竹类植物开花生理研究现状

杜喜春，赵银萍，何祥博，孟长军，郭成圆，张九东，党高弟

（1.西安文理学院生物与环境工程学院，陕西 西安710065；2.陕西省佛坪国家级自然保护区管理局，陕西 佛坪723400）

中国是竹类资源最丰富的国家，竹林面积、蓄积量、竹材产量均居世界之冠［1］。竹子是重要的经济作物，它的全身都是宝，笋、枝、叶、根等部分均可利用，在食品和饮料、包装和造纸、建筑和家具等行业有着广泛的应用，人们生产和生活的各个方面，包括衣、食、住、行等，都与竹子有着密切的关系。竹鞭和竹根分布在地下，具有很强的保持水土和改良土壤物理结构的能力，因此竹林有着巨大的生态效益。竹类植物生长迅速，四季常青，有利于减轻冬季空气的污染，同时又有着很高的观赏价值和丰富的文化内涵，是重要的城乡绿化资源植物。

大熊猫（Ailuroplda melanoleuca）是中国特有的珍稀濒危物种，也是全球生物多样性保护的旗舰物种。大熊猫对竹子种类的选择具有广谱性的特征，绝大多数竹子都能被其选择食用，因此竹类植物是大熊猫的主要食物来源，而竹林也是大熊猫的主要栖息地，对于野生大熊猫的生存具有重要意义。

基于竹类植物巨大的经济价值及其在大熊猫保护工作中的特殊地位，长期以来，国内外在竹类植物分类、分布规律、生物量、遗传多样性、种子萌发、植物生长、竹林结构、营养特征、及种群动态与森林演替等方面开展了大量研究。但是，绝大多数竹种具有长周期开花的生殖特性，开花周期长达数十年甚至上百年，开花现象非常罕见；竹类植物属于风媒传粉植物，花和花序不显著，一般当发现其开花时，常常已进入大规模开花的盛花期或者开花后期，错过了最佳研究时期，相关研究并不多见。竹类植物生殖期结束后将大面积死亡，严重影响竹林的经济效益；竹子大规模死亡也会影响到大熊猫的栖息地环境质量和食物来源，因此研究竹子开花具有重要的理论意义和实践指导作用。

1 竹类植物开花研究现状

针对竹子开花的特点，从开花原因、生理代谢机制、类型、周期、频率、分子生物学以及生物学特性等各个方面对国内外大量文献进行了整理［2－3］。当前迫切需要研究竹类植物的开花机制，及时预测竹子的开花时间，进一步完善竹类植物开花理论。和其他植物一样，竹类植物在开花期间，其形态结构、光合、营养状况、植物内源激素和遗传物质的分子结构和含量水平常可能也会出现一些变化。多年来，针对上述方面的研究已经有了一定的积累，该研究对这些结果进行了整理和分析，期望能够为研究竹类植物开花机制提供一些思路。

1.1 竹类植物开花的遗传物质分子基础

通过对模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）等的有关诱导开花关键调控基因的研究，揭示了多条涉及开花调控的复杂分子作用机理，这些开花调控基因可通过光周期途径、春化途径、自主途径、温度途径、赤霉素途径和年龄途径等发挥作用，进而对花分生组织识别基因进行精准控制，使植物适时完成从营养生长到生殖生长的转变［4－5］。竹类植物属禾本科植物，其生殖特性类似小麦（Triticum aestivum），表现为同期一次性开花，完成生殖后死亡；但又和小麦不同，需要经历长达数十年甚至百余年之久的营养生长期，表明近年来提出的年龄途径对于揭示竹类植物的开花机制可能具有更加特别的意义，从RNA和DNA分子上都能找到一些生物年龄历程的证据。

miR156是揭示年龄调控植物生长发育的一个重要媒介，其介导的年龄途径是目前发现的重要开花途径之一。miR156是一个年龄分子标记，它的表达受年龄的调控，表达量随着植物年龄的增长而逐渐减少。过量表达miR156会延长植物的幼年期，出现分枝增多、叶片生长速度加快，以及开花延迟的表型。在mir156a和mir156c双突变体中，体内miR156含量降低，植物的幼年期缩短，开花提前［6－7］。可见作为年龄途径的关键调控因子，miR156的含量决定了植物的生理学年龄。miR156对年龄的感受在不同物种中普遍存在：在拟南芥中，miR156在幼苗中高度积累，并随着植物年龄的增长逐渐下降［8－9］；在玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）以及杨树（Populus alba）中，miR156的表达均随着年龄增长而降低［10－12］。竹类植物开花前后miR156含量变化对于揭示其生长发育和生殖开花的过程和机理可能同样具有重要意义。

DNA通过甲基化能够对开花时间进行调控［13］，与植物由营养生长向生殖生长转变过程中的基因表达与植物开花密切相关。春化作用使得相关开花基因表达从而促进植物开花的原因可能也是由于低温降低了体内DNA甲基化水平：小麦DNA的甲基化程度经过春化处理后降低，能够诱导或促进开花［14］；萝卜开花过程中，DNA去甲基化能显著增强FLC的表达能力，促使植株提早开花，进一步论证了DNA甲基化水平的降低有利于开花相关基因的表达［15－16］。应用去甲基化试剂5-氮杂胞苷处理植株引起甲基化水平降低也可引起提早开花［17－18］。

DNA甲基化也调控了一些竹类植物的开花时间：对毛竹（Phyllostachys edulis）年龄变化与其DNA甲基化进行的相关性分析表明，DNA的甲基化水平和模式与自身衰老过程有着密切联系［19－21］。五月季竹（Ph．bambusoides）［21］和孝顺竹（Bambusa multiplex）［22］开花时叶片甲基化水平降低。针对DNA甲基化的研究也有可能成为揭示竹类植物生长发育、成花机理和衰老过程的重要窗口。

1.2 植物内源激素对竹类植物开花的影响

自然界的竹类植物开花难以遇到，但通过对竹类开花进程的人为调控，可促使一些竹种的试管苗开花。目前已经成功实现20多个竹种的离体繁殖，同时通过调控培养基配方中植物激素和生长调节物质的组成和配比，多种竹类植物在试管中完成开花［23］，表明植物激素在竹类植物开花过程中的作用不可忽视。赤霉素（GA）在调节植物开花方面具有更加重要的作用，赤霉素（GA）途径是植物开花分子调控的重要途径之一，参与调控包括植物开花时间在内的多种生长发育过程。赤霉素调控植物开花的分子机制大致上已经比较清楚：GA与其受体GID紧密结合并与开花抑制子DELLA形成复合体，解除了DELLA对开花的抑制。竹子开花是各种生理活动协调进行的结果，竹子开花状态不同，内源激素含量会发生一定的变化［24－25］；而激素含量的变化又可以在一定程度上反映植物开花状态。对竹子开花过程中的赤霉素（GA）等代谢关键物质含量进行测定，找到其临界值并将此作为判断竹子开花的指标，是预测竹子开花的可能途径之一［3］。

1.3 竹类植物开花过程中营养状况的变化

糖类物质影响植物开花、成熟和衰老［26－27］，原因在于高糖浓度能引起染色体末端端粒的缩短，使细胞发生过早的复制性衰老，是加速动植物细胞和组织器官衰老的重要因素之一。一些竹类植物开花期间碳代谢活动增强，可溶性糖、总糖含量以及蔗糖酶活性在开花期间均呈比较明显的上升趋势［28－29］。植物中的糖类物质是通过光合作用合成的，叶绿素是光合作用最重要的色素，氮素是叶绿素的重要组成成分之一，所以糖代谢和氮代谢密切相关。竹子在生殖期对氮素等营养元素的消耗量增加，这些元素向生殖器官转移；同时因老竹鞭所占比例增大，地下鞭系对营养元素的吸收能力降低，两者共同导致竹子养分缺乏［30］。竹子开花期间氮代谢会显著降低，叶绿素合成减少［28－29］；同时叶绿素遭到的破坏加剧，含量整体下降，植物叶片衰老加快［31－32］。这种现象在竹类植物中非常普遍：小琴丝竹（B．multiplex）［33］；异叶苦竹（Arundinaria simonii f.heterophylla）［34］；鹅毛竹（Shibataea chinensis）和茶杆竹（Pseudosasa amabilis）［34－35］；福建茶杆竹（P．amabilis var.convexa）［34，36］；绿竹（Dendroclamopsisoldhami）［37］；麻竹（Dendrocalamuslatiflorus）［38］；雷竹（Ph．praecox f.prevernalis）［39－40］等竹种均在开花后表现出叶绿素总量减少，光合效率和同化能力降低。由于竹子的糖含量、氮素和叶绿素含量在从营养生长向生殖生长的转化过程中会出现显著的变化，表明碳代谢和氮代谢和竹子开花过程密切相关，碳氮代谢的强弱能预示植物从营养生长向生殖生长的转化［28，41］，竹类植物的碳氮代谢失衡就有可能会引起开花。

1.4 竹类植物开花过程中叶片形态结构的变化

叶片形态结构和光合效率密切相关，比叶重（SLW）指单位叶面积的叶片重量，是衡量叶片结构及其光合作用性能的重要指标和参数，其倒数称为比叶面积（SLA）。比叶面积与叶片的光合作用、氮含量以及叶片的发育有着密切联系，大多数植物的比叶面积（SLA）与其最大光合能力以及叶片氮含量存在一定正相关关系［42］，这种关系几乎在全球范围内所有植物种群和群落中普遍存在［43－44］，是植物对环境趋同适应的反映［45］。比叶面积往往是比较敏感的指标，单位面积氮含量和比叶面积又与叶寿命成反比，这种现象在植物种群和群落中也具有普遍性［43］，在一些竹类植物中也有类似表现，比叶面积随着叶龄的增长有减少的倾向，表明比叶面积可能和植物成熟衰老和开花启动过程有关。

2 结果和讨论

竹类植物具有重要的经济价值，高附加值的竹类加工产品畅销国内外。竹类植物的地下根和茎具有极强的水土保持能力，四季常青的竹林也有利于减轻空气污染，具有重要的生态价值，是重要的城乡绿化资源植物。竹类植物是大熊猫的主要食物，竹子大面积开花死亡会影响大熊猫的食物来源和栖息地环境，虽然大熊猫在长期进化过程中已经适应了竹子定期开花枯死的特性，但由于山区公路和铁路网络日益发达，大熊猫很难长距离迁移到适宜栖息的生境中生活，其生存就会受到威胁［46］。筛选开花预警指标，预测竹子开花时间，不光可以进一步完善竹类植物开花理论，还可为降低竹林经济发展过程中所面临的风险提供科学依据，对于大熊猫保护工作更具有特别重要的意义。目前已经有多条涉及植物开花调控的分子作用机理被揭示出来：包括光周期途径、春化途径、自主途径、温度途径、赤霉素途径和年龄途径等［4－5，47］，为揭示竹类植物的开花机理奠定了理论基础。

光周期是植物根据光照时间的日周期性节律变化，来协调自身新陈代谢和各种生理变化的过程，最终实现对开花诱导等生长发育过程的调节；春化作用是植物适应季节变化，在一定低温处理后，表现出对越冬植物成花的诱导和促进作用，光周期和春化作用在调控植物开花方面具有普遍意义。

GA途径是指GA与其受体GID紧密结合并与开花抑制子DELLA形成复合体，解除了DELLA对SPL9的抑制，有利于其下游LFY和SOC1的表达，实现对开花诱导的调节。GA在种子萌发、茎杆伸长、花粉成熟、开花诱导和花器官形成等方面发挥着重要作用。

自主开花途径是植物通过感受自身内部的发育状态，在营养生长到达一定阶段后完成开花。研究发现一些植物通过甲基化和去乙酰化等调整FLC基因结构，抑制FLC的表达，解除FLC对FT的抑制来促进开花。DNA甲基化也调控了一些竹类植物的开花时间。

miR156是一个年龄分子标记，其表达量随着植物年龄增长而逐渐减少［48］，植物通过miRNA156-miR172级联模式，解除了AP2-like对FT、AP1和SOC1的抑制，导致植物开花。miR172除了受到SPLs调控，还受到光周期途径中GI的调控。自发途径中的关键基因FCA 也能调控miR172。miR172通过SVP抑制GA20ox2，影响GA的合成，抑制开花。一些可溶性糖可抑制miR156的表达量，有利于植物从营养生长向生殖生长转换。因此，通过与miRNA156和miR172有关的调控网络可将相对独立的光周期途径、GA途径、自发途径和糖代谢结合到一起，表明对于竹类植物而言，年龄途径的研究可能具有更加重要的理论意义和实践价值。