花是植物形態結構中最復雜的器官之一， 也使得被子植物或開花植物具有與其他陸生植物明顯不同的特征（Alvarez-Buylla等2010）； 水稻等農作物花器官的發育還為人類提供了主要的糧食來源，1種學的熱點研究領域之一。

水稻花原基由小穗分生組織發育而來， 小穗由2個退化穎片、2片空穎（或稱不育外稃）、和1個小花組成； 而小花由1個外稃、1個內稃、2個漿片、6個雄蕊和1個雌蕊組成（Yoshida和Nagato2011）。近20多年來， 隨著花器官發育突變體的不斷獲得和分子生物學研究技術的發展， 人們對植物花器官發育分子調控機制的研究越來越深入。

從雙子葉模式植物擬南芥、金魚草等物種的研究中獲得的"ABCDE花器官調控模型"也部分適用于解釋水稻等單子葉植物花器官發育的分子調控（Ciaffi等2011; Yoshida和Nagato 2011; Zhang等2013）。然而， 該調控模型中的MADS類轉錄因子等與發育調控信號， 如植物激素、糖等的調控關系的研究仍然較少。本文就近年來植物激素調控水稻花器官發育分子機制的研究進展進行綜述，以期為利用植物激素調控作物生殖發育、提高產量等方面的研究和生產應用提供參考。

1 生長素調控水稻花器官發育的分子機制

對生長素（主要是吲哚-3-乙酸， IAA）合成代謝、信號轉導和極性運輸相關突變體和基因的研究表明， 生長素在花序、花分生組織以及花器官的發育中起著關鍵的調控作用（Barazesh和Mc-Steen 2008; Pagnussat等2009; Sundberg和？ster-gaard 2009; McSteen 2010）。水稻TRYPTOPHANDEFICIENT DWARF1 （TDD1）基因編碼一個鄰氨基苯甲酸合成酶的β-亞基， 控制依賴于色氨酸的生長素合成。tdd1突變體胚胎致死， 其胚乳再生突變體有1%的植株可發育形成異常的花器官： 花器官數目改變， 形成0至7個數目不同的雄蕊； 內外稃形態扭曲、不能閉合； 在漿片位置生長出外稃狀器官； 形成異位的或器官融合的內部花器官， 如兩個漿片融合、漿片與雄蕊融合以及異常的雄蕊與柱頭狀器官的融合等（Sazuka等2009）； 說明依賴于TDD1調控的生長素含量在水稻胚胎發生和花器官發育過程中具有重要的調控作用。

近來的一項研究進一步證明了生長素對水稻種子發育的調控作用。水稻DIOXYGENASE FORAUXIN OXIDATION （DAO）編碼2-氧化戊二酸依賴型-鐵（II） （2-oxoglutarate-dependent-Fe）雙加氧酶，催化IAA向OxIAA不可逆的氧化反應。Zhao等（2013）的研究表明， dao突變體花藥和子房中游離生長素含量上升， 引起生長素響應基因OsARF6和15個OsAUX/IAAs的異常表達， 導致突變體花藥不能開裂、花粉不能萌發和單性結實； dao突變體的表型可通過過量表達生長素合成酶OsYUCCA1來重現； 揭示游離生長素含量在水稻花藥開裂、花粉育性和種子起始發育中起到重要的作用。

水稻ABERRANT SPIKELET AND PANICLE 1（ASP1）是擬南芥TOPLESS （TPL）的同源基因， 參與生長素介導的花序發育過程。asp1突變體的多個缺陷表型都與生長素調控相關： 比如分枝和小穗的數目減少； 護穎和不育外稃增長且數目變少、外稃融合生長、花內輪器官發育提前終止等； 另外， asp1突變體還表現為生長素響應異常， asp1突變體中生長素響應基因OsIAA20的表達量高于野生型3倍； 雖然OsIAA20的表達在asp1突變體和野生型中都受生長素誘導， 而且在asp1突變體中對生長素的響應更敏感， 但ASP1如何調控OsIAA20等生長素響應基因的作用機制仍不清楚（Yoshida等2012）。此外， 研究顯示水稻E類功能基因Os-MADS1和OsMADS6可通過改變生長素代謝調控基因OsMGH3/OsGH3-8的表達來影響雄蕊和雌蕊的發育（Yadav等2011）。轉錄組分析進一步顯示， os-mads1 突變體中生長素響應基因 OsARF9 、OsARF12、OsARF15、OsARF16、OsARF18、OsARF25以及生長素極性運輸基因OsPINOID和OsPIN FORMED 1 （OsPIN1）等的表達都發生了明顯的改變， 暗示OsMADS1參與生長素信號轉導， 調控水稻花器官的發育（Khanday等2013）， 但Os-MADS1在生長素作用網絡的具體角色和作用位點仍不清楚（圖1）。

擬南芥生長素合成黃素單加氧酶家族（YUC-CAs）中， yuc1 yuc2 yuc4 yuc6四突變體才表現出花器官異常發育， 這種異常的花器官發育只能被組織特異性表達細菌中生長素合成基因iaaM所恢復（Cheng等2006）， 暗示生長素的局部分布對植物器官的發生與發育起著重要的作用。在擬南芥中，生長素可誘導其響應因子MONOPTEROS （MP）的表達， MP直接激活開花決定基因LEAFY （LFY）的表達， 從而促進營養生長向生殖生長的轉換（Yama-guchi等2013）， 而且這一調控機制在十字花科植物中可能是保守的， 但在水稻中是否存在類似的調控網絡還需要進一步的研究。生長素在水稻花芽啟動、花器官起始和發育中的作用機制仍然知之不多。生長素合成基因（YUC家族）和運輸基因（PIN家族）在水稻基因組中具有高度的冗余性（Wang等2009; Abu-Zaitoon 2014）， 他們的時空表達模式及作用網絡將是今后重要的研究方向之一。

2 細胞分裂素對花器官起始的調控

細胞分裂素（cytokinin, CK）促進細胞分裂， 在調控分生組織大小和活性中具有重要的作用， 直接影響生殖器官的起始和發育（Werner和Schmull-ing 2009）。水稻LONELY GUY （LOG）基因編碼一個細胞分裂素活化酶， 調控水稻細胞分裂素的生物合成， 是維持分生組織活性所必須的重要調控因子： log突變體的分生組織發育提前終止、枝梗數和小穗數明顯減少、花器官不能正常的起始（Kurakawa等2007）。Grain number 1a （Gn1a）編碼細胞分裂素氧化酶（OsCKX2）， 是控制水稻產量的一個主效QTL, 該基因突變降低了花序分生組織中細胞分裂素的含量， 引起枝梗數和小穗數增加， 起到增加產量的作用（Ashikari等2005）。OsCKX的同源基因在大麥、小麥和黑麥中同樣參與細胞分裂素介導的花序形態建成過程（Zalewski等2010;Zhang等2012）。最新的研究進一步證實， OsCKX2的表達可被定位在內質網上的F-box蛋白LARGERPANICLE和鋅指蛋白DROUGHT AND SALT TOL-ERANCE正向調控（Li等2011, 2013）。這些結果說明細胞分裂素的含量在禾本科植物花序和花分生組織大小的發育中具有保守的作用， 細胞分裂素代謝調控基因位點的遺傳和定向篩選對提高作物產量具有一定的應用前景。

水稻Oryza sativa homeobox1 （OSH1）基因是一類KNOTTED 1同源異型盒蛋白家族成員， 具有自我調控表達的特征， 并通過調控細胞分裂素合成途徑中限速酶--腺苷磷酸異戊烯基轉移酶（IPT）的表達來增加頂端分生組織中細胞分裂素的含量（Sakamoto等2006; Tsuda等2011）； osh1突變體花序變小、小穗數減少（Tsuda等2011）。在水稻中過量表達細胞分裂素信號途徑響應因子OsRR6能抑制細胞分裂素信號轉導， 引起植株矮化、根系和花序變?。℉irose等2007）。說明依賴于A型RRs蛋白的細胞分裂素信號轉導途徑在單子葉植物中是保守的， 但細胞分裂素調控花序和花分生組織大小的具體分子作用網絡仍有待深入研究（圖1）。

3 赤霉素與花粉育性調控

赤霉素（gibberenin, GA）調控植物發育的多個過程： 包括種子萌發、莖的伸長、葉的伸展、表皮毛發育、花藥發育、花粉成熟和誘導開花等（Plackett等2011; Daviere和Achard 2013）。水稻花藥發育過程中， GA3氧化酶（OsGA3ox和OsGA3ox1）在花藥絨氈層的特異表達相關， 合成赤霉素（Kane-ko等2003; Hirano等2008）； ENT-COPALYL DIPHOS-PHATE SYNTHASE （OsCPS）基因卻在二核花粉期的花粉中特異表達（Kaneko等2003）， 表明赤霉素含量的動態改變在花藥和花粉發育中起著重要的作用。Kaneko等（2004）在Tos17插入突變體庫中篩選獲得了赤霉素響應因子OsGAMYB的突變體， 其花藥皺縮白色、花粉異常發育； OsGAMYB基因特異的在花序和花分生組織、雄蕊原基、藥室內壁、中層和絨氈層表達。Aya等（2009）以赤霉素含量降低突變體oscps1-1以及赤霉素響應不敏感突變體gibberellin insensitive dwarf1-4 （gid1-4）、gid1-7、gid2-5和gamyb-2為材料， 研究赤霉素調控水稻花藥發育的分子機制。研究結果顯示， oscps1-1、gid1-4、gid1-7、gid2-5和gamyb-2突變體營養生長正常， 但雄蕊均表現出白色皺縮的異常表型。對gamyb-2突變體的進一步研究顯示， 突變花藥絨氈層細胞程序性死亡（PCD）過程異常、花粉外壁和烏氏體形態異常。分子試驗證實， OsGAMYB能直接調節影響花粉壁外壁合成的脂類代謝基因P450羥化酶CYP703A3和β-酮脂酰還原酶KAR的表達；敲除CYP703A3能出現類似osgamyb的表型（Aya等2009）。說明赤霉素可通過誘導OsGAMYB來促進CYP703A3的表達， 從而調控水稻花粉外壁和烏氏體的發育。此外， 雖然轉錄組和遺傳學分析顯示OsGAMYB可能通過正向調控bHLH類轉錄因子TAPETUM DEGENERATION RETARDATION（TDR）來影響半胱氨酸蛋白酶OsCP1和蛋白酶抑制因子OsC6的表達來調控絨氈層發育（Aya等2009）， 但赤霉素調控水稻花藥絨氈層PCD的分子機制仍需深入研究。雖然研究顯示OsGAMYB在花藥中的表達受miR159負調控（Tsuji等2006）， 而且這一調控方式在擬南芥中是保守的（Achard等2004）；但擬南芥miR159的表達受赤霉素誘導， 而水稻miR159的表達是赤霉素非依賴性的（Achard等2004; Tsuji等2006）， 暗示兩個物種中赤霉素調控花藥發育的分子機制存在差異， 具體的區別和分子調控機制仍有待進一步研究（圖1）。

Chhun等（2007）通過對赤霉素含量降低突變體oscps1-1、reduced pollen elongation 1 （rpe1）、赤霉素信號轉導異常突變體gid1-3、slender rice1（slr1）-d3和外源施加高濃度GA4的試驗證實， 赤霉素在調控花粉萌發和伸長中起到重要的作用， 但只有內源合成的赤霉素由GID/DELLA信號通路進行赤霉素信號轉導， 而高濃度的赤霉素由其他GA信號通路介導， 其具體的分子機制仍不清楚。Aya等（2009）則認為赤霉素含量降低或赤霉素不敏感突變體花粉的異常發育主要是由絨氈層異常發育引起的次生效應。Sakata等（2014）利用赤霉素合成缺陷突變體semidwarf1 （sd1）、dwarf Tan-Ginbozu（d35）、赤霉素不敏感突變體slr1-d和gid1研究了低溫介導的赤霉素含量下降引起的花粉異常發育的現象。試驗證實， 低溫會引起赤霉素合成基因GA20ox3和GA3ox1的表達下調， 而外源施加赤霉素可部分彌補低溫引起的育性下降。但低溫如何調節GA20ox3和GA3ox1的基因表達以及外源施加赤霉素恢復花粉育性的分子機理仍知之甚少（圖1）。

擬南芥赤霉素含量缺陷突變體ga-1中B類基因PISTILLATA （PI）和APETALA3 （AP3）以及C類基因AGAMOUS （AG）的表達量都降低， 其花器官的異常發育可用體外噴灑赤霉素來恢復； 另一方面， 過量表達AG也能部分恢復ga-1的表型（Yu等2004）， 說明赤霉素能正向調節擬南芥花原基中B、C類基因的表達。在花器官發育后期， AG能促進赤霉素合成基因GA3ox的表達， 這一赤霉素含量調控反饋環的存在說明花器官的屬性建成和后期發育都需要赤霉素的作用（Wellmer等2006）。Yamaguchi等（2014）最新的研究表明， 擬南芥植株在營養生長向生殖生長轉換時期， LFY基因的表達可直接激活負調控赤霉素含量的P450基因家族EUI-LIKE P450A1 （ELA1）的表達， 引起赤霉素信號轉導負調控蛋白DELLA的積累， DELLA蛋白再與SQUAMO-SAPROMOTERBINDING PROTEIN-LIKE 9（SPL9）蛋白互作， 激活A類轉錄因子APETALA1（AP1）的表達來促進擬南芥花器官的正常發育。但赤霉素在水稻花器官發育過程中是否有類似的作用模式還有待進一步研究（圖1）。

4 茉莉素是水稻花器官起始發育誘導信號之一

茉莉素（jasmonate, JA）是一類來源于脂類的信號分子， 在植物防御病蟲害和發育過程中都起著重要的作用（Wasternack和Hause 2013）。目前的研究結果顯示， 茉莉素在植物花器官發育中的作用機制存在較大的差異。茉莉素主要參與調控擬南芥花器官后期的發育， 比如雄蕊的成熟、花瓣的大??； 不參與花分生組織和花器官屬性的決定（Browse 2009）。在雄蕊發育后期， AG能直接調控茉莉素合成基因DEFECTIVE IN ANTHER DEHIS-CENCE1 （DAD1）的表達， 影響雄蕊正常的開裂和花粉發育（Ito等2007）。茉莉素合成和信號突變體，比如coronatine insensitive1 （coi1）、OPDA reduc-tase 3 （opr3）、dad1、allene oxide synthase （aos）和fatty acid desaturation （fad）3-2、fad7-2、fad8等都表現出雄性不育的表型（Browse 2009）。兩個MYB轉錄因子： MYB21和MYB24是擬南芥JA信號轉導抑制蛋白JASMONATE ZIM-DOMAIN PROTEIN 1（JAZ1）的靶標， 參與茉莉素介導的雄蕊發育過程（Song等2011）。茉莉素除了控制擬南芥雄蕊發育，還調控一個bHLH轉錄因子BIGPETALp （BPEp）的表達， 從而影響花瓣細胞伸長的過程； opr3 bpe-1雙突變體具有大花瓣表型， 而且這一表型可以通過外源施加Methyl-JA（MeJA）恢復（Brioudes等2009）。

與擬南芥茉莉素受體COI1突變體的花藥異常開裂和雄性不育表型不同， 水稻OsCOI1基因RNAi植株沒有明顯的異常發育表型（Yang等2012）。

JASMONIC ACID RESISTANCE 1 （JAR1）屬于GH3類基因家族， 介導擬南芥茉莉酸合成JA-Ile等化合物（Staswick等2002）； 水稻OsJAR1的T-DNA插入突變體osjar1-1小穗內外稃不能閉合， osjar1-2和os-jar1-3突變體花藥不能正常開裂（Riemann等2008;Xiao等2014）。OsJAR1基因在水稻花藥和花絲維管束中特異表達（Xiao等2014）， 暗示花絲的伸長和花藥的開裂與JA-Ile等物質的含量緊密相關， 對Os-JAR1基因表達調控機制的進一步研究有助于深入理解水稻開花的分子機制。在水稻中過量表達擬南芥茉莉素甲基化轉移酶基因JASMONIC ACIDCARBOXYL METHYLTRANSFERASE （JMT）會引起花序和小穗的異常發育。在Ubi1:AtJMT轉基因水稻植株中MeJA含量較野生型增加了6倍， 花器官數目異常， 突變體產量下降（Kim等2009）， 表明茉莉素不僅僅調控水稻雄蕊的發育， 還可能影響小穗其他發育過程。茉莉素合成突變體extra glume1-3（eg1-3）和信號轉導缺陷突變體eg2-1D都表現為花器官屬性和數目的改變， 花分生組織不能正常終止生長（Cai等2014）。EG1編碼定位于質體的脂酶，是擬南芥DAD1的同源基因， 參與茉莉素的生物合成（Li等2009b; Cai等2014）； EG2編碼蛋白與擬南芥JAZ1同源， 是茉莉素信號通路中的抑制因子。研究顯示， eg1-3突變體茉莉素含量下降， 外源施加JA可部分恢復突變體異?；òl育表型。茉莉素可激活EG2/OsJAZ1和受體OsCOI1b結合， 進而促使EG2/OsJAZ1被26S蛋白降解復合體識別并降解，釋放EG2/OsJAZ1對茉莉素響應轉錄因子OsMYC2的抑制， OsMYC2蛋白激活OsMADS1等下游基因的表達來調控水稻小穗發育（Cai等2014）。水稻基因組中有15個JAZ蛋白， 過量表達突變JAZ功能域的mJAZ3、mJAZ4、mJAZ6、mJAZ7和mJAZ11會引起類似eg2-1D突變體的表型（Hori等2014）， 進一步證實茉莉素信號轉導途徑參與調控小穗的正常起始。因此， 與擬南芥茉莉素信號轉導通路相同，但作用網絡不同， 水稻茉莉素信號通路調控E類基因的表達來影響小穗分生組織的早期決定、花器官的屬性和有限生長等。茉莉素是否在其他單子葉植物中起到相似的作用仍然未知， 有待相關突變體的獲得和分析。

玉米是雌雄同株異花植物， 茉莉素參與調控玉米雄性花的性別決定。tasselseed1 （ts1）編碼玉米茉莉素生物合成途徑中的13-LOX酶， ts2可能參與茉莉素合成過程中的β-氧化反應； ts1和ts2突變體均表現為雄性花向雙性花轉變， 這一表型可以被外源施加MeJA恢復（Acosta等2009）。茉莉素生物合成酶基因OPR7和OPR8的雙突變也表現出雄性花向雙性花轉變（Yan等2012）。說明茉莉素含量影響玉米雄花中雌蕊的PCD過程， 其具體作用機制目前未有報道。Liu等（2012）發現， 水稻紅蓮型雄性不育系粵太A的細胞質不育可能與水稻TS2基因的異常表達相關， 暗示在粵太A這類雄性不育系中， 茉莉素含量可直接影響花粉育性， 但TS2引起粵太A細胞質不育的分子機制仍有待深入研究。

由此可見， 茉莉素調控花器官發育的作用網絡在植物進化中發生了較快的分化， 這一分化產生的原因和機制值得深入研究。

茉莉素還可與生長素共同作用調控水稻花器官的發育， 包括雄蕊發育、花粉育性和授精過程等。在dao突變體花藥中， 調控茉莉素合成的酶，包括OsDAD1、OsAOS1、OsAOS2、OsLOX和Os-OPR7等基因的表達都下調了， 而編碼12-oxophyto-dienoate （OPDA）還原酶的OsOPR1基因表達量卻上調了， 暗示生長素在水稻花藥發育中可調控茉莉素的代謝。但是外源施加茉莉素到dao突變體小穗只會打開突變體的內外稃， 不能促進突變體單性結實種子的進一步發育（Zhao等2013）， 說明在水稻花藥和種子發育過程中， 茉莉素與生長素具有協同卻明顯不同的作用途徑， 它們如何共同調控水稻花藥和種子的發育還有待進一步的研究（圖1）。

5 討論和展望

近年來， 水稻花器官發育分子調控機制的研究取得了較大的進展。與擬南芥花器官分子調控網絡相比， 水稻花器官發育受到相似的作用網絡調控， 比如控制花分生組織大小的CLV信號途徑，控制花原基起始和形態建成的ABCDE模型， 激素的合成和信號轉導機制等（Zhang和Yuan 2014）。

但是， 越來越多的結果顯示， 很多轉錄因子家族的基因成員在單子葉植物基因組進化中發生了復制或功能分化。比如A類和E類基因的功能、以及它們的作用網絡就存在較大的差異（Yoshida和Nagato2011; Zhang等2013; Zhang和Yuan 2014）。茉莉素在水稻中是通過調控E類基因OsMADS1等的表達來影響花器官的生長發育和花分生組織的有限生長（Cai等2014）； 在擬南芥中， 茉莉素卻通過調控MYB類基因的表達來特異調控雄蕊的發育（Song等2011）。這些調控網絡是特異而復雜的， 也可能是禾本科植物特有花序和花形態建成的分子基礎。

植物激素可響應遺傳和外界環境信號， 在植物體特定的發育時期合成， 是植物正常生長發育和適應環境生存的重要信號源。雖然ABCDE模型部分解釋了水稻花器官原基屬性建立的分子機制（Yoshida和Nagato 2011; Zhang等2013）。但人們對該模型中關鍵調控基因是如何感應生長發育信號，又是如何參與調控花器官的后期形態建成等問題仍缺乏深入的認識。水稻綠色革命基因SEMI-DWARF1（SD1）的突變在水稻矮化生產中發揮了重要的作用， 但含有該突變位點的株系對低溫更加敏感， Sakata等（2014）的研究提示， 在遇到低溫時，可通過外源施加赤霉素和蔗糖來部分彌補由低溫引起的育性下降的問題。孕穗期遇到干旱會引起水稻減產， Kim等（2009）的研究發現這可能與穗中MeJA含量增加、引起脫落素代謝異常有關， 從而造成穗和花器官異常發育； 他們的研究為利用調控JA含量來解決孕穗期干旱引起的水稻減產問題提供了新的思路。對DAO基因的研究和分析表明，生長素濃度在單性結實發育過程中起著重要的調控作用， 這也為今后利用基因工程， 通過在果實發育特定的時期調節生長素濃度來促進水果、蔬菜的單性結實提供了理論依據和方向（Zhao等2013）。

近期的研究還表明， 定向改變油菜素內酯含量和信號轉導路徑， 可有助于提高分蘗力和種子灌漿速度， 達到提高粒重和增產的目的（Wu等2008; Li等2009a）。

因此， 對各類植物激素信號調控水稻等重要農作物花器官發育的分子機制、在花器官發育過程中的互作機制， 以及不同作物花器官發育過程中植物激素調控網絡差異形成的原因等問題進行深入研究， 不僅有助于我們進一步認識植物發育和進化的基本生物學問題， 還將為我們在未來農業生產中利用激素定向調控水稻等作物花器官和生殖發育的過程奠定基礎， 有助于促進基礎理論研究成果在生產中的應用。