植物為什么會在特定季節開花？光線如何“指揮”花朵綻放？這背后隱藏著精密的分子“開關”。
近日，南京農業大學草業學院教授秦正睿團隊在《美國科學院院刊》（PNAS）發表了研究論文，系統揭示了光信號調控溫帶草類植物開花時間的分子與表觀遺傳機制，揭開了溫帶草類植物響應藍光調控開花時間的秘密，為選育高產、優質、廣適的飼草品種提供了新思路。
一個“明星基因”和一個“關鍵平臺”
桃花在春天笑傲枝頭，菊花在秋日傲霜綻放，而梅花則在寒冬獨領風騷。不同的植物在不同的季節綻放花朵。
對科學家來說，開花時間遠不止是美景，而是關乎植物生存和人類糧食安全的核心問題。論文通訊作者秦正睿告訴《中國科學報》：“開花時間關系到植物能否繁衍后代。假如植物開花太早，植株的體量就小，種子就少；開花太晚，又可能錯過最佳時期，一場大雪就導致全軍覆沒。”
二穗短柄草野生型（左一）開花時，突變體（左二三）還沒開花，表明突變體開花時間延遲。受訪者供圖
對于農作物而言，開花時間更是直接影響產量和品質的“命脈”。“對于飼草來說，我們希望產草量盡可能大。開花時間太早，產草量就少；開花時間太晚，產草量可能提升，但品質降低，牲畜不愛吃?！鼻卣Ｕf，育種家一直將開花時間視為關鍵農藝性狀，只有弄清其背后的機制，才能有的放矢地選育新品種。
燕麥、小麥等溫帶草類植物，既是人類的主糧，也是畜牧業的重要飼草，在全球糧食安全中扮演著核心角色。然而，科學界對溫帶草類植物開花調控的理解曾長期處于“迷霧”中。
秦正睿說，在模式植物擬南芥中，光信號調控開花的研究較多。但溫帶草類植物基因組龐大復雜，研究難度大，導致相關探索處于起步階段。“光是非常關鍵的環境信號，但光如何調控這類植物開花？有哪些基因參與？這些問題此前鮮有答案?！?span style="display:none">jlt速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
秦正睿團隊長期聚焦植物開花時間調控研究。他們注意到，藍光受體蛋白FKF1能感知并響應環境中的藍光信號，是植物的“光傳感器”之一；關鍵的是，它還具有酶活性，能行使E3泛素連接酶的功能，給特定的目標蛋白貼上“銷毀”標簽（即泛素化修飾），使得目標蛋白被細胞內的“垃圾處理廠”識別并降解。FKF1基因在擬南芥中是“明星基因”，多次登上頂刊，但在溫帶草類植物中卻研究較少。
同時，他們還發現，在二穗短柄草中，開花抑制因子ELF3蛋白在麥類植物中負調控開花，且在光下不穩定。它本身通常不具備酶活性，但它像一個“平臺”或“樞紐”，能夠將多個不同的蛋白聚集在一起，形成一個功能復合物，從而精密地調控下游過程。但啟動這個“剎車”的具體分子機制，特別是在溫帶草類植物中，仍是一個“黑箱”。
“我就提出了一個假設：FKF1是否就是在光下負責降解ELF3的那個‘幕后黑手’呢？”秦正睿感慨道，科學研究的發現往往始于一個微小的靈感。
分子“紅綠燈”模塊
論文第一作者、浙江大學曾思穎是秦正睿在浙江大學招收的第一個直博生，大多數實驗由她完成。他們經常一起討論課題進展，當有新的想法時，曾思穎往往很快就能通過實驗進行驗證。當實驗遇到“攔路虎”的時候，秦正睿也會親自上陣，師生協力一起完成整個課題。
他們關注到，PRC2是一種“關閉開關”，能夠抑制開花促進因子PPD1基因的表達，從而導致開花延遲。一開始，由于某些技術層面的原因，他們差點錯過發現ELF3-PRC2之間的調控。當他們解決了技術問題，重新證明了ELF3與PRC2之間的互作關系時，感覺既興奮又慶幸沒有放棄這條線索。
最終他們發現了FKF1-ELF3-PRC2分子模塊在溫帶草類植物開花時間調控中發揮的作用。曾思穎說，這個分子模塊就像調控開花的“紅綠燈”——FKF1是綠燈，誘導開花；ELF3是黃燈，作為連接“紅燈”和“綠燈”的橋梁；而PRC2是紅燈，負責抑制開花。
在黑暗環境下，FKF1和ELF3的相互作用較弱，ELF3蛋白積累，并與PRC2蛋白復合體結合。簡單來說，黑暗環境下“紅燈”亮起，植物保持“等待”狀態。
而當藍光出現時，局面逆轉。曾思穎描述道：“在藍光下，FKF1和ELF3蛋白互作增強，FKF1作為E3泛素連接酶，介導ELF3泛素化降解。這相當于‘綠燈’亮起——ELF3的減少解除了對PPD1的抑制，植物于是啟動開花程序。”
他們發現藍光不僅能激活FKF1，還能增強其與ELF3的相互作用，這好比“紅綠燈”有了光敏調節功能，使植物對光信號響應更精準。
秦正睿強調，這一機制與已知的其他藍光受體機制不同。植物中還有另外一類藍光受體，稱為隱花色素（Cryptochrome）。在擬南芥中，隱花色素在藍光下能夠特異性地和另外一些蛋白互作；而在黑暗下，隱花色素無法與這些蛋白發生互作。也就是說，藍光就是一個控制隱花色素與其他蛋白互作的信號開關。
由此可見，“植物進化出了多種適應機制，我們的研究揭示了FKF1通過控制蛋白互作強弱來調控開花，這為理解光信號響應提供了新視角?！鼻卣Ｕf。
從實驗室到田野：定制開花時間
當他們將論文投給《美國科學院院刊》，很快就得到了審稿人的認可。審稿人認為，這項研究發現了藍光受體FKF1調控開花時間的新機制，這與先前已知的其他植物FKF1不同，為理解藍光信號調控植物生長發育提供了新視角。更重要的是，由于該機制在小麥和燕麥等溫帶草類植物中高度保守，因此研究結果具有普適性。
秦正睿團隊在二穗短柄草中驗證這一機制后，進一步在小麥和燕麥中證實其高度保守，也就是說FKF1、ELF3及PRC2功能在二穗短柄草、燕麥和小麥中類似，意味著它可作為育種的新基因資源?！拔覀兺耆梢酝ㄟ^改變這些基因，來‘定制’植物的開花時間。讓其具備與環境相適宜的開花時間，實現豐產優質的目標。”
例如燕麥和小麥是多倍體，基因有多個拷貝，這些拷貝就像親兄弟一樣，人們可以挖掘不同拷貝的功能，找到發揮主要功能的拷貝。還可以從不同種質資源中鑒定FKF1和ELF3基因的優異單倍型，利用生物技術改變這些基因，從而選育出高產優質、適應性廣的新品種。
“這對于提高作物適應性至關重要——比如燕麥是嚴格的長日照植物，在低緯度地區無法開花結實，通過調控相關基因，有望擴大其種植范圍，提升產量和品質?！鼻卣１硎荆麄儗⒗^續深入研究多個問題：不同燕麥品種對光周期的敏感性差異機制、如何提高燕麥的緯度適應性等。燕麥作為糧飼兼用作物，其開花調控研究將直接服務畜牧業和糧食安全。
“通過調控開花時間，我們或許能在更廣闊的地區實現作物高產，應對氣候變化帶來的挑戰?！鼻卣Ｕf。
未來，他們還會繼續深入研究燕麥開花時間調控的分子機制。不同生育期的燕麥品種對光周期的敏感性不同，光周期是影響燕麥開花時間的重要因素，然而具體的調控機制尚缺乏系統研究。
相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2508103122
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