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Science | 王晴晴等发现植物利用两种光周期感知系统独立调控开花和生长

花匠小妙招
2024-11-28 23:00

近日，美国耶鲁大学分子细胞发育生物学系Joshua Gendron实验室在Science在线发表了题为Plants distinguish different photoperiods to independently control seasonal flowering and growth的研究论文（王晴晴博士和刘伟博士为该论文的第一和第二作者），发现了植物利用两种光周期感知系统独立调控开花和生长，以适应季节变换。

光周期是季节变换中最稳定的外界环境信号，许多生物已经进化出光周期测量系统，以预测和适应与特定季节相关的生物和非生物变化（Nelson et al., 2009）。植物因其在特定季节开花而成为光周期研究的重要对象，对其分子机制已经研究的非常清楚。环境中的红光和蓝光被光受体感知后调控转录因子CONSTANS (CO)的稳定性，从而激活成花素 FLOWERING LOCUS T (FT) 的产生，促进植物开花（Putterill et al., 1995; Suarez-Lopez et al., 2001; Yanovsky et al., 2002）。尽管对光周期开花的关注度很高，但研究显示植物的开花和生长都受光周期控制，且二者可以分开，并在一年中的不同时间段调控植物生长发育。例如，植物通常在长日照下生长迅速，但有些植物在短日照下可能更快地开花。然而，关于调控植物光周期生长的关键因子，包括光周期测量系统、细胞信号通路和光周期依赖的生长调节基因，我们都知之甚少。这种不足部分原因是由于缺乏与CO-FT途径相似的用于调控生长的遗传工具和标记物。

相对于短日照条件，拟南芥在长日照下生长更快。研究人员通过挖掘实验室构建的转录组数据库，寻找在长日照中诱导并且对植物正常生长至关重要的基因（Leung et al., 2023）。鉴定到了一个植物用于产生肌醇的酶MYO-INOSITOL-1-PHOSPHATE SYNTHASE 1(MIPS1)，肌醇是控制生长各种重要过程所需的一种糖。研究发现MIPS1在长日照条件下被诱导高表达，而在短日照中不会。而且mips1突变植株在长日照下有生长缺陷，但在短日照下没有。因植物的光周期开花途径已经被阐明，因此研究人员测试了该生长突变体是否属于同一途径，结果发现mips1突变体并没有开花缺陷，这些实验表明光周期开花和生长在遗传上是可分的，并且控制开花的光周期测量系统并不控制光周期生长。

进一步的实验证明了MIPS1的表达和功能是由一套不同于CO-FT的光周期测量系统调节的（Metabolic Daylength Measurement System, MDLM），该系统与能量代谢相关并且受生物钟控制。这个植物光周期感知系统2021年由该实验室刘伟博士发现，被证明是植物短日照条件下生长所必需的（Liu et al., 2021）。通过改变一天内不同时间段的光强度，证明了光周期生长和MIPS1功能是受MDLM系统调控，而开花则受到完全不同的绝对光周期控制，MIPS1表达和功能的发现表明了植物MDLM光周期感知系统对长日照和短日照的生长都起到重要作用。

综上所述，该研究发现植物能够测量自然界两种不同的光周期：植物的光感受器可以感知低强度光来测量绝对光周期，从而控制开花时间。与此同时，植物也可以感知较高强度光引起的光合作用周期（MDLM），以控制生长。开花时间和生长的独立调控使得植物能够协调季节性发育，以精确调节各种季节性生长发育的过程。

值得一提的是，Science同期还发表了一篇题为Time for growth的评论文章，对该研究进行了解读和点评。

参考文献：

1. R. J. Nelson, D. L. Denlinger, D. E. Somers, Eds., ProQuest, Photoperiodism: The biological calendar (Oxford Univ. Press, 2009). doi: 10.1093/acprof:oso/9780195335903.001.0001

2. M. J. Yanovsky, S. A. Kay, Molecular basis of seasonal time measurement in Arabidopsis. Nature 419, 308–312 (2002). doi: 10.1038/nature00996; pmid: 12239570

3. J. Putterill, F. Robson, K. Lee, R. Simon, G. Coupland, The CONSTANS gene of Arabidopsis promotes flowering and encodes a protein showing similarities to zinc finger transcription factors. Cell 80, 847–857 (1995). doi: 10.1016/0092-8674(95)90288-0; pmid: 7697715

4. P. Suárez-López et al., CONSTANS mediates between the circadian clock and the control of flowering in Arabidopsis. Nature 410, 1116–1120 (2001). doi: 10.1038/35074138; pmid: 11323677

5. C. C. Leung, D. A. Tarté, L. S. Oliver, Q. Wang, J. M. Gendron, Systematic characterization of photoperiodic gene expression patterns reveals diverse seasonal transcriptional systems in

Arabidopsis. PLOS Biol. 21, e3002283 (2023). doi: 10.1371/journal.pbio.3002283; pmid: 37699055

6. W. Liu et al., A metabolic daylength measurement system mediates winter photoperiodism in plants. Dev. Cell 56, 2501–2515.e5 (2021). doi: 10.1016/j.devcel.2021.07.016; pmid: 34407427

论文全文：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg9196

评论文章：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn5189