PNAS | 南京农业大学陈发棣团队揭示生长素调控菊花舌状花发育新机制

合瓣花（花瓣融合成花冠筒）是被子植物中一个重要的形态创新，尤其在菊类植物中普遍存在。根据发育方式的不同，合瓣花可分为晚期合瓣（花瓣原基独立起始，后期再融合）和早期合瓣（花瓣原基直接由环状原基共同发育而来）。菊科植物是典型的早期合瓣花类群，其头状花序由边缘的舌状花和中央的管状花构成，其中舌状花的花冠筒融合程度在不同品种间呈现丰富的连续变异（从平到匙、再到管瓣），这为研究早期合瓣花的发育机制提供了理想模型。然而，与晚期合瓣花中已报道的NAM、WOX1等调控基因不同，早期合瓣花冠筒形成的遗传基础长期以来是一个“黑匣子”。菊花的栽培种多为高度杂合的多倍体，传统遗传学手段难以精确定位关键基因。

近日，南京农业大学园艺学院陈发棣教授团队在PNAS上在线发表了题为An auxin-induced transcriptional cascade CmBES1-CmSAUR66 orchestrates the ray floret development inChrysanthemum morifolium的研究论文，揭示了生长素调控菊花舌状花发育的新机制。

为了破解这一难题，研究团队利用200份切花菊种质资源进行了全基因组关联分析（GWAS），结合不同花型（平瓣与管瓣）的转录组比较，成功鉴定到一个与花冠筒融合程度显著关联的候选基因——CmSAUR66。该基因编码一个典型的早期生长素响应蛋白（SAUR家族），在平瓣品种中的表达量显著高于管瓣品种。系统发育分析表明，它与拟南芥的AtSAUR66亲缘最近，因此得名。

图1 全基因组关联分析鉴定CmSAUR66为菊花舌状花形态调控候选基因

通过amiR沉默载体稳定转化菊花品种‘神马’，研究团队发现：在CmSAUR66表达量下降49%~69%的转基因株系中，舌状花的花冠筒融合程度显著增加。更为关键的是，扫描电镜观察显示，在野生型中本应早期停止伸长的背侧花瓣原基，在CmSAUR66沉默株系中持续发育，与腹侧花瓣同步伸长，最终形成管状花。这表明CmSAUR66是花冠筒融合的负调控因子，其功能是通过特异性抑制背侧花瓣的伸长来实现的。

图2 CmSAUR66通过抑制背瓣发育负调控舌状花花冠筒融合

那么，CmSAUR66如何实现对背侧花瓣伸长的抑制？研究团队将目光投向了已知的背腹极性基因CmCYC2c（一个TCP转录因子）。RNA原位杂交结果显示：在野生型菊花中，CmCYC2c在发育早期（Ⅲ期）于背侧和腹侧花瓣原基中均有表达，但随着发育推进（Ⅳ-Ⅴ期），其在背侧花瓣中的表达逐渐减弱，仅保留在腹侧；而在CmSAUR66沉默株系中，CmCYC2c在背侧和腹侧花瓣中均持续高表达。RT-qPCR也证实，CmSAUR66沉默后CmCYC2c的转录水平显著上调。为了验证二者的遗传关系，团队在CmSAUR66沉默背景下利用病毒诱导的基因沉默技术瞬时沉默CmCYC2c。结果显示，同时沉默两个基因后，增强的冠管融合表型得到部分恢复。这说明CmSAUR66主要通过抑制背侧花瓣中CmCYC2c的表达来限制其伸长，从而维持平瓣形态。

图3 CmSAU66通过CmCYC2c调控花瓣背腹不对称性

既然CmSAUR66是一个早期生长素响应基因，生长素信号必然参与其中。研究团队首先用10 μM IAA处理菊花花序，发现CmSAUR66的转录在2分钟内迅速诱导，30分钟达到峰值——这是典型的早期响应模式。然而，当进行持续每天喷施生长素直至开花时，意想不到的现象出现了：虽然外源生长素显著促进了野生型舌状花冠筒融合，但CmSAUR66的表达反而被抑制了。这一矛盾暗示存在一个“二次响应”因子：在持续生长素处理下，上游某个转录因子被激活，进而抑制了CmSAUR66的转录。

图4 生长素介导CmSAUR66调控菊花舌状花花冠筒融合

通过酵母单杂交文库筛选，团队发现核心BR信号转录因子CmBES1能够直接结合CmSAUR66的启动子。ChIP-qPCR、EMSA和双荧光素酶报告实验进一步证实：CmBES1蛋白特异性识别CmSAUR66启动子上的E-box元件（CATGTG），并抑制其转录活性。在过表达CmBES1的转基因菊花中，CmSAUR66的表达量显著下降。重要的是，持续生长素处理能够显著诱导CmBES1的表达（而非瞬时诱导）。这完美解释了上述矛盾：短期生长素处理直接诱导CmSAUR66，而长期处理则通过诱导CmBES1反过来抑制CmSAUR66。

为了确立二者的遗传关系，团队在CmBES1过表达植株中利用TRV病毒瞬时过表达CmSAUR66。结果显示：仅过表达CmBES1会导致管瓣化，而同时过表达CmSAUR66则显著挽救了该表型，接近于野生型水平。这表明CmSAUR66在遗传上位于CmBES1的下游，且二者对花冠筒融合的调控具有上位性。

图5 CmSAUR66作用于CmBES1下游调控花冠筒融合

综合以上发现，研究团队提出了如下工作模型：在菊花舌状花发育过程中，相对较高的生长素水平诱导CmBES1表达，CmBES1直接抑制CmSAUR66转录，从而解除对背侧花瓣中CmCYC2c的抑制，促使背腹两侧花瓣同步伸长，形成管瓣；相反，低生长素水平下CmBES1表达降低，CmSAUR66去抑制，限制CmCYC2c在背侧的表达，形成平瓣。有趣的是，CmSAUR66的启动子同时含有E-box（BR响应）和AuxRE（生长素响应）元件，这暗示它可能是一个整合生长素和油菜素内酯（BR）两大激素信号的枢纽基因。

图6 生长素通过CmBES1-CmSAUR66模块调控舌状花发育的工作模型

该研究不仅填补了早期合瓣花冠筒形成的遗传机制空白，更为菊花花型的精准设计育种提供了关键靶点。团队已在多种菊花品种中验证了CmSAUR66表达水平与花型之间的相关性，未来可通过基因编辑或分子标记辅助选择，定向培育不同花型的菊花新品种，满足切花、盆栽和园林绿化等多样化市场需求。

南京农业大学园艺学院博士研究生贾棣文为论文共同第一作者，丁莲副教授和陈发棣教授为共同通讯作者。蒋甲福教授、陈素梅教授、苏江硕副教授等团队成员共同参与了研究工作。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家现代农业产业技术体系、江苏省种业振兴“揭榜挂帅”项目及中央高校基本科研业务费专项资金等资助。

论文链接：

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