中國農科院作科所刁現民組鑑定到決定短日植物形成的關鍵馴化因子
2022-12-04由 BioArt植物 發表于 林業
長日植物短日植物如何區分
責編 | 王一
植物在長期進化過程中透過適應四季變化，在適當時間開花完成世代繁衍。由於四季變化造成日照長度
（即光週期）
不同，在大於臨界日長才能夠開花的植物稱為長日植物，如擬南芥、小麥、大麥、二穗短柄草等；小於臨界日長才能夠開花的植物稱為短日植物，包括水稻、玉米、高粱、穀子等。長日植物在長光週期環境下開花比短光週期環境下開花提前，短日植物則恰恰相反。
長期以來，植物對不同光週期響應的遺傳調控機制受到眾多科學家的關注，但決定植物長日或短日屬性的關鍵調控因子至今尚未明確。
近日，中國農業科學院作物科學研究所
刁現民
研究員團隊在國際學術期刊
New phytologist
線上發表了題為
Domestication-associated PHYTOCHROME C is a flowering time repressor and a key factor determining Setaria as a short-day plant
的研究論文。該研究發現
SiPHYC
參與了狗尾草到穀子的馴化過程，系統的分析了
SiPHYC
對開花的抑制功能，並確定其為穀子作為短日植物的決定因子，不僅為植物對光週期響應提出新的見解，也為今後
C4模式作物高效研究體系的建立提供了優異種質資源。
光敏色素
（Phytochrome， PHY）
作為光受體感受光訊號，參與了光週期對植物的開花
（抽穗期）
調控。為了解析植物對光週期響應的遺傳機制，該研究利用種質資源學研究手段，發現了
Si
PHY
C
在穀子馴化過程中受到了選擇，進而透過對特定不同遺傳背景谷子種質資源開展早熟性穀子突變體的篩選，得到
4個不同遺傳背景的
Si
PHY
C
等位突變體。這些突變體均表現為極早抽穗，同時伴隨著分櫱增多、株高降低等表型。穀子作為短日植物，抽穗期表現為長日抑制，短日促進；但
Si
phyC
突變體的抽穗期表現為長日促進，短日抑制，呈現出功能反轉的表型，說明
SiPHYC
的突變會使穀子具有長日植物屬性。另外在長日條件下，
Si
phyC
突變體均比野生型要提早抽穗，但在短日條件下，對光週期更為敏感的春谷生態型材料背景下的
SiphyC
突變體抽穗期比野生型要延遲，說明
SiPHYC
的突變使穀子喪失了對短光週期的響應能力
（圖1）
。結果表明，短日植物穀子的光週期響應受到
SiPHYC
直接調控，該研究豐富了光敏色素基因功能方面的科學認識。
圖
1
野生型（
Yugu1
、
HG9、CG12、Ci846）與
Si
phyC
突變體（
c
z1
、
h
z1
、
c
gz12
、
S
iphyC-crispr
）在長光週期（
a-d）和短光週期（e-h）條件下抽穗期統計分析。
透過對不同光週期條件下多個基因型材料的轉錄組分析，鑑定到
SiPHYC
下游調控基因
SiFTa
（
Flo
wering locus Ta
）
在穀子抽穗期中有重要作用，同時發現
SiFTa
與
SiFT
b
可能存在功能分化。此外，該研究還發現
SiFTb
與
SiGID1
L2
可能為新的
SiPHYC
下游關鍵的光週期響應基因
（圖 2）
。
圖
2
SiPHYC
透過影響多個光週期途徑基因對抽穗期進行調控，其中
SiFTb
與
SiGID1L2
可能為新的下游關鍵光週期響應基因。
此外，該研究對超早熟
SiphyC
突變體材料的室內培養體系進行了系統的表型鑑定，超早熟突變體的種植密度較野生型可以提高4倍之多，並且可以實現種子到種子生命週期在45天之內完成，
進一步完善了穀子功能基因鑑定及高效研究技術體系平臺，為促進穀子作為模式植物研究體系的發展和推動禾穀類作物C4、抗逆及品質等基因的研究奠定了基礎。
中國農科院作物科學研究所已畢業博士生
王海龍
（西北農林科技大學聯合培養博士生，現為北京市農林科學院生物技術研究所博士後）
為該論文第一作者，中國農業科學院作物科學研究所
刁現民
研究員和
賈冠清
研究員為共同通訊作者。中國農業科學院
智慧
研究員、
吳傳銀
研究員、
湯沙
副研究員、
隋毅
副研究員、
張寧
博士、
張皓珊
博士、博士生
邢立賀
，西北農林科技大學
馮佰利
教授，河北省農林科學院
李明哲
研究員，遼寧省農業科學院
張海金
研究員也參與了本項研究。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然基金、國家穀子高粱產業技術體系和中國農業科學院農業科技創新工程專案的資助。
論文連結：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.18493
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