陳奮奇，張金青，馬暉玲

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

植物株型是許多作物產(chǎn)量的決定因素之一，其由分枝數(shù)量、分枝角度及株高決定。因此，分枝是植物株型的一個重要特征，也是腋芽起始和芽生長的結(jié)果，對經(jīng)濟作物的種子產(chǎn)量以及牧草產(chǎn)量均具有決定性作用［1］。分蘗是禾本科植物特有的分枝。分枝/分蘗主要影響植物葉面積的展開和分布，決定了植物生長發(fā)育過程中光合作用碳固定量和能量供給［2］。同時，分枝/分蘗也會通過影響作物與雜草的競爭、害蟲的傳播等控制產(chǎn)量［3］。如向日葵（Helianthus annuus）和玉米（Zea mays）需要通過減少分枝/分蘗來改良地上結(jié)構(gòu)，提高其經(jīng)濟效益［4］。而在水稻（Oryza sativa）［5］、小麥（Triticum aestivum）［6］等糧食作物，以及假儉草（Eremochloa ophiuroides）［7］、蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）［8］等牧草中，需要增加有效分蘗或分枝提高種子產(chǎn)量、草產(chǎn)量及裸地覆蓋率。此外，分枝狀況也與作物的栽培密度及營養(yǎng)分配密切相關(guān)［9］。因此，挖掘作物理想株型是提高其產(chǎn)量的有效措施之一。

植物分枝起源于腋生分生組織（axillary meristem，AM），AM 的數(shù)量和側(cè)芽活性是決定植物分枝狀況的主要因素［10］。AM 經(jīng)分化形成與主枝呈一定角度的側(cè)枝或分枝［11］。分枝/分蘗的發(fā)育一般經(jīng)歷3 個階段，即AM 起始階段、AM 帶葉發(fā)育階段和AM 生長階段［12］。因此，找到3 個階段的調(diào)控因子，如EXB1［13］、TB1［14］、BRC1［15-16］和D53［17］等基因，并利用現(xiàn)代基因編輯技術(shù)和工具對這些基因進(jìn)行靶向操縱獲得理想株型，便可以實現(xiàn)作物產(chǎn)量的提高和經(jīng)濟收益的增加。除了遺傳調(diào)控因子外，外界環(huán)境和內(nèi)源激素水平也在植物分枝過程中發(fā)揮重要作用。

植物側(cè)芽形成后既可直接分化為側(cè)枝，也可進(jìn)入過渡生長期，形成休眠芽［18］。解除休眠后，側(cè)芽繼續(xù)發(fā)育為側(cè)枝［19］。因此，AM 形成后是否能夠發(fā)育成側(cè)枝主要取決于外界因素及激素水平［20］。植物激素的生理效應(yīng)復(fù)雜且多樣，目前應(yīng)用較多的激素主要有生長素（indole-3-acetic acid，IAA）、赤霉素（gibberellin，GA）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CK）、脫落酸（abscisic acid，ABA）、獨腳金內(nèi)酯（strigolactone，SL）、乙烯（ethylene，ETH）、水楊酸（salicylic acid，SA）、油菜素甾醇（brassinosterol，BR）和茉莉酸（jasmonic acid，JA）等。植物分枝過程中，環(huán)境因子可改變植物激素含量，促使其達(dá)到動態(tài)平衡，進(jìn)而激發(fā)相關(guān)基因表達(dá)［15，21］?？梢姡h(huán)境因素是通過改變植物激素含量及其平衡來調(diào)控分枝的。近年來，關(guān)于激素調(diào)控植物分枝的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展。已報道IAA、CK 和SL是作用明確和清晰的3 種激素，其中IAA 和SL 抑制側(cè)芽生長，CK 則促進(jìn)側(cè)芽生長［22］，其余激素對分枝的調(diào)控作用也有相關(guān)報道（表1）。本研究立足于當(dāng)前植物分枝/分蘗的研究進(jìn)展，力圖總結(jié)控制該性狀的激素調(diào)控機制，以期為開展相關(guān)研究提供參考，也為培育理想株型高產(chǎn)新作物品種奠定基礎(chǔ)。

表1 參與調(diào)控植物分枝/分蘗的主要激素類型Table 1 Main hormone types involved in regulating plant branching/tillering

1 植物激素對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制

1.1 IAA 對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制

IAA 主要在植物幼葉和莖尖合成，是最早發(fā)現(xiàn)的調(diào)控植物分枝的激素［23］。IAA 從莖頂端向基部的運輸過程稱為極性運輸（polar auxin transport，PAT），IAA 輸出載體（PIN 和ABCB/PGP）參與調(diào)節(jié)該過程［24］。PIN 主要參與IAA 運輸而對側(cè)枝起調(diào)控作用，而生長素抗體/類生長素抗體（auxin resistant/like auxin resistant，AUX/LAX）作為IAA 輸入?yún)f(xié)同轉(zhuǎn)運因子通過葉的分化調(diào)控分枝［25］。

研究發(fā)現(xiàn)，IAA 含量降低或外流是AM 形成所必需的［26-27］。IAA 調(diào)控植物分枝的主要假說是頂端優(yōu)勢，故生產(chǎn)中通常使用去除植物頂端組織的方式降低IAA 含量，達(dá)到促進(jìn)分枝的目的［19］。然而，直接在腋芽處用外源IAA 處理并不能抑制腋芽生長。同時，植物頂端產(chǎn)生的IAA 也無法轉(zhuǎn)運到腋芽發(fā)揮作用［28］?？梢?，IAA 并不是以直接作用的方式抑制側(cè)芽發(fā)育［18］。綜上所述，Waldie 等［29］推測，IAA 調(diào)控側(cè)枝發(fā)育的原因可能是控制腋芽自我建立PAT 的能力，也可能是通過第二信使間接發(fā)揮作用的。

除頂端優(yōu)勢外，IAA 對分枝的調(diào)控也與IAA 運輸假說有關(guān)。這一假說指出，無論是頂端分生還是腋生分生組織，只有在主動輸出IAA 的基本狀態(tài)下才能生長，即所謂的IAA 極性運輸流（polar auxin transport stream，PATS）。同時，芽必須將IAA 輸出到主莖的PATS 中，才開始生長。Bennett 等［25］擴展了這一概念，認(rèn)為擬南芥（Arabidopsis thaliana）多分枝（more axillary growth，MAX）途徑通過調(diào)節(jié)IAA 運輸來控制PIN表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控頂端優(yōu)勢。Ferguson 等［30］認(rèn)為，在表現(xiàn)出完全頂端優(yōu)勢的植物中，PATS 以最大能力發(fā)揮作用，或以某種方式限制IAA 運輸特性，因此PIN無法轉(zhuǎn)運從芽進(jìn)入的額外IAA。因此，在番茄（Solanum lycopersicum）葉腋處施加IAA可以有效抑制AM 形成，同時極性IAA 轉(zhuǎn)運突變體中IAA 信號抑制可以恢復(fù)其分枝缺陷［26］。相關(guān)抑制是另一概念，可以將上述IAA 運輸假設(shè)應(yīng)用于生長芽之間的競爭，該假說指出，根據(jù)每個芽中IAA 運輸?shù)某潭龋瑑蓚€生長芽之間相互抑制［31］。

IAA 含量由許多基因調(diào)控，如下調(diào)OsPIN1可以弱化頂端優(yōu)勢，引起水稻分蘗增加［32］。研究表明，AM 在IAA含量低的葉肉細(xì)胞中形成，且已知DII表達(dá)水平與IAA 含量呈負(fù)相關(guān)，而DR5正向調(diào)節(jié)IAA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［10］，表明上調(diào)DII或者下調(diào)DR5均可減少IAA 含量或降低其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而增加植物分枝。YUC是IAA 合成關(guān)鍵基因，它缺失會導(dǎo)致IAA 合成減少，最終增加植物分枝［33］。相反，YUC上調(diào)則會抑制植物分枝。另外，IAA 外排載體抑制劑萘草胺（N-1-naphthylphthalamic acid，NPA）的應(yīng)用也會抑制玉米花序中AM 的啟動，同時影響小穗發(fā)育［34］。這可能為利用IAA 途徑同時調(diào)控禾本科植物分蘗和穗發(fā)育，進(jìn)而增加糧食產(chǎn)量提供了新的思路。

1.2 CK 對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制

CK 合成于根中，在植物失去頂端優(yōu)勢后，在莖中也有合成，受外源IAA 抑制，并通過蒸騰作用從木質(zhì)部向上運輸［35］，其在腋芽激活及植物生長發(fā)育的各個方面扮演重要角色［36］。大量研究表明，CK 可以促進(jìn)休眠芽生長，且芽中或芽附近的CK 水平與芽的命運緊密相關(guān)［37］。遺傳學(xué)分析也表明，CK 的接收和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對AM 的形成是必需的［27］。如施加CK，能夠直接促進(jìn)腋芽生長，并增加CK 含量，且具有劑量依賴性［38］。在葉腋處過量合成CK 可以部分恢復(fù)rax突變體AM 減少的表型，且葉腋中產(chǎn)生過量的CK 可挽救AM 啟動缺陷的突變體［27］。施加部位除了腋芽和葉腋外，在維管束上或側(cè)芽鄰近的莖上施加外源CK 也可促進(jìn)側(cè)芽生長。有研究報道，CK 作用于完整植株的側(cè)芽生長，對去頂植物的側(cè)芽生長沒有調(diào)控作用，表明CK 調(diào)控側(cè)芽生長的方式是促進(jìn)其減弱頂端優(yōu)勢［39］。

CK 也可以促進(jìn)AM 起始和側(cè)芽形成以及側(cè)枝伸長，擬南芥sps多分枝突變體由于CK 水平增加導(dǎo)致蓮座葉和莖生葉的葉腋形成多個AM，增加了分枝數(shù)［40］。CK 相關(guān)基因的特異性表達(dá)也會直接影響植物側(cè)芽生長［41-42］。如CK 合成關(guān)鍵基因IPT高表達(dá)可促進(jìn)側(cè)芽活化，進(jìn)而增加擬南芥分枝［43］。WUS及其在水稻中的同源基因MOC3/TAB1是AM 形成必需的［44-46］，CK 在葉腋處可誘導(dǎo)WUS的表達(dá)［47］，如Type-B 類ARRs（CK 下游的轉(zhuǎn)錄激活因子）可直接結(jié)合WUS并激活其表達(dá)［46］。Wang 等［46］研究表明WUS和CK 的結(jié)合與增加的組蛋白乙?；稗D(zhuǎn)錄激活相關(guān)的甲基化標(biāo)記相關(guān)，且CK 調(diào)控WUS表達(dá)需要特定的表觀遺傳環(huán)境將其限制在高度定義的分生組織中［48-49］，這表明調(diào)控分枝的CK 途徑不僅與表觀遺傳相關(guān)，而且只在特定組織中發(fā)揮作用。

1.3 SL 對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制

SL 是由類胡蘿卜素代謝產(chǎn)生，合成于根部的一種新型植物激素，由形態(tài)學(xué)下端向上端運輸，抑制芽的生長［50］。2008 年，2 篇發(fā)表在Nature 的研究論文均指出SL 能夠調(diào)節(jié)植物地上部結(jié)構(gòu)，而且SL 或其下游代謝產(chǎn)物被認(rèn)為是一種新型的分枝抑制劑［51-52］。SL 的生物合成及其抑制植物分枝/分蘗的信號通路如圖1 所示。大多數(shù)研究SL 控制植物地上結(jié)構(gòu)的報道都是通過多分枝突變體進(jìn)行的，如豌豆（Pisum sativum）rms［53］、擬南芥max［54］以及水稻d10和htd1［55］。相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，從這些矮化多分枝/分蘗突變體中篩選的突變基因，在SL 生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中行使功能，進(jìn)一步驗證了SL 作為新的植物激素抑制側(cè)芽生長［56-57］。

圖1 SL 的生物合成及其抑制植物分枝/分蘗的信號通路Fig.1 Biosynthesis of SL and its signaling pathways inhibiting plant branching/tillering

SL 還可以通過下游信號分子來調(diào)控側(cè)枝發(fā)育，如水稻d3、d10、d14、d17和d27突變體具有植株矮小、分枝增多的表型，與突變體fc1相似，已證明fc1作用于SL 下游抑制側(cè)枝［58］。雙重突變體（brc1和SL 生物合成或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體）表現(xiàn)出更多的分枝表型［21，54，59］，且對去除頂端、外源CK 和環(huán)境因素表現(xiàn)出一定的響應(yīng)［15，38，54］，其中，BRC1是分枝負(fù)調(diào)節(jié)因子［21］。BRC1在擬南芥max突變體中表達(dá)降低，且max/brc1雙突變體與單突變體表現(xiàn)出的多分枝相同，表明BRC1與MAX利用同一途徑發(fā)揮作用，而SL 可能正調(diào)控MAX/BRC1［54］。相關(guān)學(xué)者重新揭示了水稻和擬南芥的SL 信號通路中核心的保守轉(zhuǎn)錄級聯(lián)，該信號通路直接調(diào)節(jié)莖分枝［60-61］。與擬南芥同源基因BES1一樣，SL 通過促進(jìn)OsBZR1降解抑制水稻分蘗，這一過程與受體復(fù)合物D14-D3 相關(guān)［60］。因此，OsBZR1/BES1和D53/SMXLs作為側(cè)芽分枝的正調(diào)節(jié)器，在D14/AtD14-D3/MAX2下游負(fù)轉(zhuǎn)導(dǎo)SL 信號［62］。此外，這兩項研究還表明，水稻基因FC1及其擬南芥同源基因BRC1作為芽生長的局部關(guān)鍵開關(guān)，與OsBZR1/BES1和D53/SMXLs具有上位性。OsBZR1/BES1和D53/SMXLs在基因上相互依賴，以抑制FC1/BRC1表達(dá)，控制分枝［60-61］。

植物對SL 的感知需要α/β 水解酶D14，D14具有保守的催化三聯(lián)體（Ser-His-Asp），SL 水解和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中必須有Ser-His-Asp 的參與，故D14是SL 降解和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)必需的［63］。除D14之外，D3、D10、D17、D27、D53均介導(dǎo)了SL 的生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，且這些基因相互影響，形成復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控植物分枝［50，64］。如TaD27-B通過參與SL 的生物合成，調(diào)控小麥分蘗數(shù)［65］。D53是位于D14和D3下游的SL 信號關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子，具有轉(zhuǎn)錄抑制活性［66］。擬南芥D53同源蛋白SMXL6/7/8 對其分枝具有調(diào)節(jié)作用［64，67］，如過表達(dá)D53或SMXL6/7/8可增強植物分枝，并對SL 處理不敏感［68］。同時，D53可以抑制自身的表達(dá)以及下游基因BRC1、TCP1和PAP1的表達(dá)，分別調(diào)控突變體的分蘗、葉型和花青素含量［66］。給水稻突變體d3、d10和d17外施GR24 發(fā)現(xiàn)，d3未恢復(fù)野生株系表型，而d10和d17均已恢復(fù)［52］，表明SL 在調(diào)控植物分蘗方面的作用十分復(fù)雜。

重要的是，通過SL 人工合成類似物GR24 處理，可以外源誘導(dǎo)抑制芽分枝，且SL 不會單獨運行，而是與其他植物激素協(xié)同起作用。Xu 等［69］研究發(fā)現(xiàn)，在水稻根部施加2 μmol·L-1的GR24 能顯著抑制水稻分蘗，與對照相比，分蘗發(fā)生率下降高達(dá)95%以上，同時其他器官的生長未受影響。然而，大量研究報道，外源GR24 處理會抑制芽分枝［70］，刺激節(jié)間生長［71］，加速葉片衰老［72］，增強根毛伸長和初級根的生長［73］，抑制腋芽生長［58］，抑制不定根和側(cè)根形成［74-75］，增加莖厚度和誘導(dǎo)次生生長以及其他形態(tài)變化［76］。此外，SL 生物合成基因HTD1的等位基因D17，可以增加水稻的分蘗數(shù)并提高谷物產(chǎn)量，自綠色革命以來，已被廣泛利用并與半矮稈1（SD1）共同選擇［77］。

目前研究植物分枝的主要基因有MOC1、MOC3/TABL1/SRT1、LAX1、LAX2/GNP4，其誘導(dǎo)側(cè)芽開始并調(diào)節(jié)分枝數(shù)量［44，78-79］。除此之外，主要是參與SL 途徑的基因，D3、D10、D14/HTD2、D53/SMXL6/7/8等通過影響腋芽的生長來調(diào)節(jié)分蘗［80-81］?？傮w而言，SL 對植物分枝的調(diào)控機制研究已經(jīng)十分廣泛。

1.4 BR 對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制

BR 是一類重要植物激素，參與調(diào)控植物生長發(fā)育的許多過程如種子萌發(fā)、生殖生長和衰老等［82］。截至目前，已分別在水稻和擬南芥中建立了由D53/SMXLs-OsBZR1/BES1所介導(dǎo)的SL 調(diào)控分枝發(fā)育的保守轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，同時揭示了由OsBZR1/BES1所介導(dǎo)的BR 信號通路在單、雙子葉中調(diào)控植物分枝發(fā)育的獨特分子機制［60-61］。BES1是BR 信號通路的正調(diào)節(jié)因子，擬南芥的BES1功能獲得型突變體分枝增加，而BES1的RNA 沉默株系分枝減少［83］，表明BR 信號通路參與了分枝的調(diào)控過程。OsBZR1和BES1在BR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，BES1最初被鑒定為BR 信號通路的一個組成部分［84］，而BR 信號調(diào)控芽分枝便是通過OsBZR1/BES1實現(xiàn)的。BR 信號主要控制BES1的磷酸化狀態(tài)，只有非磷酸化的BES1才能觸發(fā)下游BR 相關(guān)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)［84］。Hu 等［61］進(jìn)一步證明，BES1的磷酸化和非磷酸化形式都與SMXLs 相互作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)分枝，然而BR 并不影響B(tài)ES1與BRC1啟動子結(jié)合的能力，因此不會調(diào)節(jié)BRC1表達(dá)。這可能是BES1上游的BR 信號對芽分枝或BRC1表達(dá)沒有影響的原因［61，85］。

與此相反的是，水稻中，BR 信號通過調(diào)節(jié)OsBZR1的穩(wěn)定性來控制分蘗［60］。Fang 等［60］進(jìn)行全面的遺傳和生化分析后指出，SL 和BR 信號通路通過調(diào)節(jié)D53-OsBZR1 模塊的穩(wěn)定性，拮抗性地調(diào)控水稻分蘗，表明SL 和BR在植物分枝/分蘗調(diào)控方面具有拮抗作用。BES1和其同源物BZR1、BEH2和BEH3轉(zhuǎn)錄水平降低的BES1-RNAi 株系均顯示出分枝減少的表型［85］，且OsBZR1和BES1在腋芽中高度表達(dá)［60-61］。由此可知，BR 調(diào)控植物分枝/分蘗主要與SL 有關(guān)。實際上，Xia 等［22］的研究結(jié)果表明，BR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)整合了控制枝條分枝的多種途徑，并提出了一個模型，其中BR 信號整合了其他激素和糖信號來控制植物分枝。因此，腋芽中的局部BR 信號是塑造植物結(jié)構(gòu)的潛在目標(biāo)。

1.5 ABA 和GA 對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制

目前，植物分枝的激素調(diào)控機制研究方面取得重要突破的主要是IAA、CK、SL 和BR［11，86］，除此之外，GA 和ABA 對植物分枝也具有重要調(diào)控作用。ABA 與側(cè)芽休眠關(guān)系密切，GA 類激素通過誘發(fā)IAA 的合成或抑制IAA的分解而間接影響頂端優(yōu)勢。

一直以來，ABA 被認(rèn)為在植物分枝過程中起作用，其是擬南芥?zhèn)妊堪l(fā)育的負(fù)調(diào)控因子，主要抑制較低位置腋芽的生長［87］。研究發(fā)現(xiàn)，在腋芽中，IAA 合成酶TAA1和轉(zhuǎn)運蛋白PIN1，以及細(xì)胞周期蛋白CYCDD22和增殖細(xì)胞核抗原PCNA1基因都被ABA 下調(diào)，表明ABA 可能結(jié)合IAA 并通過對細(xì)胞周期運行的某些環(huán)節(jié)抑制而發(fā)揮對腋芽發(fā)育的抑制作用［87］。先前研究表明，ABA 對水稻［88］、擬南芥［15，87］、棉花（Gossypium herbaceum）［89］和大豆（Glycine max）［90］的分蘗/分枝起負(fù)調(diào)控作用，ABA 含量升高可致使分蘗停止［91］。相關(guān)學(xué)者提出，ABA 可能不是水稻分蘗芽生長的主要調(diào)節(jié)因子，其含量隨著分蘗芽生長而變化，其可能受IAA 影響而調(diào)控分蘗［92］，故Cline 等［90］認(rèn)為，ABA 作為第二信使受IAA 誘導(dǎo)進(jìn)而抑制側(cè)芽生長。然而，與此相反的是，有報道發(fā)現(xiàn)IAA 抑制側(cè)芽生長與ABA 無關(guān)，利用突變體rms1、max4和dad1等研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控側(cè)枝發(fā)育的是新抑制信號SL［93］，其與IAA 互作抑制植物分枝。與SL 一樣，ABA 的合成前體也是類胡蘿卜素，且在植物頂部施用ABA 對側(cè)芽生長沒有影響，而在基部施用顯著抑制側(cè)芽生長，相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，這恰好是證明ABA 在頂端優(yōu)勢中發(fā)揮作用的間接證據(jù)［90］。

ABA 抑制植物分枝主要通過調(diào)控相關(guān)基因?qū)崿F(xiàn)，分枝抑制因子BRC1可結(jié)合并激活HB21、HB40和HB53，這3 個轉(zhuǎn)錄因子可促進(jìn)ABA 合成基因NCED3表達(dá)，增加ABA 含量，增強側(cè)芽休眠［15］，該研究在BRC1和ABA之間建立了聯(lián)系。隨后，Confraria 等［94］報道，BRC1更廣泛地參與ABA 信號通路，如調(diào)控ABA 合成、轉(zhuǎn)運、感知、代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。Dong 等［95］克隆了分蘗調(diào)控新基因TN1，且發(fā)現(xiàn)tn1突變體的莖基部和分蘗芽中ABA 合成關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄水平及ABA 含量均顯著增加；同時，TN1與ABA 受體TaPYL存在互作，且能夠顯著抑制TaPYL與其下游ABA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白TaPP2C 之間的互作，表明TN1通過影響ABA 合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促進(jìn)小麥分蘗芽伸長。

GA 主要作用是促進(jìn)植物節(jié)間伸長，調(diào)控植物從營養(yǎng)期到生殖期的轉(zhuǎn)換和種子萌發(fā)。GA 與植物側(cè)芽發(fā)育也有一定關(guān)系，如水稻GA 缺失突變體呈現(xiàn)多分枝表型，相反地，GA 信號負(fù)調(diào)控因子della突變體分枝減少［96］，擬南芥della五重突變體腋芽數(shù)目也減少［97］，表明GA 負(fù)調(diào)節(jié)植物分枝。豌豆中，GA 和SL 雙缺失突變體比各自的單突變體表現(xiàn)出更多的分枝，表明GA 可能獨立于SL 來調(diào)控分枝發(fā)育。然而，水稻中，DELLA 蛋白通過與D14 相互作用發(fā)揮功能［98］，這表明GA 對不同植物的分枝調(diào)控具有特異性，其與SL 的具體關(guān)系及作用機理還需要進(jìn)一步實驗的證明與補充。

BRC1的表達(dá)受多種因素調(diào)控，其中就包括GA 處理［38，54，58，99］。已有研究證實，水稻分蘗基因MOC1與GA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)，高水平的GA 可以激活A(yù)PC/CTE，促進(jìn)AM 的MOC1降解，從而抑制水稻分蘗［100］，也可以通過觸發(fā)SLR1的降解，導(dǎo)致MOC1降解并抑制腋芽形成［101］。另外，外施ABA 和GA3均能抑制分蘗發(fā)生，且GA3的抑制效應(yīng)大于ABA［102］。同時，提高內(nèi)源GA 含量也可抑制植物分蘗［103］。

1.6 其他激素對植物分枝/分蘗的調(diào)控

除了以上6 類激素外，目前常見的其他激素種類在調(diào)節(jié)植物分枝方面的報道極其有限。僅已知，ETH 與側(cè)枝生長有關(guān)［104］。另外，有關(guān)JA 與分枝的關(guān)系，僅報道了外源施用JA 濃度為0.01 和0.1 μmol·L-1時，可顯著提高野大麥分蘗數(shù)［105］。研究者推測，JA 可能與IAA 互作調(diào)控植物分枝［33］。然而，有關(guān)ETH、JA 和SA 對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制依然是完全未知的。

2 激素間的互作對植物分枝/分蘗的調(diào)控機制

研究表明，植物分枝是多種激素平衡作用的結(jié)果［15，21］。IAA、CK 和SL 是調(diào)節(jié)分枝和分蘗數(shù)量的3 個重要的激素調(diào)節(jié)因子，且部分通過調(diào)節(jié)分枝/分蘗基因BRC1/TB1的表達(dá)起作用［16，61，106-109］。

2.1 IAA 與SL 互作對植物分枝/分蘗的調(diào)控

在頂端合成并在主莖中運輸?shù)腎AA 能夠促進(jìn)SL 合成基因的表達(dá)［18，110］，說明SL 參與IAA 調(diào)控植物分枝［111］。實際上，IAA 抑制分枝需要SL 的參與，因為在去頂后的SL 合成缺陷突變體中，施加外源IAA 不能完全抑制其多分枝的表型［55］，相反的是，施加外源SL 能抑制IAA 相關(guān)突變體的多分枝表型，表明IAA 至少部分通過SL 發(fā)揮作用。IAA 通常會促進(jìn)SL 合成基因CCD7、CCD8和D27上調(diào)表達(dá)，進(jìn)而增加SL 含量［112］。IAA 和SL 互作會誘導(dǎo)腋芽中BRC1的表達(dá)，進(jìn)而抑制芽分枝［16］。另一方面，SL 被認(rèn)為通過控制側(cè)芽中IAA 的向外運輸調(diào)控側(cè)芽生長［107］。事實上，SL 能誘發(fā)IAA 外排轉(zhuǎn)運體PIN 的胞吞［18，113］，并抑制IAA 的合成［114］。IAA 運輸獨立于BRC1，在控制SL 介導(dǎo)的芽分枝中發(fā)揮重要作用［109］，表明IAA 和SL 在調(diào)節(jié)分枝方面存在協(xié)同作用。

然而，在SL 缺陷突變體rms1中，阻斷IAA 外排運輸后，施加SL 可繼續(xù)抑制側(cè)芽外生［53］，表明SL 抑制側(cè)芽生長還有其他機制。去頂后主莖中IAA 含量的減少會降低SL 含量，同時在去頂植株以及IAA 信號響應(yīng)axr1突變體的腋芽處涂抹GR24，均能抑制側(cè)芽生長［115］，從而論證了SL 抑制側(cè)枝生長并不需要IAA 信號參與，同時證明了IAA 促進(jìn)SL 合成是其抑制植物分枝的原因之一。關(guān)于SL 和IAA 對芽的抑制作用還存在另一種模式，即SL 通過調(diào)控IAA 極性運輸來調(diào)節(jié)分枝［25，116］。這種模式下，IAA 不需要第二信使移動到腋芽部位來行使功能，SL 也不僅僅在腋芽處具有作用［117］。用IAA 運輸抑制劑處理SL 突變體，多分枝表型會恢復(fù)至野生型。由此推測，SL 可能抑制了PIN 的積累和IAA 運輸流，進(jìn)而抑制側(cè)芽生長［113，116］。

SL 和IAA 互作調(diào)控植物分枝主要有IAA 運輸管道形成假說和第二信使假說。前者指出，腋芽活化必須外輸IAA，而SL 通過阻止IAA 外輸抑制腋芽生長［117］。第二信使假說指出，SL 受IAA 正向調(diào)控，同時運輸至腋芽中直接參與腋芽生長［115］。有趣的是，Liang 等［118］的研究結(jié)果顯示，2 個腋芽時，基部施加SL 僅抑制一個腋芽生長，另一個腋芽的發(fā)育未受影響，表明SL 通過增加兩個腋芽的競爭作用而達(dá)到抑制效果，并非阻止IAA 外輸起作用。這一假說與IAA 相關(guān)抑制假說很相似，一定程度上說明SL 和IAA 對植物分枝的調(diào)控具有相似性。

2.2 CK 與SL 互作對植物分枝/分蘗的調(diào)控

側(cè)芽生長與CK 和SL 相關(guān)基因的表達(dá)關(guān)系密切，表明側(cè)芽可能是SL 和CK 行使功能的場所［42，119］。腋芽生長因子BRC1在SL 處理時上調(diào)，CK 處理時下調(diào)，表明SL 促進(jìn)BRC1表達(dá)而CK 抑制其表達(dá)［38］，說明SL 和CK 調(diào)控植物分枝時，至少有1 個共同基因BRC1。然而，CK 也有另外的路徑調(diào)控植物分枝，如CK 可促進(jìn)brc1突變體的分枝［54］，也可抑制豌豆腋芽和水稻莖尖BRC1的表達(dá)［38，54，58］。

SL 和CK 間拮抗作用的潛在機制直到現(xiàn)在仍不清楚，據(jù)報道，SL 可以誘導(dǎo)CK 降解基因OsCKX9表達(dá)，導(dǎo)致內(nèi)源性CK 含量降低［120］，且OsCKX9已被鑒定為CK 降解和水稻分蘗所需的SL 通路的必需基因［5］。IAA 可能作為SL 和CK 信號通路的整合者，通過誘導(dǎo)SL 生物合成和/或抑制CK 生物合成來抑制芽生長［16，107］。SL 合成缺失突變體rms1和信號缺失突變體rms4中，CK 合成基因PsIPT1上調(diào)表達(dá)，其含量升高。然而，多分枝的SL 突變體中，CK 含量顯著低于野生型，表明SL 可能反饋調(diào)節(jié)CK 合成，但具體機制尚不明確。當(dāng)對rms1和rms4同時施加GR24 和6-BA 時發(fā)現(xiàn)，GR24 降低了6-BA 對芽生長的促進(jìn)作用，rms1中表現(xiàn)更明顯，表明SL 主要通過影響CK 信號實現(xiàn)對植物分枝的調(diào)控［38］。

2.3 CK 與IAA 互作對植物分枝/分蘗的調(diào)控

SL 和CK 被認(rèn)為是通過控制側(cè)芽中IAA 的向外運輸來調(diào)控側(cè)芽生長［107，121］。IAA 外輸轉(zhuǎn)運體在CK 信號突變體中極性分布降低，表明CK 可通過IAA 外輸轉(zhuǎn)運體的極性分布調(diào)控側(cè)芽生長［107］。IAA 通過控制CK 合成基因OsIPT的表達(dá)調(diào)控水稻分蘗生長［32］。除了通過調(diào)節(jié)CK 合成基因IPT外，IAA 還可以調(diào)節(jié)CK 降解基因CKX及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基因RR等調(diào)控分枝［41］。反過來，CK 可促進(jìn)IAA 轉(zhuǎn)運體PIN3、PIN4 和PIN7 的積累，進(jìn)而調(diào)節(jié)分蘗［10］。CK 合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體的分枝數(shù)與主莖IAA 運輸及PIN3/7 的積累相關(guān)，表明CK 調(diào)控側(cè)芽生長與IAA 運輸有關(guān)［107］。與brc1類似，應(yīng)用外施CK 處理pin3/4/7突變體，能促進(jìn)突變體分枝，表明CK 調(diào)節(jié)芽分枝的機制并不僅僅只通過PIN 蛋白積累［122］。

2.4 BR 與SL 的互作對分枝/分蘗的調(diào)控

BR 和SL 在調(diào)控分枝方面存在拮抗作用。SL 和BR 信號通路都通過調(diào)節(jié)D53和OsBZR1-RLA1-DLT 轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的穩(wěn)定性來控制水稻分蘗［11］。擬南芥BR 信號因子BES1的功能獲得型bes1-D突變體表現(xiàn)出多分枝，及對SL 信號不敏感的特征［85］。深入研究發(fā)現(xiàn)，SL 信號因子MAX2可誘導(dǎo)BES1泛素化及其在植物中的降解，從而與BR 互作共同調(diào)控植物分枝。然而，BR 和SL 下游的作用因子以及進(jìn)一步的作用機制仍不明確。

2.5 其他激素互作對植物分枝/分蘗的調(diào)控

理想株型1（ideal plant architecture 1，IPA1）編碼轉(zhuǎn)錄因子OsSPL14，IPA1 對分蘗和穗的控制主要通過直接激活TB1、D53和DEP1的表達(dá)實現(xiàn)［14，123］。雖然IPA1 主要參與SL 途徑，但也可以調(diào)節(jié)GA 穩(wěn)態(tài)。GA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)觸發(fā)NGR5 降解，以釋放H3K27me3 修飾對IPA1 轉(zhuǎn)錄的抑制，從而促進(jìn)腋芽的形成和生長［124］。相關(guān)學(xué)者鑒定到一個高分蘗突變體20（t20），其可以通過用GR24 處理恢復(fù)為野生型；T20編碼葉綠體z-胡蘿卜素異構(gòu)酶（z-ISO），其參與類胡蘿卜素及其代謝產(chǎn)物SL 和ABA 的生物合成。t20突變體同時降低了SL 和ABA，而GR24 刺激了T20的表達(dá)，并增強了所有反式胡蘿卜素的生物合成；重要的是，GR24 還通過誘導(dǎo)OsHOX12刺激OsNCED1的表達(dá)，促進(jìn)莖基ABA 的生物合成。另一方面，ABA 處理顯著抑制SL 生物合成，降低了t20和野生型植株的基部分蘗數(shù)，而ABA 生物合成突變體顯示SL 生物合成升高；盡管ABA 缺乏突變體aba1和aba2具有與野生型相同的分蘗數(shù)，但它們在成熟時具有更多的非生產(chǎn)性分蘗［88］。CK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來自IAA、SL 和糖的信息以促進(jìn)BR 的產(chǎn)生，BR 激活BZR1轉(zhuǎn)錄因子以抑制芽生長抑制劑BRANCHED1的表達(dá)。目前，已經(jīng)報道了大量參與調(diào)控植物分枝的激素相關(guān)基因（表2），還有部分激素的作用并不十分明確，依然有待進(jìn)一步研究。綜合分析表明，激素信號對植物分枝的控制不是獨立的，而是多種激素信號相互作用形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)共同決定植物分枝。

表2 參與調(diào)控植物分枝/分蘗的主要激素相關(guān)基因Table 2 Major hormone-related genes involved in the regulation of plant branching/tillering

3 現(xiàn)存問題及展望

截至目前，已從不同物種中鑒定出多個家族的轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控AM 的形成。然而，植物激素如何調(diào)控這些轉(zhuǎn)錄因子間的關(guān)系及其下游基因仍然是未知的。另外，已有大量研究證實植物分枝受到表觀遺傳調(diào)控［10］，植物激素是否參與表觀遺傳路徑，依然有待進(jìn)一步探索?；谶@些問題，對植物分枝的激素調(diào)控方面，本研究做出以下展望：

1）除了激素，影響植物分枝的另一重要條件是外界環(huán)境如溫度、水分、光照和營養(yǎng)。然而，外界環(huán)境如何結(jié)合激素共同調(diào)控植物分枝依然是未知的。因此，未來可以從這個方面進(jìn)一步研究以揭示激素與環(huán)境互作對植物分枝的調(diào)控機理。

2）植物中很多重要轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受表觀遺傳調(diào)控，轉(zhuǎn)錄因子對植物分枝具有重要的調(diào)控作用。參與調(diào)控植物分枝的表觀遺傳主要包括DNA 甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑等。后期應(yīng)選擇適宜的材料和實驗手段將植物激素和表觀遺傳結(jié)合起來，進(jìn)一步解析表觀遺傳調(diào)控植物分枝時，植物激素是如何行使其功能的。

3）隨著研究技術(shù)和手段的發(fā)展，已經(jīng)了解到影響植物分枝的激素有許多，但還存在許多未知，如SA、JA 和多胺等激素與分枝的關(guān)系尚不明確。后期的研究應(yīng)多從以下方面入手：研究外源施用這些激素或者激素類似物對植物分枝的影響；分析這些激素的合成、降解及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)對植物分枝的調(diào)控；篩選這些激素的缺失突變體，明確其分枝特征；確定這些激素是否參與調(diào)控植物分枝主要因子的表達(dá)；明晰這些激素與其他植物分枝相關(guān)激素的互作作用。

4）近年來，已明確了多種激素對植物分枝的調(diào)控機制，故利用化學(xué)調(diào)控的方法來控制植物分枝的發(fā)生是較為有效的方法。如外源施用IAA、SL、GA、ABA、BR 等可以減少分枝，CK 抑制劑處理亦可減少分枝，而外源CK 處理可以增加植物分枝。然而，如常用的GR24 價格昂貴，成本極高。因此，未來的研究重點在于探索出能夠大批量生產(chǎn)有活性的激素控蘗劑的方法，以降低其生產(chǎn)成本。另外，相關(guān)激素的最佳施用濃度、施加次數(shù)、施加時間和施加部位均需要具體的試驗才能確定。