光周期調(diào)控水稻開(kāi)花期的分子機(jī)制研究進(jìn)展

王詩(shī)宇，王志興*，隋亞云，黃 河，宋曉波，郭素華

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤(pán)錦 124010）

對(duì)于植物來(lái)說(shuō)，開(kāi)花是其重要的生理變化，它使大多數(shù)植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng)。 從營(yíng)養(yǎng)（莖和葉的產(chǎn)生）到生殖階段（花序和花朵的產(chǎn)生）的過(guò)渡決定了開(kāi)花時(shí)間（或谷物的抽穗期），并且是植物生命周期中重要的發(fā)育轉(zhuǎn)變過(guò)程[1]。開(kāi)花是由植物自身的遺傳特性和外界環(huán)境因素共同控制的[2-3]。 遺傳特性主要是指植物激素的生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程， 以及控制生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的各種基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等[4]。 環(huán)境因素主要包括光照、溫度以及養(yǎng)分條件等。許多植物為了繁衍，具有在適宜的生長(zhǎng)季節(jié)里開(kāi)花的能力， 并且主要受到隨著季節(jié)變化而改變的日照長(zhǎng)度即光周期的精確調(diào)控[5]。這種依賴(lài)光周期而開(kāi)花的能力使得植物能夠適應(yīng)不同緯度、不同海拔的生存條件。根據(jù)植物對(duì)日照長(zhǎng)短的反應(yīng)，可將開(kāi)花植物主要分為三大類(lèi)，即長(zhǎng)日照、短日照和日中性植物。長(zhǎng)日照植物和短日照植物分別在長(zhǎng)日照和短日照條件下能夠被促進(jìn)開(kāi)花轉(zhuǎn)變， 而日中性植物則表現(xiàn)出對(duì)日照長(zhǎng)度的變化不敏感的特性。 由于光周期與其他外界環(huán)境條件相比較為穩(wěn)定， 其影響植物開(kāi)花的相關(guān)研究也更加深入。

光周期途徑是植物中最為保守的開(kāi)花響應(yīng)通路， 它通過(guò)整合生物鐘和日照長(zhǎng)度等環(huán)境因子來(lái)決定植物開(kāi)花的早晚。目前研究認(rèn)為，光周期通路是調(diào)控水稻開(kāi)花期的關(guān)鍵途徑[6]。擬南芥是典型的長(zhǎng)日模式植物，增加光照時(shí)間，可以促進(jìn)其開(kāi)花。最近幾十年來(lái)， 通過(guò)分子遺傳學(xué)的手段對(duì)其開(kāi)花時(shí)間的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究。 擬南芥中克隆的一些與光周期調(diào)控開(kāi)花時(shí)間相關(guān)的基因在水稻中具有一定的保守性，但水稻是短日照植物，在水稻中肯定存在其特有的光周期調(diào)控通路。

1 光周期途徑

光周期是影響開(kāi)花期的一個(gè)重要途徑， 它是指一日之內(nèi)晝夜長(zhǎng)度的相對(duì)變化情況。 光周期現(xiàn)象是指植物對(duì)日照長(zhǎng)短的規(guī)律性變化的響應(yīng)。 光周期現(xiàn)象是美國(guó)園藝學(xué)家Garner 和Allard 于1919 年在煙草中首次研究發(fā)現(xiàn)的。 任何植物對(duì)光周期的感受都有一個(gè)臨界的日照長(zhǎng)度， 即臨界日長(zhǎng)。 臨界日長(zhǎng)是區(qū)別長(zhǎng)日照或短日照的日照長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)， 指晝夜周期中能誘導(dǎo)植物開(kāi)花所需要的最低或最高的日照長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。 短日照植物要求的日照時(shí)數(shù)必須小于臨界日長(zhǎng)， 而長(zhǎng)日照植物要求的日照時(shí)數(shù)大于臨界日長(zhǎng)， 否則就延遲開(kāi)花或不能開(kāi)花。植物感受光周期的部位是葉片，在葉片中產(chǎn)生的光周期誘導(dǎo)信號(hào)物質(zhì)通過(guò)維管組織長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)巾敹朔稚M織后引起植物開(kāi)花， 并且根據(jù)后來(lái)的研究這種物質(zhì)被稱(chēng)為成花素。

2 擬南芥光周期調(diào)控開(kāi)花期的分子機(jī)制

大 量 研 究 結(jié) 果 表 明，GIGANTEA（GI）、CONSTANS（CO）和FLOWERING LOCUS T（FT）是光周期調(diào)控?cái)M南芥開(kāi)花期通路上的關(guān)鍵基因，三者存在GI-CO-FT 的遺傳調(diào)控關(guān)系， 三者遺傳上的調(diào)控關(guān)系也是擬南芥開(kāi)花期調(diào)控通路中最主要的途徑[7]。GI是調(diào)控植物生物節(jié)律和開(kāi)花的關(guān)鍵因子[8]，GI可以促進(jìn)CO和FT的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)擬南芥開(kāi)花[9]。 CO 作為轉(zhuǎn)錄激活因子，在長(zhǎng)日照條件下是促進(jìn)開(kāi)花的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。 擬南芥CO位于FT的上游，在長(zhǎng)日照條件下通過(guò)調(diào)控FT的表達(dá)， 進(jìn)而促進(jìn)擬南芥開(kāi)花， 而在短日照條件下CO基因?qū)M南芥開(kāi)花沒(méi)有影響[10-11]。FT 是擬南芥中發(fā)現(xiàn)的成花素， 在葉片中合成經(jīng)由韌皮組織運(yùn)輸?shù)角o頂端生長(zhǎng)點(diǎn)，從而促進(jìn)開(kāi)花[12]。 近年來(lái)，隨著功能基因組學(xué)的不斷發(fā)展， 越來(lái)越多的擬南芥開(kāi)花期相關(guān)基因的作用機(jī)理被解析， 因此調(diào)控?cái)M南芥開(kāi)花期的光周期途徑也不斷被完善[13]。

3 水稻光周期調(diào)控開(kāi)花期的分子機(jī)制

3.1 同 擬 南 芥 保 守 的 水 稻 中 的OsGI-Hd1-Hd3a 調(diào)控模型

2000 年，Yano 等人采用圖位克隆的方法在日本晴與Kasalath 的雜交分離群體中克隆到一個(gè)光周期敏感的主效QTL， 并命名為Heading date 1（Hd1）[14]。Hd1是水稻中最早克隆的抽穗期相關(guān)基因，位于第6 號(hào)染色體上，是擬南芥CO的同源基因。 Hd1 在水稻光周期開(kāi)花中的獨(dú)特性源于其具有的雙重功能。 它在短日時(shí)充當(dāng)開(kāi)花促進(jìn)因子，而在長(zhǎng)日充當(dāng)開(kāi)花抑制因子[15-16]。Oryza sativa Gigantea（OsGI）是Hd1的上游主要調(diào)控基因[17]。短日照條件下，OsGI使Hd1的表達(dá)水平上調(diào)； 相反長(zhǎng)日照條件下，OsGI使Hd1的表達(dá)水平下調(diào)。 水稻光周期敏感性基因Heading date-3a（Hd3a）是位于水稻第6 號(hào)染色體上的與抽穗期相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)[18-19]。Hd3a為水稻FT-like基因家族的成員，與擬南芥的FT基因高度同源[20]。Hd3a的表達(dá)也具有節(jié)律性，mRNA 的積累在黎明時(shí)達(dá)到最大值[21-23]。 在短日條件下，Hd3a的轉(zhuǎn)錄水平增加。通過(guò)表達(dá)分析Hd3a的轉(zhuǎn)錄水平被Hd1上調(diào)，在野生型水稻中引入外源的Hd3a會(huì)引起水稻的早花表型。 這些結(jié)果都證明了Hd3a可以在短日照條件下促進(jìn)水稻開(kāi)花。

3.2 水稻特有的開(kāi)花期調(diào)控基因

水稻中有幾個(gè)擬南芥中不存在的、 獨(dú)特的開(kāi)花期調(diào)控基因， 包括Ehd1、Ehd2、Ehd3、Ghd7和OsMADS51等[24]。Early heading date 1（Ehd1）是一種B 型反應(yīng)調(diào)節(jié)因子， 通過(guò)正向調(diào)控Hd3a和Rice flowering locus T1（RFT1） 的表達(dá)， 來(lái)調(diào)控Hd1非依賴(lài)型的調(diào)控途徑[25-27]。Grain number,plant height, and heading date7（Ghd7）編碼一種CCT（CO,CO-LIKE,TIMING OF CAB1）結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域含有一種在長(zhǎng)日照條件下通過(guò)下調(diào)Ehd1的表達(dá)水平而強(qiáng)烈抑制開(kāi)花的蛋白質(zhì)，相反在短日照條件下對(duì)開(kāi)花時(shí)間并沒(méi)有影響[28-30]。Early heading date 2（Ehd2）是水稻中存在的玉米Id1同源基因， 可以上調(diào)Ehd1的表達(dá)。Early heading date 3（Ehd3）在長(zhǎng)日照條件下通過(guò)下調(diào)Ghd7的表達(dá)而促進(jìn)開(kāi)花[31-32]。OsMADS51在短日照條件下，正向調(diào)控Ehd1的表達(dá)[33]。 水稻中存在這些調(diào)控因子，而擬南芥中卻沒(méi)有，這也充分表明這兩個(gè)物種的開(kāi)花調(diào)控通路具有一定的差異性。

3.3 短調(diào)日控照模條型件下水稻開(kāi)花期的分子機(jī)制

水稻是短日照植物， 短日條件可以促進(jìn)其開(kāi)花[34]。 在短日條件下，Hd1 蛋白充當(dāng)成花素基因Hd3a表達(dá)的促進(jìn)因子[35]。 因此， 進(jìn)化上保守的OsGI-Hd1-Hd3a 途徑促進(jìn)開(kāi)花。 B 型反應(yīng)調(diào)節(jié)因子Ehd1在短日條件下也誘導(dǎo)Hd3a表達(dá)。Ehd1表達(dá)在早晨被藍(lán)光激活，并且該時(shí)間由OsGI控制。

3.4 長(zhǎng)日照條件下水稻開(kāi)花期的分子機(jī)制

長(zhǎng)日照下，Hd3a的表達(dá)量很低，甚至不表達(dá)，即RFT1是長(zhǎng)日照條件下的主要開(kāi)花促進(jìn)因子[36]。Ghd7、O.sativa LEC2 and FUSCA3 Like 1（OsLFL1）、Oryza sativa LEAFY COTYLEDON1（OsLEC1）等基因會(huì)抑制Ehd1的表達(dá)， 而其下游基因的表達(dá)也都要受到抑制， 從而抑制開(kāi)花； 相反OsMADS50可以正向調(diào)控Ehd1的表達(dá)水平促進(jìn)開(kāi)花。Oryza sativa EARLY FLOWERING 3（OsELF3）、Ehd3則通過(guò)抑制Ghd7的表達(dá)，促進(jìn)Ehd1的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)下游相關(guān)基因的表達(dá)促進(jìn)開(kāi)花[30]。

綜上所述，短日照條件下，調(diào)控水稻開(kāi)花主要存在兩條途徑： 一條是進(jìn)化上保守的光周期開(kāi)花調(diào)控途徑——由Hd1參與的OsGI-Hd1-Hd3a 組成的保守促進(jìn)途徑；另一條是由水稻特有的Ehd1基因參與的Ehd1-Hd3a 途徑。 而在長(zhǎng)日照條件下， 水稻開(kāi)花主要存在兩條抑制途徑和一條促進(jìn)途徑， 分別是OsGI-Hd1-Hd3a 抑制途徑、Ghd7-Ehd1-RFT1 抑制途徑和Ehd1-RFT1 促進(jìn)途徑。這些途徑分別依賴(lài)于Hd1和Ehd1對(duì)成花素基因Hd3a、RFT1表達(dá)的調(diào)控，從而影響水稻開(kāi)花過(guò)程。

4 展望

水稻的開(kāi)花期（即抽穗期）是決定水稻產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀。 水稻只有在適宜的生長(zhǎng)發(fā)育階段和適宜的季節(jié)里抽穗、開(kāi)花，才能確保產(chǎn)量。 過(guò)早抽穗、開(kāi)花會(huì)縮短水稻的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，進(jìn)而降低水稻的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；而過(guò)晚抽穗、開(kāi)花則容易發(fā)生障礙性或延遲性冷害， 影響水稻的灌漿和結(jié)實(shí)，從而造成產(chǎn)量降低。 因此，開(kāi)展水稻開(kāi)花期調(diào)控分子機(jī)理的研究， 對(duì)于探明水稻開(kāi)花期的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)， 利用人工手段改變和調(diào)節(jié)水稻開(kāi)花期， 指導(dǎo)成熟期不同的水稻品種選育， 調(diào)節(jié)播種期， 保證雜種優(yōu)勢(shì)利用過(guò)程中雜交種子的父母本花期相遇，提高水稻的適應(yīng)性和產(chǎn)量，改善水稻的品質(zhì)，具有重要的理論和實(shí)踐意義。