為何植物開(kāi)花有早晚科學(xué)家找到調(diào)控花期的開(kāi)關(guān)

吳長(zhǎng)鋒

自然界很神奇，不同植物的開(kāi)花時(shí)間不一樣，到底是什么神奇的力量在調(diào)控開(kāi)花時(shí)間？科學(xué)家們一直在探尋這個(gè)奧秘。

筆者11月30日從安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)了解到，該校生命科學(xué)學(xué)院植物抗逆育種與減災(zāi)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室李培金課題組，通過(guò)研究揭示了擬南芥花期自然變異的調(diào)控新機(jī)制。這一研究成果日前發(fā)表在著名國(guó)際刊物《自然·通訊》上。

開(kāi)花時(shí)間是關(guān)鍵的農(nóng)藝性狀，對(duì)植物產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要影響。一般來(lái)說(shuō)，每種植物都有最佳花期，在此期間開(kāi)花，就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。但如果花期提前或者滯后，就會(huì)給產(chǎn)量帶來(lái)不良影響。

李培金給筆者舉了一個(gè)例子，玉米在開(kāi)花時(shí)期對(duì)高溫異常敏感，如果在7月份高溫天氣開(kāi)花，會(huì)導(dǎo)致雌雄花期不協(xié)調(diào)和授粉失敗，嚴(yán)重時(shí)顆粒無(wú)收，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)重大損失。因此解析植物的開(kāi)花機(jī)制，對(duì)植物分子輔助育種，提高作物產(chǎn)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

植物進(jìn)化是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，同一類(lèi)植物分布在不同的區(qū)域，為了適應(yīng)不同的環(huán)境，在進(jìn)化過(guò)程中遺傳基因會(huì)發(fā)生不同的變化，出現(xiàn)豐富的自然變異，從而維持了各種花期類(lèi)型，這種現(xiàn)象在模式植物擬南芥中非常普遍，是遺傳多樣性的一個(gè)重要特征。

有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RIGIDA （FRI）和FLOWERING LOCUS C（FLC）是抑制植物開(kāi)花的兩個(gè)關(guān)鍵基因。比如，冬小麥之所以需要過(guò)冬，主要是因?yàn)镕RI和FLC的同源基因表達(dá)水平很高，抑制了冬小麥開(kāi)花，經(jīng)過(guò)秋冬兩季長(zhǎng)時(shí)間的低溫，F(xiàn)LC表達(dá)水平就會(huì)慢慢下降，等到來(lái)年春天，隨著氣溫的逐步升高，冬小麥才得以開(kāi)花結(jié)果。同時(shí)，只有在FRI和FLC共存的情況下，才能發(fā)揮抑制開(kāi)花的功能，任何一個(gè)基因的缺失都會(huì)導(dǎo)致植物早開(kāi)花。

在不同類(lèi)型的擬南芥中，F(xiàn)LC的表達(dá)水平有很大差異。李培金課題團(tuán)隊(duì)對(duì)世界范圍內(nèi)的102種擬南芥的FLC基因的表達(dá)水平進(jìn)行了定量分析，通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)篩選出一個(gè)花期調(diào)控關(guān)鍵基因SSF。SSF基因編碼的蛋白質(zhì)擔(dān)負(fù)著調(diào)控花期的功能。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SSF基因編碼的蛋白質(zhì)具有兩個(gè)變異類(lèi)型——SSF414D和SSF414N。植物體廣泛存在的蛋白泛素化修飾和降解系統(tǒng)能識(shí)別這兩種蛋白質(zhì)，并調(diào)控SSF蛋白質(zhì)水平的高低，從而影響開(kāi)花抑制基因FLC的表達(dá)水平，導(dǎo)致植物花期發(fā)生改變。

李培金解釋說(shuō)，SSF基因的兩種變異類(lèi)型很神奇，SSF414D和SSF414N雖然都能抑制植物開(kāi)花，但414D功能更強(qiáng)更明顯，414N相對(duì)表現(xiàn)不明顯。414D主要存在于北方的植物中，相對(duì)來(lái)講可以使植物晚開(kāi)花，適應(yīng)北方的寒冷氣候;而414N主要存在于南方的植物中，相對(duì)來(lái)講調(diào)控植物早花，以適應(yīng)南方較為溫和的生長(zhǎng)環(huán)境。

在以往的研究中，SSF基因多次被發(fā)現(xiàn)，但這個(gè)基因如何發(fā)揮功能一直不清楚，分子調(diào)控機(jī)制更是未知，這項(xiàng)研究成果首次解決了這個(gè)難題，并深入揭示了基因自然變異調(diào)控植物生育期的新機(jī)制，為植物分子育種提供了重要基因資源和理論依據(jù)。