蝴蝶兰花卉性状形成的分子机制解析

《Horticulture Research》：Molecular mechanisms underlying floral trait formation in Phalaenopsis orchids

本研究系统综述了蝴蝶兰关键花卉性状（包括花序类型、开花时间、花器官特征、花色模式、大小、寿命、香气等）的分子调控网络，揭示了MADS-box基因、MYB转录因子等关键调控元件的功能，为克服传统育种中遗传同质化问题提供了理论依据，对推进蝴蝶兰分子育种具有重要意义。

　　

蝴蝶兰作为全球最重要的观赏作物之一，以其优雅的花姿和超长的花期深受人们喜爱。然而，随着商业化育种的快速发展，一个严峻的问题逐渐浮现：由于现有品种大多源自少数亲本物种的反复杂交，遗传同质化现象日益严重。更棘手的是，性状连锁常常阻碍优良特性的组合，使得通过传统杂交培育新品种变得愈发困难。这些挑战凸显了深入解析蝴蝶兰关键园艺性状遗传调控机制的紧迫性。

尽管科研人员已付出诸多努力，但研究进展仍受限于多个因素：高质量基因组资源的缺乏、稳定遗传转化体系的空白，以及由于植株较长生命周期导致的分子生物学研究材料不足。正因如此，大多数重要园艺性状的形成机制仍处于探索的初级阶段。

为了系统梳理现有研究成果并指明未来方向，西北农林科技大学园艺学院的王菲菲等研究人员在《Horticulture Research》上发表了题为"Molecular mechanisms underlying floral trait formation in Phalaenopsis orchids"的综述文章。该文全面总结了蝴蝶兰花卉性状形成的分子基础，重点关注了花序类型、开花时间、花器官特征、花色模式、花朵大小、寿命、香气、器官形状、角质层形成和蜡质生物合成等关键性状的调控网络。

关键技术方法

研究团队通过整合文献中的基因功能验证数据（如病毒诱导的基因沉默VIGS技术）、系统进化分析（基于核核糖体DNA内转录间隔区和质体DNA序列构建蝴蝶兰系统发育树），以及基因表达谱分析（包括RNA-seq和qRT-PCR）。同时利用基因组数据库（如OrchidBase和GenBank）对已报道的基因进行信息梳理和标准化注释，并通过BLAST分析将基因ID统一至GCF_001263595.1汇编版本。

花卉性状的分子调控机制

开花时间调控

蝴蝶兰依据开花调控可分为冬季开花和夏季开花类型。大多数典型品种属于冬季开花型，需要3-5个月的低温处理（昼温<26°C，夜温<20°C）才能诱导开花。低温促进赤霉素（GAs）尤其是GA₁的生物合成，而温度高于28°C会抑制花芽分化，可能与GA₁快速转化为无活性GA₈有关。

研究已克隆并功能验证了多个拟南芥开花时间基因的同源物，包括PhFT-1（FLOWERING LOCUS T）、PhapLFY（LEAFY）、ORAP11和ORAP13（AP1-like基因）以及PhalCOL1（CONSTANS-like 1）。这些基因在蝴蝶兰中具有相对保守的开花诱导功能。例如，过表达ORAP11或ORAP13的转基因烟草比野生型提前开花。然而，PaFVE（FLOWERING LOCUS VE-like基因）在蝴蝶兰中调控花器官成熟而非开花 initiation。

两个J-domain蛋白PhJ3a和PhJ3b可能通过上调PhFT3表达同时抑制PhSVP（SHORT VEGETATIVE PHASE）表达来促进开花。虽然已创建过表达PaFT的转基因材料，但其在无低温处理下对花序起始的影响尚不清楚。相关石斛属的研究表明，过表达DOSOC1的转基因石斛比野生型提前开花，提示通过基因工程（如过表达PaFT）改良蝴蝶兰、缩短幼年期并降低生产成本的可行性。

花器官特征决定

典型蝴蝶兰花朵包含1枚中萼片（背侧）、2枚侧萼片（腹侧）、2枚侧花瓣、1枚唇瓣、1个含2或4个花粉块的合蕊柱，以及子房内的胚珠。在开花植物中，花器官特征通常由MIKC^C型MADS-box基因决定，遵循ABCDE模型。

针对兰花，研究人员提出了多个修正模型来解释花被的形成和多样化，如"兰花代码"（Orchid Code）模型、"花被同源"（HOT）模型和"花被代码"（P code）模型。"兰花代码"和HOT模型基于蝴蝶兰中4个AP3-like基因的表达谱总结而来：PeMADS2（PeAP3-1）和PeMADS5（PeAP3-3）在所有花被中表达，PeMADS3（PeAP3-2）在花瓣和唇瓣中表达，PeMADS4（PeAP3-4）特异地在唇瓣中表达。

P code模型则基于多个兰花物种花被中OAP3-1、OAP3-2、OAGL6-1、OAGL6-2和OPI的不同表达谱推断而来。该模型认为，萼片/花瓣和唇瓣的形成由SP（AP3-1/AGL6-1/AGL6-1/PI）和L（AP3-2/AGL6-2/AGL6-2/PI）复合物的竞争决定。E类基因PeSEPs的功能在兰花中可能与其他开花植物一样保守：沉默PeSEPs会导致花被转化为叶状器官。

蝴蝶兰中常见两类花器官同源转化突变体：唇瓣花瓣化（L-to-P，如'大脚'系列）和花瓣唇瓣化（P-to-L）。对于L-to-P转化，通过VIGS技术沉默PeAGL6-2会产生更似未卷曲唇瓣的瓣状器官，但其基本结构（三裂片、两须、一胼胝体）未受影响。而'大脚'品种的唇瓣形状从这种未卷曲型到近乎完全花瓣状不等，提示唇瓣形成可能涉及一系列发育模式重塑事件。

对于P-to-L转化，在P. equestris等物种或品种中均有独立发现，且表现出不同程度。有研究在P. equestris的P-to-L畸形花中发现PeMADS5等位基因上游区和第五内含子存在插入，且PeMADS5表达缺失，推测这些插入可能是导致P-to-L转化的潜在原因。然而，沉默PeMADS5并未产生唇瓣化花瓣，表明其成因仍需进一步验证。另一项研究发现，在P-to-L花蕾中，bZIP-like基因、TCP-like基因、生长素调节蛋白激酶和亲环蛋白相关基因表达上调，而DNA甲基化、染色质重塑和转录后调控相关基因表达下调。Xu等发现，在P. equestris畸形花的唇瓣化花瓣中，PeNAC67和PeSCL23表达高于正常唇瓣。沉默PeNAC67可使唇瓣化花瓣逆转为正常花瓣，而沉默PeSCL23则导致更强的P-to-L转化。PeKAN2与PeNAC67共同作用激活L复合物，而PeSCL23与PeKAN2互作竞争L复合物从而促进花瓣形成。

花对称性决定

在金鱼草中，花的背腹不对称性由TCP-like基因CYC和DICH、MYB-like基因DIV、RAD以及DRIF的协同相互作用决定。这一 zygomorphy（两侧对称）决定程序在核心真双子叶植物中相对保守。

在兰花中，DIV-like、RAD-like和DRIF-like基因在唇瓣中的表达高于花瓣，而在P-to-L花中，它们在唇瓣和转化花瓣中的表达水平相似，提示这三个基因可能参与兰花 zygomorphy 的决定。PeCYC1和PeCYC2在侧萼片和唇瓣中的表达也高于背萼片和花瓣。然而，在具有不同花对称性的建兰品种中，它们的表达谱与花形态无关，相反，花对称性与CsAP3-2和CsAGL6-2表达相关，提示B类和G类基因对于建兰及其他兰花（可能包括蝴蝶兰）的花 zygomorphy 至关重要。在正常蝴蝶兰花中，唇瓣特异性的PeMADS4（PeAP3-4）和腹侧区域特异性的PaAGL6-2在P-to-L花的转化花瓣中表达域扩张。这些结果表明，MYB（如DIV、RAD、DRIF）和MADS-box（B类和G类）基因可能协同决定兰花的花对称性，而P-to-L花中从 zygomorphy 到 actinomorphy（辐射对称）的转变很可能由导致这些基因在背侧区域上调的遗传或表观遗传变化引起。

花色素的生物合成与花色模式形成

蝴蝶兰花色丰富，包括白、黄、浅绿、橙、粉、红、深红、紫蓝、灰等。绿色、黄色和粉色花分别倾向于含有较高的叶绿素、类胡萝卜素和花青素。氰定类花青素是蝴蝶兰中红紫色、紫色、紫罗兰色和蓝紫色的主要贡献者。

花青素生物合成途径中结构酶的功能在蝴蝶兰中被证明是保守的。R2R3-MYB和bHLH转录因子与WD40蛋白相互作用形成MBW复合物，调控花青素的生物合成。PeMYB2和PeMYB12分别被报道决定萼片/花瓣和唇瓣的粉色形成。PeMYB4L也促进蝴蝶兰中花青素积累和红色形成，而bHLH蛋白PeMYC4与PeMYB4L形成复合物抑制花青素积累。沉默PebHLH导致唇瓣侧瓣背侧区域红色褪色，表明PebHLH可能在唇瓣中被背侧程序激活，并且应有另一个bHLH拷贝参与腹侧区域的色素形成。

除了多样的颜色，蝴蝶兰花色模式（包括条纹和斑点）也表现出极大的多样性。蝴蝶兰花朵上的条纹通常呈现脉序图案，这与许多其他开花植物相似。在蝴蝶兰中，PeMYB12被证明除了在唇瓣色素形成中的作用外，还决定萼片/花瓣上的脉纹形成。PeMYB12和PebHLH1的表达谱与金鱼草中Venosa和DELILA基因相似，表明脉序条纹形成机制的保守性。沉默OAGL6-1、OAP3-1和OPI会导致萼片/花瓣上脉纹消失而形状不变，提示OAGL6-1、OAP3-1和OPI可能位于PeMYB12上游参与脉纹决定。

蝴蝶兰最显著和多样化的色素特征是斑点的有无和类型。PeMYB11被提出决定斑点的形成。PeMYB7也与P. 'Panda'的紫色斑块形成相关，而microRNA156g（miR156g）和miR858分别在非斑点区域靶向并下调PeMYB7和PeMYB11的表达。

复杂的斑点形成可以用激活-抑制系统来解释，这一系统最初用于解释沟酸浆属植物的斑点形成。在蝴蝶兰中，R2R3-MYB基因PeMYB11和R3-MYB基因PeMYBx（花青素生物合成抑制因子）均在紫色斑块中特异性表达，而在相邻白色背景区域不表达。模拟PeMYB11和PeMYBx表达使用激活-抑制系统可以重现分散和圆形的斑点。进一步在模拟中引入HORT1 solo-LTR、miR858和全长HORT1对PeMYB11表达的影响，重现了蝴蝶兰品种中不同的斑点/斑块分布。蝴蝶兰极其复杂的颜色模式很可能源于MYB基因的频繁复制、复制体间的快速序列分化和亚/新功能化、microRNA与MYB基因之间、R2R3-MYB与R3-MYB基因之间以及MYB与MADS-box基因之间的相互作用。

花香合成

蝴蝶兰的花香在吸引传粉者和防御中起重要作用，并已成为育种计划中的关键园艺性状。蝴蝶兰的主要挥发物是单萜类化合物，如芳樟醇、香叶醇及其衍生物。然而，某些物种（如P. violacea）的花香特征是以苯类化合物和含氮化合物为主的独特谱图。无香味的P. equestris和P. aphrodite未检测到单萜类化合物。

蝴蝶兰花在开花第一天释放香气，在花朵成熟过程中迅速增加排放量，在盛花期（开花后4-8天）达到峰值，随后逐渐减少。P. schilleriana和P. belina在早晨其传粉者活跃时释放最高量的挥发物。在恒定光照下，P. violacea花朵以昼夜模式排放单萜，而恒定黑暗抑制其香气排放。负责单萜生物合成的结构基因和转录因子启动子含有光和昼夜节律响应元件，表明其昼夜表达受环境光和内部生物钟调控。

P. belina的PbGDPS（香叶基二磷酸合酶）是单萜前体香叶基二磷酸生物合成的关键酶。PbTPS3（萜烯合酶）、PbTPS4、PbTPS5和PbTPS10负责芳樟醇的产生，PbTPS5和PbTPS9参与香叶醇的生物合成，PbTPS3催化(β)-顺式-罗勒烯的生物合成。两个ABC亚家族G基因PbABCG1和PbABCG2在P. belina的单萜运输和香气释放中起重要作用。转录因子PbbHLH4、PbbHLH6、PbbZIP4、PbERF1（APETALA2/乙烯响应因子）和PbNAC1 facultatively或obligatorily结合PbGDPS、PbGDPS2、PbTPS5和PbTPS10的启动子序列，正向调控其表达。此外，PbGDPS和PbbHLH4的表达与蝴蝶兰中单萜的产生密切相关。

研究发现PbGDPS启动子区域（PbGDPSp）有两个对其活性至关重要的重复序列，无香味的蝴蝶兰物种在这一个或两个重复序列中存在截短。研究提出PbbZIP4是结合该双重复启动子并激活PbGDPS表达的转录因子。一致地，单萜生产仅限于同时具有bZIP4表达和完整双重复GDPS启动子的蝴蝶兰。这些发现表明了有香和无香蝴蝶兰花在顺式和反式调控上的差异，并解释了通过杂交育种创造有香蝴蝶兰品种的困难。

工业化重要其他花卉性状

花序相关性状（木质化、数量、每花序花蕾数及腋芽休眠）

大多数总状花序型大花品种需要支架支撑花序，增加了劳动力成本，使得选育直立/半直立花序成为关键目标。同时具有多个花序同时抽薹的品种和"龙兰"（每花序同时开放≥18朵花）近年来非常流行，具有可观的经济价值。具小到中型花和多分枝的圆锥花序型品种也越来越受欢迎。

直立和半直立花序的花梗木质化面积占总茎面积比例以及木质化纤维壁厚度倾向于高于拱形和下垂花序。花序木质化变量相似性与蝴蝶兰间系统发育关系的正相关表明木质化程度可能是可遗传的。

现有品种通常有1-3个花序，在催花阶段外源施用6-BAP或BA可以增加花序数量。培育"龙兰"通常需要在诱导第一个花序前延长幼年期一年多。叶片碳氮比（C/N ratio）和培养基中钾（K）浓度对花朵数量有正向贡献。在较低温度下生长的植株第一个花序上的花蕾数量多于较高温度下生长的植株，但花序长度无显著差异。两个WOX基因，PaWOX3和PaWOX3B，参与花芽起始，因为沉默PaWOX3和PaWOX3B的花卉花蕾数量显著减少，但花形态未变。

典型花序基部有3~6个休眠芽，用于通过组织培养进行蝴蝶兰的无性繁殖。在总状花序型品种中，摘心处理常诱导顶部一两个休眠芽发育成新的花枝，可能由于消除了顶端优势。相反，圆锥花序型品种无需摘心即可从相应位置的芽自然发育分枝。在总状花序型品种Phal. 'Big Chilli'中，两个II类TCP基因PeTB1/2（TEOSINTE BRANCHED 1的同源物）通过抑制局部PePIN1b表达作为腋芽休眠的关键调控因子。DELLA蛋白PeSLR1（水稻Slender Rice 1的同源物）与PeTB1互作增强其对PePIN1b（一种促进腋芽发育的生长素外排载体）表达的抑制。然而，圆锥花序型品种侧花枝发育的调控机制仍有待探索。

角质层/表皮细胞/表皮蜡质生物合成性状

蝴蝶兰花被表皮细胞上的表皮蜡质在生物和非生物胁迫以及保湿中起重要作用，这可能是蝴蝶兰花期长的的重要原因。蝴蝶兰花被可以是蜡质或绒质感，蜡质花瓣具有排列紧密、相对厚且光滑的角质层的扁平表皮细胞，而绒质花瓣具有排列疏松的圆锥形表皮细胞和薄角质层。在一些具绒质花被的蝴蝶兰中，唇瓣表现出比萼片和花瓣角质层更重的表皮细胞。沉默PeSEP3减少了唇瓣表皮层的角质层褶皱，可能由于一个AP2/EREBP-like基因的下调。AP2/ERF基因PeERF1可能通过上调潜在的角质生物合成基因（如PeCYP86A2（细胞色素P450）、PeCYP77A4、PeDCR（defective in cuticular ridges）和PeGPAT（甘油-3-磷酸酰基转移酶6））来促进唇瓣纳米脊的形成。然而，PaERF105（DECREASE WAX BIOSYNTHESIS 2-like）作为角质层形成的抑制因子，而同源域-亮氨酸拉链II基因PaHAT14通过抑制PaERF105表达从而在开花早期促进角质沉积。两个R2R3-MYB基因PaMYB9A1和PaMYB9A2在圆锥形表皮细胞发育和表皮蜡质生物合成中发挥作用。

花期长短

蝴蝶兰的长花期是其核心产业优势，阐明其潜在机制对于进一步延长其商业寿命至关重要。衰老在授粉后1~2天开始，这是由于授粉诱导的乙烯敏感性增加。MIKC^C型MADS-box基因被报道抑制花朵衰老。在拟南芥中过表达PeMADS6（PePI）导致瓣化萼片和花期延长3~4倍。沉默PeMADS7（SEEDSTICK-like）导致花蕾败育。沉默OAP3-1和OPI促进蝴蝶兰的萼片/花瓣衰老。PaFYF1/2（FOREVER YOUNG FLOWER，AGAMOUS-like基因）可能通过抑制乙烯信号和脱落相关基因来阻止花朵衰老/脱落。此外，沉默PebZIP和PeHB（homeobox，可能与其旁系同源基因共沉默）也导致花败育，提示它们也具有抑制花朵衰老的功能。

花朵大小

蝴蝶兰的花朵大小变化很大，也是一个关键的育种目标。具单轴茎和大花的品种通常用于节庆艺术盆栽展示，且往往是四倍体或近四倍体，而小花和中花品种则表现出更广泛的染色体数目范围。花朵大小也被发现与幼年期营养状况（叶片C/N比和培养基中K浓度）正相关，表明幼年期营养条件对花朵大小的影响。内复制被发现在蝴蝶兰中贡献于花朵大小：1）大花和中花倾向于比小花具有更大的花瓣细胞大小和更高的内复制水平，尤其是在花瓣近端区域；2）内复制水平在花朵发育过程中增加。花瓣大小直接贡献于蝴蝶兰的花朵大小，花瓣的形态发生涉及直至花发育第2阶段的细胞分裂和第3至第5阶段的快速扩张。PebHLH沉默和PeMADS1沉默的花朵显著小于模拟处理的花朵，可能分别由于花发育过程中细胞增殖提前终止和细胞扩张减少。蝴蝶兰中较大花的品种可能与较高的PaAAF（Auxin Activation Factor）表达、花被中更多更大的细胞相关。此外，具较大花的蝴蝶兰品种倾向于具有较高的PeCIN8（CINCINNATA）基因表达和对黄叶病较弱的抗性。

花器官形状和结构

所有花器官的形状在不同蝴蝶兰物种/品种间各不相同。例如，蝴蝶兰的花瓣形状根据其长宽比大致可分为三类：披针形、椭圆形或卵形、近圆形。大多数大花品种具有近圆形花瓣，这可能分别在P. amabilis和P. schilleriana的共同祖先、P. lowii和P. appendiculata中独立出现。花瓣形状多样化的分子机制仍有待探索。沉默PeMADS6导致花瓣从近圆形转变为三角形且边缘皱缩，表明花瓣的近圆形可能需要PeMADS6的完整功能。

唇瓣是蝴蝶兰中结构最复杂的器官，可能有三或五裂片（例如P. pulcherrima的中裂片进一步三裂）、须、一至三个胼胝体、距或囊状结构、龙骨瓣、丝状附属物、毛、爪状裂片等。