春回大地，李白桃紅，漫山遍野的油菜花令人流連忘返，殊不知，這是寒冬留給世人的饋贈，不經(jīng)歷寒冬，有些花兒不會開。

　　日前，中國科學院上海植物逆境生物學研究中心何躍輝和杜嘉木課題組關于一年生或雙年生越冬十字花科植物開花機理的研究取得進展，研究發(fā)現(xiàn)關閉和重新開啟B3結(jié)構(gòu)域蛋白亞家族，可以實現(xiàn)開花基因在特定季節(jié)表達，從而實現(xiàn)植物生命周期與自然季節(jié)變化的同步。相關研究結(jié)果4月9日發(fā)表于《自然—植物》。

　　為什么花兒在春天開放

　　眾所周知，在我國長江以北地區(qū)，很多植物例如冬小麥和冬油菜都在秋天播種出苗，經(jīng)歷“寒冬”的洗禮，在氣溫回暖的來年春天開花生長。倘若春天播種，即使“一帆風順”地生長到秋天也無法開花。

　　這究竟是為什么呢？在此不得不提到植物學里的一個經(jīng)典概念：春化。

　　春化作用是指某些植物必須經(jīng)歷一段時間的持續(xù)低溫才能由營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)入生殖階段生長的現(xiàn)象，避免植物在破壞性的冬季開花，而在溫暖的春季或夏季開花。

　　何躍輝告訴我們：“通常植物在幼苗期遇到冬天，會產(chǎn)生類似人腦的記憶，記得那段被雪覆蓋的感受。在沒有“春化”之前，植物里面抑制開花的基因的表達水平很高，而冬季低溫“春化”的過程，就是把抑制開花的基因關閉。”

　　他介紹，植物首先經(jīng)過寒冬把“成花抑制基因”關閉，隨著春天氣溫回升，此抑制成花的力量便解除”封印“，恢復植物開花的能力。植物開花后，胚胎里的成花抑制基因的關閉狀態(tài)會被重新激活，直接導致下一代種子產(chǎn)生的幼苗不能開花。因此下代又要經(jīng)歷一個冬天，再在春季開花，以此循環(huán)往復。

　　“季節(jié)的更替主要依賴于溫度和光照周期的變化，植物在春天開花也是遵循這個機理。”何躍輝說。

　　揭開“春化記憶”及其被擦除的秘密

　　那么，植物是如何感知低溫時期，并在氣溫上升后“記住”其低溫經(jīng)歷以適時開花的呢？開花后 “越冬記憶”又是如何在下一代被擦除的呢？

　　杜嘉木告訴我們：“植物可以巧妙地不斷地調(diào)控基因的‘開關’。就好像我們設計電路，控制各種元件的開合。植物也是隨著發(fā)育的變化，在不同發(fā)育時期、不同的季節(jié)，它的開關都是很巧妙地結(jié)合在一起。”

　　然而在植物生長發(fā)育過程中要追蹤不同發(fā)育時期蛋白的動態(tài)變化，需要長時間的觀測。為此團隊選取了生長周期較短的擬南芥作為模式植物，將其放在4°的冰箱里，加之配備光照設施培育30—40天，以模擬出冬天的效果。隨后實驗人員再將擬南芥放置常溫下，模擬春天的氣溫回升進行進一步觀察。

　　實驗人員發(fā)現(xiàn)，長期低溫通過修飾幼苗體內(nèi)的成花抑制基因FLC上的組蛋白來關閉其表達，這種組蛋白修飾引發(fā)的關閉狀態(tài)在常溫下得以維持（即“春化記憶”）、直到開花結(jié)種子。種子（胚胎）發(fā)育早期，隨著種子特異的先驅(qū)轉(zhuǎn)錄因子LEC1結(jié)合FLC基因上的表達啟動區(qū)域，胚胎B3轉(zhuǎn)錄因子LEC2和FUS3依次結(jié)合FLC基因，重新激活FLC在胚胎中表達，從而消除親本的“春化記憶”，在子代激活FLC表達。這三個轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用，形成胚胎“春化記憶”重置（擦除）路徑。在種子發(fā)芽出苗后，種子特異的LEC1、LEC2和FUS3基因不再表達，在幼苗期正常表達的其它B3蛋白，當?shù)蜏貋砼R時，又能結(jié)合FLC基因，導致FLC基因上的組蛋白被修飾，從而關閉FLC表達。

　　有望提高作物產(chǎn)量

　　據(jù)了解，該機制的解析與作物栽培、引種馴化、雜交育種等密切相關。

　　“成花抑制基因或B3轉(zhuǎn)錄因子被敲除后，我們就可以改變植物的開花時間，使植物在有利于結(jié)種的季節(jié)開花結(jié)果，間接拓寬植物品種的適應度和適應范圍，以此提高產(chǎn)量。”何躍輝說。

　　何躍輝告訴我們，接下來團隊擬研究作物的“春化記憶”重置機制，關注小麥、蠶豆、豌豆等具有實用價值作物的“春化”機制。

　　不過，他也向我們表達了實驗可能存在的局限。

　　“例如小麥，其體積大且生長周期長，這對培育空間具有苛刻的條件，而我們目前的場地并不支持。“何躍輝表示，未來團隊希望擁有更廣闊的可控田地，以便開展更多研究。

　　“雖然像小麥這樣的多倍體作物的開花機理更為復雜，研究頗具挑戰(zhàn)，但這是一件具有重要應用價值的工作。” 他說。

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