摘 "要：水稻光周期開花是多基因參與協(xié)調(diào)完成的復雜調(diào)控過程。水稻在長日照和短日照條件下通過不同基因主導的調(diào)控機制來實現(xiàn)從營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)變。Hd3a與RFT1基因是現(xiàn)階段研究比較廣泛的成花素基因。討論對長短日照條件下的Hd3a/RFT1基因調(diào)控相關基因的作用和特點來總結出4種基本開花基因調(diào)控途徑，為今后水稻開花調(diào)控的深入研究提供參考。

關鍵詞：水稻；成花素；開花途徑；Hd3a；RFT1

中圖分類號：Q943.2 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2024）09-0062-04

Abstract： Photoperiod flowering in rice is a complex regulatory process in which multiple genes participate in coordination. Rice realizes the transformation from vegetative growth to reproductive growth through the regulation mechanism dominated by different genes under long-day and short-day conditions. Hd3a and RFT1 genes are widely studied floral genes at present. The effects and characteristics of genes related to Hd3a/RFT1 gene regulation under long and short sunlight conditions were discussed， and four basic flowering gene regulation pathways were summarized to provide reference for further study of rice flowering regulation in the future.

Keywords： rice; anthocyanin; flowering pathway; Hd3a; RFT1

水稻（Oryza sativa L）如今是世界最重要的糧食作物之一。原產(chǎn)亞洲，最初在中國南方大面積栽種，之后開始慢慢傳播到世界各地。中國水稻播種面積僅占整個糧食作物的1/4，可產(chǎn)量已經(jīng)超出了一半以上。作為高產(chǎn)的糧食作物，水稻適應性強、經(jīng)濟價值高，除了是人類的主要糧食供食用、制造淀粉、釀酒之外，在工業(yè)上也可作為糠醛的化工原料、提取維生素，莖稈也可作為造紙等的原料，在我國國民經(jīng)濟中有著不可取代的地位。中國水稻研究所的相關調(diào)研數(shù)據(jù)表明，近年出現(xiàn)的耕地非農(nóng)化、非糧化、拋荒撂荒等現(xiàn)象對穩(wěn)定水稻種植面積帶來了一定影響。在2019—2020年對全國11省份的耕地面積調(diào)研報告中顯示我國耕地“非糧化”比例占據(jù)了27%[1]。除此之外，我國在基因編輯、全基因組選擇等新興交叉領域技術的研發(fā)缺乏創(chuàng)新，重大突破性的理論及方法的研究步伐較慢[2]。為了解決現(xiàn)階段出現(xiàn)的諸多相關問題已有不少科研機構、高校研究所及企業(yè)在做相關領域研究并獲得了突破性進展。近些年，有關水稻開花成花素相關基因、開花期調(diào)控機制的相關研究尤為突出。這一方面的研究意義在于可以通過相關研究可以促進水稻成熟實現(xiàn)1年2季或3季來獲得更高的糧食產(chǎn)量。本文通過對近些年來水稻開花成花素基因研究進行綜述。

1 "植物光周期概述

開花是植物發(fā)育過程當中的一個重要事件，它標志著植物從營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)折。為了更好地適應環(huán)境的變化，保證自身的繁衍，植物體發(fā)展出了復雜而精細的開花過程調(diào)節(jié)。植物的光周期現(xiàn)象早在1920年被美國植物學家Carner和Allard提出，植物通過感受晝夜長短變化來控制開花的現(xiàn)象稱為光周期現(xiàn)象[3]。根據(jù)植物對光周期的反應，一般可分為3種：對長日照敏感而成花的為長日照植物；對短日照敏感而成花的為短日照植物；對日照不敏感的為光期頓感植物。植物光周期反應的分子機理研究一般以擬南芥（Arabidopsis thaliana）作為研究材料，取得了一系列的研究成果，目前相關調(diào)控機制比較清晰，這對水稻光周期調(diào)控機制研究有一定的借鑒價值，使得水稻分子調(diào)控機制研究能更深入、更精確。

2 "水稻開花成花素研究

植物的開花不僅僅與環(huán)境因素（光照、溫度等），還與內(nèi)在因素（植物本身發(fā)育時期狀態(tài)）調(diào)控有密切聯(lián)系。這個過程與開花調(diào)控基因的開啟與關閉的調(diào)控因素有著密切聯(lián)系。植物播種后萌發(fā)，形成了頂端分生組織（SAM），頂端分生組織形成了植物營養(yǎng)結構，這個階段叫做植物的營養(yǎng)生長階段，在內(nèi)外源因素的驅(qū)動下，植物從營養(yǎng)生長階段過渡到生殖生長階段，莖頂端分生組織向花序分生組織轉(zhuǎn)化，最終形成了花[4]。水稻作為典型的單子葉植物，頂端在發(fā)育過程中也將經(jīng)歷護穎形成、內(nèi)外穎原基形成、漿片原基形成、雌雄蕊原基形成和胚珠和花粉成型等不同的階段，最終形成小穗、2片穎片、穗軸和小花等基本組織單位。

植物的開花研究已經(jīng)有百年的歷史，以擬南芥為植物模式擴展到了多種植物的研究當中[5]。通過對長日照模型植物擬南芥遺傳學研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥內(nèi)存在6種影響開花的調(diào)控途徑，分別是光依賴、自主、赤霉素、春花、溫度及年齡通路。與擬南芥相比，水稻屬于短日照植物，栽培品種大部分是一年生植物。目前，大量研究表明光周期途徑是水稻開花的主要開花途徑，其中包括短日促進開花途徑和長日抑制開花途徑[6]。成花素（Florigen）作為水稻在光周期調(diào)控中誘導開花的關鍵物質(zhì)，在水稻開花分子機制研究中有著重要的研究意義。成花素在植物開花階段中要滿足以下幾個條件：首先，在葉片中通過誘導條件下產(chǎn)生。其次，從誘導葉片出發(fā)至莖頂端。最后，所有開花植物中必要的且保證有相似的結構和性質(zhì)[7]。

3 "水稻成花素基因研究進展

關于擬南芥早期研究中發(fā)現(xiàn)Gigantea（GI）、Constans（CO）及Flowering Locus T（FT）是光周期調(diào)控開花通路中的核心基因[5]。GI作為調(diào)控開花與生物節(jié)律的關鍵因子可以促進CO和FT基因的表達，進而促進擬南芥開花。CO基因是位于FT基因上游的關鍵開花調(diào)節(jié)劑，參與FT基因的表達，進而促進擬南芥開花[8-11]。通過對水稻品種中FT、GI、CO的同源性基因研究發(fā)現(xiàn)很多基因?qū)﹂_花分子機制有著相似的作用機制（表1），其中Hd3a （Heading date 3a）與RFT1（Rice Flowering Locus T1）基因為主要成花素基因[12]。

3.1 "水稻成花素Hd3a基因及其開花機制

水稻成花素Hd3a基因位于6號染色體短臂上的基因，其表達蛋白分子量約21.9 kDa，屬于脂酰乙醇胺結白蛋白PEBP（phosphatidyl-Ethanolamine-Binding Protein）家族，是一類高度保守的小分子球狀蛋白，從原核生物到高等真核生物中均有分布[17]。從相關研究發(fā)現(xiàn)Hd3a mRNA在水稻葉片維管組織中積累，可在水稻葉鞘中的表達量卻很少。通過熒光定量PCR技術測得Hd3a mRNA在葉片表達量遠遠大于頂端分生組織中的表達量，說明Hd3a mRNA不是水稻可移動的成花素。針對Hd3a受體14-3-3蛋白的相關研究發(fā)現(xiàn)：水稻14-3-3蛋白家族成員可以與成花素類蛋白直接相互作用。其中GF14c蛋白可以與Hd3a蛋白相結合，并起到抑制開花的作用[18]。日本Tamaki 研究團隊在水稻中發(fā)現(xiàn)的Hd3a蛋白，并通過熒光蛋白標記技術構建了Hd3a∶GFP融合蛋白轉(zhuǎn)基因植株，結果表明Hd3a蛋白能在水稻葉片中表達和合成，然后被轉(zhuǎn)運到頂端分生組織中并誘導水稻植株開花，也就證實了該蛋白是成花素[19]。

水稻抽穗期（水稻發(fā)育完全的穗，隨著莖稈的伸長而伸出頂部葉的時期）Hd3a基因短日照和長日照條件下調(diào)控機制也有所不同。其調(diào)節(jié)機制主要受Hd1（Heading Date 1）和OsGI（GIGANTEA）基因調(diào)控。Hd1基因是擬南芥CO基因的同源基因，位于6號染色體，受OsGI基因調(diào)控。OsGI位于Hd1基因上游，是Hd1的主要正向調(diào)節(jié)因子，影響水稻對光周期的敏感性[13]。在短日照條件下OsGI促使Hd1表達量上升，從而增加Hd3a基因表達量促進水稻開花。在長日照條件下，Hd1抑制Hd3a基因的表達。這一結論可以通過OsGI對Hd1的控制來證實。OsGI的過量表達會造成Hd1 mRNA的表達量增加，而Hd3a mRNA的量與Hd1負相關，這說明了長日照下Hd3a表達量降低，從而抑制水稻開花[20]。這也被叫做水稻開花OsGI-Hd1-Hd3a途徑。

除了OsGI-Hd1-Hd3a信號傳遞途徑外，Ghd7-Ehd1-Hd3a途徑也在進行相關研究。這一調(diào)控機制由Ghd7（Grain number，plant height and heading date）、Ehd1（Early Heading Date 1）、Ehd2（Early Heading Date 2）、Ehd3（Early Heading Date 3）和Ehd4（Early Heading Date 4）等基因共同參與。Ehd1位于10號染色體上，在水稻正確開花時間的選擇上起到關鍵作用。Ghd7作為水稻產(chǎn)量和環(huán)境適應性相關基因?qū)hd1基因有抑制作用。Ghd7與Ehd1可以控制Hd3a的表達的晝長閾值，這也就豐富了水稻開花成花素的研究[21-22]。還有有關研究表明光照時間與Ghd7、Ehd1、Hd3a通過OsGI和光敏色素實現(xiàn)雙重調(diào)節(jié)機制。Ghd7與Ehd1對光照響應表達分析定義的新型雙閥門系統(tǒng)更準確地解釋了Hd3a長短日照下的開花特征[23]。該系統(tǒng)中指出Ghd7與Ehd1的表達在特定條件下受紅光和藍光的誘導。紅藍光對Ghd7與Ehd1的誘導作用受水稻生物節(jié)律鐘調(diào)控，比如水稻在清晨通過雙閥門系統(tǒng)開啟，在有藍光射入的條件下Ehd1基因?qū)⒌玫秸T導表達，進而激活Hd3a基因的表達。在長日照清晨，在紅光參與的條件下，Ghd7閥門打開并開始表達，高水平的Ghd7 轉(zhuǎn)錄表達足以抑制Ehd1 轉(zhuǎn)錄并延遲開花[24]。

3.2 "水稻成花素RFT1基因及其開花機制

RFT1位于6號水稻染色體，離Hd3a基因僅11.5 kb，屬于FT-like家族成員中與Hd3a基因同源性最高的基因，兩者氨基酸相似性達到了91%。前期研究中提到Hd3a基因在長日照下表達量下降，抑制水稻開花，但實際上水稻在長日照下仍能正常開花，說明長日照下還存在其他因子誘導水稻開花。有研究團隊已經(jīng)通過實驗證實了RFT1基因可以在長日照下促進水稻開花[25]。利在熒光蛋白標記RFT1基因（RFT1∶GFP）分析表達部位中發(fā)現(xiàn)該基因從葉片運輸?shù)搅松L處，且在葉片韌皮部表達量很高。當Hd3a基因受光照表達量減少時，RFT1基因的表達量會上升，通過14-3-3蛋白與磷酸化的bZIP（由堿性區(qū)和亮氨酸拉鏈區(qū)2部分構成）轉(zhuǎn)錄因子OsFD1互作形成三元成花素激活復合物（FAC），并誘導MADS-box基因OsMADS14和OsMADS15的表達，促使植物推遲30 d后開花。而RFT1與Hd3a共同被敲除的植株300 d都不會開花，說明此2個基因存在基因功能冗余。

OsMADS14和OsMADS15屬于水稻A類基因是擬南芥分生組織特性基因AP1（Apetalal）的同源基因，集中在分生組織中表達來參與水稻開花啟動和決定花器官分生組織的特征，隨后在穎片、內(nèi)稃、外稃和漿片原基中表達。OsMADS14、OsMADS15、OsMADS18三者相互協(xié)作，共同決定開花信號下游花序分生組織特性建成[26-27]。有關Ehd1基因的相關研究中發(fā)現(xiàn)RFT1基因的表達也受Ehd1基因的調(diào)控。短日照條件下Ehd1基因通過編碼B型應答效應因子來誘導RFT1基因的表達而促進水稻開花。該研究中還發(fā)現(xiàn)I型MADS-box轉(zhuǎn)錄因子OsMADS51直接作用于Ehd1基因構成，促進短日照開花。這也就證實了短日照條件下OsMADS51-Ehd1-Hd3a/RFT1的開花途徑存在[28]。在擬南芥SOC1（Suppressor of Overexpression of Constans 1）同源基因OsMADS50基因的表達研究中發(fā)現(xiàn)，水稻OsMADS50功能缺失突變體中Ehd1和RFT1基因表達量明顯減少，而RFT1 RNAi突變體開花期出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，這說明在長日照條件下存促進水稻開花的在OsMADS50-Ehd1-RFT1途徑[29]。

4 "結束語

近些年通過植物擬南芥與水稻開花基因及調(diào)控機制的比較研究發(fā)現(xiàn)擬南芥的開花控制基因大部分都能在水稻基因組中找到同源基因，也就對水稻光周期途徑成花素基因調(diào)控機制研究和探索有極大參考價值。另外，水稻特有開花成花素基因的作用機制研究有待進一步研究和探索，這對于今后深入研究水稻品種改良及推廣，培育優(yōu)質(zhì)、早熟新品種來提高水稻產(chǎn)量有著重要意義。

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