花开有时的基因奥秘

SSF基因变异影响模式植物拟南芥的花期 安徽农大供图

植物开花时间各不相同，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”。

近日，安徽农业大学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教授李培金课题组在《自然—通讯》在线发表最新研究论文，揭示了拟南芥花期自然变异的调控新机制。

开花时间的多样性

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，能实现稳产高产。但如果花期过于提前或者滞后，就会给产量带来不良影响。

李培金给《中国科学报》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等问题，严重时颗粒无收，给农业生产带来重大损失。

“因此，深入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。”李培金说。

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，形成丰富的自然变异，即各种花期类型。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表现。

两个关键基因

有研究发现，FRIGIDA（FRI）和FLOWERING LOCUS C（FLC）是抑制拟南芥开花的两个关键基因。两者在植物体内表达水平的高低，在很大程度上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。

南北方花期迥异的原因

李培金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。

论文第一作者、安徽农业大学生命科学学院博士生王云鹤向《中国科学报》介绍，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。

“SSF基因的两种变异类型很神奇。”论文作者王传宏解释说，414D主要存在于北方的植物中，可以使植物相对晚花，适应北方的寒冷气候；而414N主要存在于南方的植物中，使植物相对早花，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。

进一步实验发现，SSF和FCA作为同源基因却有着相反的功能。王传宏说，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。另外，FCA同时存在于双子叶植物和单子叶植物中，而SSF只存在于双子叶植物中。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。

“花期变异是自然界自然发生的现象，弄清其调控机制，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改良，加以利用。”李培金说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19666-0