玉米顶端分生组织发育的研究进展_史勇.pdf

分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 3 期，第 896-905 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.3,896-905基金项目：本研究由国家自然科学基金委员会青年基金项目(No.31701268)、国家自然科学基金面上项目(No.31671770)和河南农业大学科研启动项目共同资助引用格式：Shi Y.,Dong Y.B.,Wang C.,and Jin W.H.,2023,Research advances in development of SAM in maize,Fenzi ZhiwuYuzhong(Molecular Plant Breeding),21(3):896-905.(史勇,董永彬,王晨,金维环,2023,玉米顶端分生组织发育的研究进展,分子植物育种,21(3):896-905.)评述与展望Review and Progress玉米顶端分生组织发育的研究进展史勇1董永彬1王晨1金维环2*1 河南农业大学农学院,省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室,郑州,450046;2 河南农业大学生命科学学院,郑州,450002*通信作者,摘要玉米是世界上单产最高也是最重要的禾谷类作物之一，近几十年内对其产量需求不断增加，而提高产量需要对其生长发育过程进行调控。SAM 的发育，特别是其内干细胞的发育是植物后胚胎发育阶段新生组织和器官形成和发育的基础，并且诱导特定 SAM 发育相关基因的表达可以影响玉米籽粒的产量。所以，对SAM 发育的调节机制进行研究不仅可以进一步加深对基本的生物学过程的了解，而且对玉米产量性状的改良有重要意义。本研究在介绍了 SAM 的结构以及调控其发育的 CLV-WUS 模型的基础上，对玉米 SAM 发育的调控机制、影响其发育的基因和激素对其发育的影响等方面进行了综述，总结了现阶段存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望。关键词玉米;拟南芥;分生组织;CLV-WUS;调节机制Research Advances in Development of SAM in MaizeShi Yong1DongYongbin1WangChen1Jin Weihuan2*1 National Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science,College of Agronomy,Henan Agricultural University,Zhengzhou,450046;2 College ofLife Sciences of Henan Agricultural University,Zhengzhou,450002*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.000896AbstractMaize is one of the most important cereal crops with the highest per unit area yield in the world.Thedemand for corn kernel yield will continue to increase in recent decades,this can be achieved by regulating theprocess of growth and development of maize.The development of SAM,especially its internal stem cells,is thebasis for the formation and development of new tissues and organs during the post-embryonic development ofplants.More importantly,expression of specific genes relate to SAM development can affect the grain yield ofmaize.Therefore,the study on the regulation mechanism of SAM development could not only further deepen theunderstanding of the basic biological process but also of great significance to the improvement of maize yield traits.In this study,the structure of SAM and the CLV-WUS model regulating SAM development were introduced;Themechanism of SAM development regulation,genes affecting SAM development and the effects of hormones onSAM development in maize were reviewed;finally,existing problems in research of SAM development regulationwere summarized,and the future research direction was prospected.KeywordsMaize;Arabidopsis thaliana;SAM;CLV-WUS;Regulatory mechanism玉米是 C4植物，光合速率比水稻、小麦等 C3植物高，而且其株型在作物中最为理想，加上杂种优势的利用和用途的广泛性，使之位列世界上单产最高和最重要的禾谷类作物之一。到 2050 年，全球范围内谷物产量预计增加 56%才能满足社会需求，而其中 45%的增量来自于玉米。中国是仅次于美国的第二大玉米生产国，同时也是玉米消费大国。2019 年中国玉米种植面积 4.12107hm2，占全国耕地面积(1.35108hm2)的 30.6%，总产量达 2.611011kg，居粮食作物之首(中华人民共和国统计局,http:/www.sta- andSabatini,2014)。例如，玉米的芽顶端分生组织(SAM)在授粉 7 d 后的胚胎建成时期形成，在种子成熟前已形成大约 5 片叶，随后胚进入休眠状态(Evans et al.,1994)。在种子萌发时，SAM 的代谢活动再次变得活跃，在营养体 SAM 向花序分生组织(IM)转换之前不断形成新叶片，期间产生的腋芽原基产生分蘖和雌花序(Wu et al.,2018)。因此，顶端分生组织的发育与玉米的器官形成和发育紧密相关，对其发育过程进行调节对改良玉米的产量性状意义重大。玉米在一万年前就开始经历人类的选择(Doeb-ley,2004)，其中一个受选择的性状便是更大的果穗，这与更大的分生组织相关联(Bommert et al.,2013a)。因此，调节分生组织发育的基因，特别是引起分生组织增大的基因就成了被选择的对象，所以玉米分生组织发育的调节比在拟南芥中更容易受到影响，加上不同种质的遗传多样性，使玉米基因组成为研究分生组织发育的重要模式体系。研究 SAM 发育调节的机制不仅能进一步加深我们对基本的生物学过程的了解，而且它在农业上具有潜在的利用价值。例如，诱导番茄 CLV3 基因的启动子序列发生突变可以提高产量(Rodrguez-Leal et al.,2017)；玉米 FEA2 和FEA3 的弱表达突变体籽粒产量增加(Bommert et al.,2013a;Je et al.,2016)。1 SAM的结构及调控其发育的CLV-WUS模型干细胞位于 SAM内，是植物后胚胎发育阶段新生组织和器官形成和发育的基础(Somssich et al.,2016)。依据功能、细胞学特性和基因表达谱的差异，可以将SAM 划分为不同的区域(层)，而不同植物的 SAM 可划分的区域数目又有差异。例如，拟南芥和玉米的SAM可分别划分为 3 层和 2 层(Abbe et al.,1951;Steffen-sen,1968)。SAM 顶部的区域称为中央区域(CZ)，是分裂缓慢的干细胞存在的部位。拟南芥 CZ 区域的干细胞又可划分为 3 个不同的胚性细胞层，由外向内分别为 L1、L2 和 L3，每层含有 13 个干细胞(Mayeret al.,1998)。一般来说，L1 层形成表皮组织，L2 层形成大部分的皮下组织和生殖细胞，L3 形成芽的其他内部组织(Somssich et al.,2016)。干细胞分裂产生的子代细胞进入环绕在 CZ 的周围的周缘区域(PZ)，该区域具有转移增殖的干细胞和接收分化信号的能力，细胞分裂速度快，最终在 SAM 侧部形成腋分生组织原基或叶片(Mayer et al.,1998;Wu et al.,2018)。CZ 下方是 Rib 区域(RZ)，该区域通过细胞分裂最终形成茎。后来，在 CZ 和 RZ 之间发现了一个被称作组织中心(OC)的区域，它参与不同区域间的信息传递和干细胞维持(Holt et al.,2014)。干细胞在 SAM 的发育过程中发挥核心作用，抑制其功能会引起植株的生长畸形或停滞。反之，则会引起分生组织增大，呈现分枝状的茎或扁化花序。分生组织在植物的一生都保持活性，这要求干细胞数量在再生(分裂)和消耗(分化)之间保持平衡。干细胞产生的新细胞用于器官形成或自我更新。这两个功能失调会引起分生组织增大或消耗，因此干细胞数量的维持需要精确的调节体系。CLV-WUS(CLAVATA-WUSCHEL)反馈调节环具有协调干细胞增殖和分化的功能，是拟南芥分生组织不同区域信息传递的主要途径(Somssich et al.,2016)。该途径依赖在不同区域表达的受体，配基肽段和相关转录因子进行信息传递，形成具有自我调节的负反馈调节环。CLV3 是 CLAVATA3/EMBRYO SURROUN-DING REGION(ESR)CLE 肽段家族中研究最早的成员，该家族的成员与玉米胚周围发育中的胚乳中的ESR 在序列上具有很高的相似性(Clark et al.,1995;Opsahl-Ferstad et al.,1997)。拟南芥中表达的 CLE 成员有 24 个，它们都含有保守的 CLE-box 结构域，参与 SAM、根尖分生组织(RAM)和维管形成层中干细胞的维持(Cock and McCormick,2001;Casamitjana-Martnez et al.,2003;Ito et al.,2006;Stahl et al.,2009)。CLV3 在干细胞中以前体肽段的形式存在，经加工后分泌到细胞外部并通过胞外基质的扩散作用进行运输(Fletcher et al.,1999;Rojo et al.,2002;Wu et al.,2018)。OC 区域通过膜定位的 RLKs(Receptor-like玉米顶端分生组织发育的研究进展Research Advances in Development of SAM in Maize897分子植物育种Molecular Plant Breedingkinases)，RLPs(Receptor-like proteins)和 RLCKs(Re-ceptor-like cytoplasmic kinases)接收 CLV3(Brand etal.,2000;Schoof et al.,2000;Hobe et al.,2003;Fiers etal.,2005;Mller et al.,2008)。作为 CLV3 的重要受体蛋白，CLV1(RLKCLAVATA1)在 CZ 区域表达，编码一个包含一个 RD(Receptor domain)、一个 LRRs(Leucine-rich repeats)、一个 TMD(Transmembranedomain)和一个 KD(Intracellular serine/threonine ki-nase domain)的 RLK 蛋白(Clark et al.,1997)。CLV1与CLV2 互作形成复合体接收 CLV3(Clark et al.,1997;Jeong et al.,1999)，其突变体植株 SAM 增大。CLV2包含一个 RD 和一个 TMD，但是不包含 KD(Jeonget al.,1999)，尽管它与 CLV1 以复合体的形式发挥作用，但是只有 clv1/clv2 双突变体表型的严重程度才与 clv3 相似，表明两者功能部分冗余(Kayes andClark,1998;Jeongetal.,1999)。CRN也是一个与 CLV3接收相关的 RLK 蛋白，包含一个 TMD 和一个无活性的 KD，但是不包含 RD，它通过 TMD 与 CLV2 互作形成具有完整功能的受体激酶复合体，构成了CLV3 信号传递的第二条途径(Winter et al.,2007;Mller et al.,2008;Bleckmann et al.,2010)。蛋白互作对受体功能和信号转导具有重要作用。例如，CLV2-CRN 异源二聚体的形成是它们从内质网定位到细胞膜的必备条件，CLV1 也以同源二聚体的形式完成到细胞膜的运输(Bleckmann et al.,2010)。另外。CLV1 作为 CLV3 受体的功能可能还需要其他蛋白因子参与(Wu et al.,2018)。一旦定位到细胞膜上，CLV1 复合体就可以结合 CLV3 肽段。尽管CLV2 在某些特定条件下可能也具有结合 CLV3 的能力，但是通常这种结合并无特异性(Guo et al.,2010;Shinohara and Matsubayashi,2015)。CLV3 的结合引起 CLV1 激酶活性的自激活，但是与 CLV3 的结合并不能使 CLV2 表现出任何自我磷酸化激活的能力(Stone et al.,1998;Nimchuk et al.,2011)。这间接表明CLV2-CRN 需借助其他蛋白因子行使其作为 CLV3受体和信号传导的功能。在接收 CLV3 信号后，CLV作为信号传导途径的功能必须下调以避免对 WUS功能的过度抑制。有证据表明在接收 CLV3 肽段后，CLV1、CLV2 和 CRN 在细胞膜的微小区域形成异源多聚体，从而功能受到限制(Somssich et al.,2015)。WUS 是同源异型域转录因子，在 OC 中表达并通过胞间连丝运输，其作用是维持干细胞特性(Schoofetal.,2000)。WUS促进 CLV3 的表达，而 CLV3 则抑制WUS 的表达(Brand et al.,2000;Schoof et al.,2000)，这种反馈调节便于维持干细胞的数量和 OC 区域的体积，在 CLV3 表达量提升 10 倍的情况下仍然能维持 SAM 的大小。CLV3 活性的增加导致 WUS 表达量的快速下调，并引起该体系对新的 CLV3 信号失去反应能力并造成 CLV3 的表达量下降(Mller et al.,2006)。另外，CLV3 和 WUS 的空间表达模式以及它们的运输在 CLV-WUS 反馈环中起重要作用。CLV1只在 CZ 区域下部区域表达，环绕 WUS 表达区域，CLV2 和 CRN 在整个 SAM 中都有表达，所以CLV2-CRN 途径还可能参与 PZ 到 CZ 的信号转导(Mlleret al.,2008)。除上述受体外，还有其他 RLKs 影响分生组织的大小，或者在 clv 突变体中发挥作用。例如；BAM(BARELY ANY MERISTEM(BAM)、PRK2(RECE-PTOR-LIKE PROTEIN KINASE2)、RRECTA、ACR4(ARABIDOPSIS CRINKLY 4)等，说明有多个受体参与对 CLV3 信号的接收和传导的精细调节(Somssichet al.,2016)。2玉米SAM发育的调控机制CLV-WUS途径在玉米SAM中具有保守性(图1)。WUS 在玉米中有 2 个同源基因：ZmWUS1 和 Zm-WUS2，它们在营养体 SAM 中的表达量很低(Nard-mannandWerr,2006)，但是在花序分生组织 OC 中的表达量很高(Jeetal.,2016)。ZmCLE7(CLAVATA3/EM-BRYOSURROUNDING REGION-RELATED7)和 ZmC-LE14 是 CLV3 在玉米中的候选同源基因，外 Zm-CLE7 和 ZmCLE14 的肽段引起玉米 SAM大小发生变化(Je et al.,2016)。TD1(THICK TASSEL DWARF1)是CLV1 的同源基因，其突变体表现出过度增生的 IM，与 fea2 突变体类似(Bommert et al.,2005)。拟南芥LRRRLKs 蛋白 BAMs(BARELY ANY MERISTEMs)与 CLV1 功能冗余，但目前尚不清楚其在玉米中是否有相关的同源蛋白。TD1 的表达模式与 BAMs 类似，在营养体 SAM 的周缘区域和叶原基中高度表达，在 CZ 区域不表达(Divart et al.,2003;Nimchuket al.,2015)，其在分生组织发育调节过程的机制尚需进一步研究。FEA2(FASCIATED EAR2)编码一个LRRRLP 蛋白，是 CLV2 的同源基因。fea2 突变体表现出增大的营养体 SAM 和 IM(Taguchi-Shiobara etal.,2001)。ZmCRN 是 CRN 在玉米中的同源蛋白，位于 FEA2 的下游。FEA2 通过分别与 CT2(COMPACTPLANT2)和 ZMCRN 互作传递来自于 ZmCLE7 和ZmFCP1 的信号(Je et al.,2018)。这代表了 LRR-RLPs898信号传导的一个新机制，即相关受体通过与不同下游组分的互作传递来自上游肽段的信号，但是该信号传导的机制尚待研究。作为一个 LRR-RLP，FEA2并没有胞内信号转导结构域，其突变体对多个不同的 CLE 肽段无反应能力，所以它很可能与其他的LRR-RLK 受体互作发挥功能。与此类似，CLV2 本身不能直接结合 CLE 肽段(Shinohara and Matsubayashi,2015)。所以，目前亟待解决的问题是识别与 FEA2 互作并结合 CLE 肽段的蛋白。玉米异源三聚体 G 蛋白 亚单位 CT2 可以与 FEA2 互作形成复合体，且其突变体植株雌穗扁化，SAM 增大，失去对 CLV3 肽段的反应能力，说明该蛋白参与 CLV 信号传递，同时也表明异源三聚体 G 蛋白参与玉米分生组织发育的调节(Bommert et al.,2013a)，这与拟南芥异源三聚体G 蛋白参与调节分生组织的发育结果相一致(Uranoet al.,2016)。CLV-WUS 途径负责 SAM 内细胞间的信息传递，而来自周围组织和叶原基等细胞和组织的信号参与对 SAM 的发育状态和时期转换的反馈调节。例如，玉米 YABBY 基因 DRL1,2(DROOPING LEAF1和 DROOPING LEAF2)的功能具有冗余性，它们广泛在叶原基中表达，其双突变体的 SAM 变小(Goldsh-midt et al.,2008;Strable et al.,2017)；FEA3(FASCIA-TED EAR3)编码一个与 FEA2 类似的 LRR-RLP 蛋白，但是与其他 CLV 基因在干细胞或环绕 OC 的空间表达模式不同，FEA3 在 OC 及其下部细胞和叶原基中表达。FEA3 参与感知来源于 PZ 和叶原基的CLE 肽段 ZmFCP1 传递的信号，抑制 OC 下部区域ZmWUS1 的表达，说明从 SAM 周缘组织发出的信号非细胞自主的调节 SAM 的发育。fea3 和 Zmfcp1 突变体的 SAM 和 IM 增大，并且fea3 对 Zmfcp1 突变具有上位性，说明它们处于同一路径(Jeetal.,2016)。因此，FEA3 和 ZmFCP1 代表了一个新的 CLV 反馈调节途径，并且该途径在拟南中可能具有保守性(Je et al.,2016)。3调节玉米SAM发育的其他基因除 WUS 和 CLV 的同源蛋白，在玉米中还有其他基因调节 SAM 的发育。KNOX(KN1 related homeo-box)转录因子具有平衡器官起始和分生组织维持的作用。KN1(KNOTTED1)是 KNOX 家族的成员，在除叶起始位点、叶原基和 L1 细胞层以外的整个SAM 中表达(Jackson et al.,1994)，但是可以通过胞间连丝运输到 L1 细胞层(Kim et al.,2002;Xu et al.,2011)。KN1 的功能具有遗传背景依赖性，依据表型的差异，其突变体可以分为两类：(1)可以完成生命周期，但是营养体 SAM 变小，雌花序产生额外的心皮，雄花序长分枝和小穗数量减少；(2)突变体生长发育严重受阻，不能起始和维持 SAM，植株在苗期死亡(Kerstetter et al.,1997;Vollbrecht et al.,2000)。KN1直接调节包括转录因子、参与生长素和赤霉素途径等很多与发育相关的基因的表达，揭示了一个由其调节的与 SAM 发育相关的复杂机制(Bolduc et al.,2012;Bolduc et al.,2014)。玉米 BLH12 和 BLH14 是BEL1-like 同源域转录因子，它们的功能具有冗余性，都可以与 KN1 互作形成异源二聚体，blh12/blh14双突变体的 SAM 略短，发育正常，但是不能维持正常的腋分生组织发育，与 kn1 功能缺失突变体相似(Tsudaetal.,2017)。RS1(ROUGH SHEATH1)也是KN-OX 类基因家族的成员，表达区域与 KN1 重叠(Bo-lduc et al.,2014)，其功能缺失突变体无明显表型差异。但是 rs1 突变加剧了 kn1 突变体的某些表型。CHIP-seq 实验结果表明，RS1 与 KN1 共享很多靶基因，说明 KNOX 家族的成员在转录调节水平上具有冗余性，这也部分解释了 KN1 结合很多靶基因但是只调节其中很少一部分的原因。NOD(narrow odd dw-arf)基因编码玉米 CNR13(CELL NUMBER REGU-LATOR13)，其突变体的叶肉细胞减少，体积变小，植株矮化、芽丛生，SAM 体积减小，雄穗不育，雌穗产量增加。很多在 nod 突变体中差异表达的基因与KN1 调节的基因重叠，这意味着 NOD 也与 KN1 相互作用调节分生组织的发育(Rosa et al.,2017)。SBP(SQUAMOSA PROMOTER BINDING)-box类转录因子也参与玉米花序分生组织的调节(Chucket al.,2014)。UB2(UNBRANCHED2)和 UB3 是经基因组复制形成的直系同源基因，它们与 TSH4(Tassel-sheath4)是同源性很高的 SBP-box 基因，其空间表达模式重叠，与它们的功能冗余性相吻合(Chuck et al.,2014)。ub2/ub3 双突变体的花序分生组织增大、雌穗扁平，穗行数增多，雄穗分枝数减少，tsh4 基因突变增强了上述表型。UB3 的表达受 GIF1(GROWTH-REGULATINGFACTOR-INTERACTINGFACTOR1)的调控。在 gif1 突变体中，UB3 的表达量下降，雌穗和雄穗都表现出扁平化，与 ub2/ub3 的表型相似(Zhangetal.,2018)。UB3 结合 LOG1(LONELYGUY1)和 ARR(TYPEARESPONSE REGULATOR)基因的启动子，很可能通过影响后两者的表达参与细胞分裂素的生物合成和信号转导(Du et al.,2017)，尚不清楚这种调玉米顶端分生组织发育的研究进展Research Advances in Development of SAM in Maize899分子植物育种Molecular Plant Breeding节是否与分生组织的发育有关。另外，QTL定位结果表明，与 UB3 相关的 QTL 与雄穗分枝数和穗行数的变异相关，这两个性状都是产量相关性状，所以有望通过调节 SBP-box 相关基因的表达改良玉米产量性状。FEA4(FASCIATED EAR4)是拟南芥 PAN(PER-IANTHIA)的同源基因，编码一个 bZIP 类型的转录因子，在营养生长阶段分生组织的周缘区域、幼叶的脉管系统中表达，在干细胞和新生的叶原基中不表达。在生殖生长阶段，在花序和花分生组织中表达。fea4突变体营养体分生组织增大，IM 扁平化，植株半矮秆。染色质免疫共沉淀和转录组测序分析表明 FEA4调节生长素依赖的反应和分生组织周缘叶原基分化相关基因的表达，与 KN1 拮抗调节一套共同的靶基因(Pautler et al.,2015)，以与 CLV-WUS 转导途径平行的方式负向调节分生组织的发育(Pautler et al.,2015)。拟南芥 PAN 控制花器官数量，并非控制分生组织发育本身(Running and Meyerowitz,1996)，反映了这不同植物基因调节过程的差异。与 UB2 和 UB3类似，FEA4 在 SAM 周缘区域表达，说明从 PZ 区域传递的信号传递到干细胞反馈调节后者的发育。SAM 的发育状况影响植物的叶序模式。谷氧还蛋白(GRXs)是一类谷胱甘肽依赖的氧化还原酶，在 NADPH 和谷胱甘肽还原酶存在的情况下催化二硫键的减少调控靶蛋白的活性。拟南芥相关蛋白的突变或氧化还原处理会引起 SAM 大小发生变化(Zeng et al.,2017)。而玉米谷氧还蛋白MSCA1(MALESTERILECONVERTEDANTHER1)过表达植株的 SAM 增大，叶序由互生转变为对生。值得注意的是 MSCA1 与 FEA4 互作(Yang et al.,2015)，所以FEA4 的功能很可能还受氧化还原反应的调节。4激素对玉米SAM发育的影响除了受上述途径和基因的调节，激素也参与植物 SAM 的发育和调节信息的传导。目前功能研究比较透彻的是生长素和细胞分裂素。生长素参与器官原基的起始和植物的极性生长。SPI1(sparse inflores-cence 1)编码一个与拟南芥 YUCCA 同源的黄素单氧酶，参与局部生长素的合成。系统进化分析表明YUC 家族在不同植物中发生了独立的进化，SPI1 属于单子叶植物特异的分枝，其突变体中生长素的合成受到抑制，营养生长阶段的腋分生组织、侧部器官和包括分枝、小穗、小花和花器官等在内的花序发育存在缺陷。拟南芥 TAA1 催化色氨酸依赖的生长素合成途径中色氨酸向吲哚-3-丙酮酸的转化，为生长素生物的合成所必需(Phillips et al.,2011)。VT2(Vanishing Tassel2)是 TAA1 的同源基因，其突变体的生长素含量降低，雄穗变小且不育，无侧枝和有功能的小穗，表型与 spi1 突变体类似。spi1/vt2 双突变体生长素含量与单突变体无差别，表型也仅比单突变体略显严重，说明它们处于同一路径。与此类似，拟南芥 TAA1 和 YUCCA 也处于生长素合成的同一路径(Mashiguchi et al.,2011)。所以，生长素的合成参与腋分生组织和侧部器官形成的调节。玉米 Bif2(Barren inflorescence2)基因编码一个 PID 类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在花序发育过程中通过影响ZmPIN1a 的亚细胞定位调节生长素的运输(McSteenet al.,2007;Skirpan et al.,2009)。在正常植株中，ZmPIN1a-YFP 的表达量在腋分生组织起始的部位明显升高，而在分生组织起始受阻的 spi1 突变体中不表达，说明 SPI1 介导的生长素合成促进 ZmPIN1a 的表达。spi1/bif2 双突变体在营养生长阶段和生殖生长阶段发育严重受阻，雄穗无分枝或小穗，完全不育，两个基因表现出协同作用(Phillipset al.,2011)。另外，BIF1 和 BIF4 编码促进生长素信号转导的 Aux/IAA(AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID)(Salehin et al.,2015)蛋白，它们通过调节 BA1(BARRENSTALK1)的表达而影响花序侧端分生组织的起始(Galli et al.,2015)。生长素转运基因 Zmaux1 突变体的雄穗分支数量和小穗数量减少(Huang et al.,2017)；ZmAUX1的同源基因，ZmLAX2 的表达量影响玉米分生组织的大小，而 ZmLAX2 和 PIN1 的表达位点重叠(Lei-boff et al.,2015)。所以，生长素及其运输协同参与SAM 的发育、腋分生组织和侧部器官形成。玉米 ABPH1 编码一个细胞分裂素诱导的 A-ty-pe 反应调节子，其表达依赖生长素及其运输。ABP-H1 激活 PIN1 的表达，通过负向调节细胞分裂素信号从而限制 SAM 的大小，进而影响叶序，并且通过正向调节生长素的转导促进叶的起始。ABPH1 基因功能缺失导致生长素水平和叶原基起始位置的 PIN1(玉米叶原基起始的标记基因)表达量降低，叶片起始延迟，同时细胞分裂素水平的升高促进了 SAM 增大，导致玉米叶序由互生转变为对生，揭示了生长素和细胞分裂素相互作用在 SAM 调节过程中的复杂关系(Giulini et al.,2004;Lee et al.,2009)。水稻 D1(Dwarf 1)基因编码 GTP 结合蛋白的 亚单位，其突变体植株矮化，花序紧凑，外施赤霉素不能恢复其表型，说明 G 蛋白可能参与赤霉素信号转导(Ashikariet al.,1999)。玉米 CT2 基因(编码玉米异源三聚体 G900蛋白 亚单位，其功能见本文“玉米 SAM 发育的调控机制”部分)参与玉米 SAM 发育的调控，该过程是否涉及赤霉素的调节有待验证。5调节玉米SAM发育的其他途径小 RNAs 参与玉米分生组织相关基因的表达，因此在分生组织发育的调节过程中也发挥一定作用。分生组织发育的主要调节子 SBP-box 类转录因子是 miR156 调节的靶基因，如 TSH4 主要抑制侧部分生组织的生长，同时也影响叶序、腋分生组织的起始和成花时期的分生组织决定，其突变体的表型由ZmSBP6 的突变引起，其表达受 miR156 的调控(Chuck et al.,2007;Chuck et al.,2010)。例如，Cg1(Corngrass1)基因过表达突变体植株雄穗畸形，IM 扁平化，研究表明这些表型是由 miR156b/c 的过表达造成几个 SBP-box 基因的表达量下调引起(Chuck et al.,2007)，所以分生组织 OC 区域 UB2 和 UB3 的表达也可能受 miR156 的抑制。相比拟南芥 miR156 的过表达，玉米 Cg1 过表达突变体表现出更严重的表型，说明 miRNAs 缓冲体系在拟南芥中更具有冗余性(Wuand Poethig,2006;Chuck et al.,2007)。FZT(FUZZYTASSEL)编码 microRNA 生物合成酶 DICER-LIKE1的同源蛋白，其功能缺失的纯合突变具有致死性，而表达量降低的突变体中一些特定 miRAN 的表达受到影响，植株花序呈现扁平化(Thompson et al.,2014)。特定的代谢物和矿物养分也参与 SAM 的维持(图 1)。硫胺素生物合成基因 THI2(THAIMAMINEBIOSYNTHESIS2)突变导致植物体 SAM 体积不断减小，最终退化(Woodward et al.,2010)。TLS1(TASS-EL-LESS1)编码一个促进硼元素转运的水通道家族蛋白，该蛋白的突变体硼元素含量降低，营养体和花序发育有缺陷，外施硼可恢复其表型，表明硼在分生组织发育过程中发挥作用(Leonard et al.,2014)。糖类物质依赖 HEXOKINASE1 的信号传导活性在转录和转录后水平上抑制 MIR156A 和 MIR156C 基因的表达，促进植物从幼年到成株期的转换(Yang et al.,2013;Yu et al.,2013)，而 miR156 调节多个与分生组织发育相关的基因，所以糖类代谢物也以直接或间接的方式参与分生组织的发育调节。6展望许多调控分生组织发育的途径包括 CLV-WUS，图 1 玉米 SAM 发育的主要调节路径注:促进基因转录或蛋白质活性;:抑制基因转录或蛋白质活性;蛋白之间和蛋白与 DNA 的重叠分别代表互作和转录调节关系Figure 1 Major regulatory pathways of SAM development in maizeNote:Promoting of gene transcription or protein activity;:Inhibiting of gene transcription or protein activity;Overlapping be-tween proteins and between proteins and DNAs indicate interactions and transcriptional regulatory relationships,respectively玉米顶端分生组织发育的研究进展Research Advances in Development of SAM in Maize901分子植物育种Molecular Plant BreedingKNOX 和植物激素等在不同植物中具有保守性，而不同植物在长期的进化过程中又形成了特有的调节机制。如拟南芥 BAMs 在玉米中尚未发现有相应的同源基因；PAN 在拟南芥中控制花器官数量，而其在玉米中的同源基因 FEA4 控制分生组织发育本身。玉米基因组作为研究 SAM 发育调节机制的模式体系，在调控 SAM 发育机制的研究中具有不可替代的作用。例如，玉米 FEA3 基因的克隆及相关配体的发现促进了在拟南芥中没有的新 CLV 反馈体系的发现；对 FEA4 功能的研究发现其在分生组织发育过程中的作用比其在拟南芥中的同源蛋白 PAN 的效应更明显，促进了新的与 CLV-WUS 平行的调控路径的发现。最近的研究表明通过 CRISPR 技术诱导番茄CLV3 的启动子序列发生突变可以提高番茄的产量(Rodrguez-Leal et al.,2017)。玉米 FEA2 和 FEA3 的弱表达突变体籽粒产量增加(Bommert et al.,2013b;Je et al.,2016)。所以，通过研究并改造影响分生组织发育的基因在提高粮食作物产量，特别是作为主要三大粮食作物之一的玉米产量上，具有很重要的应用价值。尽管目前已经克隆了很多控制分生组织的发育的基因，但是其中很多基因的功能尚待研究和补充。例如，在玉米中研究的 CLE 肽段只有 ZmFCP1、不同CLEs 肽段的相互作用、下游信号传导途径以及相关信号如何从细胞膜传递到细胞质等，都有待研究。功能冗余是影响相关基因发掘的重要因素，但是随着基因编辑技术发展，通过创建多重基因敲除突变体会加速玉米分生组织发育调节机制的研究进展。由于分生组织突变体表型鉴定的困难，尚有很多基因待发掘，而构建不同因子之间相互作用的网络也是目前亟待解决的问题。如 KNOX 与 CLV-WUS 途径的互作关系、它们所调节的下游因子是否相同，它们如何协同作用共同调节 SAM 的发育等。作者贡献史勇是本综述的主要撰写人，完成相关文献资料的收集和分析及论文初稿的写作；董永彬和王晨参与文献