水稻開花時間決定的光周期途徑分子調控機制分析與思考

王友如

（江蘇淮安市淮安區(qū)流均鎮(zhèn)農業(yè)技術推廣服務中心，江蘇 淮安 223223）

花是許多高等植物生命周期循環(huán)的一個重要過程。植物開花包括開花決定、成花啟動、花器官的發(fā)育。植物能否成功地進行有性繁殖取決于精確的開花時間。開花決定受到環(huán)境信號和內源遺傳信號的控制，是開花基因時空順序表達的結果。在這些信號中，最重要的一個決定因素是植物對于光周期的反應。光周期指一日之內晝夜長度的相對變化，也即日長。植物對于這種相對變化做出的反應稱為光周期現(xiàn)象。根據(jù)對光周期的反應，一般可將植物分為3種：對長日照敏感而成花的為長日照植物；對短日照敏感而成花的為短日照植物；對日照長度不敏感的為光期鈍感植物。擬南芥和水稻分別作為開花時間調控研究的長日照植物和短日照植物的模型。目前，對控制擬南芥開花的光周期途徑，已經有較為完整和深入的研究。現(xiàn)結合擬南芥有關光周期開花調控的研究進展，就有關決定模式生物水稻開花時間的光周期調控的主要研究進展作簡要綜述。

1 光周期反應的控制模型

植物要對不同的光周期做出反應，那么應該存在某種機制對日長進行度量和記憶。關于植物度量日長存在2個模型：一是外部一致模型。Bünning首先提出，植物存在一個潛在的晝夜節(jié)律鐘。24h單位的晝夜分為光敏期和暗敏期。當植物在光敏期，晝夜節(jié)律鐘調節(jié)因子的表達達到一個閾值時，若處于光照條件下，則會促進長日照植物開花，而抑制短日照植物開花。二是內部一致模型。光信號產生2個不同的周期性功能（促進或抑制），只有當2種節(jié)律是同步的時候才會誘導開花，反之則抑制開花。目前，外部一致模型已經被很多研究所證實，得到較多的認同。

2 光信號感受和晝夜節(jié)律調節(jié)

確定日長后，植物還需要區(qū)分白晝和黑夜，這主要是通過可以感受光信號的光受體來實現(xiàn)的。已知擬南芥中參與光周期開花時間決定的光受體包括光敏色素和隱花色素。在水稻中，光敏色素是光周期開花決定的主要光受體。水稻只存在3個光敏色素基因Phy A、Phy B和Phy C。Phy A在長日下抑制水稻開花，這同在擬南芥中的作用是相反的。Phy B的功能在擬南芥和水稻間是保守的，都抑制植物開花。Phy C的感光模式同擬南芥不同，在水稻中主要吸收遠紅光，而在擬南芥中主要吸收紅光。此外，水稻中也存在隱花色素OsCRY1和OsCRY2，同擬南芥中的功能相似，均能促進水稻開花。

光受體接受光質信號后，將其傳遞給晝夜節(jié)律鐘基因，節(jié)律基因收到光信號后啟動表達。通過晝夜節(jié)律鐘的輸出系統(tǒng)將節(jié)律信號輸出給下游響應節(jié)律的調節(jié)基因和開花時間基因。節(jié)律基因所表達的蛋白遵從一個自身反饋的環(huán)狀調節(jié)的機制。目前比較清楚存在于擬南芥中響應晝夜節(jié)律的反饋調節(jié)機制是：TOC1和ELF4促進CCA1、LHY的表達，黎明，CCA1、LHY受到光的刺激開始表達，表達量逐漸增加，同TOC1和ELF4啟動子調控元件結合，抑制TOC1和ELF4的表達。夜間，CCA1、LHY的表達降至最低，這時TOC1和ELF4的表達抑制被解除，隨著表達的累積又重新起始對CCA1、LHY表達的激活，開始新一輪的循環(huán)。

水稻中只存在1個與擬南芥LHY和CCA1同源的基因OsLHY。該基因的表達也呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性變化。此外，水稻中也發(fā)現(xiàn)存在PPRs基因家族OsPPR，受到晝夜節(jié)律的調控。水稻OsPPR基因是否確實參與晝夜節(jié)律鐘還需要進一步的研究驗證。

3 光周期反應的分子機制

晝夜節(jié)律信號的產生，使得下游開花基因得到激活或抑制，進而引起水稻開花或遲花。CO是擬南芥中第1個被發(fā)現(xiàn)受晝夜節(jié)律調控的開花基因。擬南芥通過對CO基因轉錄的豐度同CO蛋白的穩(wěn)定性的調節(jié)將光信號同晝夜節(jié)律鐘統(tǒng)一起來。水稻Hd1、CO的同源基因，作為晝夜節(jié)律鐘的下游基因，通過同樣的方式在整合光信號和節(jié)律信號上起著重要作用。Hd1 mRNA的表達不受日長的影響，受到光敏色素的介導。Takeshi Izawa認為Hd1能與光敏色素形成轉錄復合物或者受到光敏色素的磷酸化；Hd1單獨存在時，促進其下游基因FT-like的表達；同光敏色素相互作用時，Hd1作為FT-like的抑制子。在短日條件下，Hd1 mRNA表達的峰值在夜間，而在長日條件下，Hd1 mRNA出現(xiàn)表達的峰值時，正處于光敏期，此時光敏色素同Hd1的作用比短日強，故抑制水稻開花。因此，Hd1是一個雙功能基因，短日促進開花，而長日抑制開花。

擬南芥CO受到上游GI的調控，誘導1個編碼移動開花信號的成花素基因FT的表達。FT蛋白移動至莖尖，同由FD基因編碼的轉錄因子相互作用來激活決定花器官特性的基因AP1，誘導擬南芥開花。 OsGI是擬南芥GI基因的水稻同源基因。OsGI mRNA的表達受到晝夜鐘的控制，在長日照和短日照條件下，表達模式與CO類似。OsGI過表達，不論在何種日長條件下均能引起水稻開花推遲，說明OsGI是水稻開花的抑制因子，而在擬南芥中，GI促進開花。Hd3a、FT的同源基因，由Hd1調控，同F(xiàn)T蛋白類似，Hd3a蛋白是水稻中的成花素，在葉片中表達，通過韌皮部運輸至頂端分生組織，啟動開花。FT-like 1（RFT1），是水稻中13個FT-like家族基因中最接近Hd3a的同源基因，能在缺乏Hd3a的時候能促進開花，在短日下作用是冗余的。Reina Komiya等進一步證明，在短日條件下，主要通過Hd3a激活水稻開花。在長日條件下，RFT1則是主要的開花促進因子。在擬南芥和水稻中是保守的，但是在這些長日照植物和短日照植物中，光周期的反應是有區(qū)別的。

除去這些保守的開花時間基因的調控，水稻中還發(fā)現(xiàn)存在獨特的調控因子。Ehd1編碼一個B-型反應調節(jié)子，在擬南芥中不存在同源基因，能獨立于Hd1促進水稻開花。Ghd7編碼1個CCT結構域蛋白的基因，同擬南芥沒有明顯的同源性，是CCT結構域蛋白家族的新成員。在長日照條件下，Ghd7抑制Ehd1和Hd3a的表達，但是不影響Hd1的轉錄水平，從而推遲開花。編碼1個半胱氨酸-組氨酸鋅指基序的轉錄因子，同玉米ID1同源，而同擬南芥中的ID基因親緣關系較遠，通過上調Ehd1及其下游基因的轉錄來促進水稻開花轉變。其表達不受日長變化的影響，可能獨立于晝夜節(jié)律的。此外，Ghd7和Hd1可能部分受到RID1/OsId1/Ehd2的控制。SE5編碼參與光敏色素發(fā)色基團生物合成的酶。在長日條件下，SE5抑制Ehd1，并且可能通過Hd1的表達的調節(jié)來產生對光周期的敏感反應。OsLFL1，包含1個假定的B3-DNA結合結構域的轉錄因子。但OsLFL1本身可能不是一個開花決定基因，只是通過直接結合到Ehd1基因啟動子的RY cis元件（CATGCATG）上，抑制Ehd1的表達來抑制水稻開花。OsMADS50和OsMADS56同擬南芥SOC1/AGL20高度同源，均受到晝夜節(jié)律鐘的影響。但是OsMADS50和OsMADS56在長日照條件下對水稻開花時間的決定作用是相反的，因此OsMADS56是一個開花抑制基因。OsMADS50和OsMADS56會通過相互作用形成復合物，調控共同的下游基因OsLFL1-Ehd1來控制水稻開花，且獨立于Hd1、SE5和RID1/OsId1/Ehd2的開花調控。最近，又有一些新的參與水稻開花時間決定的基因陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。Soon-Kap Kim等發(fā)現(xiàn)1個新型的COL基因，OsCO3，表現(xiàn)出晝夜節(jié)律。當然，該基因包含單一的B-box和單一的CCT結構域，該類COL基因在擬南芥中并不存在。

4 結語

通過反向遺傳學手段，已經克隆出許多與水稻光周期成花相關的基因，這為人們在分子水平上了解水稻的光周期開花決定機制提供了直接的證據(jù)。通過同擬南芥相應基因的親緣比較，發(fā)現(xiàn)短日照植物水稻和長日照植物擬南芥在進化上存在一定的保守性。但是，在這2種模式生物之間，光周期開花基因還存在一定的種屬特異性，這可以認為是一種進化的適應調節(jié)。正是這種進化調節(jié)，使得擬南芥和水稻對光周期做出不同的反應。尤其是新開花基因的發(fā)現(xiàn)，為人們更加全面地研究禾本科植物開花的多樣化提供了新的視角。