探究什么讓基因相同的種子在不同時間發芽

　　在某些環境中，種子沒有辦法確定何時是發芽的最佳時機。在春天，光照、溫度和水分等線索可能暗示種子發芽的條件最佳，但一周后，不可預測的干旱或霜凍可能會殺死新萌發的幼苗。那么，植物如何確保其所有的后代不會在發芽后被不合時宜的環境脅迫同時殺死？有證據表明，一些植物物種產生的種子在不同時間發芽，以對沖這種風險。許多物種產生的種子可以進入休眠狀態，并在土壤中存在數年之久，有些還產生在一個季節內不同時間發芽的種子。這意味著，如果致命的環境波動真的發生，植物的一部分后代將作為種子存活下來，這些種子可以在另一個時間發芽。即使是在相同的環境中生長的基因相同的種子，也可以看到發芽時間的這種變化。在農業方面，當你想在同一時間收獲整個作物時，發芽時間的變化可能是一個問題。相反，農民必須監測作物的成熟度，從多個單獨的植物上進行測量，以估計何時是收獲的最佳時機。

　　近日，國際權威學術期刊eLife發表了英國劍橋大學塞恩斯伯里實驗室（SLCU）James CW Locke團隊和德國馬克斯-普朗克植物育種研究所（Display your talent！走進德國馬克斯普朗克植物育種研究所！）合作的最新相關研究成果，題為An ABA-GA bistable switch can account for natural variation in the variability of Arabidopsis seed germination time的研究論文，本研究利用模式植物擬南芥來探究：是什么讓基因相同的種子在不同時間發芽？

　　已知兩種植物激素：抑制發芽的脫落酸（ABA）和促進發芽的赤霉素（GA）相互作用來控制發芽的時機，但是科研人員想知道這種相互作用是如何在種子之間產生發芽時間的變化的。通過檢測數百個遺傳上不同擬南芥品系發芽時間的變異水平，科研人員能夠確定控制發芽時間變異程度的兩個DNA區域（遺傳位點）。這兩個基因座包含影響種子對ABA敏感程度的基因，測試這些基因的突變體提供了它們調節發芽時間可變性的證據。利用這一新信息，本研究構建了一個ABA-GA網絡的數學模型，以了解ABA和GA之間的相互作用如何導致一批相同的種子有一系列不同的發芽時間。他們想了解該網絡如何能引起發芽時間的不同程度變化。

　　結果發現，在模型中改變ABA的敏感性復制了觀察到的實驗性發芽時間分布。在模型中，對ABA敏感度較高的種子以更分散的方式發芽，因為在播種時，這些種子中的每一個都依靠ABA-GA網絡的隨機波動來從非發芽狀態切換到發芽狀態--這被稱為雙穩態切換行為。然而，對ABA敏感度較低的種子在播種后更迅速、更同步地進入發芽狀態，而不需要隨機波動。本研究的隨機模型表明ABA-GA雙穩態開關可以導致發芽時間的變異性，發芽時間受到激素水平隨機波動的影響。雖然研究人員預計還有其他遺傳和生物物理效應在影響發芽時間的變異性過程中起作用，但他們的研究結果表明，這種植物性狀是受遺傳控制的，因此，可以在作物育種計劃中專門選擇發芽時間的高或低變異性，或恢復環境高度可變的自然區域。

　　圖片圖 1. 擬南芥的發芽時間存在變異性

　　圖片圖2. 發芽時間的全部范圍可以在單個小葉子植物中找到

　　圖片圖3. 變異性與模式發芽時間呈弱耦合關系

　　圖片圖4. 定量性狀位點（QTL）和批量分離體圖譜揭示了發芽時間變異系數（CV）的兩個QTL基礎

　　圖片圖5. ABA-GA雙穩態開關模型和ABA敏感性參數對發芽性狀的影響

　　圖片圖 6. 外源添加脫落酸 (ABA) 到高變異性和低變異性植物

　　圖片圖 7. 脫落酸 (ABA) 和赤霉酸(GA) 水平改變的突變體改變了發芽時間變異性