多组学助力深入探究植物花发育机制

花发育是一个复杂且精细的过程，主要包括成花诱导、花原基形成和花器官发育三个连续的阶段。在成花诱导阶段，植物从营养生长转变为生殖生长，这个过程会受到多种内外因素的调控，如光、温度、激素等。此阶段的重要标志是茎尖分生组织（SAM）的侧翼会向花分生组织（FM）转化。在花原基形成阶段，FM获得决定性分化成为花原基。最后在花器官发育阶段，花原基逐步发育成为形态和功能各异，且按规则排布的花器官。

图1 花发育机制研究近5年文章发表数量（来源于PubMed）

研究方向

（1）成花诱导[1]

植物经过一定周期的营养生长，当其自身条件满足成花时，在外界因素和植物自身因素共同调控下，由营养生长转变为生殖生长。目前，研究比较深入的开花途径包括光周期途径、春化途径、赤霉素途径、自主途径和年龄途径。这些成花途径既相互独立又彼此联系，共同作用于关键的开花因子，调控花芽的形成和开花时间。

（2）花器官的原基形成和发育[2]

从孟德尔遗传定律建立以来，花器官的形成和发育始终是植物发育遗传学研究中的热点问题。随着花器官发育研究的深入，花发育基因的陆续发现，花器官发育模型经过不断的完善，从最初的ABC模型扩展为 ABCDE 模型和四聚体模型（图2）。在此模型中，A 和 E 类基因共同调控萼片发育，A、B 和 E 类基因共同调控花瓣发育，B、C 和 E 类基因调控雄蕊发育，心皮由 C、E 类基因调控，胚珠则由 B、C、E 类共同控制。

图2 拟南芥花发育ABCDE模型

（3）转录因子[2]

转录因子在花发育过程中起着重要调控作用。其中，MADS-box基因家族研究的最为深入，该家族中的AP1/FUL（A）、AP3/PI（B）、AG/STK（C/D）和SEP（E）亚家族基因组成了ABCDE模型。MADS-box基因参与调控花形和花色等方面。例如，SVP和AGL24-like基因在杜鹃红山茶的花器官发育过程中显示出特异的表达模式。另外，WRKY、ERF、bHLH、MYB等转录因子基因家族也在花发育过程中发挥重要调控作用。

（4）植物激素[3-4]

植物激素在花的生长发育过程中起着重要的调控作用。这些激素包括生长素、赤霉素、细胞分裂素、细胞分化素、乙烯和脱落酸等。例如，生长素参与了花的生长和发育的多个过程。此外，其他激素如赤霉素、细胞分裂素等也在花的发育过程中起着重要作用。这些激素可以影响花器官细胞的分裂和分化，从而影响花器官的形成和发育。除了调控花卉的生长发育外，植物激素还可以影响开花时间。例如，乙烯可以促进开花，而脱落酸可以延迟开花时间。

除了转录因子和激素，其他因素如环境条件、基因互作等也对花发育有影响。例如，温度、光照和土壤营养条件可以影响花的形成和发育。

总之，花发育的分子机制是一个复杂的过程，涉及多个基因和因子的相互作用。对这一过程的研究有助于深入理解植物的生殖发育过程，并为植物育种提供新的思路。

研究案例

（一）转录+代谢[5]

基于转录组和代谢组揭示广藿香花发育调控基因网络

文章题目：An integrated transcriptome and metabolome analysis reveals the gene network regulating flower development in Pogostemon cablin

发表期刊：Frontier in plant science（IF=5.6）

发表时间：2023.6

材料处理：采集7月龄植物4个不同花期，包括花序分生组织期（F1）、花蕾期（F2）、盛花期（F3）和枯花期（F4），每个花期采集3个重复，总计12份样品，一半样品保存在-80°C用于RNA提取，其余样品冷冻干燥用于化学成分鉴定。

实验设计

（1）转录组测序：选择4个时期花组织，每个时期3个生物学重复，总计12个样本进行转录组测序分析；

（2）结合广藿香基因组数据，鉴定MAD-box基因并构建系统发育树；

（3）代谢组检测：取样与转录组测序样品来源一致，对12个样本进行代谢组检测分析；

（4）联合转录组和代谢组进行相关性分析，构建基因和代谢物网络图。

研究概述

该研究对4个时期花组织进行转录组测序（图 3A），通过差异基因（DEGs）筛选，以及GO和KEGG富集分析，结果显示广藿香花发育伴随着萜类化合物和花青素的生物合成，并且生长素可能对F2、F3时期的花发育具有重要作用。因此作者进一步分析萜类化合物的合成途径相关基因表达，结果显示广藿香主要香味成分——广藿香醇的一个合成酶（PTS）基因PTS_1-3显著表达。此外，16个GA基因存在显著的差异表达，推测GA信号参与广藿香的花发育。

此外，作者根据开花途径对与花发育相关的DEGs进行划分，以及基于广藿香的基因组数据鉴定MADS-box基因家族成员（图3B）。基于转录组数据分析这些基因的表达水平，并选择关键基因进行RT-qPCR表达验证。结果显示，MIKC型MADS-box和年龄途径SPL基因可能参与了广藿香花器官形成的各个阶段。

为进一步明确花发育相关基因可能参与的调控网络，作者选取生长素、GA、MIKC-MADS 和衰老相关DEGs 进行了共表达分析，结果表明赤霉素、生长素和衰老途径可能形成一个交叉网络，共同调控广藿香花的发育。

随后，作者根据代谢组的差异代谢物分析，发现黄酮和黄酮醇生物合成以及叶绿素代谢途径与广藿香花色形成关系密切，主要差异代谢物的积累与广藿香的花发育阶段密切相关。最后作者将代谢组和转录组进行了关联分析，探究了与花发育相关代谢途径的DEGs和DAMs的相关性。综合上述分析，作者构建了广藿香的花发育调控网络（图3C）。

图3 广藿香的花发育动态及花发育相关基因和调控网络

（二）基因+转录+代谢[6]

多组学数据综合分析揭示了康乃馨主要观赏性状的形成机制

文章题目：Integrated multi-omic data and analyses reveal the pathways underlying key ornamental traits in carnation flowers

发表期刊：Plant Biotechnology Journal（IF=13.8）

发表时间：2022.5

材料处理：以康乃馨“Scalet Queen”和“Lorca”为实验对象。采集“Scalet Queen”的幼嫩叶片用于基因组测序。“Lorca”花发育的不同阶段（S1~S7）以及红色和黄色边缘着色组织用于转录组测序。收集“Lorca”的S3、S4和S6的花瓣用于代谢组分析。

实验设计

（1）组装和注释高质量染色体级别的康乃馨基因组，构建系统发育树和估算植物分化时间。

（2）选择S3、S4和S6阶段的红色和黄色花瓣，使用LC-MS检测代谢物，明确花瓣色素的主要成分。

（3）S1~S7阶段的花组织进行转录组测序，进行差异基因分析、基因家族鉴定、GO富集分析以及WGCNA分析明确花瓣花色形成的分子机理。

（4）使用GC-MS测定康乃馨的香味成分，基于基因组和转录组数据鉴定参与花香调控的关键基因。

（5）基于康乃馨S1~S7阶段的转录组数据和基因组数据，进行MADS-box基因家族鉴定、关键基因qRT-PCR表达水平验证、并通过转基因功能验证完善康乃馨的花发育模型，揭示康乃馨重瓣花的形成机制。

研究概述

为充分解析康乃馨的关键观赏性状，作者组装和注释了高质量康乃馨基因组，结果显示康乃馨的基因组大小约为640Mb，Ks、4dTv值和物种间共线性的结果表明，康乃馨可能在藜科分化后发生了全基因组三倍化事件。

随后该研究从红色边缘和黄色边缘花瓣组织中取样进行代谢物测定（LC-MS），揭示花瓣花色的时空差异。结果显示花青素是花瓣边缘呈红色的主要化合物，而叶黄素和类黄酮化合物的积累在花瓣颜色从白绿色转变到黄绿色这一过程中发挥重要作用（图4c）。

为进一步明确色素形成的分子机理，该研究对7个发育阶段的康乃馨花瓣进行转录组测序（图4a），重点关注花青素生物合成途径相关基因的表达，基于前人研究推测了康乃馨色素生物合成途径（图 5）。为鉴定花瓣边缘红色着色的关键基因，作者进行差异表达基因分析，共鉴定到9个与红边着色有关的基因。基于9个候选基因，作者进行WGCNA分析，结果显示MYBs、bHLHs和WRKY44等转录因子参与了花青素的合成。

GC-MS分析结果显示丁香酚是康乃馨香味的主要活性成分。为明确丁香酚的生物合成途径，作者基于基因组和转录组数据，鉴定出34个与丁香酚生物合成相关的基因（图4b）。

为明确花发育模型，作者基于模式物种拟南芥MADS-box基因家族，在康乃馨的全基因组中鉴定同源基因，并构建MADS-box基因家族系统发育进化树。通过转录组比较不同组织的基因表达水平，将花瓣从外到内分为四轮（图4d），并通过RT-qPCR检测ABC模型基因在每轮花瓣中的表达水平，构建康乃馨的花发育模型（图 4e）。最后选择花瓣的决定基因：B类DcaPI2进行功能验证。以上结果表明，A/C类基因表达的边界滑动（A基因向内滑动，C基因向外滑动）并逐渐消失，导致花瓣和雄蕊之间的边界融合。

综合上述，该研究组装并注释了染色体级别的康乃馨基因组，这为研究其进化和亲缘关系奠定了基础。其次利用不同发育阶段、不同部位组织进行代谢组分析，探讨了色素和挥发性化合物积累的时空差异。最后，基于基因组和转录组鉴定了调控观赏性状（花色、花形和花香）形成机制中的关键基因。该研究为开展康乃馨重要观赏性状的调控和遗传改良提供了理论参考。

图4 不同发育阶段的康乃馨及其花发育模型

图5色素的生物合成途径。a：花青素和黄酮醇的合成途径；b：叶黄素和胡萝卜素的合成途径。

（三）基因+转录+代谢[7]

槟榔的基因组为雌雄同株植物的性别决定提供见解

文章题目：The genome of Areca catechu provides insights into sex determination of monoecious plants

发表期刊：New Phytologist（IF = 9.4）

发表时间：2022.9

材料处理 ：以海南大学校园自然生长的槟榔为研究对象，采集槟榔的嫩叶进行基因组测序，不同发育阶段的根、嫩叶、果皮和胚乳转录组测序数据辅助基因组注释。选择雌、雄花器官、雌雄花进行转录组测序，同时用雌花和雄花进行ATAC测序和代谢组检测。

实验设计

（1）组装和注释高质量染色体级别的槟榔基因组。

（2）选择雌花和雄花进行转录组测序、ATAC-seq和代谢物的检测，结合三者数据进行差异表达分析和KEGG富集分析。

（3）选择P1+P2、P3、P4共3个部分进行转录组测序，选择P1、P2、P3和P4共4个部分进行代谢物的检测，进行差异表达基因分析、KEGG富集分析和各部位激素含量测定。

（4）采集异常花序（HF）和正常花序进行转录组测序和代谢物检测，进行差异表达基因和差异代谢物比较分析。

（5）基于全基因组和转录组数据，鉴定影响性别偏倚的相关基因，选择关键基因转入拟南芥进行功能验证。选择8个物种的单拷贝基因构建系统发育树，明确性别相关区域在染色体上的位置。

研究概述

槟榔是雌雄同株物种，雌、雄花生长在同一个花序上，雄花（MF）在顶端，雌花（FF）在基部，其交错的开花时间和分离的空间位置避免了自花授粉，提高了遗传多样性和环境适应性，因此被认为是研究性别分化的典型植物（图 6A）。作者首先利用PacBio测序平台组装、注释了高质量的槟榔基因组。

为探究表观遗传改变在雌花和雄花发育中的作用，作者用ATAC-seq检测了雌花和雄花染色质的可及性区域（ACR），结果显示在雌花和雄花中，ACR的基因的表达水平都显著高于没有ACR的基因。KEGG富集分析显示，大部分的ACR基因被显著注释到植物激素信号转导通路，这表明雄花和雌花中广泛的染色质可及性分布有助于调控雌花和雄花发育过程中激素信号相关基因的表达。

进一步将ATAC-seq数据与转录组数据结合，探究在槟榔花性别分化过程涉及通路的核心基因，并对这些基因进行KEGG富集分析。结果显示，雌花特异的可及性性别偏倚基因（FSSEGs）在亚麻酸代谢途径中显著富集，这些途径涉及茉莉酸（JA）的生物合成。因此作者探究了茉莉酸生物合成与信号转导途径和染色质可及性之间可能的联系。结果显示，与MF相比，几个亚麻酸代谢和茉莉酸信号转导相关的基因在FF中显示出特定的染色质可及性和高水平的表达。

进一步探索茉莉酸在花序不同部位的极性分布，作者选取3个花不同部位进行转录组测序（图 6B）。筛选差异表达基因并进行KEGG富集分析，结果显示多数高表达差异基因在植物激素信号转导途径中显著富集。此外，作者还在激素相关的差异基因启动子中找到与花器官身份确定基因MADS的结合位点——GArG-box DNA结合基序。选择高表达的转录因子进行蛋白互作网络分析，发现CYP703A2、MS1和MYB80可能与AcAMS相互作用，进而调节雌花和雄花的性别分化。

为探究植物激素含量和雌、雄花分布的关系，继续检测同一花序在早期发育阶段不同位置各种内源植物激素的含量，结果显示P4中茉莉酮酸（JA）和茉莉酮酰-异亮氨酸（JA-Ile）浓度较高。

与正常花序相比，野外采集的异常槟榔花序，原本产生雄花的部位变为雌雄同体花（HF），并且激素定量结果显示HF的茉莉酸浓度显著高于MF（图6C）。转录组定量结果显示，茉莉酸生物合成和信号转导相关基因在HF异常花序部位高表达，而花发育相关的B类基因显著低表达，表明B类基因表达受到茉莉酸积累的影响。

差异表达分析结果显示1876个偏向雌花表达，1824个偏向雄花表达，其中5个MADS-box基因偏向雄花表达，1个偏向雌花表达，B类AcAP3在MFs中表达水平最高。在拟南芥中过表达AcAP3，拟南芥表现花瓣数量增加。

图6 槟榔的雌、雄花及异常花序

本研究结合基因组学、转录组学和代谢组学等多组学，筛选到参与槟榔花性别决定的候选基因。在雌花中，JA相关基因的特异性可及性区域为转录因子提供结合位点，促进JA合成相关基因表达，JA含量增加；而在雄花中相关区域的低可及性，导致基因低表达，JA含量下降。JA含量影响性别决定B类基因的表达进而影响雌雄花的分化。综上所述，本研究明确了雌雄同株的棕榈科植物花的性别决定分子机制。

研究总结

花是被子植物重要的繁殖器官，花的发育过程和性别决定长期以来一直是研究热点。此外花的重要观赏性状，例如花形、花色和花香等，始终是植物育种的重要衡量指标。目前基因组、转录组和代谢组等分子生物学手段广泛用于花发育的研究。相较于单一组学，利用多组学关联分析，将基因、转录、代谢三个层面进行关联，可以更加深入解析植物花发育的分子机理，为植物的性状改良和育种提供宝贵资料。

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[5] Zhang C, Liu X, Liu Y, Yu J, Yao G, Yang H, Yang D, Wu Y. An integrated transcriptome and metabolome analysis reveals the gene network regulating flower development in Pogostemon cablin. Front Plant Sci. 2023 Jun 29;14:1201486.

[6] Zhang X, Lin S, Peng D, Wu Q, Liao X, Xiang K, Wang Z, Tembrock LR, Bendahmane M, Bao M, Wu Z, Fu X. Integrated multi-omic data and analyses reveal the pathways underlying key ornamental traits in carnation flowers. Plant Biotechnol J. 2022 Jun;20(6):1182-1196.

[7] Zhou G, Yin H, Chen F, Wang Y, Gao Q, Yang F, He C, Zhang L, Wan Y. The genome of Areca catechu provides insights into sex determination of monoecious plants. New Phytol. 2022 Dec;236(6):2327-2343.