光周期调控水稻开花期的分子机制研究进展

王诗宇，王志兴*，隋亚云，黄 河，宋晓波，郭素华

（辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010）

对于植物来说，开花是其重要的生理变化，它使大多数植物从营养生长转变为生殖生长。 从营养（茎和叶的产生）到生殖阶段（花序和花朵的产生）的过渡决定了开花时间（或谷物的抽穗期），并且是植物生命周期中重要的发育转变过程[1]。开花是由植物自身的遗传特性和外界环境因素共同控制的[2-3]。 遗传特性主要是指植物激素的生物合成和信号转导过程， 以及控制生长发育过程的各种基因调控网络等[4]。 环境因素主要包括光照、温度以及养分条件等。许多植物为了繁衍，具有在适宜的生长季节里开花的能力， 并且主要受到随着季节变化而改变的日照长度即光周期的精确调控[5]。这种依赖光周期而开花的能力使得植物能够适应不同纬度、不同海拔的生存条件。根据植物对日照长短的反应，可将开花植物主要分为三大类，即长日照、短日照和日中性植物。长日照植物和短日照植物分别在长日照和短日照条件下能够被促进开花转变， 而日中性植物则表现出对日照长度的变化不敏感的特性。 由于光周期与其他外界环境条件相比较为稳定， 其影响植物开花的相关研究也更加深入。

光周期途径是植物中最为保守的开花响应通路， 它通过整合生物钟和日照长度等环境因子来决定植物开花的早晚。目前研究认为，光周期通路是调控水稻开花期的关键途径[6]。拟南芥是典型的长日模式植物，增加光照时间，可以促进其开花。最近几十年来， 通过分子遗传学的手段对其开花时间的调控机制进行了广泛的研究。 拟南芥中克隆的一些与光周期调控开花时间相关的基因在水稻中具有一定的保守性，但水稻是短日照植物，在水稻中肯定存在其特有的光周期调控通路。

1 光周期途径

光周期是影响开花期的一个重要途径， 它是指一日之内昼夜长度的相对变化情况。 光周期现象是指植物对日照长短的规律性变化的响应。 光周期现象是美国园艺学家Garner 和Allard 于1919 年在烟草中首次研究发现的。 任何植物对光周期的感受都有一个临界的日照长度， 即临界日长。 临界日长是区别长日照或短日照的日照长度标准， 指昼夜周期中能诱导植物开花所需要的最低或最高的日照长度标准。 短日照植物要求的日照时数必须小于临界日长， 而长日照植物要求的日照时数大于临界日长， 否则就延迟开花或不能开花。植物感受光周期的部位是叶片，在叶片中产生的光周期诱导信号物质通过维管组织长距离运输到顶端分生组织后引起植物开花， 并且根据后来的研究这种物质被称为成花素。

2 拟南芥光周期调控开花期的分子机制

大 量 研 究 结 果 表 明，GIGANTEA（GI）、CONSTANS（CO）和FLOWERING LOCUS T（FT）是光周期调控拟南芥开花期通路上的关键基因，三者存在GI-CO-FT 的遗传调控关系， 三者遗传上的调控关系也是拟南芥开花期调控通路中最主要的途径[7]。GI是调控植物生物节律和开花的关键因子[8]，GI可以促进CO和FT的表达，进而促进拟南芥开花[9]。 CO 作为转录激活因子，在长日照条件下是促进开花的关键调节剂。 拟南芥CO位于FT的上游，在长日照条件下通过调控FT的表达， 进而促进拟南芥开花， 而在短日照条件下CO基因对拟南芥开花没有影响[10-11]。FT 是拟南芥中发现的成花素， 在叶片中合成经由韧皮组织运输到茎顶端生长点，从而促进开花[12]。 近年来，随着功能基因组学的不断发展， 越来越多的拟南芥开花期相关基因的作用机理被解析， 因此调控拟南芥开花期的光周期途径也不断被完善[13]。

3 水稻光周期调控开花期的分子机制

3.1 同 拟 南 芥 保 守 的 水 稻 中 的OsGI-Hd1-Hd3a 调控模型

2000 年，Yano 等人采用图位克隆的方法在日本晴与Kasalath 的杂交分离群体中克隆到一个光周期敏感的主效QTL， 并命名为Heading date 1（Hd1）[14]。Hd1是水稻中最早克隆的抽穗期相关基因，位于第6 号染色体上，是拟南芥CO的同源基因。 Hd1 在水稻光周期开花中的独特性源于其具有的双重功能。 它在短日时充当开花促进因子，而在长日充当开花抑制因子[15-16]。Oryza sativa Gigantea（OsGI）是Hd1的上游主要调控基因[17]。短日照条件下，OsGI使Hd1的表达水平上调； 相反长日照条件下，OsGI使Hd1的表达水平下调。 水稻光周期敏感性基因Heading date-3a（Hd3a）是位于水稻第6 号染色体上的与抽穗期相关的数量性状位点[18-19]。Hd3a为水稻FT-like基因家族的成员，与拟南芥的FT基因高度同源[20]。Hd3a的表达也具有节律性，mRNA 的积累在黎明时达到最大值[21-23]。 在短日条件下，Hd3a的转录水平增加。通过表达分析Hd3a的转录水平被Hd1上调，在野生型水稻中引入外源的Hd3a会引起水稻的早花表型。 这些结果都证明了Hd3a可以在短日照条件下促进水稻开花。

3.2 水稻特有的开花期调控基因

水稻中有几个拟南芥中不存在的、 独特的开花期调控基因， 包括Ehd1、Ehd2、Ehd3、Ghd7和OsMADS51等[24]。Early heading date 1（Ehd1）是一种B 型反应调节因子， 通过正向调控Hd3a和Rice flowering locus T1（RFT1） 的表达， 来调控Hd1非依赖型的调控途径[25-27]。Grain number,plant height, and heading date7（Ghd7）编码一种CCT（CO,CO-LIKE,TIMING OF CAB1）结构域，该结构域含有一种在长日照条件下通过下调Ehd1的表达水平而强烈抑制开花的蛋白质，相反在短日照条件下对开花时间并没有影响[28-30]。Early heading date 2（Ehd2）是水稻中存在的玉米Id1同源基因， 可以上调Ehd1的表达。Early heading date 3（Ehd3）在长日照条件下通过下调Ghd7的表达而促进开花[31-32]。OsMADS51在短日照条件下，正向调控Ehd1的表达[33]。 水稻中存在这些调控因子，而拟南芥中却没有，这也充分表明这两个物种的开花调控通路具有一定的差异性。

3.3 短调日控照模条型件下水稻开花期的分子机制

水稻是短日照植物， 短日条件可以促进其开花[34]。 在短日条件下，Hd1 蛋白充当成花素基因Hd3a表达的促进因子[35]。 因此， 进化上保守的OsGI-Hd1-Hd3a 途径促进开花。 B 型反应调节因子Ehd1在短日条件下也诱导Hd3a表达。Ehd1表达在早晨被蓝光激活，并且该时间由OsGI控制。

3.4 长日照条件下水稻开花期的分子机制

长日照下，Hd3a的表达量很低，甚至不表达，即RFT1是长日照条件下的主要开花促进因子[36]。Ghd7、O.sativa LEC2 and FUSCA3 Like 1（OsLFL1）、Oryza sativa LEAFY COTYLEDON1（OsLEC1）等基因会抑制Ehd1的表达， 而其下游基因的表达也都要受到抑制， 从而抑制开花； 相反OsMADS50可以正向调控Ehd1的表达水平促进开花。Oryza sativa EARLY FLOWERING 3（OsELF3）、Ehd3则通过抑制Ghd7的表达，促进Ehd1的表达，进而促进下游相关基因的表达促进开花[30]。

综上所述，短日照条件下，调控水稻开花主要存在两条途径： 一条是进化上保守的光周期开花调控途径——由Hd1参与的OsGI-Hd1-Hd3a 组成的保守促进途径；另一条是由水稻特有的Ehd1基因参与的Ehd1-Hd3a 途径。 而在长日照条件下， 水稻开花主要存在两条抑制途径和一条促进途径， 分别是OsGI-Hd1-Hd3a 抑制途径、Ghd7-Ehd1-RFT1 抑制途径和Ehd1-RFT1 促进途径。这些途径分别依赖于Hd1和Ehd1对成花素基因Hd3a、RFT1表达的调控，从而影响水稻开花过程。

4 展望

水稻的开花期（即抽穗期）是决定水稻产量的重要农艺性状。 水稻只有在适宜的生长发育阶段和适宜的季节里抽穗、开花，才能确保产量。 过早抽穗、开花会缩短水稻的营养生长期，进而降低水稻的生物产量和经济产量；而过晚抽穗、开花则容易发生障碍性或延迟性冷害， 影响水稻的灌浆和结实，从而造成产量降低。 因此，开展水稻开花期调控分子机理的研究， 对于探明水稻开花期的基因调控网络， 利用人工手段改变和调节水稻开花期， 指导成熟期不同的水稻品种选育， 调节播种期， 保证杂种优势利用过程中杂交种子的父母本花期相遇，提高水稻的适应性和产量，改善水稻的品质，具有重要的理论和实践意义。