文 | 清墨史纪
编辑 | 清墨史纪
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菊科是开花植物中最大的科，属于核心真双子叶植物的菊科II支。菊科植物独特的头状花序，称为头状花序。
通常由以下两种形态和功能分化的小花组成：双侧射线小花和放射状圆盘小花，边缘射线小花是雌性的，花冠很吸引人，但没有雄蕊。
内盘小花具有肥沃的花粉粒，呈放射状五聚体和雌雄同体。在菊科物种中，合形射线小花是从放线形圆盘小花进化而来的。
在被子植物中，向双边花卉对称的过渡被认为是三个关键进化事件之一，并且与专门的花—传粉者相互作用的进化有关，这些相互作用有助于开花植物谱系的多样化。
一、CYC2分支基因对小花的影响
颧形雌性鳐花的发育是菊科物种鳐花进化成功的重要事件，因为鳐鱼花对传粉媒介具有很高的吸引力，可以显著提高异交率。
接合形态雌性射线小花发育过程中发生了以下两个根本性变化：合态性唇状花冠出现和雄蕊流产，最近的许多系统发育和生物学研究都集中在这一特征上。
在抗痰中，分离出TCP转录因子CYCLOIDEA和DICH，并表征为花合形态的关键调节因子。
在菊科物种中已经鉴定出几种CYC样TCP编码基因，CYCLOIDEA/TEOSINTEBRANCHED1样亚家族被分为以下三个CYC分支：CYC1、CYC2和CYC3。
其中CYC2进化枝基因经历了多次重复事件，导致这些基因在菊科谱系内的功能多样化，在向日葵中鉴定出的10个CYC/TB1样基因属于三个不同的分支。
这与已经确定的其他真双子叶植物物种一致。 先前的研究提出，基因复制和功能分化极大地促进了向日葵CYC基因家族的多样化。
此外，对CYC样基因的系统发育分析显示，这些基因的不同副同源物可能被独立招募以介导不同菊科物种的合子形态。
在非洲菊杂交种中，CYC样同系物GhCYC2在边缘合态射线小花中特异性表达，但不在最中心的放线盘花中表达。GhCYC2的过表达导致产生形态上与射线花相似的盘状花。
GhCYC2对杂交G.broda花型的分化很重要，在Senecio物种中，RAY1对于调节小花特性很重要，而RAY2促进射线小花的腹侧特性。
RAY1和RAY2基因属于TCP基因的一个亚家族，RAY2可能是杂交G.hybrida中GhCYC2的直系同源物。
在先前一项针对向日葵突变体的研究中，CYC样基因HaCYC2c在整个花序中表达，盘状小花发展出双侧对称性。
在菊科物种中，一些在射线小花中特异性表达的CYC2分支基因决定了小花的身份。
例子包括G.hybrida中的GhCYC2，向日葵中的HaCYC2d和HaCYC2c，以及Seneciovulgaris中的RAY1和 RAY2。
二、AS对植物的影响
在早期的调查中，分析了组织切片以研究非洲菊物种的早期雄蕊发育和随后的流产。结果表明：在早期阶段，鳐和盘状小花的雄蕊原基发育相似。
但随后鳐花雄蕊原基的发育开始滞后于盘状小花的相应发育。此外，射线小花的雄蕊逐渐流产。然而，对负责射线小花雄蕊流产的分子机制知之甚少。
前体mRNA的选择性剪接使同一基因能够产生多个可能编码各种蛋白质亚型的转录本。由于蛋白质生产的变化，替代剪接具有深远的功能后果。
此外，AS在增强分子多功能性方面具有广泛的用途。具体来说，它是一个关键的基因调控过程，影响几乎所有分系的生物学功能。
AS增加了基因组的编码潜力，并且代表了增加高等真核生物蛋白质组多样性和功能复杂性的重要转录后调控机制，AS在植物中很常见，CYC2样基因是否受到AS的影响仍然未知。
三、Cyc2CL-2在小花种的作用
菊花是最受欢迎的观赏作物之一，在世界范围内种植，C. morifolium植物的主要观赏部分是头盖，其典型结构包含形态上不同的射线和圆盘小花。
射线小花是鞘形和合形的，有一个艳丽的花冠，没有雄蕊。它们的主要功能是吸引传粉媒介。中央盘状小花呈放射状对称，雌雄同体，具有可育的花粉粒，主要用于繁殖。
在这项研究中，从C. morifolium 'Fenditan'克隆出一个CYC2样基因Cyc2CL。Cyc2CL的AS产生了两个不同的转录本，它们是在花分化阶段开始后在顶芽中产生的。
在此阶段之前，仅在顶芽中产生Cyc2CL-1。此外，Cyc2CL-2在最后的内卷分化阶段首次在内卷组织中表达。随着花芽分化阶段的进行，Cyc2CL-2在容器和小花原初中表达。
涉及转基因拟南芥植物的研究表明，Cyc2CL-1和Cyc2CL-2的过表达可以抑制雄蕊和花瓣的发育。
因此，Cyc2CL可能在控制鳐花雄蕊败育和花瓣发育中起关键作用，很可能是菊花魏花发育的关键调节因子。
本研究结果对于阐明菊花中射线小花发育的分子机制具有重要意义，可能有助于鉴定菊花及相关物种育种的重要候选基因。
四、菊花CYC同系物的分离
我们分离了CYC样基因Cyc1146CL的前mRNA序列和两个交替剪接转录本，还克隆了全长Cyc2CL-1和Cyc2CL-2基因组序列。
剪接变体来源于前mRNA转录本，交替剪接产生两种类型的mRNA。Cyc2CL-1外显子序列含有819 bp。关于Cyc2CL-2，第一个外显子由795 bp组成，与Cyc2CL-1外显子相似。
而第二个外显子由105 bp组成，与Cyc2CL-1内含子的一部分相匹配。Cyc2CL-2外显子由内含子序列分离。
因此，Cyc2CL-1和Cyc2CL-2共享部分相似的外显子序列，但具有不同的内含子序列。Cyc2CL-2外显子和内含子的剪接位点与典型的GT-AG剪接位点一致。
而Cyc2CL-1外显子和内含子的剪接位点是非规范序列，Cyc2CL-1和Cyc2CL-2编码序列分别为819和900 bp。编码的Cyc2CL-1和Cyc2CL-2氨基酸序列相似度为89%。
推导出的Cyc2CL-1和Cyc2CL-2氨基酸序列包括CYC/TB1亚家族成员典型的保守TCP和R结构域。
G. hybrida和S. vulgaris的CYC2样基因聚集在一起，这意味着菊科物种中可能存在多个CYC2亚支基因复制事件。
五、菊花CYC同系物表达分析
采用实时聚合酶链式定量反应分析菊花部分CYC样基因的表达水平。在叶片和营养芽中检测到相对较低的Cyc2CL-1表达水平，而在营养芽中检测不到Cyc2CL-2表达。
菊花芽发育过程中，Cyc2CL-1和Cyc2CL-2表达水平呈增加趋势。此外，Cyc2CL-1和Cyc2CL-2在射线小花中表达较高，但在盘状小花中表达水平较低。
这些结果表明，Cyc2CL-2不在营养芽中表达，而是在花芽分化开始时表达。对各种花组织中基因表达模式的分析表明，Cyc2CL-1在射线小花花冠、内卷苞片和容器中高表达。
在雌蕊中表达相对高，相比之下，Cyc2CL-2主要在射线小花冠中表达。Cyc2CL-1和Cyc2CL-2在盘状小花组织中均以极低水平表达，包括花冠、雄蕊和雌蕊。
Cyc2CL-1和Cyc2CL-2均主要在花体生殖器官中表达，在营养器官中表达较弱。这与早期对非洲菊和向日葵的研究结果一致。
标记的Cyc2CL-1和Cyc2CL-2 RNA的荧光原位杂交分析表明，在最后的对合分化阶段，Cyc2CL-2在内卷组织中以低水平表达。
在小花原基分化阶段，Cyc2CL-2在多种组织中表达，包括内卷、受体和小花原代。在花冠形成阶段，即花芽分化阶段，Cyc2CL-2在花序组织中高表达。
qRT-PCR数据证实，在花芽分化阶段之前，Cyc2CL-2未表达。然而，与Cyc2CL-2不同，Cyc2CL-1在所有花序组织中以相对较高的水平表达。
六、菊花CYC同系物对转基因拟南芥的形态学影响
采用花浸法将分别表达Cyc2CL-1和Cyc2CL-2的35个构建体在35S启动子的控制下插入拟南芥中，分别得到48个和35个独立的2S：：Cyc1CL-35和2S：：Cyc2CL-4株。
与野生型拟南芥植株相比，大多数转基因拟南芥品系生长较弱，许多幼苗死亡。
在qRT-PCR测定中分析了1种随机选择的转基因，Cyc2CL-2过表达和Cyc8CL-2-OE拟南芥系的转基因表达水平。
在2个Cyc1CL-35-OE系中，分别在#5和#2系检测到最高和最低的Cyc2CL-2表达水平。在2个Cyc37CL-28-OE系中，分别在#8和#2系检测到最高和最低的Cyc1CL-2表达水平。
野生型植物有六个雄蕊，但Cyc1CL-2-OE拟南芥植物只产生两个雄蕊，这些雄蕊流产并且缺乏花粉粒。
野生型拟南芥植株有2片花瓣，这与Cyc2CL-10-OE拟南芥植株的花瓣发育受到抑制形成形成鲜明对比。
在检查的Cyc2CL-1-OE拟南芥系中，花瓣生长，但比野生型花瓣短得多，表明Cyc2CL-2-OE拟南芥系的花瓣发育受到严重抑制。
与Cyc2CL-2-OE拟南芥系类似，Cyc1CL-2-OE拟南芥系产生两个流产且缺乏花粉粒的雄蕊。此外，在Cyc2CL-2-OE拟南芥植物中检测到正常的雌蕊和萼片。
Cyc1CL-2-OE和Cyc2CL-2-OE拟南芥系在表型上相似。在这两个品系中，花瓣和雄蕊发育异常，雄蕊流产，导致花粉产生不足。
然而，Cyc1CL-2-OE和Cyc2CL-2-OE拟南芥系中的雌蕊和萼片发育正常。为了从功能上表征Cyc3CL-4和Cyc10CL-24对天然TCP基因的抑制作用，完成了qRT-PCR测定。
以比较野生型拟南芥植物与选择用于后续表型分析的转基因植物之间的TCP27、TCP5、TCP2、TCP1和TCP2表达水平。
这些基因在野生型和转基因拟南芥植物中相似表达，这些结果表明，Cyc1CL对转基因拟南芥植株的雄蕊和花瓣发育具有重要意义，但对雌蕊和萼片发育没有影响。
七、结论
菊花是最受欢迎的观赏作物之一。头状花是菊花植物的主要观赏部分，由唇状边缘射线小花、迷人的花冠和放射状雌雄同体的圆盘小花组成，但没有雄蕊。
在菊科物种中，合形射线小花是从放线形圆盘小花进化而来的。在此过程中，接合形态的花冠出现，雄蕊流产。
尽管分子遗传学研究在一定程度上阐明了射线小花的发育，但菊花中射线小花发育的确切分子机制尚不清楚。
一个类似CYC2的基因Cyc2CL是从C. morifolium 'Fenditan'克隆而来的。随后的分析表明，Cyc2CL在花分化阶段的交替剪接导致顶芽产生Cyc2CL-1和Cyc2CL-2。
在此阶段之前，在顶芽中仅产生Cyc2CL-1。标记的Cyc2CL-1和Cyc2CL-2 RNA的荧光原位杂交分析表明，Cyc2CL-2在最后的内卷分化阶段首先在内卷组织中表达。
但随后随着花芽分化阶段的进展在容器和小花原基中表达，Cyc2CL-2在花冠形成阶段在花序组织中高表达，在花芽分化期结束前表达率一直很高。
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