安徽農業大學解密植物開花時間調控的“奧秘”

中國教育報-中國教育新聞網訊（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控開花時間？科學家們一直在探尋這個奧秘。

2020年11月17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李培金課題組在Nature-Communication雜志在線發表題為“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控新機制。

開花時間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，就能實現穩產高產。但如果花期提前或者滯后，就會給產量帶來不良影響。

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，會導致雌雄花期不協調和授粉失敗，嚴重時顆粒無收，給農業生產帶來重大損失。因此，解析植物的開花機制，對植物分子輔助育種，提高作物產量具有重要的現實意義。

有研究發現，FRIGIDA （FRI）和FLOWERING LOCUS C（FLC）是抑制植物開花的兩個關鍵基因，兩者在植物體內表達水平的高低，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。

李培金課題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。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。

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，適應北方的寒冷氣候；而414N主要存在于南方的植物中，調控植物早花，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。

FCA也是調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，李培金在研究中發現，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可以調控植物晚花，FCA調控植物早花。”李培金解釋到。同時，FCA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。“自然變異是自然界自然發生的現象，弄清楚這個機制，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轉育，加以利用。”李培金說。

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