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Molecular mechanism of the impact of environmental stress on plant flowering

花匠小妙招
2024-09-02 12:51

摘要: 鉴于植物对开花时间的调节是其适应逆境的重要机制,且在复杂的遗传网络调控下,植物检测并整合外源(如光周期和温度)和/或内源(如年龄和激素水平)信号来诱导或抑制成花转变。今从分子生物学角度详细介绍光、温、水、盐和营养等环境胁迫对植物开花时间的影响,这些过程涉及遗传学和表观遗传学上的改变；其目的在于从植物与环境互作的角度对植物开花时间的分子遗传调控网络进行补充,以期为科研工作者更好地研究环境与植物开花时间的关系提供参考。

Summary: All living organisms are under continuous stress of one kind or more because the surrounding environment in which they live is dynamic. In a way, the essence of evolution lies in the incorporation of opportunistic changes that enable populations to survive in the stressful environment. Plants being sessile face various extreme environmental conditions throughout their life cycle and respond accordingly to maintain their vital metabolic homeostasis by regulating their gene activity. In addition, plants have developed excellent mechanisms of stress perception and signal transduction. Abiotic stresses affect the plant growth and yield potential, and therefore the response of plants to them is important for plants to cope with the environmental changes to survive. Plants can detect the environmental condition change and alter the developmental mode to obtain survival chances in the adversity. Several abiotic stresses affect plant growth and productivity with differential regulations at different levels. Therefore, any stimulus can trigger relative gene expression and lead to the physiological changes. These signal transduction pathways act independently and also have a significant crosstalk among them. When to initiate flowering is obviously a critical step in the plant life cycle, especially under an unfavorable environment. Under the control of a complex genetic network, plants detect and integrate external (such as photoperiod and temperature) and/or endogenous (such as age and hormone level) signals to induce or suppress flowering. Generally, the transition from a vegetative phase to a reproductive phase is controlled by some pathways, which integrate the plant endogenous developmental state and environmental cues. At last, the pathways converge to a small number of genes referred to as “floral pathway node”, such as GI (gigantea), FLC (flowering locus T), FT (flowering locus T) and SOC1 (suppressor of overexpression of Constans 1). These genes are not only involved in the flowering pathways, but also take part in many other metabolism pathways. There are many different biochemical pathways responsible for abiotic stress tolerance in plants. Many plants may regulate the flowering time under stress, so the adaptability change of flowering time reflects the need of plants to fructify under optimum conditions. There must be tightly connection between environmental stresses and plant flowering time, so we introduced the effects of the environmental stresses, such as light, temperature, water, salt, and nutrition, on plant flowering time. On the point of molecular biology, these processes refer to genetic and epigenetic changes. In the first part, the impacts of light stresses, including light intensity, light quality and photoperiod, on plant flowering time were introduced in details. The second part was about how plants alter the flowering time under different temperature stresses. Then, we briefly disscussed the influences of water stress, salt stress and nutrition stress on the flowering time. Last but not the least, some conclusion was made on the interaction between the environmental stress and the plant flowering time. In addition, the prospect section gave some suggestions on how to make use of stresses on flowering time and how to study the underlying mechanisms of the complex network. This paper supplied molecular genetic regulation network of plant flowering time under stresses, attempting to provide basement for researchers to study the relationship between environment and plant flowering time

在长期进化过程中,植物形成了感知并响应环境变化的机制,当遭遇不良环境时,植物通过某些部位持续监测周围环境的变化,实时调节自身的生长发育以适应特殊的环境。其中开花时间的调节是植物适应逆境的重要机制,在正确的时间开花能使植物达到最强的适应性和生殖能力[1]。

开花作为植物由营养生长向生殖生长转变的关键环节,受到各种环境条件的调节[2-3],影响开花的环境胁迫因素主要包括光强、光质和光周期,高、低温,干旱,营养元素和盐分等。当经历上述环境胁迫时,有些植物由营养生长向生殖生长的转变要提前,尤其在以降低种子产量为代价的时候,植物会尽早开花以收获一些种子。因此,我们可以将这种开花情况称为“胁迫诱导的开花”[4-5]。也有些植物在非生物胁迫条件下表现出延迟开花,在一些以营养器官为收获目标的植物中,开花延迟是一个有利的性状,因为这样可以减轻胁迫对植物的伤害,并且通过增加生物量的积累来提高产量。因此,研究不同环境胁迫对植物开花时间的影响对农业生产具有重要意义。本文主要介绍了强、弱光胁迫,不同光质和光周期的胁迫,高、低温胁迫,干旱胁迫,盐胁迫和营养胁迫等环境胁迫对植物开花时间的影响,表 1列举了不同环境胁迫对植物开花时间的影响。

表1 各种环境胁迫对不同植物开花时间的影响 Table 1 Effects of various environmental stresses on plant flowering time

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1 光照胁迫

光照既是植物的主要能量来源,又是调节植物生长发育的重要环境因素和限制因子。光照会影响植物生长发育的很多方面,例如种子的萌发,下胚轴的伸长,子叶节和叶子的伸展,生物钟节律和开花。光照在影响植物开花的环境因素中居于首位,可以通过不同的途径、方式调节开花时间。过强或者过弱的光照条件对植物生长都是不利的,而植物耐受光强的能力与光的频率、光照时间都有一定的关系。光环境分为3个部分：光照度(即光量)、光质(即光谱分布)以及光周期(即明/暗期时间)[38]。

1.1 光强胁迫

光强即光合光量子通量(photosynthetic photon flux，PPF),是影响植物光合作用的重要参数之一,植物学分类中可以根据植物对光照强度的不同需求,将植物分为阳生植物、阴生植物和耐阴植物3类。阳生植物对光照强度的需求较高,往往在较强光照强度下生长发育最好,阴生植物一般在遮阴条件下生长良好,耐阴植物一般怕强光直射,过强的光照对其生长发育有明显的抑制作用。植物在不适宜的光强条件下生长,会影响其生长发育的各个方面,光胁迫的效应主要表现为光合能力和植株生长的下降,这与碳和氮的新陈代谢改变有关[39-40]。光胁迫下,植物特异的光胁迫诱导基因也会积累[41-42]。光照强度对植株的花芽分化、开花、授粉、坐果及果实发育各个方面都有影响。

“弱光”一词的定义尚不明确,通常认为环境光强持久或短暂显著低于光饱和点,但不低于限制其生存的最低光照强度时的光环境,可以称为弱光逆境[43]。弱光一般会延迟植物的初花期,此类研究多集中在番茄和一些花卉植物中。苗期番茄遮阴后,开花初始时间推迟,开花高峰期也相应延迟,分苗后遮阴处理对开花的影响最大,使开花期延长,同时开花指数下降[44]。弱光下番茄植株体内营养物质积累减少,且生殖生长竞争光合产物能力差,导致花芽分化延迟,开花节位升高,花芽素质下降,花数减少,花粉活力和受精能力下降,坐果率降低[10]。使用不同太阳光照强度梯度处理美藤果8个月,检测不同光照梯度下的开花物候学、光合特性、生长发育及果实产量,发现美藤果是一个喜强光植物,遮阴会延迟初花期,且会减少成花成果的数量[11]。遮阴造成的弱光环境可以使郁金香花期延迟,花冠变小,花葶变高,适度遮阴能提高开花率,但过度遮阴会抑制有性生殖,开花率显著下降[12]。通过组织培养的方式研究光质和光强对鸡冠花开花的影响,结果发现随着光照强度的提高,鸡冠花试管苗初花期缩短,开花率上升,光质对鸡冠花试管苗开花也存在影响,红光下开花率最高,因此选择红光作为培养光质,同时适当提高光照强度,能够有效促进鸡冠花试管开花[9]。拟南芥中的2个基因MYR1(myb-related protein 1)和MYR2可以抑制拟南芥对光强降低的响应,myr1 myr2双突变体在低光强下表现早花,进一步研究发现MYR1和MYR2对开花的抑制作用至少部分是由于它们负调节赤霉素的合成[45]。最近有研究指出弱光胁迫可以诱导紫苏(Perilla frutescens)红叶栽培品种crispa开花[14]。

在强光下,光照强度对植物开花时间的影响差异较大,通常认为增加光强对开花有负效应。由于光照强度与植物的光合作用和同化利用率有关,而植物的光感受器为叶绿素和其他光合色素,有可能开花时间的调控与光合速率和同化利用率的改变有关。有研究发现在低辐照下phya(phytochrome A)突变体开花延迟,而在高辐照下没有延迟开花,说明PHYA的部分作用是通过光合作用间接介导的,然而目前还不清楚这一机制是如何运行的[46]。研究不同的光照强度[42、45、92和119 μmol/(m2·s)]下兼性短日植物的开花情况,发现在低辐照[42 μmol/(m2·s)]下,植物开花最早[13]。

1.2 光质胁迫

植物的生长发育对不同波长的光敏感程度不同,红光(620~700 nm)、远红光(700~800 nm)对植物开花时间具有不同的影响,尤其是红光/远红光(R∶FR)对开花时间具有显著效应。用不同波长的单色光照射短日照植物,发现660 nm的红光能最有效地抑制开花,而730 nm的不可见光红外光可诱导开花；长日照植物的作用刚好相反,红光诱导开花,红外光抑制开花[20, 47]。用不同波长的光间断黑暗,红光抑制短日照植物开花和诱导长日照植物开花的效果最明显,远红光则能抵消红光的作用[15]。

对于短日照植物而言,夜长的测定依赖于光敏色素[48],而对于一些长日照植物,蓝光也可以促进其开花,表明蓝光受体也可能参与了开花的控制,红光、远红光和蓝光对植物的成花都有调控作用[16]。在高R∶FR下,PHYB与PHYD、PHYE共同抑制开花,表现出功能冗余。将拟南芥长时间置于低R∶FR下,则可以去除这一抑制作用,确保向生殖生长阶段过度[19, 49]。

光质对日中性植物仙客来的开花和花芽分化也有影响。红蓝混合光能促进仙客来的成花诱导,单独的红光或蓝光对成花有抑制作用,而红蓝混合光下花芽数量和开花数量都明显增多。此外,花期和花梗长度也受光质和光周期的影响,在12 h光照时,红光下花梗长度为23.8 cm,荧光灯下为14 cm。在10 h光照时,红光下的花期为40 d,荧光灯下的花期为20 d[17]。很多研究都指出将植物暴露在远红光下FT(flowering locus T)基因的表达受到上调[18, 50-52],但是由于FT基因位于开花途径的下游,受到多个途径的调控,只要加速开花的情况下其表达都会受到上调,因此我们无法据此判断低R∶FR是通过哪条途径来影响开花时间的。有报道称在低R∶FR下光周期途径的作用加强[53-54],另一些研究则表示光周期途径对遮阴(低R∶FR)下开花加速不是必要的[49, 51, 55]。当R∶FR降低时,拟南芥开花加速,但是Bla-6生态型在低R∶FR下却没有表现出显著的早花,主要是由于其高水平的FLC(flowering locus C)通过抑制FT的表达而阻止低R∶FR对开花的促进作用[20]。KIM，等[56]研究了远红光对拟南芥开花的促进作用,发现光质对CO(Constans)的调节可能对自然环境中开花时间的调控发挥重要作用。后来有研究发现PFT1(phytochrome and flowering time 1)通过依赖于CO和不依赖于CO而直接作用于FT的2种机制来响应光质变化促进植物开花[57-58]。水稻黄素单核苷酸结合蛋白OsHAL3是一个蓝光感受因子,黑暗中可以与Hd1互作,并与Hd3a的启动子结合,白光或者蓝光可以抑制OsHAL3与Hd1的互作,延迟开花[59]。

在长日型草莓中FvFT1在光质依赖的成花诱导中发挥关键作用,而在短日型草莓中FvFT1可以反转光周期条件和光质对成花诱导的影响[60]。此外,蓝光对长日条件下促进拟南芥开花具有重要作用,生长在单色红光的长日照光周期下的野生型植株比红+蓝色光的长日照光周期下生长的植株开花要晚很多。研究发现蓝光对开花的促进作用是通过PHYA,CRY1(crytochrome 1)和CRY2介导的[61]。HIGUCHI，等[62]揭示了光质对菊花光周期调控开花的作用,该研究发现对于生长在白光短日条件下的植物,用单色红光进行黑暗间断处理能有效抑制开花,而用单色蓝光或者远红光进行黑暗间断处理抑制开花的效果较弱。在蓝光短日条件下,用单色蓝光或者远红光进行黑暗间断处理可以强烈抑制开花。

除上述不同光质外,UV-C光胁迫也会影响植物开花,通过SA激活拟南芥成花转变,在这个过程中可能涉及光周期和自主途径,但是不需要开花基因CO,FCA或者FLC的参与[21]。

1.3 光周期胁迫

光周期现象首先是由GARNER，等[63]在1920年提出的,根据植物开花时间对日照长度的不同反应,将它们分为长日照植物(long-day plants,LDPs)、短日照植物(short-day plants,SDPs)和日中性植物(day-neutral plants)3种。

光周期胁迫对长日和短日植物开花时间的影响非常大,对日中性植物影响不显著。模式植物拟南芥作为典型的长日照植物,在短日照胁迫条件下会推迟开花。光周期开花是生物节律钟(内源时间调节机制)和外源信号之间复杂互作的结果,最终导致一系列成花基因的激活或者抑制[64]。CO蛋白的积累模式是依赖于光周期开花途径的中枢。生物节律钟通过GI(gigantea)-FKF(flavin-binding，kelch repeat，f-box)复合物在转录水平上来调节CO表达[6, 65]。长日照可以通过光感受因子PHYA、CRY1和CRY2的激活来维持CO蛋白在一个长日照周期结束时的稳定性[54]。CO蛋白促进成花素基因FT的转录激活从而诱导开花[66-67],若将长日照植物置于短日照胁迫下,光感受因子不能被激活,导致开花时间的延迟。

植物通过光感受器来感知不同的日照长度变化,光感受器可以将光信号传递给昼夜节律振荡器,从而调节包括开花在内的一些生物钟输出反应,那些缺乏感知日照长度机制的突变体不能确定自然条件下开花的时间[68]。光周期开花途径涉及的一些主要基因有CO、GI和FT,拟南芥中这些基因的突变会造成长日照条件下的晚花,而过表达这些基因不论日照长度的长短都会加速开花。FT基因的表达仅在长日照条件下可以被CO蛋白激活,且在此条件下FT蛋白可以移动到茎尖分生组织并诱导开花。在短日照植物水稻中情况刚好相反,FT同源基因Hd3a的表达在短日条件下受到上调导致早花[7]。FT蛋白从叶子中移动到茎尖参与了植物根据日照长度变化而对光周期开花途径的调控,说明FT是介导光周期诱导开花途径的必要因子。FT基因家族在不同植物物种中是十分保守的,这说明开花整合子FT在整个植物界都可以介导光周期开花起始[69],但在日中性植物番茄中成花素的表达不依赖于光周期的变化[70],开花时间也就不会受到光周期胁迫的影响。

2 温度胁迫

温度作为一个重要的环境因子,与植物的生长发育及其体内的物质代谢密切相关,其对开花的作用也较为复杂,目前研究比较清楚的是春化途径以及环境温度途径。2004年HENDERSON，等[22]对开花前低温对拟南芥开花的控制进行了综述,详细表述了FLC在开花途径中的作用。每种植物都有适宜其正常生长发育的温度范围,超出这一范围的高温或者低温胁迫都会对植物开花有一定的影响。本文从长期低温(春化作用)、短期低温(间歇性低温)、周围环境低温和高温几个方面进行讨论。

2.1 长期低温(春化作用)

在冬性一年或二年生植物的营养生长初期,若给予一定时间的低温处理,可大大加快植物的开花速率,这种低温诱导植物开花的过程被称为春化途径。在模式植物拟南芥中进行了大量关于春化途径分子机制的研究,在春化途径中的一个核心因子就是FLC,它可以通过抑制营养生长向生殖生长转变所需的基因来阻止开花。简单地说,拟南芥的春化就是在FLC的基因座位处对组蛋白H3(H3K27me3)的Lys27进行的三甲基化,导致对FLC基因表达的稳定表观抑制。这种作用可以通过有丝分裂保持并维持,但在减数分裂后会被重置,这就保持植物隔代后对春化作用的敏感性。

FLC在拟南芥中的5个同源基因MAF1(Mads affecting flowering1)/FLM(flowering locus M),以及MAF2-MAF5都会对春化作用介导的开花时间调控有一定的影响[71-73]。FLM似乎参与了部分光周期途径,和温敏途径调节开花时间[74-75]。MAF2作为一个开花抑制因子,可以响应短暂的春寒阻止早花,将maf2突变体置于较短的低温环境中,它会表现出显著的春化响应,而野生型则不明显,尽管野生型中FLC的水平也大幅下降。MAF2的表达对春化的敏感性低于FLC,其抑制因子的活性独立于FLC或者位于FLC转录的下游[72]。过表达MAF3或MAF4改变开花时间,说明它们也作为成花抑制因子,且可能对维持春化需求有贡献。MAF3与FLM功能冗余,都直接抑制成花素基因FT的表达从而抑制开花[76]。MAF4可以抑制开花[77],春化作用可以上调MAF5,在春化响应中MAF5与FLC作用相反[72]。MAF5的表达通常受到抑制,在非诱导性短日条件下异位过表达MAF5会导致晚花[78]。此外，研究还发现FLC、FLM以及MAF2-MAF4蛋白直接互作并形成细胞核复合物,FLC对开花的抑制作用需要FLC进化分枝上的其他成员的参与[76]。在春化作用下,植物开花时间与海拔呈非线性关系,且植物体内AGL19、FT和VIN3的表达与海拔有关,不同海拔下生长的植物中MAF2和MAF3基因的调控存在差异,说明开花时间可能对不同海拔下植物的适应性有贡献[79]。在植物的开花调控作用中,春化作用是普遍存在的,但是参与春化作用的基因和表观修饰的机制在不同的植物物种中可能不尽相同[80],例如在大麦和小麦中,拟南芥AP1(apetala 1)的同源基因VRN1(vernalization 1)、VRN2(vernalization-related 2)和拟南芥FT同源基因VRN3在春化作用中扮演FLC的角色[81]。春化诱导基因VER2的超表达具有部分取代春化作用促进开花的功能,其编码的凝集素蛋白VER2能与RNA结合蛋白VIP2(TaGRP2)形成蛋白复合物,两者间的互作依赖于VER2磷酸化和TaGRP2(Thr17)的O-GlcNAc修饰。TaGRP2在未春化时结合春化基因TaVRN1的前体RNA,进而抑制其转录与开花启动。随着春化处理,TaGRP2(Thr17)的O-GlcNAc修饰水平升高。同时,磷酸化形式的VER2进入细胞核与O-GlcNAc修饰的TaGRP2直接作用,以解除TaGRP2对TaVRN1基因转录的抑制,完成春化作用对开花的启动,这一机制保证了小麦在自然界适时进行开花结实[82]。

2.2 短期低温(间歇性低温)

环境低温胁迫对开花的影响有2种,长期低温(即春化作用)会促进开花,而短期的低温胁迫则会延迟开花。在后者中,HOS1( high expression of osmotically responsive genes 1)-CO作用模式至少部分对植物响应冷胁迫信号调整开花时间发挥作用。间歇性低温处理可以通过E3泛素连接酶HOS1介导的泛素/26S蛋白酶体途径诱导CO蛋白的降解,从而抑制FT基因并延迟开花[83-85]。在正常的生长温度下,HOS1作为一个光周期开花途径的组分响应日长信号使CO蛋白失去稳定性[86],光照和低温改变HOS1的活性在CO积累的日模式中发挥关键作用。此外,HOS1还可以通过染色质重塑调节FLC转录,在冷胁迫下,HOS1通过抑制HDA6(histone deacetylase 6)的活性来激活FLC的转录,低温诱导HOS1结合到FLC染色质上,冷诱导的HOS1促进HDA6从FLC染色质上解离下来[23-24]。SOC1(suppressor of overexpression of Constans 1)可以负调控冷响应基因,如CBFs(for CRT/DRE binding factors)和COR(for cold regulated)的表达,而冷诱导CBFs的过表达通过上调FLC的表达而导致晚花。该研究提出了冷响应与开花时间调控之间的反馈环,当遇到秋季或早春短暂的低温时,这一反馈环通过增加FLC的表达而延迟开花,但是通过SOC1抑制冷诱导基因的表达而发生成花转变时会抑制冷响应[83]。

2.3 周围环境低温

周围环境低温指稍低于正常生长所需温度(一般16~23 ℃),植物通过感知周围环境温度的变化来调节开花时间,在不同的植物物种中,环境温度对开花的诱导或抑制情况也不尽相同。例如,在长日照条件下,拟南芥在16 ℃下比23 ℃下开花延迟[75, 87]。然而在拟南芥的一个祖先近源种Boechera stricta中,温度对开花时间的影响效果和拟南芥是相反的,这个物种在25 ℃下的开花时间明显比在18 ℃下生长的植物开花时间要晚[88]。同样,温度对开花的影响在野生草莓(Fragaria vesca L.)中也有报道,生长在低温下植株会提前开花,而且这种早开花行为与光周期无关,无论是长日照还是短日照下都能重复出这种现象[89]。

上述研究都证明了环境温度胁迫对植物开花时间有一定的影响,但是其作用机制目前还没有定论。有研究指出拟南芥SVP(short vegetative phase)介导环境温度途径中FCA和FVE的功能,SVP直接结合FT序列的CArG基序上,通过负调节FT基因的表达来控制开花时间[25]。FLM(flowering locus M)和SVP主要通过2个不同的机制调节环境温度胁迫对开花时间的影响：SVP蛋白的降解和非功能性SVP-FLM-δ复合物的形成。在不同的温度下,FLM-β和FLM-δ转录本的绝对水平相似,并且His-SVP蛋白结合GST(glutathione S-transferase)-FLM-β或GST-FLM-δ蛋白的强度相近,这说明常温条件下形成功能性SVP-FLM-β与非功能性SVP-FLM-δ的量相似,因此推测SVP蛋白的翻译后调节作为一个主要的机制在温度胁迫调控开花时间的过程中发挥作用[90]。SVP损伤会导致miR172及其靶标基因表达的改变,因此推测miR172与温敏途径有关,miR172过表达植株表现不依赖于温度的早花表型,说明miR172表达的改变会导致植物对温度不敏感,过表达miR172会改变植物对环境温度变化的响应[91]。也有报道指出miR156-SPL3与FT之间的互作是环境温度胁迫对开花时间调控机制的一部分[92]。此外,在二穗短柄草中的研究发现BdVIL4(VIN3-Like 4)基因响应环境温度通过抑制miR156的表达来调节开花时间和分枝数。BdVIL4的RNAi植株和miR156过表达植株在23 ℃下都与野生型没有明显差异,但是在16 ℃都比野生型晚花,且分枝数增多[93]。

2.4 高温

植物也会响应高温而调整开花时间,高温主要通过成花素基因FT来调节开花时间,独立于光周期途径[75, 87, 94]。在凉爽的环境下(16 ℃),FT基因表达下降导致晚花表型[27],而当植物的生长环境温度升高(17~27 ℃)时,bHLH转录因子PIF4(phytochrome interacting factor 4)的表达受到上调,直接激活FT的表达而促进开花[26]。虽然温度升高会促进开花,但是高温胁迫(28 ℃)处理的时间不同对开花的影响也不同,研究发现经过夜间高温处理的植株与昼夜持续高温处理的植株开花时间几乎一样,而白天高温处理的植株开花晚于前两者。夜间高温处理的植物FT基因的表达受到上调,而白天高温处理的植物却没有,PIF4和PIF5转录因子以独立于CO的方式激活FT的表达,因此,夜间高温和白天高温对开花的诱导依赖于PIF4和PIF5[95]。菊花在夏季高温条件下会开花滞后,开花相关基因的表达也相应延迟,在高温胁迫条件下从叶片运输到茎尖的成花诱导因子FTL3信号降低,参与了菊花的开花滞后现象[28]。在水仙中,FT的同源基因NtFT在高温(25~30 ℃)黑暗条件下的表达时间与成花起始的时间一致,说明成花起始受到高温胁迫的影响,而不受光周期和春化作用的影响[96]。中国水仙(Chinese narcissus)的成花起始需要较高的储藏温度,高温上调FT基因在中国水仙中的同源基因NFT1(narcissus flowering locus T1),从而诱导开花,因此推测NFT1可能参与了高温胁迫对成花起始的调控[27]。

3 水分胁迫

为了适应干旱胁迫,植物通常会调节开花时间,通过干旱逃避(drought-escape,DE)响应来适当缩短生命周期,在干旱胁迫导致植物死亡之前开花结实。在可以启动DE反应的条件下筛选不同拟南芥开花时间突变体,结果显示促进开花的基因GI及成花素基因FT和TSF在DE响应中发挥中心作用,植物激素ABA是DE反应所必须的,在长日条件下负调节开花。干旱胁迫通过ABA介导或光周期依赖的形式上调成花素的转录水平,因此干旱诱导的早花仅发生在长日条件下,短日条件可以恢复svp突变体或GI过表达植株的DE反应[29]。拟南芥转录因子NF-YC2(nuclear factor Y)表现出对光照、高温和干旱等胁迫的强诱导性表达,NF-YC2过表达植物的FT转录水平升高,从而导致在长日条件下早花[97]。

遗传学筛选显示光周期激活GI活性是启动干旱依赖的FT和TSF基因激活的必要和充分条件,并且ABA通过激活成花素基因在干旱躲避反应中发挥作用[29]。aba1突变体中ABA的生物合成受阻,且FT和TSF转录本的积累量下降,尤其是在干旱条件下。干旱胁迫导致FT表达量的升高,但是对FT基因的生物节律钟并没有显著的影响[29, 98],由于FT转录本的积累模式依赖于CO蛋白的变化,干旱可能直接影响CO的表达。在干旱胁迫下,拟南芥野生型和aba1突变体中的CO转录本仅有微弱的差异[99]。干旱(通过ABA)可以影响CO蛋白的活性和稳定性。例如,ABA信号途径蛋白ABI3(ABA insensitive 3)除了在种子萌发中发挥作用,还参与了开花时间的调控,abi3突变体在短日和长日条件下均早花,而ABI3过表达植株在长日照条件下营养生长延长[100]。ABI3可以结合到CO的CCT区域参与募集CO蛋白来启动FT基因[101-102]。对abi3突变体喷施ABA后,TSF水平升高,说明ABI3对TSF表达有抑制作用[103]。因此,ABI3可能通过下调成花素类基因作为开花的负调节因子发挥作用。

在co突变体中可以诱导干旱躲避反应,但是gi突变体中不可以,还不确定干旱是否可以在缺乏CO蛋白活性的情况下上调FT的表达[29]。烟草NaHD20(Nicotiana attenuata homeodomain 20)基因的表达受到干旱或者机械损伤的诱导,其在水分胁迫的叶子中对ABA的积累发挥负作用,且对一些干旱响应基因的表达有负调节作用。NaHD20基因沉默植株表现出特定发育时期抽薹时间和花芽发育时间延迟,但是花的数量没有受到影响[104]。

干旱对有些植物而言可能作为开花的一个初级信号,有研究显示干旱胁迫参与了热带娑罗双木成花素基因的上调,干旱的发生代表了可以不依赖于光周期通过FT基因的直接激活而启动这些物种盛花期的一个主要外界信号[105]。

FT基因家族的另一个基因BFT(brother of ft)的表达会受到某些非生物胁迫的诱导,ABA、干旱和渗透胁迫处理诱导BFT的表达,而低温、高温和盐胁迫处理不能诱导BFT的表达,说明BFT在干旱胁迫下可以调控开花时间和花的结构[106]。干旱胁迫会导致拟南芥4 153个基因差异表达,其中包括开花基因FT、SOC1和LFY,调节花药和雌蕊发育的基因以及胁迫相关转录因子,其中DREB1A(dehydration response element b1a)在干旱响应的开花调节中发挥重要作用[98]。有研究利用自然干旱发生之前(1997年)和之后(2004年)的芫菁收集到140个母本家系的种子,在温室里种植,并用不同水量灌溉,发现自然干旱发生之后的株系比之前的株系开花早,说明植物经历了自然干旱之后,通过进化提前了开花时间。芫菁通过早花来逃旱(escape drought)而不是通过增加水分利用率来避旱(avoid drought)[107]。

在干旱胁迫下除了成花素基因FT转录水平受到上调,开花整合子SOC1也以相似的模式受到上调,并促成TSF的激活。有研究发现GI和CO突变会导致逃旱性异常,并且在干旱胁迫下,GI、FKF1、CO和FT的mRNA水平发生变化,同时miRNA172E受到上调,而WRKY44受到GI和miRNA172的下调,因此提出GI-miRNA172-WRKY44可能通过影响糖信号传递来调节拟南芥逃旱性和抗寒性[108]。冬季干旱胁迫可导致巴伦西亚甜橙延迟开花2~4周,在不影响产量和品质的条件下,成功避免了后期机械采收时果实未成熟造成的损失[109]。

目前涝渍胁迫对植物开花的影响研究较少,有研究指出涝渍胁迫处理可以将甘蔗花期提前7~18 d,提早幅度因品种(系)不同而有差异[30]。

4 盐胁迫

在盐胁迫下,植物往往发育缓慢,营养生长阶段延长,开花被延迟,生物量得以积累,使得植物能够抵抗盐胁迫[31, 110]。但是盐分胁迫影响植物开花时间的分子机制目前还不是十分确定,有研究表明拟南芥DELLA蛋白可以介导盐抑制LFY基因的表达而延迟开花[111]。也有研究结果显示ZTLS(Zeitlupe)可以介导盐抑制FT基因的表达[112]。在盐胁迫下,很多调控开花时间的基因表达量都会发生变化,LI，等[31]研究表明在盐处理下,开花相关基因,包括CO、FT、LFY和SOC1的表达都受到了抑制,并且受抑制的程度与盐的剂量有关。

盐胁迫可以通过与光周期途径互作来延迟拟南芥的开花时间,分别在转录水平和转录后水平来影响FT基因。盐胁迫降低CO和FT转录本水平,从而延迟拟南芥野生型植株的开花[31]。GI对成花的起始与植物耐盐性之间的关系而言至关重要,盐可以促进GI蛋白的26S蛋白酶体降解,从而延迟或者抑制植物开花,而gi突变体刚好相反,在高盐条件下表现出加速的生长发育[32]。GI直接结合SOS2(salt overly sensitive 2)蛋白,并抑制正常生长环境下SOS2的功能,盐胁迫启动GI的降解,释放SOS2并激活盐胁迫耐受途径。gi突变体比野生型耐盐性更高[113],主要是由于Na+/H+反向转运体SOS1的活性增强,而gi突变体在正常条件下的开花时间与盐胁迫后的野生型开花时间滞后程度相似。GI蛋白数量在盐胁迫后显著降低。

此外,有研究指出盐胁迫通过激活成花抑制BFT而延迟开花[114]。BFT通过GI对干旱和ABA有强烈的响应[99]。高盐浓度还会通过ABA信号途径引起MFT1(mother of ft and tfl1)基因表达水平的显著升高[115]。

5 营养物质供应5.1 营养元素

氮和磷是植物营养的重要来源,对植物开花时间也有一定的影响。研究发现硝酸盐和磷对拟南芥开花时间具有拮抗作用。植物在低氮条件下早花,在低磷条件下晚花[33-34]。已知低赤霉素水平导致晚花[116],且磷和赤霉素水平呈正相关[117],因此低磷水平可能是通过赤霉素途径导致晚花。氮对植物开花的影响可能是通过一个普遍的胁迫调节机制或者通过氮对开花途径的直接作用导致在低硝酸盐条件下早花[34]。在低氮条件下,拟南芥在日中性或短日照条件下开花提前,而在长日条件下或在35S∷CO株系中低氮并没有进一步加速开花,在35S∷FLC株系中可以逆转晚花表型。低氮可以通过一个新的信号途径来诱导开花,该途径位于已知开花诱导途径下游,并可以与已知的成花诱导途径相互作用[33]。

短日植物牵牛和紫苏在长日条件下可以响应营养缺乏和低光强胁迫而开花,并且FT在牵牛中的同源基因之一PnFT2参与了胁迫诱导的开花过程[4, 118]。对短日植物紫罗兰的研究发现,当营养液中矿物质浓度降低为正常值的1/100时,生长在长日条件下的植株可以被诱导开花,并且发现子叶节在营养胁迫诱导开花的调控中发挥作用[119]。除了大量元素外,微量元素对植物开花也有一定的影响,例如拟南芥的生长培养基中加入不同浓度的锌离子会促进植物的开花,早花的程度受锌离子浓度的影响,并且锌离子诱导的早花不是由于渗透胁迫或者植物对环境中高锌离子浓度产生适应性所造成的[120]。而在铁缺乏的情况下,拟南芥表现出生长缓慢和开花时间延迟[121]。

5.2 糖类

除了上述的营养元素会影响植物开花,一些化合物对开花也有明显的作用,例如糖类。糖不仅可以作为植物生长发育的能量来源,还可以作为植物体内的信号,而植物开花过程既需要能量,又离不开信号的传递。糖对开花的影响是通过代谢而不是渗透压产生的,其可能通过激活或者抑制促进成花转变的基因来调控成花转变,根据糖的浓度、植物基因型和糖处理的发育阶段不同糖对成花转变产生的影响也不同。生长在高蔗糖质量分数(5%)下的拟南芥植株表现出晚花,且叶片数增多[122]。研究发现拟南芥转录因子AtIDD8(indeterminate domain 8)通过控制糖运输和代谢来调节光周期开花途径,该研究中idd8突变体在长日下晚花,且蔗糖合酶基因SUS1和SUS4受到下调,而AtIDD8过表达植株早花,且SUS1和SUS4表达受到上调。AtIDD8通过与SUS4基因的启动子结合而激活SUS4基因,促进过表达SUS4的转基因植株开花。糖缺乏会抑制AtIDD8基因的表达[123]。

蔗糖是参与开花信号长距离运输的复合物中研究最多的一个。拟南芥SUC9(sucrose transporter 9)等位基因的3个突变体在非诱导性短日条件下比野生型早花。基于AtSUC9对蔗糖的高度亲和、其表达模式以及atsuc9突变体的表型,可以推测AtSUC9通过维持细胞外低质量分数的蔗糖水平来抑制早花[124],说明AtSUC9转录本作为一个特异碳水化合物阈值水平,与开花转变之间具有潜在的联系。马铃薯StSUT4(sucrose transporter 4)基因下调或者过表达会分别导致马铃薯开花延迟或提前[125],同时还发现SUT4参与了避阴反应。这说明PHY依赖的避阴反应和光周期依赖的成花起始,共享一个下游机制,在此机制中蔗糖的积累水平发挥重要作用。对在最佳光合条件下生长的野生型拟南芥外源施用蔗糖会促进成花起始[45]。番茄uf(uniflora)突变体在低辐照度下晚花,蔗糖在茎尖的运输和积累可能是番茄成花起始的一个必要信号[126]。

此外,蔗糖的一个作用可能是直接影响FT基因的表达。在垂直培养基上培养的植株,蔗糖几乎可以完全抑制gi3、co3和fca突变体的晚花表型,但是不能恢复ft和fwa突变体的表型[127],这说明蔗糖在FT的上游发挥作用。在短日条件下,不含淀粉的拟南芥突变体晚花表型可以通过施用低水平蔗糖来恢复[128-130]。拟南芥在短日条件下还可能通过茎尖分生组织的蔗糖和赤霉素之间的协同作用来加速开花[131]。在玉米晚花突变体id1(indeterminate1)的叶片中淀粉转化成蔗糖的比率降低,并且TCA循环有机酸水平降低,而自主开花途径调控的转录和代谢发生显著变化,说明在自主途径诱导开花过程中淀粉向蔗糖的转化发挥重要作用[132]。有研究发现GBSS(granule bound starch synthase)基因在糖类和光周期开花途径的关系中发挥重要作用,其表达时间和水平受到CO的调控,gbss突变体在长日照下表现晚花。该研究还发现CO通过改变成花转变期间GBSS的表达来调控淀粉高聚物对日长变化的动态响应,光周期通过CO来改变淀粉平衡,增加成花转变所需糖类[133]。

蔗糖还可以影响植物开花的暗形态建成时间。一些拟南芥突变体,如gi、co、ld(Luminidependens)和cop1在供应蔗糖的情况下可以跨过暗形态建成而开花[127, 134],在这种情况下,蔗糖作为一种能量来源调节开花的时间。在黑暗条件下,生长在高质量分数(6%)蔗糖的培养基上,拟南芥植株表现出晚花表型[35]。

植物的开花时间还可能受到其他糖类的调节,例如有研究推测高蔗糖水平可能与高海藻6磷酸(T6P,trehalose-6-phosphate)水平有关[36],拟南芥T6P合酶1是植株正常营养生长和成花转变所必需的[135],很可能T6P作为糖类调控开花过程中的信号,而不是蔗糖。T6P信号可以整合到成花诱导途径中的miR156/SPL部分中[136]。T6P很可能作为一些PIF亚型的正介导因子,有研究指出PIF5过表达会导致早花[137],说明T6P可能通过PIFs参与成花转变的调控。而在下胚轴伸长的研究中发现蔗糖可以激活一些PIF亚型[138-141]。因此,一些PIF亚型可能参与蔗糖对开花时间的调控。然而仍有许多问题还有待于进一步研究,例如,这些潜在PIF介导的机制是否对蔗糖激活FT基因的表达有作用[142]？蔗糖上调LFY基因的调控机制是什么[136]？

此外,蔗糖对生物钟的核心基因GI、TOC1(timing of cab expression 1)和CCA1(circadian clock associated 1)也有调节作用[143-144],近期1篇综述详细叙述了蔗糖对生物钟的调节作用[37]。

6 结论与展望

植物的开花时间主要受到以下几条途径的调控：光周期途径、春化途径、自主途径、环境温度途径以及赤霉素途径[145]。光周期途径通过响应日长变化调控开花时间,春化途径通过响应长期低温而促进植物开花,自主途径对开花的调控不受环境信号的影响，环境温度途径通过响应环境高温促进开花,而环境低温则延迟开花。赤霉素途径主要通过响应内源发育信号和激素水平来调节开花时间,但是也有研究表明盐胁迫会影响植物体内的赤霉素水平,从而影响植物的开花[32]。这些开花途径通过调节一些共同开花整合子基因的表达而相互联系,形成复杂的调控网络。例如,春化途径与自主途径都抑制FLC的表达[146],而FLC抑制一些开花整合子基因,包括FT和SOC1的表达[147-148]。光周期途径通过激活CO基因的表达来促进FT的表达[149],FT促进SOC1的表达[150]。赤霉素途径可直接激活SOC1的表达[147],也可在长日条件下通过激活FT和TSF而促进开花[151]。因此,不同的开花途径最终整合到调节开花整合子,如FT和SOC1的激活而发挥作用。作为固着生物,植物可能经常会受到周围环境变化(干旱和盐害等)的胁迫,这就促使其在进化的过程形成了复杂的调控机制来适应恶劣的环境。在通常情况下,植物会采取以下2种策略来适应胁迫：耐受(通过减缓生长速度,通过生物量的积累增加自身对外界胁迫的耐受力)和逃避(通过早开花早结实,尽快发育完成生活史而逃避胁迫,同时保证后代的繁衍)。尽管开花通常被认为是一个单一的性状,但是实际上它与植物的很多基础性状都是相关的,在一些物种中,影响成花起始的基因和环境因子会一直持续发挥作用,对一些开花后的程序也有显著的效应,从而影响育性和产量。

影响植物生长的各种环境因子同时存在,并相互作用,所以不同环境胁迫常会同时发生,例如干旱的发生通常都会伴随着温度的升高。因此,植物有可能通过相同的机制来响应不同的胁迫并调节开花时间。有研究指出在干旱、UV辐射和机械胁迫下,植物会提早开花,迅速的完成生活史以保证后代的繁衍,其中UV辐射能够提升CO和FT的表达水平进而诱导拟南芥开花[21, 152]。生物钟基因ELF3 (early flowering 3)和ZTL(Zeitlupe)的不同选择性剪接形式,如内含子保留、外显子跳跃和5′剪接位点的选择,都会受到光周期、温度和盐胁迫的影响,这说明选择性剪接是植物体内潜在的生物钟和环境胁迫适应性之间的联系的分子机制[153]。在长日条件下,大豆GAMYB结合蛋白基因GmGBP1可以通过直接或间接地影响光周期途径和赤霉素途径中的CO、FT、LFY和GAMYB来正调控拟南芥开花时间；在短日条件下,GmGBP1通过影响自主途径中的FLC和SVP来抑制开花。转GmGBP1基因的拟南芥植株对高温和干旱胁迫的抗性增强,但是对高盐的耐受性下降,同时一些胁迫相关基因的表达发生变化[154]。同样是在大豆中,研究发现GmRAV(related to ABI3/VP1)基因即参与了光周期对开花时间的负调控,又正调节蔗糖对开花时间的调控[155]。既然各种胁迫可以同时存在并对植物开花产生影响,那么有可能它们通过调控相同的基因或者蛋白来发挥作用。近期的研究指出miR169家族在胁迫诱导植物开花过程中发挥重要作用,通过抑制AtNF-YA转录因子,降低FLC基因的表达水平而促进开花。并且发现在miR169d过表达植株中参与已知开花途径的基因和miRNA的表达并没有受到影响,说明胁迫诱导的早花是由miR169介导的新途径[156]。

植物适应胁迫是个复杂的问题,涉及多条途径的共同作用,植物如何在胁迫下调节复杂的开花网络,仍有很多问题有待于进一步研究。各种胁迫对植物开花时间的影响存在交互作用,既有协同作用,也有拮抗作用。协同作用的途径之间可能存在相似的作用机制或者相同的作用因子；而拮抗作用的途径之间可能通过对同一作用因子进行上调或下调的相反作用来实现的,因此在进行研究时可以寻找相似之处和共同作用因子。

既然环境胁迫可以影响植物的开花时间,我们便可以利用各种胁迫条件来达到提早或延迟开花的目的。例如,常规育种的年限一般较长,如果人为创造一些诱导开花的胁迫条件,可以提前开花收种,缩短育种年限。此外对有些植物存在花期不遇的现象,可以利用胁迫条件适当提早或延迟开花,使2个亲本花期相遇。当然也并不是所有类型的胁迫对所有植物物种而言都会影响开花时间。例如,弱光胁迫诱导紫苏开花,但是营养缺乏、低温、盐胁迫和干旱胁迫不会诱导紫苏开花[4],这些开花时间对胁迫不敏感的植物也有很大的研究价值。

除了本文提到的胁迫条件,还有很多因素会影响植物的开花时间,有研究指出随着全球气候变暖,气温有逐年升高的趋势,这也会对植物开花时间产生一定的影响[157-159]。还有学者研究植物开花时间与系统获得抗性之间的联系[160],赤霉素[161]、油菜素内酯[162]以及ABA[104]等激素对开花时间的影响。这些方面都是影响植物开花时间的重要方面,是完善植物开花调控网络不可或缺的环节。