为什么植物迟早会开花?科学家们找到了一个调节开花的开关
大自然很神奇,不同植物的开花时间不同,到底是什么神奇的力量在调节开花时间呢?科学家们一直在探索这个谜团。
记者于11月30日从安徽农业大学获悉,生命科学学院植物抗逆减灾地方联合工程实验室李培金揭示了调控拟南芥开花期自然变异的新机制,研究成果日前发表在国际著名刊物"自然通讯"上。
开花时间是影响植物产量和品质的一个关键农艺性状。一般来说,每株开花的时期都是最好的,花期可以达到稳定的产量和高产。但是,如果花期提前或落后,就会对产量产生负面影响。
李培金给记者举了一个例子,玉米开花时对高温极为敏感,7月份的高温天气开花会导致雌雄不协调,授粉失败,严重的情况下不会有谷粒,给农业生产带来很大的损失,因此,分析植物分子辅助育种的开花机理,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,同一种植物分布在不同的区域,为了适应不同的环境,遗传基因在进化过程中会有不同的变化,自然变异丰富,从而保持着多种开花类型。这种现象在拟南芥模型植物中非常普遍,是遗传多样性的一个重要特征。
我们发现,FRIGIDA(Fri)和FLOWERINGLOCUSC(FLC)是抑制植物开花的两个关键基因。例如,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,制约了冬小麦的开花。经过长时间的低温处理后,FLC的表达水平将缓慢下降。直到明年春天,随着气温的逐渐升高,冬小麦可以开花并结出果实。同时,只有当FRI和FLC共存时,才能起到抑制开花的作用,任何基因的缺失都会导致植物提早开花。
FLC在不同类型拟南芥中的表达水平有很大差异。李培金小组定量分析了全世界102种拟南芥中FLC基因的表达水平,并通过全基因组关联分析筛选出一个调控开花的关键基因SSF。SSF基因编码的蛋白负责调节开花。通过进一步的研究发现,SSF基因编码的蛋白质有两种类型的变异-SSF414D和SSF414N。泛素修饰和降解系统广泛存在于植物中,能够识别这两种蛋白并调节SSF蛋白的水平,从而影响开花抑制基因FLC的表达水平,并导致植物开花期的变化。
李培金解释说,SSF基因的两种变异都是神奇的。虽然SSF414D和SSF414N都能抑制植物开花,但414 D的功能更强、更明显,而414 D的相对表现不明显。414 D主要存在于北方的植物中,使植物在北方开花较晚,适应寒冷的气候,而440 N主要存在于南方的植物中,相对调节植物的早花,以适应南方的挤奶生长环境。
在以往的研究中,SSF基因已经被发现了很多次,但是该基因的功能还不清楚,分子调控机制甚至还不清楚,这一研究结果首次解决了这一问题,并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的基因资源和理论依据。
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