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光和温度调控开花时间的研究进展

花匠小妙招
2024-09-13 21:13

1 光周期响应

光谱质量和光周期都影响开花启始. 作为长日照植物, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)在长日照光周期条件下开花时间要早于短日照条件[1,2]. CO (constans)和FT(flowering locus T)基因是响应光周期调控开花途径中的重要调控因子, 光信号和内源生物钟在这些基因的表达变化中得到整合[3,4]. CO是一个锌指结构的转录因子, 它调节开花时间主要是通过激活下游基因FT的表达[5,6]. FT是一个RAF(rapidly accelerated fibrosarcoma)相关的激酶抑制蛋白, 它作为一个长距离的信号分子, 从叶片产生经由维管束组织移动到顶端分生组织促进开花启始[7,8].

1.1 CO的转录水平及转录后水平调控

CO的转录水平受到生物钟和光信号的调控, 同时光信号还能稳定CO蛋白[9,10]. 植物拥有一系列光受体感知和传递不同波长的光, 包括5个红光/远红光受体(phytochromes)(PhyA-E)[11], 7个蓝光受体, 其中2个向光素(phototropins)(Phot1和Phot2)[12]、2个隐花素(cryptochromes)(CRY1和CRY2)[13]、3个LOV/F-box/Kelch结构域蛋白FKF1(flavin binding, kelch repeat, F-box protein 1), ZTL(zeitlupe), LKP2(lov kelch protein 2)[14], 以及一个紫外光受体UVB抑制子8(UVB-resistance 8, UVR8)[15]. 这些光受体吸收不同波长的光, 共同调控植物的生理响应过程, 如开花.

光激活CO的转录是通过蓝光依赖的FKF1与植物特有蛋白GI的相互作用所诱导的. FKF1与植物特定蛋白GI(gigantea)都是生物钟相关成员[16,17]. F-Box类蓝光受体FKF1可以作为E3泛素连接酶发挥功能, 调控蛋白稳定性, 而GI通过与FKF1蓝光依赖的结合来调控FKF1. FKF1 mRNA与蛋白都呈现出显著的昼夜节律性, 在下午达到最高值, 与CO蛋白的峰值相一致. 转录因子CDF1(cycling dof factor 1)抑制CO和FT基因转录, 而FKF1能与CDF1相互作用, 通过调控CDF1蛋白稳定性, 从而影响开花基因CO和FT的表达. 而蓝光依赖的FKF1-GI相互作用诱导了CDF1蛋白的降解, 在下午时段解除了CDF1对CO和FT基因转录水平的抑制[18~20].

隐花素是一类光裂解酶类似的蓝光受体, 首次发现于拟南芥中, 随后在众多其他物种(微生物、昆虫、哺乳动物等)中被相继克隆. 光激活的隐花素CRY经历一系列生理生化改变, 包括循环电子传递、磷酸化、泛素化以及蛋白空间构象的改变, 继而从转录和转录后水平调控下游基因的表达[21,22]. 蓝光下, CRY2通过抑制CO的降解从而激活FT mRNA的表达[9,10]. CRY2对CO蛋白稳定性的调控, 主要是通过蓝光依赖的CRY2-SPA1(suppressor of phya 1)以及蓝光非依赖的CRY2-COP1(constitutive photomorpho- genic 1)相互作用介导的. COP1是一个E3泛素化连接酶, 它介导了CO以及众多转录因子的蛋白降解过程[23~25], 光激活的CRY2与SPA1相互作用, 进而抑制COP1对CO蛋白的降解. 体内实验证明COP1与CO能够相互作用, 体外实验证实COP1能够促进CO蛋白泛素化, SPAs蛋白与COP1相互作用形成复合体, 在黑暗条件下介导CO蛋白的降解[26,27].

光敏素在细胞质中合成, 并以非激活形态Pf(phytochrome R-absorbing form)存在, 当接受光照后, 被激活成具有活性的pfr(phytochrome FR- absorbing isomer)形态, 诱导其自身核定位并放大光响应. 光敏素PhyA通过抑制SPAs-COP1复合体的活性稳定CO蛋白. 与PhyA相反, PhyB促进CO的降解从而抑制开花, 对于PhyB如何介导CO蛋白降解的分子机理目前还不是很清楚[9]. 最近的一项研究发现, PHL(phytochrome-dependent late-flowering)基因参与了PhyB-依赖的开花调控过程. PHL能够与PhyB和CO相互作用. 遗传和生化实验结果提示, PHL有可能通过形成phyB-PHL-CO复合体从而抑制了PhyB对CO的调控[28]. 此外, 近期研究表明蓝光受体FKF1也参与了CO蛋白稳定性的调控, 蓝光能够加强FKF1与CO的相互作用, 在长日照条件下于下午时段稳定CO蛋白[20,29]. 除了COP1, 一个RING- finger E3泛素连接酶 HOS1(high expression of osmotically responsive gene1)也参与了CO蛋白的去稳定性过程. HOS1在植物体内与体外均能够与CO蛋白相互作用, 在植物体内HOS1主要参与了白天时段以及低温条件下CO蛋白稳定性的调控[30,31]. 由此看来, HOS1整合了光和温度对CO蛋白丰度的调控, 但究竟光和温度是如何调节HOS1 E3泛素连接酶活性仍未知.

1.2 FT基因转录水平的调控

FT mRNA的丰度很大程度上决定了开花时间. 长日照条件下, FT基因转录水平激活是拟南芥光周期诱导开花的限速步骤. CO是FT基因主要的转录激活因子之一, 通过识别与结合FT启动子中两个CO响应元件CORE从而激活FT的转录[32]. 近期研究发现, FT基因启动子中两个相互依赖的调控区域对于光周期诱导开花是必需且充分的[33]. 核因子Y(nuclear factor Y, NF-Y)能够结合到FT起始密码子上游5.3 kb处CCAAT元件上[34], 某些NF-Y亚类同源基因对于CO激活FT转录是必需的[35].

隐花素CRY, FKF1以及光敏素Phy都参与了FT转录水平的调控. 碱性螺旋环螺旋(basic-helix-loop- helix, bHLH)转录因子CIB1(cryptochrome interacting basic-helix-loop-helix 1)是第一个被发现的与蓝光受体CRY2以蓝光依赖的方式相互作用的蛋白. CIB1通过促进FT基因的转录促进开花, 其促进FT转录及开花启始的功能依赖于CRY2. CIB1同源基因CIB2, CIB4和CIB5与CIB1具有功能冗余性, 它们通过形成异源二聚体的形式共同激活FT的表达, 正向调控CRY2介导的光周期诱导开花[36,37]. PhyB介导光响应调控开花启始主要通过抑制PFT1(phytochromes and flowering time 1), 经历CO-依赖以及CO-不依赖途径调控FT mRNA表达[38]. PFT1是转录中间体的一个亚成员Med25[39], 与PhyB经历红光依赖的相互作用, 参与了转录调节. 此外, 有研究报道与光敏素相互作用的bHLH转录因子PIF3(phytochrome interacting factor 3)抑制FT mRNA转录从而抑制开花启始[40], 而同源基因PIF4会响应环境温度的升高从而激活FT基因转录[41]. 最近又鉴定到与PhyB相互作用的因子VOZ1(vascular plant one-zinc finger 1)和VOZ2, 它们通过激活FT表达促进开花[42]. 蓝光受体FKF1则是通过移除CO和FT基因的转录抑制子CDF1, 有效诱导FT mRNA表达促进开花[20,29].

1.3 FT蛋白的运输

在叶片中产生的FT蛋白作为一个远距离信号分子通过维管束运输到顶端分生组织诱导开花[7,8]. FT在顶端分生组织与bZIP家族转录因子FD相互作用, 调控花组织特异基因的表达, 使顶端分生组织分化为花原基, 从而诱导开花[43~45]. 体外生化分析和结晶实验都指出, FT与FD的相互作用不是直接的, 它们需要14-3-3蛋白的介导. 14-3-3蛋白在顶端分生组织细胞中作为成花素细胞内受体存在[45]. BRC1 (branched 1)基因在叶分生组织中表达抑制叶分生组织的分化[46]. BRC1在腋窝分支处抑制开花, 主要是通过与FT相互作用, 其相互作用不依赖于14-3-3蛋白, 说明BRC1对开花的调控机理与FD不同[47].

FT蛋白小于胞间连丝限制尺寸, 可以通过扩散作用进入筛管成分. 鉴于FT蛋白的低丰度, 有可能存在一种活跃的转运机制协助其运输. 拟南芥FTIP1(FT-interacting protein 1)基因在韧皮部伴胞细胞与FT结合, 从而运输到筛管分子进一步运输到顶端分生组织[48]. 也有报道FT能够在体外结合磷脂, 这种结合能力有可能解释其在体内的运输能力[49].

2 开花启始对温度的响应

植物拥有一套精准的系统测量外界环境温度的变化以便及时做出生理上的调整, 面临延长的寒冷条件时采取春化途径促进开花, 遭遇较低环境温度时推迟开花时间, 当周围环境温度升高时则加速开花进程. 与光调开花相比, 植物如何感知环境温度变化进而影响开花还知之胜少. 然而, 最近的一些研究结果也陆续揭示了一些可能的调控机制, 而一些关键调控基因也被相继发现.

2.1 开花启始响应延长的低温条件: 春化作用

很多对温度影响开花的机理研究都聚焦在春化作用, 春化作用能够使植物在经历一段时间的低温条件处理后依然具有开花的能力. 春化作用对开花时间的影响主要依赖于对FLC(flowering locus c)基因的表观修饰, FLC编码了一个MADS box蛋白[50,51], 它抑制开花启始主要是通过阻断光周期途径中重要基因的转录, 如FT. FLC直接结合至FT与SOC1(supressor of over-expression of CO1)基因核染色质上抑制它们的转录. 拟南芥的春化过程包括3个独特的阶段: 通过激活FLC建立春化需求; 低温处理下FLC染色质动态重组; 后续发育过程中表观修饰导致FLC基因沉默[52]. FLC表达水平的激活需要一些保守的染色质修饰, 如H3 lysine 4与lysine 36[53]. PRC2(polycomb repressive complex 2)基因能够增加FLC基因座H3K27me3甲基化修饰, 对于春化过程之后保持FLC基因表达沉默是必需的. 近期报道, 长链非编码RNAs(lncRNAs) COOLAIR与COLDAIR的表达水平在春化过程中升高, 并参与了FLC基因水平的调控[54,55]. 依赖年龄的春化响应机制最近在碎米芥(Cardamine hirsuta L.)和拟南芥中被揭示, 开花启始响应春化作用同时需要下调FLC水平和降低microRNA156 (miR156)水平, 而miR156是年龄的标志, 通过靶向一组SPL(squamosa promoter binding protein-like)转录因子, 调控依赖年龄的发育过渡[56,57]. CO的一个E3连接酶HOS1也被认为参与了FLC的调控. 在短时间低温胁迫条件下HOS1以低温依赖的方式结合到FLC染色质上通过染色质重塑促进FLC转录[58].

2.2 开花启始对环境生长温度的响应

撇开春化作用的影响, 不断变化的环境生长温度也会显著影响植物的开花时间. 例如, 短日照条件下高的环境温度会促进拟南芥开花, 温暖的环境温度替代了长日照的影响促使植物在短日照下也能迅速开花. 对模式植物拟南芥进行大量遗传学筛选获得了一些呈现异常热敏性的突变体和生态型. Blazquez和他的同事们[59]发现, 一些呈现晚花表型的自花途径突变体fca(flowering time control protein), fve(flowering locus VE), fy(flowering locus Y)在不同环境温度下呈现出相同的开花表型. 这项观察暗示,这些自花途径的基因介导了环境温度对植物开花时间的影响, 尽管之前的研究认为它们在自花途径中的功能不依赖外界环境信号. 环境温度影响开花时间主要还是通过调节FT基因表达. 据目前所知, FCA, FVE以及FY会下调开花抑制子FLC基因的表达. 然而, 更进一步的分析发现, 下降的环境温度仅适当地改变了FLC的表达水平, 但并不抑制FCA, FVE以及FY基因对FLC水平的影响. 这些发现暗示FLC表达水平与温度感应间仅存在微弱的联系. flc突变体依然能够响应改变的环境温度(16℃ vs. 23℃), 这项分析几乎排除了FLC在温度响应过程中的作用. 与在自花途径中的功能不一样, FCA和FVE响应温度影响开花时间主要通过不依赖于FLC的途径[59]. 另一方面, 从在线数据库提供的转录数据(12℃ vs. 23℃)显示, FLC影响了众多温度响应基因的丰度. 在生物钟温度补偿实验中发现, FLC在高温下(27℃)延长了生物钟周期[60], 证实FLC在介导高温响应中具有显著功能. 突变体flc-3的开花时间对更高温度不敏感(23℃ vs. 27℃), 这项发现结合先前对自花途径突变体的研究重新将FLC拉回到温度响应途径, 提出如下假设: 自花突变体中高的FLC表达水平是导致这些突变体无法响应提升的环境温度的原因. flc与自花途径突变体(fca, fve, fpa(flowering locus PA), fld(flowering locus D), ld(luminidependens))构建的双突对环境温度的响应类似于flc单突的表型, 而friflc双突变体植株在23℃与16℃环境下开花时间不变[61]. 以上结果再次表明, 自花途径突变体中提升的FLC水平是它们无法响应高温诱导开花过程的原因.

包含MADS结构域的蛋白FLM(flowering locus m)与SVP(short vegetative phase)受到环境温度的调控, 被认为参与了环境温度影响开花时间的响应途径[61,62]. 最近的研究显示, 环境温度调控FLM基因的可变剪接以及SVP蛋白的稳定性, 这些调控过程对于温度影响开花时间至关重要. FLM包含两种剪接异构体FLM b与FLM g, 低温促进FLM b的形成, 而高温下会产生更多的FLM g. FLM b与SVP形成复合体结合到DNA上从而抑制开花. 在响应环境高温的开花途径中FT, TSF与SOC1是SVP, FLM以及FLC主要的下游靶基因. SVP在高温下降解, 导致FLM b-SVP复合体丰度降低, 从而释放对靶基因的抑制作用, 促进植物开花启始[63,64]. FLM不同剪接体FLM b与FLM g竞争性结合SVP, 低温主要促进FLM b-SVP复合体形成抑制开花, 而高温下竞争性形成FLM g-SVP复合体, 无法结合到DNA, 通过显性失活机制促进开花[65].

MYB转录因子EFM(early flowering myb protein)在叶片维管束中抑制FT的表达. EFM介导了环境温度对开花的影响, 并且这一过程受到SVP促进. 此外, EFM与JMJ30(jumonji c domain-containing protein 30)相互作用, JMJ30是一个H3K36 me2去甲基化酶, 在生物钟中扮演重要角色. EFM与JMJ30的相互作用影响了FT基因H3K36me2甲基化程度, 由此看来EFM有可能成为介导温度和光信号影响开花时间的重要整合点[66].

光信号传导中的重要成员PIF4也被认为参与了环境温度调控的开花启始过程, 尽管PIF4在光质调控开花中的功能未曾报道过. 仅在短日照条件下, 高温能够促进PIF4直接结合至FT基因并促进FT表达[41].

3 讨论

通过近期研究, 本实验室对光周期和温度调控开花分子机理的理解得到了快速增长. 参与这些响应途径的关键基因也被陆续鉴定, 而这些基因在遗传上如何相互作用也已被解析. 然而, 一些最根本的问题依然存在: 光信号能够同时调控CO基因的表达和蛋白的稳定性, 光信号是否参与影响CO转录因子活性还不清楚; 目前的研究显示, 众多转录因子参与了FT转录水平的调控, 包括正向调控因子CO, CIBs, PIF4, GI和反向调控因子FLC, CDFs, PIF3, TEM(tempranillo)[6,16,18,19,36,41,47,67,68], 而这些转录因子如何调控FT基因转录并不清楚, 究竟是影响FT基因的转录启始、延伸亦或是终止? 这些因子如何协同调控FT转录? 是否这些转录因子以形成复合体的方式共同调控FT或是依据不同外源与内源信号竞争性调控FT都还有待进一步探究. 与光信号传导相比, 对植物如何感知和响应温度信号还知道得太少, 尽管有报道酵母和拟南芥组蛋白变体H2A.Z介导了温度信号[69]. 光与温度信号紧密关联是合乎逻辑的, 在白天总是伴随着更高的温度, 而夜间温度会稍低, 但是光与温度如何协同调控植物的发育, 例如, 开花过程, 目前还无法做出解释, 有待更多的研究来逐步阐明这些有趣的问题, 使人们对植物如何响应多变的外界环境调控自身生理发育获得更充分的理解.

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