芥花序。收获T0代种子,在含25 mg·L−1潮霉素的MS平板上筛选阳性转化苗,获得T1代植株。T1代自交收获T2代种子,种植T2代种子并筛选获得纯合株系用于表型分析。观察并记录转基因株系和野生型的莲座叶数量及开花时间。采用SPSS 27.0进行独立样本t检验,显著性水平为0.05。
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通过石蜡切片观察西红花球茎顶芽在6个连续发育时期的形态变化(图1)。结果发现:球茎休眠期(S1)顶端分生组织处于静止状态,休眠打破期(S2)生长锥开始活化并明显增大,花原基分化早期(S3)首先分化形成叶原基,花原基分化中期(S4)花原基在叶原基腋部开始形成,花原基分化晚期(S5)花被片和雄蕊原基依次分化,花器官形成期(S6)雌蕊等花器官清晰可辨。表明S3~S6期为西红花花原基分化的关键时期。
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对西红花14个FT-like基因与已报道CsatFT1-6进行氨基酸序列比对,并构建系统进化树,根据序列同源性及进化关系对14个FT-like基因进行命名,可分为7个聚类,结果如图2A所示。氨基酸序列比对如图2B所示。除文献报道的CsatFT4外,其余序列均含有完整的PEBP家族保守结构域,其典型序列特征为[FYL]-x-[LVM]-[LIVF]-x-[TIVM]-[DC]-P-D-x-P-[SNG]-x(10)-H[25],并包含FT蛋白中与促开花功能相关的关键氨基酸残基(Tyr85/Gln140)[26]。此外CsatFT1-1、CsatFT1-2与CsatFT1以及CsatFT3-1、CsatFT3-2与CsatFT3的氨基酸序列完全一致,其余聚类间序列相似度均大于83% (附表1)。
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FT-like基因在常温(22 ℃,成花)与低温(9 ℃,非成花)条件下顶芽6个发育时期的表达模式如图3A所示。结果表明:CsatFT2-1和CsatFT2-2在常温成花顶芽中自花原基分化早期起表达量持续上调,且明显高于低温非成花顶芽(图3B)。CsatFT3-1、CsatFT3-2和CsatFT6-1在常温成花顶芽中虽呈上调趋势,但与低温非成花顶芽之间差异不明显,其中CsatFT6-1在2种条件下表达量均较低。CsatFT2-1和CsatFT2-2在非成花样本中表达量极低,甚至无法检测到,而在成花样本中随花芽分化进程逐渐升高,表明这2个基因可能在成花启动过程中发挥重要作用。
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采用RT-qPCR技术分析花原基分化S6期西红花成花与无花球茎顶芽和叶片中CsatFT2-1、CsatFT2-2、CsatFT1、CsatFT2和CsatFT3的表达模式(图4)。结果表明:在成花顶芽中,CsatFT2-2与CsatFT2的表达量均显著高于无花顶芽(P<0.01);其中,CsatFT2-2的表达水平约为CsatFT2的2倍。在叶片中,尽管CsatFT2-2与CsatFT2在成花样本中的表达也显著高于无花样本(P<0.01),但其表达量明显低于顶芽组织。CsatFT3在成花叶片中表达显著上调(P<0.05),但在顶芽中的表达量仅为叶片的一半,且在成花与无花顶芽之间差异不显著。CsatFT1在顶芽和叶片中的表达差异最小。CsatFT2-1与CsatFT2-2在成花与非成花样本中的表达变化较为明显,但CsatFT2-1的表达量整体低于其他基因。综上,CsatFT2-2在成花顶芽中呈较高表达水平,提示其可能在西红花花原基分化及成花诱导过程中发挥重要作用。
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为验证转录组数据,通过RT-qPCR分析了CsatFT2-2在22 ℃ (成花)与9 ℃ (非成花)条件下顶芽不同发育阶段的表达模式(图5)。结果显示:在22 ℃条件下,CsatFT2-2的表达量在花原基分化及花器官形成阶段上调并持续增加;而在9 ℃非成花条件下,其表达受到明显抑制。表明低温抑制CsatFT2-2的表达,这与转录组测序结果一致。
为了进一步验证CsatFT2-1与CsatFT2-2表达与成花能力的相关性,分析其在多种胁迫条件下(干旱、低氧)成花与非成花样本中的表达水平(图6)。结果表明:在成花顶芽中,CsatFT2-1和CsatFT2-2的表达量均显著高于对应的非成花(P<0.05)。在正常培养和干旱胁迫条件下的成花样本中,CsatFT2-2的表达量略高于CsatFT2-1;而在低氧胁迫成花样本中,CsatFT2-1的表达量显著低于CsatFT2-2 (P<0.05)。综上,推测CsatFT2-2在西红花开花过程中可能发挥更重要的调控作用。
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为探究CsatFT2-2蛋白在细胞内发挥功能的位点,将CsatFT2-2 -GFP融合蛋白在本氏烟草的叶片表皮细胞中进行瞬时表达。共聚焦显微镜结果显示:CsatFT2-2蛋白定位于细胞核和细胞周边区域,而空载体的GFP信号遍布整个细胞(图7),预示着CsatFT2-2蛋白可能通过在细胞核或膜系统的特异性分布,参与成花信号的感知与转导。
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为了验证CsatFT2-2的生物学功能,将其在野生型拟南芥中过量表达。获得潮霉素抗性的T2代纯合株系后,观察其开花表型(图8A)。与野生型相比,过表达CsatFT2-2的转基因植株抽薹时间显著提前约9 d,且抽薹时的莲座叶数量显著减少约5片(图8B~C),表明CsatFT2-2具有促进开花的功能。
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目前关于西红花成花机制的研究集中于开花相关基因的分离与功能鉴定,如MADS-box家族、PEBP基因家族等[27−30]。这些基因在成花诱导及花器官发育中发挥重要作用,PEBP家族成员FT及其同源基因是保守的成花素信号,被认为在植物开花时间调控中具有关键功能。然而,对于FT及其同源基因在西红花开花数量方面的调控研究尚处于初步探索阶段[30]。
本研究基于西红花单倍型组装基因组对PEBP基因家族进行了系统鉴定。系统发育分析表明:西红花基因组中可能存在七类FT同源基因,而在花原基分化起始的关键时期,开花顶芽中仅有3类FT同源基因表达,这与FT类基因在植物开花诱导过程中具有功能分化和组织特异性表达的特点一致[11, 14−15]。通过比较花原基分化关键时期的转录组数据,并结合多种逆境胁迫条件下成花与非成花样本在顶芽和叶片中的表达差异分析,发现CsatFT2类的3个FT同源基因(CsatFT2、CsatFT2-1和CsatFT2-2)可能参与调控花原基分化过程,这与西红花及其他植物中FT同源基因参与开花调控的研究结果相一致[16−17]。序列分析表明:CsatFT2、CsatFT2-1和CsatFT2-2均具有典型FT蛋白特征,包括完整的PEBP结构域及保守的Tyr85和Gln140残基,这些残基已被证实对区分FT蛋白与TFL1蛋白至关重要[ 26]。表达分析结果显示:CsatFT2-2在花原基分化启动后表达量持续升高,而CsatFT2-1在成花顶芽花器官形成期的表达量明显低于CsatFT2-2;同时,在顶芽花器官形成期,CsatFT2-2的表达量约为CsatFT2的2倍,提示其在花原基分化过程中可能具有更为重要的调控作用。综上,CsatFT2-2可能在西红花花原基分化过程中发挥重要调控作用,这一结果与前人关于FT基因在开花调控中作为关键整合因子的研究结论一致[ 11]。
然而,由于西红花稳定、高效的遗传转化体系尚未建立,无法验证CsatFT2-2是否为调控西红花开花数量的重要基因。未来亟待突破西红花的遗传转化技术,编辑CsatFT2-2的基因序列,明确其在西红花本体中对花原基分化和开花数量的调控作用。另外2个关键的FT同源基因(CsatFT2、CsatFT2-1)可能具有促进开花的冗余功能,或在不同胁迫条件下发挥作用,仍需进一步研究。
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本研究基于单倍型组装基因组数据对西红花FT同源基因进行了系统鉴定与命名。结合转录组分析和RT-qPCR结果,筛选出可能参与花原基分化的候选正调控基因CsatFT2-2,并通过异源表达对其功能进行了验证。结果表明:CsatFT2-2编码的蛋白具有典型的FT保守结构,在拟南芥中过表达CsatFT2-2可显著促进开花,表明其具有保守的促花功能;同时,CsatFT2-2表达水平与西红花成花过程呈显著相关性。本研究加深了对西红花成花分子机制的认识,为后续通过调控CsatFT2-2改良开花性状和提高产量提供了重要的候选基因资源。
Identification and functional analysis of a key FT homolog, CsatFT2-2, regulating floral primordium differentiation in Crocus sativus
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20250599
- Received Date: 2025-12-01
- Accepted Date: 2026-06-05
- Rev Recd Date: 2026-05-25
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Key words:
- Crocus sativus /
- FT-like genes /
- floral primordium differentiation /
- gene function
Abstract:
| Citation: | ZHANG Xingchang, QIAN Xiaodong, CHEN Jing, et al. Identification and functional analysis of a key FT homolog, CsatFT2-2, regulating floral primordium differentiation in Crocus sativus[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2026, 43(X): 1−11 doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20250599 |
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