花開有時的基因奧秘

  植物開花時間各不相同，到底是什么“神奇的力量”在調控開花時間？科學家們一直在探尋這個“奧秘”。

近日，安徽農業大學生命科學學院植物抗逆育種與減災國家地方聯合工程實驗室教授李培金課題組在《自然—通訊》在線發表最新研究論文，揭示了擬南芥花期自然變異的調控新機制。 

開花時間的多樣性

開花時間是關鍵的農藝性狀，對植物產量和品質有著重要影響。一般來說，每種植物都有最佳花期，在這個期間開花，能實現穩產高產。但如果花期過于提前或者滯后，就會給產量帶來不良影響。

李培金給《中國科學報》舉了一個例子，玉米在開花時期對高溫異常敏感，如果在七月份高溫天氣開花，會導致雌雄花期不協調和授粉失敗等問題，嚴重時顆粒無收，給農業生產帶來重大損失。

“因此，深入解析植物的開花機制，對植物分子輔助育種，提高作物產量具有重要的現實意義。”李培金說。

植物進化是一個漫長的過程。同一類植物分布在不同的區域，為了適應不同的環境，在進化過程中遺傳基因會發生不同的變化，形成豐富的自然變異，即各種花期類型。這種現象在模式植物擬南芥中非常普遍，是遺傳多樣性的一個重要表現。 

兩個關鍵基因

有研究發現，FRIGIDA（FRI）和FLOWERING LOCUS C（FLC）是抑制擬南芥開花的兩個關鍵基因。兩者在植物體內表達水平的高低，在很大程度上決定了植物是否具有春化需求。

比如，冬小麥之所以需要過冬，主要是因為FRI和FLC的同源基因表達水平很高，抑制了冬小麥開花。經過秋冬兩季長時間的低溫，FLC表達水平就會慢慢下降。等到來年春天，隨著氣溫的逐步升高，冬小麥才得以開花結果。同時，只有在FRI和FLC共存的情況下，才能發揮抑制開花的功能，任何一個基因的缺失都會導致植物早花。

李培金認為，這是一個值得長期跟蹤和研究的現象。在不同類型的擬南芥中，FLC的表達水平有很大差異。之前已有很多研究通過全基因組關聯和數量性狀位點分析等技術，發現了大量的候選基因或基因組區域。然而，這些候選基因的調控機制在很大程度上尚不明晰。 

南北方花期迥異的原因

李培金團隊對世界范圍內的102種擬南芥不同生態型的FLC基因的表達水平進行了定量分析，通過全基因組關聯分析技術篩選到一個花期調控關鍵基因SSF。

論文第一作者、安徽農業大學生命科學學院博士生王云鶴向《中國科學報》介紹，進一步的研究發現，SSF蛋白具有兩個變異類型：-SSF414D和SSF414N。這兩種蛋白能被植物體廣泛存在的蛋白泛素化修飾和降解系統識別，以調控SSF蛋白水平的高低，從而影響開花抑制基因FLC的表達水平，導致植物花期發生改變。

“SSF基因的兩種變異類型很神奇。”論文作者王傳宏解釋說，414D主要存在于北方的植物中，可以使植物相對晚花，適應北方的寒冷氣候；而414N主要存在于南方的植物中，使植物相對早花，以適應南方較為溫和的生長環境。

在以往學術界的研究中，SSF基因多次被發現，但這個基因如何發揮功能一直不清楚，分子調控機制更是未知，該研究成果首次解決了這個難題。

進一步實驗發現，SSF和FCA作為同源基因卻有著相反的功能。王傳宏說，一般情況下同源基因功能類似，但SSF和FCA卻恰恰相反，SSF可以調控植物晚花，FCA調控植物早花。另外，FCA同時存在于雙子葉植物和單子葉植物中，而SSF只存在于雙子葉植物中。這是一個很有意思的現象，也是植物進化研究的目標基因和良好素材。

這項研究成果深入揭示了基因自然變異調控植物生育期的新機制，為植物分子育種提供了重要基因資源和理論依據。

“花期變異是自然界自然發生的現象，弄清其調控機制，對作物育種至關重要，可以使用傳統或分子育種手段對農作物進行改良，加以利用。”李培金說。