安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)解密植物開花時間調(diào)控的“奧秘”

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇 通訊員 曹雷）自然界不同植物開花時間早晚不一樣，到底是什么神奇的力量在調(diào)控開花時間？科學(xué)家們一直在探尋這個奧秘。

2020年11月17日，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物抗逆育種與減災(zāi)國家地方聯(lián)合工程實驗室李培金課題組在Nature-Communication雜志在線發(fā)表題為“Molecular variation in a functionally divergent homolog of FCA regulates flowering time in Arabidopsis thaliana”的研究論文，揭示了擬南芥花期自然變異的調(diào)控新機制。

開花時間對植物產(chǎn)量和品質(zhì)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，就能實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。但如果花期提前或者滯后，就會給產(chǎn)量帶來不良影響。

比如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(dǎo)致雌雄花期不協(xié)調(diào)和授粉失敗，嚴(yán)重時顆粒無收，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來重大損失。因此，解析植物的開花機制，對植物分子輔助育種，提高作物產(chǎn)量具有重要的現(xiàn)實意義。

有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RIGIDA （FRI）和FLOWERING LOCUS C（FLC）是抑制植物開花的兩個關(guān)鍵基因，兩者在植物體內(nèi)表達水平的高低，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(jīng)過秋冬兩季長時間的低溫，F(xiàn)LC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(jié)果。同時，只有在FRI和FLC共存的情況下，才能發(fā)揮抑制開花的功能，任何一個基因的缺失都會導(dǎo)致植物早花。

李培金課題團隊對世界范圍內(nèi)的102種擬南芥不同生態(tài)型的FLC基因的表達水平進行了定量分析，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)篩選到一個花期調(diào)控關(guān)鍵基因SSF。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)識別，以調(diào)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(dǎo)致植物花期發(fā)生改變。

李培金解釋說，SSF基因的兩種變異類型很神奇，414D主要存在于北方的植物中，可以使植物晚花，適應(yīng)北方的寒冷氣候；而414N主要存在于南方的植物中，調(diào)控植物早花，以適應(yīng)南方較為溫和的生長環(huán)境。

在以往學(xué)術(shù)界的研究中，SSF基因多次被發(fā)現(xiàn)，但這個基因如何發(fā)揮功能一直不清楚，分子調(diào)控機制更是未知，該研究成果首次解決了這個難題。

FCA也是調(diào)控植物開花的一個代表性基因，之前有研究表明該基因能改有促進植物開花，李培金在研究中發(fā)現(xiàn)，SSF和FCA作為同源基因卻有著相反的功能。

“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(diào)控植物晚花，F(xiàn)CA調(diào)控植物早花。”李培金解釋到。同時，F(xiàn)CA同時存在于雙子葉和單子葉植物中，而SSF只存在雙子葉植物中，這是一個很有意思的現(xiàn)象，也是植物進化研究的目標(biāo)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(diào)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(jù)?！白匀蛔儺愂亲匀唤缱匀话l(fā)生的現(xiàn)象，弄清楚這個機制，對作物育種至關(guān)重要，可以使用傳統(tǒng)或分子育種手段對農(nóng)作物進行轉(zhuǎn)育，加以利用?！崩钆嘟鹫f。

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)2018級博士生王云鶴和生命科學(xué)學(xué)院教師陶珍為論文共同第一作者，李培金教授為通訊作者，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為該論文第一通訊單位。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才引進經(jīng)費的資助。