植物开花时间为何早晚不一？科学家解开植物开花时间调控的“奥秘”

科技日报记者 吴长锋

自然界很神奇，不同植物开花时间早晚不一样，到底是什么“神奇的力量”在调控开花时间？科学家们一直在探寻这个“奥秘”。记者从安徽农业大学了解到，该校生命科学学院植物抗逆育种与减灾国家地方联合工程实验室李培金课题组，通过研究揭示了拟南芥花期自然变异的调控新机制。这一研究成果日前发表在著名国际刊物《自然通讯》上。

开花时间是关键的农艺性状，对植物产量和品质有着重要影响。一般来说，每种植物都有最佳花期，在这个期间开花，就能实现稳产高产。但如果花期提前或者滞后，就会给产量带来不良影响。李培金教授给记者举了一个例子，玉米在开花时期对高温异常敏感，如果在七月份高温天气开花，会导致雌雄花期不协调和授粉失败，严重时颗粒无收，给农业生产带来重大损失。因此，解析植物的开花机制，对植物分子辅助育种，提高作物产量具有重要的现实意义。

植物进化是一个漫长的过程，同一类植物分布在不同的区域，为了适应不同的环境，在进化过程中遗传基因会发生不同的变化，出现丰富的自然变异，从而维持了各种花期类型，这种现象在模式植物拟南芥中非常普遍，是遗传多样性的一个重要特征。

有研究发现，FRIGIDA （FRI）和FLOWERING LOCUS C（FLC）是抑制植物开花的两个关键基因，两者在植物体内表达水平的高低，决定了植物是否具有春化需求。比如，冬小麦之所以需要过冬，主要是因为FRI和FLC的同源基因表达水平很高，抑制了冬小麦开花，经过秋冬两季长时间的低温，FLC表达水平就会慢慢下降，等到来年春天，随着气温的逐步升高，冬小麦才得以开花结果。同时，只有在FRI和FLC共存的情况下，才能发挥抑制开花的功能，任何一个基因的缺失都会导致植物早花。

李培金认为，这是一个值得长期跟踪和研究的现象。在不同类型的拟南芥中，FLC的表达水平有很大差异，之前已有很多研究通过全基因组关联和数量性状位点分析等技术，发现了大量的候选基因或基因组区域。然而，这些候选基因的调控机制在很大程度上尚不明晰。

李培金课题团队对世界范围内的102种拟南芥不同生态型的FLC基因的表达水平进行了定量分析，通过全基因组关联分析技术筛选到一个花期调控关键基因SSF。通过进一步的研究发现，SSF蛋白具有两个变异类型-SSF414D和SSF414N，这两种蛋白能被植物体广泛存在的蛋白泛素化修饰和降解系统识别，以调控SSF蛋白水平的高低，从而影响开花抑制基因FLC的表达水平，导致植物花期发生改变。

李培金解释说，SSF基因的两种变异类型很神奇，414D主要存在于北方的植物中，可以使植物晚花，适应北方的寒冷气候；而414N主要存在于南方的植物中，调控植物早花，以适应南方较为温和的生长环境。

在以往学术界的研究中，SSF基因多次被发现，但这个基因如何发挥功能一直不清楚，分子调控机制更是未知，该研究成果首次解决了这个难题。

进一步实验表明，SSF和FCA作为同源基因却有着相反的功能。“一般情况下同源基因功能类似，但SSF和FCA却恰恰相反，SSF可以调控植物晚花，FCA调控植物早花。”李培金解释到。同时，FCA同时存在于双子叶和单子叶植物中，而SSF只存在双子叶植物中，这是一个很有意思的现象，也是植物进化研究的目标基因和良好素材。

这项研究成果深入揭示了基因自然变异调控植物生育期的新机制，为植物分子育种提供了重要基因资源和理论依据。“自然变异是自然界自然发生的现象，弄清楚这个机制，对作物育种至关重要，可以使用传统或分子育种手段对农作物进行转育，加以利用。”李培金说。