植物春化作用的分子机制及应用.pdf

通报学生物2023年第7 期总第58 卷植物春化作用的分子机制及应用俞如旺林淑燕（福建师范大学生命科学学院福建福州350117)摘要植物能响应环境中的低温信号实现开花调控，这种经历低温促使植物开花的作用即为春化作用。本文结合国内外春化作用的研究进展，概述春化作用的发现和特点，阐述模式植物拟南芥及单子叶作物的春化作用分子机制，并举例说明春化作用在农业、园艺等方面的应用。关键词春化作用分子机制春化基因表观遗传中国图书分类号：Q945.6+4文献标识码：A1春化作用概述植物开花是植物从营养阶段到生殖阶段的发育转变，对植物后代繁衍、生态适应有重要意义。“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开。”千年前著名诗人白居易就观察到植物的花期受到温度的影响。19世纪初，人们已然关注到温度对植物成花具有调控作用。德国科学家加斯纳根据播种时间的不同，将小麦（Triticumaestivum）分为“冬性”和“春性”品种，其中“冬性”品种必须在秋、冬季播种才能在次年春季开花。苏联学者李森科将吸胀萌动的冬小麦种子经低温处理后于春季播种，发现冬小麦也能于当年抽穗开花，他将这一低温处理措施称为春化，这也是春化概念的最初来源 2。我国古代劳动人民在生产实践过程中也很早关注到温度对植物开花的调控作用，创造出“闷麦法”“七九麦法”，把吸水萌动的小麦种子进行低温处理后春播，当年即可开花结实。结合现代科学技术与方法，经历漫长的研究历程，温度在植物生长发育过程中扮演着重要的调控角色这一观点已毋庸置疑。冬性一年生植物、二年生植物为了使后代能在适宜的条件下生长发育，避免在寒冷的冬季到来之前开花，导致植物于低温环境中结实，在长期的进化过程中形成了一种自我保护机制，即经历一定时间的一定温度范围内的低温处理才能开花，这种低温诱导、促进越冬植物开花的作用，称为春化作用3。春化是一种适应性特征，植物在温度较高的季节开花、结实，能够提高自身的繁殖成功率低温刺激作为春化信号，可作用于植物的茎尖端生长点和嫩叶，能进行分裂的植物细胞都能够接受春化信号。小麦等多数植物的春化作用可以在种子萌发时期或植株生长时期进行，少数植物如甘蓝（Brassicaoleracea），可能由于需要一定数量的营养体来积累对低温敏感的物质，在种子萌发时期不能感受低温。温度是影响春化作用最关键的因素，不同种类植物春化所需的温度条件及时间不同，其最适温度为1 7，春化时间由数天到2 0 30 d，如冬小麦的春化温度在0 3（或2 4），春化时间为30 40 d4l，拟南芥（A r a b i d o p s i s t h a l i a n a）的春化温度为2 4，春化时间为3 5d。春化作用伴随植物活跃的代谢过程，除温度以外，还受到光照、水分、营养等因素的共同影响，植物激素如赤霉素在一定程度上也与春化作用有关，部分花卉可以通过喷施赤霉素来替代低温的作用 52春化作用的分子机制对不同物种春化作用的分子和遗传学研究表明，不同植物春化作用的分子调控机制是不同*基金项目：教育部人文社会科学研究规划基金项目“核心素养导向的科学课程高中学业水平考试实施策略与命题研究(17YJA880088)生通报2023年第7 期总第58 卷学物的。目前，春化作用的分子机制已经在模式植物拟南芥和单子叶作物中得到广泛研究。植物在感知、接受低温信号后，自身相关基因表达水平发生改变，通过表观遗传修饰维持低温记忆实现开花调控，并使这种低温记忆在后代中消除或重置。后代在开花前仍需重新经历春化过程，从而规避不良环境，实现正常生长发育。2.1拟南芥的春化作用分子机制FRIGIDAFRI)和FLOWERINGLOCUSC(FLC)是模式植物拟南芥的春化基因。其中,FRI编码植物特异性支架蛋白，FLC则编码一个MADS-box转录因子并作为花抑制因子发挥抑制植物成花的作用，FLC的转录依赖于FRI蛋白0。拟南芥的春化实质上是一个表观遗传调控的过程。在植物未经冷暴露之前，FLC高度表达，阻止植物体从营养生长向生殖发育过渡；植物在经历长时间的冷暴露之后，FLC表达被抑制，在环境条件恢复温暖时，这种抑制在表观遗传上得到稳定维持 7 ，调控过程详见图1。FLC基因FRI温暖条件下PAF1c抑制开花FLC基因解除抑制低温条件下FRIFRLFRIPRC2FRIFKIFRI复合物FRIFLC基因FRIABI3抑制开花表观遗传重置LECIABI5一组蛋白乙酰化泛素化AH3K4me3H3K27me3H3K36me3图1拟南芥的春化作用分子机制（改自ZhuP等 18 、SharmaN等19)、XuGT等110)）在温暖条件下，FRI与转录共激活因子结合，在FLC启动子作用下招募组蛋白修饰物，建立一个活跃的转录状态。近10 年的研究中，研究者对依赖于FRI的FLC上调所需的基因进行了广泛的遗传筛选，已经鉴定出包括FRI伴侣、组蛋白修饰物、组蛋白变体（H2A.Z)沉积复合物、RNA聚合酶相关因子和共转录前mRNA加工因子等数个相关因子。在存在FRI的情况下,FLC染色质会受到各种活性染色质修饰，包括通过MYST组蛋白乙酰转移酶进行组蛋白乙酰化；通过H3K4甲基转移酶复合物介导组蛋白H3分别在第4位赖氨酸和第36 位赖氨酸上的三甲基化修饰（H 3K 4m e 3和H3K36me3）；通过2 种泛素结合酶UBC1和UBC2以及2 种泛素连接酶HUB1和HUB2进行组蛋白H2B单泛素化；通过组蛋白变体（H 2 A.Z）沉积复合物介导H2A.Z在FLC染色质上的动态沉积等。除了染色质修饰，RNA聚合酶I相关因子1复合物（PAF1c）对FLC的激活同样不可或缺，其与FLC基因座上的所有染色质修饰因子或复合物非穴余地发挥作用以介导其激活 6在低温条件下，FRI容易在植物细胞核内形成凝聚体，凝聚体的形成阻止了FRI对FLC的激活，FLC表达下调。FRI凝聚体的形成使植物能够根据环境温度变化调节FLC的表达水平，帮助植物感知季节进程8。在拟南芥中，春化介导的FLC抑制通过PRC2复合体进行表观遗传调控，PRC2是一种多梳蛋白抑制复合物，PRC2复合物主要通过介导组蛋白H3在第2 7 位赖氨酸上的三甲基化修饰（H3K27me3）改变FLC基因座处的组蛋白，实现FLC表观遗传沉默9。这种表观遗传状态经有丝分裂稳定维持并传递给雌、雄配子，但这种“寒冷记忆”必须在后代中消除或重置，以确保后代在春季开花前再次越冬。FLC的表观遗传沉默在早期胚胎发生中被称为LEC1的胚胎先驱转录因子重置。转录因子ABI3招募支架蛋白FRI,FRI与染色质修饰剂结合，在FLC染色质上沉积共价染色质修饰，使FLC染色质处于活跃状态。另一种转录因子ABI5与ABI3通报学生物2023年第7 期月总第58 卷共同作用，促进FLC重新激活，从而消除后代的“寒冷记忆 1-12.2单子叶作物的春化作用分子机制单子叶作物的春化受到VERNALIZATION基因包括VRN1、VRN2 和VRN3的调控。类似拟南芥中的FLC基因，VRN1编码一种MADS-box转录因子，对开花起正调控作用；VRN2编码一种锌指蛋白，作为花抑制因子延迟开花直至植物完成春化，VRN1能够与VRN2的启动子结合，抑制VRN2的表达。VRN3编码一种可移动的成花素，能够促进开花，其表达受光周期和春化的介导。春化处理前，VRN2高水平表达，从而抑制VRN3表达，阻止开花；寒冷刺激诱导VRN1表达并抑制VRN2表达；次年春天回暖后，VRN1的活跃表达依旧维持，VRN1抑制VRN2表达，并在光照时间变长时诱导VRN3的表达，VRN3蛋白能够促进茎尖分生组织中VRN1的表达，促进开花2 。拟南芥春化是通过开花抑制基因FLC进行表观遗传调控。与拟南芥不同，单子叶作物春化的表观遗传调控主要由开花促进基因VRN1进行调控。在春化之前，抑制标记H3K27me3沉积在VRN1基因座中，抑制VRN1转录，VRN2表达上调，从而抑制VRN3的表达来抑制开花。低温通过表观遗传调控和VER2-GRP2介导的RNA剪接2种途径诱导VRN1的高表达：1)在春化过程中，活性组蛋白修饰标记H3K4me3和H3K36me3在VRN1基因座中逐渐增加，抑制标记H3K27me3逐渐减少，VRN1表达水平上调，结合VRN2的启动子，减少VRN2的转录，促进VRN3的表达。2)GRP2是一种富含甘氨酸的RNA结合蛋白，其能够抑制VRN1前体mRNA的剪接，植物凝集素蛋白VER2能够与GRP2相互作用，将其从细胞核移至细胞质，GRP2的这种移动也使得VRN1表达水平上调3。此外，有研究表明，小麦在早期春化处理期间，VRN1前体mRNA通过可变剪接产生2个转录本VRN1和VAS，VA S是一种新型长链非编码RNA，春化过程中VRN1的完全激活与VAS有关。在小麦春化处理前，VRN1在部分蛋白质的作用下，在特定位置形成环状结构，其中包含完整的VAS序列；在春化早期，VRN1产生更多的VAS转录本；在春化过程中，环状结构被破坏，VAS通过招募相关的转录因子，与VRNI特定基因序列结合，促进VRNI的转录，从而加快开花进程141，调控过程详见图2。温暖条件下，抑制开花VRN2基因VRN3基因VRNI基因解除抑制温暖条件下VASVRNI基因一/XXX可变剪接VRN1WMVASVRNImRNAVRN2基因H3K4me3H3K27me3H3K36me3图2单子叶作物的春化作用分子机制（改自XuSJ等 4I)种康等15 对二穗短柄草中H3K4me3/H3K27me3进行测序分析，发现春化后VRN1染色质保持活跃状态，H3K4me3水平升高，H3K27me3水平降低。然而，除了VRN1之外，VRN3也是春化过程中表观遗传调控的主要靶标，表现在春化后VRN3染色质的H3K4me3恢复到春化处理前水平，H3K27me3水平保持降低状态。在春化后期，VRN1和VRN3染色质均保持活跃状态，表明它们可能有助于春化记忆5。但单子叶作物春化记忆的重置与消除机制还不明确E-生通报学物2023年第7 期总第58 卷3春化作用的应用3.1引种我国地域辽阔，同一季节南北气温差异较大，同时，我国的地形复杂多样，同一纬度海拔不同也会造成较大的温度差异。植物春化对环境温度的要求较为严苛，因此，春化温度及春化时间是植物引种需要考虑的重要因素之一。南北引种要充分考虑植物能否顺利通过春化，如北方果树砧木种子需要足够冷积温才能在春季萌芽出苗，不适宜引种至南方16 。此外，探明植物的春化条件为品种选育、种植结构与布局提供了重要的参考依据3.2快速育种和作物栽培提高作物产量仍是当前农业生产面临的挑战之一，其中一个重要的限制因素是植物的世代更替时间。为缩短育种时间，研究人员通过改变春化作用的温度、光照等因素，建立了快速春化方案，使正常条件下每年只能生长两季的冬小麦和冬大麦实现一年生长五季17 。人工低温春化技术还能够应用于蚕豆的反季节栽培，经春化处理后的蚕豆能够提前开花、结果，避免集中上市，从而产生良好的经济效益3.3花期调控人工调控花期能够提高花卉的观赏、展览价值，应用春化作用调控花期进而满足园艺生产的需求，如使“勿忘我”在次年5月份开花，可在10 月份将“勿忘我”的种子置于12条件下低温处理30 d后再播种育苗。此外，生产实践中有时还需要应用脱春化作用来抑制植物开花，如为获得大鳞茎提高产量，防止洋葱等作物先期抽墓，应严格控制播种时间，避免其通过春化阶段后抽墓开花主要参考文献1舒黄英，郝园园，蔡庆泽，等.模式植物拟南芥开花时间分子调控研究进展 J.植物科学学报，2 0 17,35(4):603.2王云生，蔡永萍.植物生理学 M.北京：中国农业大学出版社，2 0 18：2 8 5.3王小菁.植物生理学 M.8版.北京：高等教育出版社,2 0 19:2 8 3.4陈满霞，蒋玉蓉，於金生.小麦春化作用研究进展J.江苏农业科学，2 0 19，47（2 4）：6.5周小娟，杨巧云，申潇潇，等.不同赤霉素浓度和温度处理对美人梅促成栽培的影响 J.农业科技通讯，2021(3):193.6Luo X,He Y H.Experiencing winter for spring flower-ing:A molecular epigenetic perspective on vernalization.Journal of Integrative Plant Biology,2020,62(1):104.7Berry S,Dean C.Environmental perception and epigene-tic memory:Mechanistic insight through FLCJ.ThePlant Journal,2015,83(1):133.8 Zhu P,Lister C,Dean C.Cold-induced ArabidopsisFRIGIDA nuclear condensates for FLC repressionJ.Nature,2021,599(7886):657.9Sharma N,Geuten K,Giri B S,et al.The molecularmechanism of vernalization in Arabidopsis 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