作物緯度適應(yīng)性的研究進展

邱蕾蕾，歐陽鑫昊

(廈門大學生命科學學院，細胞應(yīng)激生物學國家重點實驗室，福建 廈門 361102)

到2050年，世界可能面臨人口破百億和維持地球健康的巨大挑戰(zhàn)，保證糧食安全至關(guān)重要.近幾十年來，隨著全球氣候變暖，作物有向高緯度擴張的趨勢，其中伴隨的是作物對光周期敏感性(日長識別)的改變[1].日長是誘導植物開花的重要外在因素，據(jù)此植物可分為：長日照促進開花的長日照植物，如小麥(TriticumaestivumL.)、大麥(HordeumvulgareL.)、擬南芥(Arabidopsisthaliana)、油菜(BrassicanapusL.)；短日照促進開花的短日照植物，如水稻(OryzasativaL.)、玉米(ZeamaysL.)、大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)；對日長不敏感的日中性植物，如番茄(Lycopersiconesculentum)、黃瓜(CucumissativusL.)[2].在作物的選育過程中，合適的開花時間是糧食高產(chǎn)的保證：開花時間提前使作物營養(yǎng)生長期縮短，不能充分利用當?shù)氐墓鉁貤l件；開花時間推后則作物不能在低溫來臨之前充分地灌漿結(jié)實.培育出適合不同緯度地區(qū)的作物品種對于糧食增產(chǎn)至關(guān)重要，可以從根本上解決部分地區(qū)的糧食危機.地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)產(chǎn)生四季和日夜變化，也使得高緯度地區(qū)夏季日長更長，低緯度地區(qū)夏季日長更短.作物在響應(yīng)日長變化的過程中，通過光周期基因直接或間接調(diào)控成花素基因表達，從而調(diào)節(jié)開花時間.當作物擴張至新的緯度環(huán)境中，一些重要光周期基因的自然變異使作物能夠通過調(diào)整自身開花時間來適應(yīng)新環(huán)境.全球氣候變暖使不同緯度地區(qū)作物的生長季節(jié)得以延長，現(xiàn)有的輪作方式重新調(diào)整將有利于產(chǎn)量的最大化，這需要對作物進行緯度適應(yīng)性選擇，而光周期基因的不同組合是實現(xiàn)該過程的重要基礎(chǔ).研究作物的緯度適應(yīng)性對于作物的品種選育與引種、雜交種制種和產(chǎn)量具有非常重要的參考意義.本文從植物光周期調(diào)控開花、光周期基因影響日長識別、緯度適應(yīng)性選擇3個方面對作物緯度適應(yīng)性進行闡述.

1 光周期調(diào)控植物開花

1.1 擬南芥光周期途徑調(diào)控開花

開花是植物從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L的重要體現(xiàn)，開花結(jié)實使植物可以將生命順利延續(xù)給下一代.開花過程主要包括成花誘導、花發(fā)育和開花.植物作為固著式生長的生物，需要對周圍環(huán)境的變化做出相應(yīng)的生長調(diào)整，在適當時期開花是植物感知環(huán)境變化的一個重要性狀.同時，開花時間由內(nèi)源遺傳成分和各種環(huán)境因素共同調(diào)控，如激素、日長、溫度和脅迫等.在模式植物擬南芥中，開花調(diào)控途徑研究得最清楚，主要可分為光周期途徑、春化途徑、赤霉素途徑和自主途徑[3].在1920年，美國學者Garner和Allard觀察到一個煙草變種馬里蘭猛犸象(NicotianatabacumL.)，其在華盛頓夏季時一直進行營養(yǎng)生長，而冬季放入溫室可以開花，由此發(fā)現(xiàn)日長是影響煙草開花的主要因素，這是人們第一次提出光周期的概念，距今已經(jīng)有100多年歷史[2].

植物葉片通過調(diào)節(jié)自身成花素基因FT(floweringlocusT)的表達來響應(yīng)感受光周期的變化，從而在合適的時間開花[2].在擬南芥中，葉片感知外界光照、溫度等因素變化后，通過核蛋白GI(gigantea)、轉(zhuǎn)錄因子CO(constans)等傳遞信號，調(diào)控成花素基因FT的表達，隨后FT蛋白從葉片經(jīng)篩管運輸?shù)巾敹朔稚M織誘導開花[4].擬南芥在長日照條件下可以誘導FT基因的高表達以促進開花，然而在短日照條件下FT基因的表達水平則很低[5].

CO是擬南芥光周期調(diào)控開花網(wǎng)絡(luò)中的核心分子，具有明顯的節(jié)律性表達：長日照下其信使RNA(messenger RNA,mRNA)水平晚間高于早晨，蛋白水平則在黃昏時達到峰值；短日照下其蛋白豐度遠低于長日照下.在白天，CO基因的mRNA水平和FKF1(flavin-binding,Kelch repeat,F-box 1)-GI復(fù)合物密切相關(guān)；FKF1-GI復(fù)合物的形成依賴于藍光的存在，該復(fù)合物可以調(diào)節(jié)CO基因轉(zhuǎn)錄抑制因子CDF(cycling dof factor)的降解，使得CO基因的mRNA水平可以在白天得到積累[6-7].CO蛋白的翻譯后調(diào)控也是擬南芥光周期誘導FT基因轉(zhuǎn)錄的重要因素.不同光信號調(diào)節(jié)CO蛋白穩(wěn)定性的機制不同，遠紅光和藍光信號可以穩(wěn)定CO，而紅光則可以降解CO[8].紅光受體PhyB(phytochrome B)、E3泛素連接酶COP1(constitutive photomorphogenic 1)、SPA(suppressor of PhyA-105)、HOS1(high expression of osmotically responsive genes 1)參與到CO的降解過程；同時PHL(phytochrome dependent late flowering)在紅光下和PhyB相互作用，可以減弱PhyB抑制開花的活性[9].在長日照和短日照下的晚間，CO被SPA1-COP1復(fù)合物降解.FKF1、PhyA(遠紅光受體)和CRY(cryptochrome，藍光受體)，尤其是CRY2，參與調(diào)控CO蛋白的穩(wěn)定性.在藍光下，CRY2-COP1-SPA1復(fù)合物可以抑制COP1-SPA1活性以穩(wěn)定CO，從而激活FT基因表達[2，8].除參與經(jīng)典的光周期信號途徑調(diào)控開花外，CO也可以和NF-Y(CCAAT-box-binding nuclear factor Y)共同通過染色質(zhì)環(huán)的形式，將遠端的增強子帶到FT基因啟動子附近并激活其表達[10].

1.2 水稻光周期途徑調(diào)控開花

1.2.1 水稻的成花誘導

水稻是全球主要糧食作物之一，產(chǎn)量和抽穗期(開花時間)緊密相連.綜合前人報道，參與水稻光周期調(diào)控抽穗的基因有50多個[11]，如Hd1(headingdate1)[12]、DTH8(daystoheading8)[13]、DTH2[14]、Ghd7(grainnumber,plantheightandheadingdate7)[15]、Ghd7.1/DTH7/OsPRR37(pseudo-response-regulator37)[16]、Ehd1(earlyheadingdate1)[17]、Hd6[18]、Hd16[19]、Hd17/OsELF3-1(earlyflowering3-1)[20]和Hd18[21].上述光周期基因組成了一個非常復(fù)雜的光周期調(diào)控開花網(wǎng)絡(luò)，這為選育適應(yīng)不同緯度地區(qū)的水稻品種提供了非常重要的分子基礎(chǔ).水稻有兩個成花素基因，分別是Hd3a和RFT1(ricefloweringlocusT1)，Hd3a-RFT1雙基因RNAi水稻在短日照條件下超過300 d不抽穗[22].所有光周期基因最終通過直接或間接調(diào)控水稻成花素基因Hd3a和RFT1的表達來影響抽穗.和擬南芥一樣，水稻成花素也在葉片中合成，隨后運輸?shù)巾敹朔稚M織，Hd3a(或RFT1)和14-3-3蛋白在細胞質(zhì)中結(jié)合，當Hd3a(或RFT1)-14-3-3復(fù)合物進入細胞核后，和堿性亮氨酸拉鏈型轉(zhuǎn)錄因子OsFD1形成成花素激活復(fù)合物(florigen activation complex，F(xiàn)AC)，并激活花特征MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因OsMADS14、OsMADS15、OsMADS18和OsMADS34的轉(zhuǎn)錄，啟始成花誘導[23-24].水稻的光周期調(diào)控開花途徑主要有Hd1-Hd3a途徑(和擬南芥CO-FT途徑同源)和其特有的(Hd1/Ghd7/DTH8/DTH7)-Ehd1-Hd3a/RFT1途徑.

1.2.2 水稻Hd1-Hd3a/RFT1途徑對成花素基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

20世紀90年代，日本科學家Yano利用日本晴和卡薩拉斯兩個品種(兩者光周期敏感性不同)雜交F2代的186個植株以及850多個分子標記構(gòu)建近等基因系，發(fā)現(xiàn)Hd1是影響水稻抽穗的主效數(shù)量性狀位點(quantitative trait loci,QTL)；相比于日本晴，卡薩拉斯的Hd1第2個外顯子有一個2 bp的缺失，導致兩者光敏性不同[12].水稻Hd1基因和擬南芥CO基因同源，CO促進擬南芥開花，而Hd1則在水稻光周期調(diào)控開花中具有雙重功能，短日照下促進開花，長日照下抑制開花；有趣的是Hd1基因的mRNA水平在長、短日照下差異不大，說明Hd1的功能反轉(zhuǎn)并非由于mRNA水平上的差異[12].Hd1基因的表達受生物鐘核心成分OsGI調(diào)控，且具有明顯的晝夜節(jié)律，在長、短日照下，其mRNA峰值均出現(xiàn)在開燈后16 h[25].在短日照下，OsGI促進Hd1的轉(zhuǎn)錄，osgi突變體在短日照下比野生型晚抽穗，在長日照下則沒有差別[26].水稻中LC2(leaf inclination 2)可以在短日照下結(jié)合開花抑制因子OsLF基因(典型helix-loop-helix結(jié)構(gòu)域蛋白)的啟動子區(qū)域，通過改變該區(qū)域H3K27me3甲基化水平抑制OsLF基因表達，而OsLF可以直接結(jié)合在Hd1基因啟動子區(qū)域并抑制其表達，即LC2通過抑制一個開花抑制因子來促進水稻抽穗[27].

Hd1在長日照下功能反轉(zhuǎn)為Hd3a基因表達的抑制因子，這一過程受到光敏色素尤其是光敏色素B的調(diào)控；光敏色素生色團生物合成缺陷的突變體se5(photoperiodsensitivity5)失去光周期敏感性，在長、短日照下抽穗時間幾乎一致，且Hd1在長日照條件下不再抑制se5突變體抽穗[28-29].此外，Hd6在長日照下可能通過磷酸化一個未知因子加強Hd1在長日照下的抑制抽穗功能[8]；OsK4在HDR1(heading date repressor 1)存在的情況下磷酸化Hd1，在長日照下促進Hd1基因表達、抑制Ehd1基因表達，從而降低Hd3a和RFT1的表達，延遲抽穗[30].在ghd7osprr37雙突變體中，Hd1在長日照下轉(zhuǎn)變?yōu)殚_花促進因子，然而ghd7和osprr37單突變體并沒有這種現(xiàn)象[31].目前Hd1在長、短日照下具有雙重功能的具體分子機制尚不清楚.

1.2.3 水稻(Hd1/Ghd7/DTH8/DTH7)-Ehd1-Hd3a/RFT1途徑對成花素基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

Ehd1基因是水稻光周期調(diào)控開花的重要樞紐之一，編碼一個由341個氨基酸組成的B型反應(yīng)調(diào)節(jié)子，蛋白中部有一個能與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域[17].長、短日照下，Ehd1都能促進Hd3a和RFT1的表達，促進水稻抽穗，是獨立于Hd1-Hd3a/RFT1的水稻光周期調(diào)控開花途徑.然而，Ehd1的表達也受到很多上游光周期基因的調(diào)控，如Ehd2和Hd18上調(diào)Ehd1[21，32]，Hd1和Ghd7下調(diào)Ehd1[33-34].除對抽穗期產(chǎn)生影響外，Ehd1對水稻株型也有影響，同時Ehd1可以使成穗相關(guān)基因提前表達，調(diào)控穗的發(fā)育，降低穗的一次枝梗數(shù)目，導致穗粒數(shù)減少(獨立于開花途徑)，影響大田水稻的產(chǎn)量[35].

Ghd7基因在2008年被克隆，編碼一個含有CCT(CO,CO-like,and TOC1)結(jié)構(gòu)域的蛋白，在頂端分生組織、根分生組織、幼穗分枝原基、葉片、幼葉的葉鞘及莖的表皮層都有表達[15].在長日照下，Ghd7的表達延遲水稻抽穗，增加株高和每穗粒數(shù)，是這3個重要農(nóng)藝性狀的主效QTL[15].Ghd7在長日照下的表達量高于短日照下，且隨著日長增加而增加，這一過程依賴于隱花色素，而紅光可以誘導Ghd7的表達；同時，Ghd7在光照下的表達量高于黑暗下，尤其是在長日照下[15，33，36].Ghd7和Hd1在長日照下形成復(fù)合體，特異性結(jié)合于Ehd1基因的啟動子區(qū)域而抑制其表達[34]；在熱誘導Ghd7基因表達的轉(zhuǎn)基因水稻中，Ghd7的表達量升高后，Ehd1的表達量降低[33].此外，生物鐘成分Hd17/OsELF3-1可負調(diào)控Ghd7的表達來促進水稻抽穗[20].

DTH8基因編碼一個NF-Y的B亞基(NF-YB)，在根、莖、幼葉、葉鞘及幼穗中都有表達[37].短日照下，DTH8對水稻抽穗幾乎沒有影響；長日照下，DTH8抑制Ehd1、Hd3a、RFT1表達，延遲水稻抽穗，同時DTH8也可以增加水稻株高、一級枝梗數(shù)、二級枝梗數(shù)和每穗粒數(shù)[13，37-38].DTH8的表達量隨著日長增加而增加，dth8突變體中Hd3a基因位點的H3K27me3甲基化水平降低，促進抽穗[39].此外，DTH8可以和Hd1、OsNF-YC4形成異源三聚體，識別Ghd7基因啟動子上的CCAAT盒，激活基因表達以抑制Ehd1基因的表達[40].

DTH7基因編碼一個含有CCT結(jié)構(gòu)域的蛋白，其亞細胞定位于細胞核，在根、莖、葉和幼穗中都有表達，且具有明顯的晝夜節(jié)律，在白天的表達水平高于夜晚[16].DTH7可以通過控制穗的分化速率而非穗的發(fā)育時間來調(diào)控穗粒數(shù)，進而影響水稻的產(chǎn)量[41].DTH7同時也是一個控制水稻光周期敏感性和產(chǎn)量的關(guān)鍵基因，位于光敏色素B的下游，在phyb突變體中DTH7的表達量低于野生型；在短日照下，DTH7幾乎不影響成花素基因Hd3a和RFT1的表達；但在長日照下，DTH7抑制Ehd1、Hd3a和RFT1的表達，從而導致水稻延遲抽穗[16].DTH7調(diào)控開花的分子機制目前研究得還不透徹.

2 光周期基因影響作物日長識別

2.1 水稻光周期基因影響日長識別與緯度適應(yīng)性

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水稻是第一大口糧作物、第二大糧食作物，目前的栽培稻主要有秈稻和粳稻，由野生稻馴化而來[42].遺傳學研究表明，粳稻起源于中國長江流域或珠江流域[42-43]；考古學研究表明，水稻于8 000～10 000年前在中國南方的長江流域被馴化[44].另有研究顯示，粳稻被馴化后向北傳播，同時一支向南傳播進入東南亞，與當?shù)氐囊吧倦s交，經(jīng)歷了第二次馴化而產(chǎn)生秈稻品種[42].在全球范圍內(nèi)水稻的種植廣泛，53° N～40° S都有分布[45].水稻作為典型的短日照作物，臨界日長是13.5 h[33]，但在全球水稻種植區(qū)域，大部分地區(qū)夏季的日長都超過13.5 h，尤其是在高緯度地區(qū)，如我國黑龍江地區(qū)夏季最長日長可達16 h，因此高緯度地區(qū)的栽培品種需要其光周期敏感性弱甚至沒有光周期敏感性[46].在水稻的光周期基因中，DTH2、Hd1、Ghd7、DTH8、DTH7、OsMADS51、Hd6、Hd16等可以在長日照下影響水稻的光周期敏感性和緯度適應(yīng)性.

DTH2基因編碼一個CO-like蛋白，定位于細胞核且具有轉(zhuǎn)錄激活功能，是一個在長日照下促進水稻抽穗的微效QTL，獨立于Hd1-Hd3a/RFT1和Ehd1-Hd3a/RFT1途徑誘導成花素基因Hd3a和RFT1表達.研究表明：DTH2基因第25 位和第 1 721 位2個功能單核苷酸多態(tài)性(single uncleotide polymorphism,SNP)位點與水稻適應(yīng)高緯度地區(qū)有關(guān)，第25位和第1 721位堿基都是G時更適合在低緯度地區(qū)種植，而第25位是A、第1 721位是T時更適合在高緯度地區(qū)種植；在水稻馴化或改良過程中，DTH2可能是人類選擇水稻適應(yīng)長日照條件的重要QTL，由此證明微效QTL在作物適應(yīng)與育種中發(fā)揮重要作用[14].

Hd1基因是人類對栽培稻抽穗期多樣性馴化過程中的一個重要選擇目標，具有很多種自然突變形式[46].長日照下，Hd1抑制水稻抽穗，因此在高緯度地區(qū)，為了避免灌漿期遇到低溫，自然突變形式的hd1被廣泛選擇[46-47].在溫帶的粳稻品種引種到熱帶地區(qū)時，由于光周期的縮短水稻會提前抽穗，功能性Hd1等位是導致這一現(xiàn)象的主要原因，然而無功能的hd1等位可以使溫帶粳稻在熱帶地區(qū)有很好的適應(yīng)性[48].長日照下，Ghd7基因表達量上升，水稻抽穗延遲，而Ghd7基因功能減弱或缺失的自然突變體光周期敏感性弱，能夠在高緯度地區(qū)種植.Ghd7是水稻適應(yīng)高緯度時被廣泛選擇的位點，我國東北大多數(shù)粳稻品種的Ghd7等位是弱功能或無功能類型[15，46].Ehd1基因是長日照下水稻光周期開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的樞紐，也具有SNP位點，Ehd1蛋白中第219位甘氨酸殘基突變?yōu)榫彼釟埢鶗p弱其DNA結(jié)合活性并延遲水稻抽穗，但此類型的自然變異在水稻品種中比較少見；同時，對Ehd1基因啟動子區(qū)域2 kb片段進行鑒定，發(fā)現(xiàn)有9種存在差異的核苷酸序列，但對Ehd1的表達并無影響[49].

DTH8基因在水稻光周期調(diào)控開花通路、產(chǎn)量和葉綠素合成等方面發(fā)揮重要作用，長日照下，DTH8延遲水稻抽穗，是育種過程中的一個重要靶標基因[37].DTH8也存在多種自然變異形式，可導致其功能喪失[46]；然而，也有研究表明秈、粳稻的DTH8啟動子存在差異，一個SNP位點使得粳稻亞種的DTH8表達活性更高，對寒冷環(huán)境的適應(yīng)能力更強，大多數(shù)在高緯度地區(qū)的品種都攜帶有功能的DTH8[46,50-51].而DTH7/PRR37在長日照下是一個開花抑制因子，dth7ghd7雙突變體在長日照下也是極早花，而北方積溫少且日照長，需要水稻早抽穗，因此dth7ghd7雙突變體可以適應(yīng)于黑龍江省的水稻種植區(qū)(53° N)[51-52].

Hd1、DTH8、Ghd7和DTH7是水稻光周期敏感性的4個主效基因，也是調(diào)控水稻緯度適應(yīng)性的主要位點.在ghd7dth8雙突變體中，Hd1在長、短日照下都促進抽穗；Ghd7則在長、短日照下都抑制抽穗.長日照下，Hd1、Ghd7、DTH8可以兩兩互作，也可以形成三聚體，且三者都有功能時可以完全抑制Ehd1-Hd3a/RFT1開花信號通路，使水稻表現(xiàn)出極強的光周期敏感性；而其中任意兩者互作時則可以部分抑制上述開花通路，使水稻產(chǎn)生不同程度的延遲抽穗，表現(xiàn)出中等的光周期敏感性；任意兩個基因的雙突變體或三突變體水稻提早抽穗，表現(xiàn)為弱的光周期敏感性[53].在短日照下，Ghd7基因表達低，Hd1可以和抑制復(fù)合體競爭，促進Hd3a和RFT1基因的表達，從而促進水稻抽穗[53].當Hd1、DTH8、Ghd7和DTH7都有功能時，水稻表現(xiàn)出極強的光周期敏感性，在長日照下甚至不抽穗；Hd1dth8ghd7dth7基因型水稻在長日照下最早開花，可能是由于DTH8、GHD7、DTH7這3個基因突變后完全解除了Hd1的抑制活性，使其變得和在短日照下一樣促進水稻抽穗[53-54].

除上述4個主效基因外，還有很多其他微效基因在育種中得到應(yīng)用.OsMADS51是一個開花促進因子，作用于Ehd1、OsMADS14和Hd3a基因上游并促進三者表達；且OsMADS51可能經(jīng)歷了密集的人工選擇，在早季秈稻抽穗及灌漿階段對高溫的適應(yīng)發(fā)揮重要作用[55].Hd16基因編碼酪蛋白激酶CKⅠ(casein kinase Ⅰ)，長日照下可以磷酸化Ghd7使其功能增強，抑制抽穗；日本晴和越光兩個品種的Hd16基因存在一個SNP位點，導致兩者功能存在差異，在日本晴中為有功能類型，而在越光中為無功能類型[19].在分析栽培稻的Hd16等位時，發(fā)現(xiàn)Hd16有兩種自然變異類型，且只在溫帶粳稻品種中出現(xiàn).這些結(jié)果表明，Hd16基因的自然變異促進水稻抽穗，提高了水稻在較冷、長日照條件的溫帶地區(qū)的適應(yīng)性[56-57].

成花素基因RFT1和Hd3a決定水稻抽穗的早晚，其中Hd3a在短日照下起主導作用，RFT1則在長日照下起主導作用[58].在自然變異的等位中，RFT1蛋白的第105位谷氨酸殘基突變?yōu)橘嚢彼岷蠊δ軠p弱，而功能性RFT1基因是水稻適應(yīng)高緯度所必需的，在緯度高于33° N的地區(qū)，秈稻與粳稻品種都攜帶有功能的RFT1等位；低緯度地區(qū)的栽培稻或野生稻存在攜帶無功能的rft1等位的情況[59].Hd3a基因的表達量和抽穗期緊密相關(guān)，在不同的品種中Hd3a基因啟動子存在一些SNP位點，但Hd3a蛋白功能高度保守，目前未發(fā)現(xiàn)突變類型[49].

2.2 大豆光周期基因影響日長識別與緯度適應(yīng)性

大豆是重要的糧食作物和經(jīng)濟作物，可以用來釀造醬油、制作豆制品、壓榨食用油；大豆起源于我國，如今的栽培大豆從野生大豆經(jīng)人工培育與馴化而來，已有5 000年的栽培歷史[60].大豆是典型的短日照作物，在馴化過程中一些光周期基因的自然變異對于大豆品種的多樣性發(fā)揮極大作用.開花抑制因子E1是大豆光周期調(diào)控開花網(wǎng)絡(luò)的樞紐，通過抑制大豆成花素基因GmFT2a和GmFT5a來抑制開花[61].E2(GmGI)、E3(GmphyA3)和E4(GmphyA2)通過促進E1的表達抑制開花[62].溫帶品種引種到低緯度地區(qū)時，由于日長的縮短，大豆生育期過短，導致產(chǎn)量極低.2017年，孔凡江和劉寶輝團隊的研究發(fā)現(xiàn)大豆J基因(與擬南芥ELF3同源)的突變可延長大豆的營養(yǎng)生長期，提高其在短日照下的產(chǎn)量，擴大了大豆在低緯度地區(qū)的種植范圍，其分子機制是J基因通過抑制E1的表達促進大豆開花[63].得益于大豆在低緯度營養(yǎng)生長期的延長，巴西成為世界第二大的大豆種植國[62].ELF3是夜晚復(fù)合體(EC)的重要組分，在大豆中敲除EC的另外兩個組分LUX1和LUX2基因，大豆則不開花，說明EC是大豆光周期調(diào)控開花網(wǎng)絡(luò)的核心[64].近期，孔凡江和劉寶輝團隊再次發(fā)掘了低緯度地區(qū)控制大豆開花的新位點Tof16(timeofflowering16)，由LHY1a(lateelongatedhypocotyl1a)編碼；Tof16結(jié)合在E1基因啟動子上直接抑制E1表達，在短日照下Tof16功能缺失會延遲大豆開花和提高大豆產(chǎn)量；Tof16和J在大豆開花調(diào)控中是獨立的，且二者具有加性遺傳效應(yīng)，80%大豆品種的Tof16和J都發(fā)生了不同類型的變異，可見Tof16和J的自然變異是大豆從溫帶地區(qū)向熱帶低緯度地區(qū)擴張的重要遺傳基礎(chǔ)[65].Tof11和Tof12與擬南芥的PRR3同源，二者的突變可以使得大豆更早開花與成熟；我國東北地區(qū)的栽培品種與野生大豆相比，無功能的tof12豐度更高，而突變形式的tof11和tof12可提高大豆對高緯度地區(qū)有限夏季生長期的適應(yīng)[61].最新研究表明，一個新位點Tof5和大豆的緯度適應(yīng)性相關(guān)，E1抑制Tof5表達，Tof5可直接結(jié)合在GmFT2a和GmFT5a基因啟動子并激活二者的表達，Tof5的自然變異對于大豆向高緯度地區(qū)擴張至關(guān)重要[66].

大豆中有10個FT同源基因，在功能上存在差異，其中GmFT2a和GmFT5a作為開花促進因子，GmFT4和GmFT1a作為開花抑制因子，拮抗協(xié)調(diào)大豆的營養(yǎng)生長和生殖生長[67-68].這些FT同源基因在基因組序列水平上呈現(xiàn)多樣性，存在一些自然變異，影響大豆的開花時間和成熟期；GmFT2a在短日照下對大豆開花的促進作用更突出，而GmFT5a在長日照下的促進作用更突出，可見GmFT5a對于大豆適應(yīng)高緯度地區(qū)種植更重要[67，69].大豆ft2a和ft5a的單突變體可以互相補償另一個缺失帶來的影響，對開花時間影響較??；而ft2aft5a則表現(xiàn)出增長的營養(yǎng)生長期，在短日照下有利于增產(chǎn)[70].另外，GmGBP1(gibberellin-regulatedMyb-relatedtranscriptionfactorbindingprotein1)基因是GmFT2a和GmFT5a的正調(diào)控因子，在短日照下促進大豆開花，對278份大豆品種GmGBP1編碼區(qū)和非編碼區(qū)進行分析，發(fā)現(xiàn)GmGBP1啟動子區(qū)域呈現(xiàn)多態(tài)性并影響其表達，說明GmGBP1也是人工選育過程中的一個重要位點[71].最新研究表明：大豆GmRAV(relatedtoabscisicacidinsensitive3/viviparous1)作為開花抑制因子，可以結(jié)合在GmFT5a基因啟動子的CAACA基序上，抑制GmFT5a的轉(zhuǎn)錄；GmRAV啟動子上6個SNP位點和大豆的花期和成熟期密切相關(guān)，不同類型的啟動子可影響GmRAV的表達，對于大豆的緯度適應(yīng)性起重要作用[72].

2.3 玉米光周期基因影響日長識別與緯度適應(yīng)性

在我國的谷物類糧食作物中，玉米是主要口糧之一，在世界范圍內(nèi)廣泛種植，主要種植國家有中國、美國、巴西、印度、阿根廷等[45].玉米由大芻草馴化而來，起源于約9 000年前的墨西哥南部，隨后擴散到美洲地區(qū)[73].ZCN8(Zeamayscentroradialis8)基因和擬南芥FT同源，是一個可以整合玉米內(nèi)源和光周期信號的成花因子[74].中國農(nóng)業(yè)大學的田豐團隊通過玉米自交系的關(guān)聯(lián)分析，鑒定出ZCN8啟動子區(qū)SNP-1245和InDel-2339的自然變異與玉米開花時間的相關(guān)性很強，這兩種變異在玉米適應(yīng)高緯度地區(qū)的過程中發(fā)揮重要作用[75].ZmCCT9、ZmCCT10基因和水稻Ghd7同源，在長日照下抑制ZCN8的表達并延遲玉米開花[76-77].ZmCCT9上游57 kb的Harbinger-like轉(zhuǎn)座子抑制ZmCCT9的表達，使玉米早開花，該轉(zhuǎn)座子在高緯度地區(qū)品種中比低緯度地區(qū)品種中豐度更高；ZmCCT10啟動子區(qū)CATCA-like轉(zhuǎn)座子的插入可影響該區(qū)域的甲基化水平，降低ZmCCT10的表達，使植株在長日照下早開花，這兩個轉(zhuǎn)座子加速了玉米向高緯度地區(qū)擴張[76-77].Vgt1(vegetativetogenerativetransition1)是一個位于開花抑制因子ZmRap2.7上游70 kb的調(diào)節(jié)序列，在Vgt1上一個微小轉(zhuǎn)座子的插入與玉米提前開花高度相關(guān)，也是人工選育中玉米適應(yīng)溫帶和高緯度地區(qū)的一個重要位點[78-80].ZmMADS69通過ZmRap2.7-ZCN8模塊促進開花,群體遺傳分析發(fā)現(xiàn)ZmMADS69基因啟動子區(qū)一個轉(zhuǎn)座子的插入使玉米晚開花，是人工選育的一個重要位點，這可能在玉米從熱帶遷徙到溫帶過程中發(fā)揮重要作用[81].

2.4 小麥和馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)光周期基因影響日長識別與緯度適應(yīng)性

小麥是世界三大谷物之一，起源于西亞，在我國北方地區(qū)廣泛種植.目前種植的普通小麥是六倍體，起源過程大致可分為兩個階段：野生一粒小麥(AA基因組)和擬斯卑爾脫山羊草(AegilopsspeltoidesTausch,BB基因組)自然雜交，形成野生二粒小麥(AABB基因組)，經(jīng)馴化成為栽培二粒小麥；二粒小麥與粗山羊草(Ae.tauschii,DD基因組)自然雜交，產(chǎn)生六倍體普通小麥(AABBDD基因組)[45].小麥是一種典型的長日照作物，根據(jù)對春化要求的不同，可分為冬季型(需經(jīng)歷低溫才能開花)和春季型.VRN1(vernalization1)和VRN2基因在小麥春化過程中發(fā)揮重要功能，春化誘導VRN1轉(zhuǎn)錄，VRN1通過結(jié)合在VRN2基因啟動子上抑制其表達，VRN2則抑制小麥成花素基因VRN3轉(zhuǎn)錄[82].在小麥中，決定光周期敏感性的主要位點是PPD1(photoperiod1)，分別在PPD-A1、PPD-D1、PPD-B1轉(zhuǎn)錄起始位點上游 1 085 bp 缺失、2 089 bp缺失、308 bp插入(自然變異)，使小麥的光周期敏感性降低[2].Ppd-D1a和Ppd-D1b兩個不同等位可使小麥開花時間產(chǎn)生10 d的差異；Ppd-D1a可以加速抽穗，在歐洲南部和日本的冬小麥中出現(xiàn)頻率高，以避免炎熱的夏季或當?shù)氐挠昙綶83-84].在我國的小麥品種中，Ppd-D1a的豐度從地方品種的38.6%增加到改良品種的90.6%；Ppd-D1b則在美國北部的春小麥品種中豐度較高，說明該等位基因在人工選育中被選擇以提高小麥的緯度適應(yīng)性[85-86].同時，馬鈴薯是全球第四大糧食作物，僅次于小麥、玉米和水稻，起源于南美洲安第斯地區(qū)，其塊莖生成依賴于短日照，轉(zhuǎn)錄因子StCDF1的自然突變，促使馬鈴薯可以在原始種植區(qū)之外更廣泛地被種植[87].

3 緯度適應(yīng)性選擇

全球氣候變暖將使高緯度地區(qū)有望開發(fā)出新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，中低緯度地區(qū)溫度的上升使得作物的種植時間延長，在環(huán)境影響及人工選育的情況下，低緯度地區(qū)種植的作物有向高緯度地區(qū)擴張的趨勢.低緯度地區(qū)熱帶種質(zhì)資源中蘊含著豐富的抗蟲害、耐旱、耐貧瘠等優(yōu)質(zhì)基因資源，熱帶種質(zhì)資源在溫帶利用是應(yīng)對氣候變暖、確保糧食安全的重要途徑.從南往北引種需要對熱帶種質(zhì)進行緯度適應(yīng)性選擇，從北往南引種也同樣需要注意光周期大幅縮短帶來的短日照作物生育期縮短，進而影響產(chǎn)量.在傳統(tǒng)育種過程中，培育出一個優(yōu)質(zhì)品種需要8～10年[88]，其中包括優(yōu)化開花時間.當引種到另一個新的緯度時，其生育期不一定能夠和當?shù)厣L季節(jié)匹配，因此育種家需要再花8～10年來重新優(yōu)化開花時間.

不同的作物都是通過葉片感受外界光周期的變化，通過光受體傳遞給下游光周期核心基因，隨后直接或間接調(diào)控成花素基因表達，誘導成花.雖然不同作物的光周期基因存在很大差異，但是最終信號途徑都匯聚于成花素基因，通過調(diào)節(jié)成花素基因的表達來調(diào)節(jié)開花時間(圖1(a)).最新研究表明[88]：基于日長識別的環(huán)境適應(yīng)性模擬器(daylength-sensing based environment adaptation simulator，DEAS)將成花素基因轉(zhuǎn)錄作為一種下游特征，即使在上游光周期基因等位變異未知的情況下，通過檢測作物在不同日長下的成花素基因表達(日長識別方式)，預(yù)測不同緯度地區(qū)自然變化日長下的成花素基因動態(tài)表達，根據(jù)表達量高、中、低所需經(jīng)歷的具體天數(shù)判斷作物的緯度適應(yīng)性，為加速作物緯度適應(yīng)性選擇提供了新方法和新思路(圖1(b)).DEAS具有較高的預(yù)測精確度且僅用時一個月左右，大大縮短了作物緯度適應(yīng)性選擇的周期，在將來作物育種過程中可用于檢測選育品種的日長識別方式，并與特定地區(qū)的參考品種對比，判斷選育品種的緯度適應(yīng)性，省去一些繁瑣的田間篩選工作.

(a)水稻、大豆、玉米和小麥不同的光周期調(diào)控開花網(wǎng)絡(luò)，表示負調(diào)控，→表示正調(diào)控；(b)基于DEAS預(yù)測作物緯度適應(yīng)性，藍色虛線代表區(qū)分中高表達的日長，紅色虛線代表區(qū)分中、低表達的日長.

4 總結(jié)與展望

水稻、玉米、大豆已經(jīng)有幾千年的栽培歷史，從起源地擴種到世界不同緯度地區(qū)，經(jīng)過不斷地馴化與改良，產(chǎn)量越來越高，保障了糧食安全，這也是人類文明的重要基礎(chǔ).在作物的擴張過程中，人類按照自身需求已經(jīng)對作物進行了緯度適應(yīng)性選擇，其分子機制也陸續(xù)得到解析.隨著對不同作物開花調(diào)控機制的不斷探究，人們對作物緯度適應(yīng)性的了解也將逐漸深入，有助于更加高效地進行作物的引種和育種.全球變暖、人口增長以及人們對美好生活的追求，帶來了新的糧食安全問題，需要培育出高質(zhì)高產(chǎn)且廣適應(yīng)性的品系來解決.與持續(xù)時間長、成本高的田間優(yōu)化開花時間相比，DEAS 提供了一種快速有效的方法，通過對日長識別機制的快速選擇，加速對作物的緯度適應(yīng)性選擇，為未來糧食安全和可持續(xù)性農(nóng)業(yè)發(fā)展提供一種策略.在水稻等糧食作物中，許多光周期基因的功能已知，可以測序得知某一地區(qū)參考品種的基因型，并通過DEAS得到參考品種的日長識別模式.在水稻引種或育種過程中，可以通過成簇的規(guī)律性間隔短回文重復(fù)序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)/Cas9 技術(shù)對目標選育品種的光周期基因進行特異性基因編輯(敲除或修復(fù))[89]，通過改變目標選育品種的基因型來改變?nèi)臻L識別方式，從而改變水稻的生育期，使其適應(yīng)新的緯度.大豆在北種南引的過程中，光周期的變短使大豆生育期縮短，減產(chǎn)嚴重，可以通過CRISPR/Cas9敲除開花促進因子，增加大豆營養(yǎng)生長期以達到高產(chǎn).DEAS在大豆和玉米中也具有很好的應(yīng)用潛力[88]，短日照下成花素基因表達量高，促進開花.在育種過程中，縮短每個世代的周期可以加速育種進程，通過縮短日長來縮短生育期則可以達到這一目的；反之，對于長日照作物小麥和大麥，則可以增加日長來縮短生育期[90].未來隨著對作物開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解更加透徹，可以利用DEAS更準確地預(yù)測作物開花時間以及緯度適應(yīng)性，加速作物的品種選育過程.