袁欣捷，方 榮，周坤華，張鴻燕，陳學軍

(江西省農業(yè)科學院 蔬菜花卉研究所，江西 南昌 330200)

辣椒屬(Capsicumspp.)約有30多個物種，原產于美洲熱帶地區(qū)，為一年生或多年生植物，其中C.annuum、C.baccatum、C.chinense、C.frutescens、C.pubescens在6 000年前被當?shù)厝笋Z化栽培[1]，后逐漸在世界各地廣泛種植，成為世界性重要經濟作物。

辣椒植株為合軸分枝結構，主莖生長到一定時候停止生長，其頂端分生組織轉化為花序分生組織，花序分生組織在適宜的內在條件和外在環(huán)境(如日照長度和溫度)下發(fā)育為單生花，開花標志著主莖生長的終止，由側生分生組織生長發(fā)育為新枝，不久新枝又停止生長，繼續(xù)由新枝頂端的側生分生組織代替頂端分生組織生長，不斷重復形成合軸分枝[2]。辣椒的合軸單元包括兩片對向葉和一個單生花[3]。開花作為辣椒生活史中的重要事件，協(xié)調著外界環(huán)境與植物的生命周期。開花意味著植物從營養(yǎng)生長階段轉換到生殖生長階段。植物在適宜的時間開花才能產生具有生活力的種子，使世代得以延續(xù)。因此，開花時間是作物的一個主要適應性特征，在作物馴化及適應新氣候環(huán)境過程中起重要作用[4]，同時也是辣椒傳統(tǒng)育種中最重要的目標性狀之一。

辣椒第一朵花的著生節(jié)位稱為始花節(jié)位，一般以主莖上從子葉到第一朵花之間的真葉(節(jié)位)數(shù)來度量，人們常常以始花節(jié)位來衡量辣椒開花的時間[3，5-6]。始花節(jié)位低的辣椒品種往往開花坐果早，在春茬種植中能適度規(guī)避雨水和病害，降低農藥使用量，增加早期產量[7]，在秋茬種植中規(guī)避后期低溫環(huán)境，減少設施栽培能耗，提高產量[8]；始花節(jié)位高的辣椒品種開花坐果晚，能避開上市旺季，滿足市場多樣化需求。因此，研究辣椒始花節(jié)位具有重要理論和實踐意義。本文對國內外辣椒始花節(jié)位的研究進行了綜述，以期為深入開展相關研究，促進辣椒熟性遺傳改良提供有益參考。雖然影響開花時間但對始花節(jié)位無明顯改變的QTLs/基因在辣椒生長發(fā)育中也具有重要意義，但不在本文綜述范圍內，上述情況多由營養(yǎng)生長速率的改變造成[9]。

1 辣椒始花節(jié)位的遺傳定位

始花節(jié)位作為辣椒的重要熟性性狀一直備受研究者的關注。前期的遺傳定位研究發(fā)現(xiàn)，自然變異中辣椒始花節(jié)位受少數(shù)主效基因和部分微效基因控制，同時也受溫度和光照等環(huán)境影響，為數(shù)量性狀[5-6，10-11]。Barchi等[10]用Yolo Wonder×CM334的297株重組自交系群體檢測到4個始花節(jié)位QTLs(quantitative trait loci)，能解釋25%的表型變異。Mimura等[5]基于種內雙單倍體群體構建了包含15個連鎖群全長1 213 cM的遺傳圖譜，并將始花節(jié)位QTL定位于LG8的標記CAMS606附近。Tan等[6]利用種間作圖群體鑒定了一個主效QTL和5個微效QTLs，能解釋2.09%～51.63%的表型變異，并將主效位點Nle2.2定位到標記EPMS677和CIDHjw2_6間約2.76 Mb物理距離內，Nle2.2位點與宗洪霞[12]利用茄門甜椒C.annuum和野生灌木辣椒C.frutescen種間群體檢測到的ffn22.1位點在同一個染色體區(qū)域?；谇捌谘芯胯b定出一些與始花節(jié)位相關分子標記(表1)，其應用將有助于辣椒熟性的分子標記輔助育種。前期研究者應用不同群體在不同的染色體上鑒定出眾多始花節(jié)位QTLs(表1)，說明辣椒對始花節(jié)位的調控涉及多基因協(xié)作的復雜生理過程。這一過程所涉及的基因及其調控始花節(jié)位的分子機制與相互關系已有初步研究結果，后續(xù)研究有望更全面地揭示辣椒調控始花節(jié)位的奧秘。

2 基于辣椒突變體發(fā)掘的始花節(jié)位調控基因

辣椒始花節(jié)位相關基因的研究起步較晚，目前已克隆的基因多為基于辣椒EMS(ethyl methanesulfonate)突變體發(fā)掘的，基于自然變異發(fā)掘的基因十分有限。Ilan Paran研究團隊用EMS誘變辣椒材料Capsicumannuumcv. Maor(其野生型始花節(jié)位為10.3±1.0)，篩選誘變后的M2家系，找到一些與始花節(jié)位相關的基因。其中多為促進開花的基因，如激活花分生組織決定基因Ca-ANANTHA(Ca-AN)所必需的CapsicumannuumS(CaS)基因突變后，辣椒始花節(jié)位增加到(21.3±1.1)，CaS基因控制辣椒分生組織的終止，促進莖尖和合軸分枝的生殖轉變，為花形成所需[2]；抑制莖分生組織營養(yǎng)生長的辣椒CaJOINTLESS(CaJ)基因突變體，始花節(jié)位增至(17.0±0.6)[2，17]，該MADS-box基因能促進花序分生組織早熟以維持辣椒單生花的形成，促進主莖和合軸分枝開花；CaBLIND(CaBL)基因調控辣椒腋生分生組織的起始及開花轉變，該基因突變體E-2580的始花節(jié)位變?yōu)?14.0±1.6)，原本連續(xù)的合軸生長變?yōu)樵诮K止前重復一或兩次，并常常在伸長的節(jié)間額外長出一不帶腋芽的葉片[18]。Ilan Paran研究團隊也找到少數(shù)抑制開花的基因，如FALSIFLORA(FA)基因在營養(yǎng)生長階段抑制開花，其相應辣椒突變體提前開花，始花節(jié)位降為(8.6±0.5)，合軸單元節(jié)間變短，合軸發(fā)育中的葉片生長受到抑制，形成緊湊的植株結構和成簇生長的花果[2-3]；此外，辣椒E-62突變體始花節(jié)位由野生型材料的(8.6±0.5)降至突變型材料的(4.0±0)，相應候選基因為APETALA2轉錄因子家族的CaAP2基因，該基因據(jù)推測是辣椒開花主要阻遏基因，同時影響植株莖和果實大小[19]。

表1 不同研究中檢測到的始花節(jié)位QTLs

在辣椒中發(fā)現(xiàn)的早花突變體少于晚花突變體，原因可能是選育的優(yōu)良系中(如Maor)開花抑制相關基因在長期育種過程中被人們舍棄，這種情況在番茄中也存在[19-20]。另一個原因可能是自然界中某些引起早花的變異會帶來多種負面影響，從而使早花變異的基因數(shù)量有限，比如開花抑制因子EMF1和EMF2中發(fā)生變異能引起極早花現(xiàn)象，但是突變體種子產量急劇下降[21]，這種突變體在自然界生存具有劣勢，容易被淘汰。

3 辣椒始花節(jié)位調控基因功能的保守性與多樣性

人們在遺傳定位中發(fā)現(xiàn)辣椒屬內不同物種間，辣椒與茄科其他作物(如番茄、茄子)間發(fā)掘的重要農藝性狀QTLs間具有良好共線性，說明不同種屬可能通過相同機制控制植物生長發(fā)育[10]。研究也證實一些辣椒始花節(jié)位調控基因在其他作物中具有類似功能。比如辣椒CaJ基因與其番茄直系同源基因JOINTLESS(J)對開花都有促進作用，同時影響合軸分枝發(fā)育，并對FA基因有上位作用[17，22]；CaS基因及其番茄直系同源基因COMPOUNDINFLORESCENCE(S)[23]和牽?；‥VERGREEN(EVG)基因[24]都在分生組織成熟中起作用；辣椒CaBL基因與其番茄直系同源基因BLIND(BL)和擬南芥直系同源基因RAX都具有調控腋生分生組織早期發(fā)育的作用[18]。

雖然在不同的植物中許多控制開花和始花節(jié)位的基因都相同，但有的基因會進化出物種特異性功能，甚至在不同作物中作用相反。例如辣椒CaJ基因與番茄J基因除對開花有促進作用外，還分別進化出各自的特異功能，CaJ基因維持單生花形成并影響始花節(jié)位，J基因參與花梗離區(qū)發(fā)育但對始花節(jié)位沒有顯著影響[17，22]；辣椒CaJ基因是一個主要開花促進因子，其擬南芥直系同源基因SVP(SHORTVEGETATIVEPHASE)則是主要開花抑制因子，SVP通過抑制開花整合子SUPPERSSOROFWOEREXPRESSIONOFCO1(SOC1)和FLOWERINGLOCUST(FT)基因抑制開花[17，25-26]；擬南芥中與SVP基因同源性最高的AGL24基因功能與SVP相反，它能通過激活SOC1基因促進開花[27-28]；CaS基因在辣椒中為花形成所需，但其番茄直系同源基因S發(fā)生突變并不影響番茄花形成[2]；辣椒(C.annuum)中CaBL基因具有調控腋生分生組織起始的作用，而擬南芥中與CaBL基因最相近的RAX3基因對腋芽形成沒有影響[29-30]，甚至在同為辣椒屬的C.frutescens中，只有少數(shù)Cabl突變體腋芽形成受到抑制，這可能是因為C.frutescens中存在其他功能冗余相關基因彌補了Cabl基因突變對腋芽形成的影響[18]。

4 辣椒始花節(jié)位調控基因之間的關系

目前從辣椒突變體著手展開的研究已揭示CaS、CaJ、CaBL、FA和CaAP2等基因參與調控辣椒始花節(jié)位。為了研究CaS基因與CaJ、FA和E-62基因間關系，Cohen等[2]用Cas基因突變的雜合單株和相應基因突變體為親本構建F2群體，利用標記輔助選擇從中得到雙突變體CasCaj、Casfa和CasE-62(CaAP2)：發(fā)現(xiàn)CasCaj和CasE-62雙突變體都和Cas單突變體一樣沒有花，說明在花形成方面Cas上位Caj和E-62；CasCaj雙突變體很晚才開始合軸生長，始花節(jié)位高達(61.5±1.5)，而Cas和Caj單突變體的始花節(jié)位分別為(21.3±1.1)和(17±0.6)，CasE-62雙突變體始花節(jié)位介于Cas和E-62(CaAP2)單突變體之間，說明在起始合軸生長方面Cas與Caj基因具有正向協(xié)同作用，與E-62具有加性效應。用相同的方法構建Cajfa雙突變體，該突變體表型類似于Caj單突變體，始花節(jié)位為17，無花簇形成，說明在頂端分生組織、合軸分生組織和花分生組織發(fā)育方面Caj上位fa；通過qRT-PCR檢測野生型、Caj突變體、fa突變體、Cajfa雙突變體中CaJ和FA基因的表達量，也證實FA抑制CaJ[17]。雙突變體Cablfa同時具有Cabl和fa單突變體的表型，即擁有大花瓣、合軸生長提前終止，此加性現(xiàn)象說明FA和CaBL在合軸生長調控中獨立起作用；而雙突變體如Cabl突變體一樣腋芽形成受到抑制，說明在側分枝方面CaBL上位FA[18]。

5 展望

辣椒是茄科重要經濟作物，開花時間是辣椒品種改良的主要目標性狀之一[8]。因辣椒始花節(jié)位常被用來衡量辣椒開花的時間[3，5-6]，所以一直備受科研人員和遺傳育種學者的關注。早期人們定位了一些辣椒始花節(jié)位QTLs，并開發(fā)了一些連鎖分子標記[5-6，10，12，14-16]，多為傳統(tǒng)分子標記，如擴增片段長度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、限制性片段長度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism，RFLP)和簡單重復序列(simple sequence repeat，SSR)，數(shù)量有限且與相關基因遺傳距離較遠，大多不能有效用于育種材料的分子標記輔助選擇。隨著近年測序技術升級和測序成本降低，利用第二代或第三代測序技術能快速開發(fā)高通量分子標記[31-33]。其中單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)標記具有共顯性、密度高、分布廣、遺傳穩(wěn)定、檢測快速、省時省力等特點，已在水稻、玉米、大豆、黃瓜等作物中得到有效應用[34-38]。相關技術方法在辣椒中也顯現(xiàn)出優(yōu)勢，如Han等[39]通過對親本C.annuum‘Perennial’、C.annuum‘Dempsey’及其120株重組自交系進行重測序，構建了重組單元(bin)均距0.53 cM的遺傳圖譜，并檢測到86個重要QTLs。后期利用相關技術開展辣椒核心種質資源始花節(jié)位表型和基因型鑒定，挖掘與辣椒始花節(jié)位表型多樣性相關等位基因分子標記，將加速分子標記輔助育種步伐，幫助育種學者在分子聚合育種過程中快速選擇適宜的始花節(jié)位材料。

在模式植物擬南芥中，約180個基因被報道參與調控開花時間，它們形成復雜的開花調控網絡[40]。外界環(huán)境和內在因素主要通過春化途徑、自主途徑、光依賴途徑、赤霉素途徑、環(huán)境溫度途徑和年齡途徑調控開花時間[40-41]。這些途徑匯聚于少數(shù)開花整合因子，如FT基因[42]、LEAFY(LFY)基因[43]和SOC1基因[44]等，這些開花整合因子與過渡到開花的時間密切相關。茄科作物番茄中也鑒定了一些影響開花時間和始花節(jié)位的基因，其中ANANTHA(AN)基因抑制開花，an突變體始花節(jié)位降低，S、FA、SINGLEFLOWERTRUSS(SFT)和UNIFLORA(UF)等基因促進開花，相應突變體始花節(jié)位升高[9，45-48]。辣椒中開花時間相關研究多以始花節(jié)位為考量重點[3，5-6]，目前已基于辣椒突變體發(fā)掘了若干對始花節(jié)位有調控作用的基因，這些基因的功能除了調控辣椒始花節(jié)位，往往還兼具其他功能(比如影響果實大小、參與花形成、影響合軸單元的節(jié)間長短等)，其同源基因在不同物種中功能可能保守，也可能發(fā)生特異性分化甚至作用相反。辣椒種質資源中始花節(jié)位變異豐富，目前，對自然變異中始花節(jié)位多樣性背后調控機制還不清楚，環(huán)境因素如溫度和光照通過怎樣的內源途徑影響始花節(jié)位也未見報道，辣椒開花調控途徑相關研究與模式植物相比嚴重滯后。

今后繼續(xù)運用相關突變體挖掘辣椒始花節(jié)位調控基因，可完善辣椒始花節(jié)位調控網絡；也可通過模式植物中已知的開花基因來預測辣椒中始花節(jié)位調控基因并加以驗證；此外，隨著辣椒全基因組測序的完成[49-50]及測序技術的日益成熟，利用全基因組關聯(lián)分析[51]、QTL-Seq[52]、BSR-seq[53]等方法有利于快速挖掘辣椒中與始花節(jié)位多樣性有關的等位基因，可望更為全面地闡述自然變異中辣椒始花節(jié)位調控的分子機制。