水稻光周期开花成花素基因相关研究

摘 "要：水稻光周期开花是多基因参与协调完成的复杂调控过程。水稻在长日照和短日照条件下通过不同基因主导的调控机制来实现从营养生长到生殖生长的转变。Hd3a与RFT1基因是现阶段研究比较广泛的成花素基因。讨论对长短日照条件下的Hd3a/RFT1基因调控相关基因的作用和特点来总结出4种基本开花基因调控途径，为今后水稻开花调控的深入研究提供参考。

关键词：水稻；成花素；开花途径；Hd3a；RFT1

中图分类号：Q943.2 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：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粮食作物之一。原产亚洲，最初在中国南方大面积栽种，之后开始慢慢传播到世界各地。中国水稻播种面积仅占整个粮食作物的1/4，可产量已经超出了一半以上。作为高产的粮食作物，水稻适应性强、经济价值高，除了是人类的主要粮食供食用、制造淀粉、酿酒之外，在工业上也可作为糠醛的化工原料、提取维生素，茎秆也可作为造纸等的原料，在我国国民经济中有着不可取代的地位。中国水稻研究所的相关调研数据表明，近年出现的耕地非农化、非粮化、抛荒撂荒等现象对稳定水稻种植面积带来了一定影响。在2019—2020年对全国11省份的耕地面积调研报告中显示我国耕地“非粮化”比例占据了27%[1]。除此之外，我国在基因编辑、全基因组选择等新兴交叉领域技术的研发缺乏创新，重大突破性的理论及方法的研究步伐较慢[2]。为了解决现阶段出现的诸多相关问题已有不少科研机构、高校研究所及企业在做相关领域研究并获得了突破性进展。近些年，有关水稻开花成花素相关基因、开花期调控机制的相关研究尤为突出。这一方面的研究意义在于可以通过相关研究可以促进水稻成熟实现1年2季或3季来获得更高的粮食产量。本文通过对近些年来水稻开花成花素基因研究进行综述。

1 "植物光周期概述

开花是植物发育过程当中的一个重要事件，它标志着植物从营养生长到生殖生长的转折。为了更好地适应环境的变化，保证自身的繁衍，植物体发展出了复杂而精细的开花过程调节。植物的光周期现象早在1920年被美国植物学家Carner和Allard提出，植物通过感受昼夜长短变化来控制开花的现象称为光周期现象[3]。根据植物对光周期的反应，一般可分为3种：对长日照敏感而成花的为长日照植物；对短日照敏感而成花的为短日照植物；对日照不敏感的为光期顿感植物。植物光周期反应的分子机理研究一般以拟南芥（Arabidopsis thaliana）作为研究材料，取得了一系列的研究成果，目前相关调控机制比较清晰，这对水稻光周期调控机制研究有一定的借鉴价值，使得水稻分子调控机制研究能更深入、更精确。

2 "水稻开花成花素研究

植物的开花不仅仅与环境因素（光照、温度等），还与内在因素（植物本身发育时期状态）调控有密切联系。这个过程与开花调控基因的开启与关闭的调控因素有着密切联系。植物播种后萌发，形成了顶端分生组织（SAM），顶端分生组织形成了植物营养结构，这个阶段叫做植物的营养生长阶段，在内外源因素的驱动下，植物从营养生长阶段过渡到生殖生长阶段，茎顶端分生组织向花序分生组织转化，最终形成了花[4]。水稻作为典型的单子叶植物，顶端在发育过程中也将经历护颖形成、内外颖原基形成、浆片原基形成、雌雄蕊原基形成和胚珠和花粉成型等不同的阶段，最终形成小穗、2片颖片、穗轴和小花等基本组织单位。

植物的开花研究已经有百年的历史，以拟南芥为植物模式扩展到了多种植物的研究当中[5]。通过对长日照模型植物拟南芥遗传学研究发现，拟南芥内存在6种影响开花的调控途径，分别是光依赖、自主、赤霉素、春花、温度及年龄通路。与拟南芥相比，水稻属于短日照植物，栽培品种大部分是一年生植物。目前，大量研究表明光周期途径是水稻开花的主要开花途径，其中包括短日促进开花途径和长日抑制开花途径[6]。成花素（Florigen）作为水稻在光周期调控中诱导开花的关键物质，在水稻开花分子机制研究中有着重要的研究意义。成花素在植物开花阶段中要满足以下几个条件：首先，在叶片中通过诱导条件下产生。其次，从诱导叶片出发至茎顶端。最后，所有开花植物中必要的且保证有相似的结构和性质[7]。

3 "水稻成花素基因研究进展

关于拟南芥早期研究中发现Gigantea（GI）、Constans（CO）及Flowering Locus T（FT）是光周期调控开花通路中的核心基因[5]。GI作为调控开花与生物节律的关键因子可以促进CO和FT基因的表达，进而促进拟南芥开花。CO基因是位于FT基因上游的关键开花调节剂，参与FT基因的表达，进而促进拟南芥开花[8-11]。通过对水稻品种中FT、GI、CO的同源性基因研究发现很多基因对开花分子机制有着相似的作用机制（表1），其中Hd3a （Heading date 3a）与RFT1（Rice Flowering Locus T1）基因为主要成花素基因[12]。

3.1 "水稻成花素Hd3a基因及其开花机制

水稻成花素Hd3a基因位于6号染色体短臂上的基因，其表达蛋白分子量约21.9 kDa，属于脂酰乙醇胺结白蛋白PEBP（phosphatidyl-Ethanolamine-Binding Protein）家族，是一类高度保守的小分子球状蛋白，从原核生物到高等真核生物中均有分布[17]。从相关研究发现Hd3a mRNA在水稻叶片维管组织中积累，可在水稻叶鞘中的表达量却很少。通过荧光定量PCR技术测得Hd3a mRNA在叶片表达量远远大于顶端分生组织中的表达量，说明Hd3a mRNA不是水稻可移动的成花素。针对Hd3a受体14-3-3蛋白的相关研究发现：水稻14-3-3蛋白家族成员可以与成花素类蛋白直接相互作用。其中GF14c蛋白可以与Hd3a蛋白相结合，并起到抑制开花的作用[18]。日本Tamaki 研究团队在水稻中发现的Hd3a蛋白，并通过荧光蛋白标记技术构建了Hd3a∶GFP融合蛋白转基因植株，结果表明Hd3a蛋白能在水稻叶片中表达和合成，然后被转运到顶端分生组织中并诱导水稻植株开花，也就证实了该蛋白是成花素[19]。

水稻抽穗期（水稻发育完全的穗，随着茎秆的伸长而伸出顶部叶的时期）Hd3a基因短日照和长日照条件下调控机制也有所不同。其调节机制主要受Hd1（Heading Date 1）和OsGI（GIGANTEA）基因调控。Hd1基因是拟南芥CO基因的同源基因，位于6号染色体，受OsGI基因调控。OsGI位于Hd1基因上游，是Hd1的主要正向调节因子，影响水稻对光周期的敏感性[13]。在短日照条件下OsGI促使Hd1表达量上升，从而增加Hd3a基因表达量促进水稻开花。在长日照条件下，Hd1抑制Hd3a基因的表达。这一结论可以通过OsGI对Hd1的控制来证实。OsGI的过量表达会造成Hd1 mRNA的表达量增加，而Hd3a mRNA的量与Hd1负相关，这说明了长日照下Hd3a表达量降低，从而抑制水稻开花[20]。这也被叫做水稻开花OsGI-Hd1-Hd3a途径。

除了OsGI-Hd1-Hd3a信号传递途径外，Ghd7-Ehd1-Hd3a途径也在进行相关研究。这一调控机制由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）等基因共同参与。Ehd1位于10号染色体上，在水稻正确开花时间的选择上起到关键作用。Ghd7作为水稻产量和环境适应性相关基因对Ehd1基因有抑制作用。Ghd7与Ehd1可以控制Hd3a的表达的昼长阈值，这也就丰富了水稻开花成花素的研究[21-22]。还有有关研究表明光照时间与Ghd7、Ehd1、Hd3a通过OsGI和光敏色素实现双重调节机制。Ghd7与Ehd1对光照响应表达分析定义的新型双阀门系统更准确地解释了Hd3a长短日照下的开花特征[23]。该系统中指出Ghd7与Ehd1的表达在特定条件下受红光和蓝光的诱导。红蓝光对Ghd7与Ehd1的诱导作用受水稻生物节律钟调控，比如水稻在清晨通过双阀门系统开启，在有蓝光射入的条件下Ehd1基因将得到诱导表达，进而激活Hd3a基因的表达。在长日照清晨，在红光参与的条件下，Ghd7阀门打开并开始表达，高水平的Ghd7 转录表达足以抑制Ehd1 转录并延迟开花[24]。

3.2 "水稻成花素RFT1基因及其开花机制

RFT1位于6号水稻染色体，离Hd3a基因仅11.5 kb，属于FT-like家族成员中与Hd3a基因同源性最高的基因，两者氨基酸相似性达到了91%。前期研究中提到Hd3a基因在长日照下表达量下降，抑制水稻开花，但实际上水稻在长日照下仍能正常开花，说明长日照下还存在其他因子诱导水稻开花。有研究团队已经通过实验证实了RFT1基因可以在长日照下促进水稻开花[25]。利在荧光蛋白标记RFT1基因（RFT1∶GFP）分析表达部位中发现该基因从叶片运输到了生长处，且在叶片韧皮部表达量很高。当Hd3a基因受光照表达量减少时，RFT1基因的表达量会上升，通过14-3-3蛋白与磷酸化的bZIP（由碱性区和亮氨酸拉链区2部分构成）转录因子OsFD1互作形成三元成花素激活复合物（FAC），并诱导MADS-box基因OsMADS14和OsMADS15的表达，促使植物推迟30 d后开花。而RFT1与Hd3a共同被敲除的植株300 d都不会开花，说明此2个基因存在基因功能冗余。

OsMADS14和OsMADS15属于水稻A类基因是拟南芥分生组织特性基因AP1（Apetalal）的同源基因，集中在分生组织中表达来参与水稻开花启动和决定花器官分生组织的特征，随后在颖片、内稃、外稃和浆片原基中表达。OsMADS14、OsMADS15、OsMADS18三者相互协作，共同决定开花信号下游花序分生组织特性建成[26-27]。有关Ehd1基因的相关研究中发现RFT1基因的表达也受Ehd1基因的调控。短日照条件下Ehd1基因通过编码B型应答效应因子来诱导RFT1基因的表达而促进水稻开花。该研究中还发现I型MADS-box转录因子OsMADS51直接作用于Ehd1基因构成，促进短日照开花。这也就证实了短日照条件下OsMADS51-Ehd1-Hd3a/RFT1的开花途径存在[28]。在拟南芥SOC1（Suppressor of Overexpression of Constans 1）同源基因OsMADS50基因的表达研究中发现，水稻OsMADS50功能缺失突变体中Ehd1和RFT1基因表达量明显减少，而RFT1 RNAi突变体开花期出现延迟现象，这说明在长日照条件下存促进水稻开花的在OsMADS50-Ehd1-RFT1途径[29]。

4 "结束语

近些年通过植物拟南芥与水稻开花基因及调控机制的比较研究发现拟南芥的开花控制基因大部分都能在水稻基因组中找到同源基因，也就对水稻光周期途径成花素基因调控机制研究和探索有极大参考价值。另外，水稻特有开花成花素基因的作用机制研究有待进一步研究和探索，这对于今后深入研究水稻品种改良及推广，培育优质、早熟新品种来提高水稻产量有着重要意义。

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