Science解开成花过程中的悖论

　　

生物通报道：美丽的花朵是植物重要的繁殖器官。对于农作物来说，花朵形成的时机和调控机制有着重要的经济意义，因为它们直接影响着作物的产量。

此前人们认为，在一年生植物中赤霉素负责促进花朵的形成。但宾州大学的研究人员在本期Science杂志上发表了一篇文章指出，这种重要的植物激素也有着抑制成花的作用。人们可以在此基础上，对赤霉素的双重作用加以抑制，进而提高农作物的产量。领导这项研究的是宾州大学的Nobutoshi Yamaguchi博士和Doris Wagner教授。

植物学家们认为，短命植物（如一年生植物）采用了与多年生植物不同的成花调控机制。

“过去，赤霉素被认为与温度、季节、光照等因素一同作用，启动短命植物的成花过程，” Wagner说。“但对于多年生植物来说（例如果树），喷洒赤霉素会抑制花朵的形成。这就形成了一个悖论：为何同样的激素在短寿命植物和多年生植物中会起到完全相反的作用呢？”（延伸阅读：三篇Science解开达尔文的“恼人之谜”）

为了解决这个问题，宾州大学的研究团队开始在成花过程中寻找其他重要的基因。他们对拟南芥进行了全基因组分析，在其中寻找LEAFY的直接靶标，LEAFY是一种促进成花的已知蛋白。

结果ELA1基因浮出了水面，该基因生产一种细胞色素酶，能够使赤霉素分解。进一步的研究显示，ELA1功能丧失会使拟南芥的成花大大延迟。

研究显示，缺乏LEAFY的植物具有高水平的赤霉素，而高表达LEAFY的植物赤霉素水平较低，此时植物也表现出赤霉素缺乏的典型特征。

研究人员指出，在赤霉素缺陷型拟南芥和接受赤霉素抑制剂处理的拟南芥中，花序形成阶段都被延迟，但花朵的形成加快。向这些植物喷洒赤霉素则起到了相反的效果。

这意味着，成花过程的两个阶段受到了不同的调控，但都与赤霉素有关。赤霉素对第一阶段有促进作用，能帮助植物停止茎和叶的生长，开始形成花序。随后，赤霉素又会抑制第二阶段的花器官形成。

ELA1能够使赤霉素分解，随着赤霉素抑制效应的解除一系列蛋白被激活，进而启动了花器官的生成。“如果要控制花朵形成的时机和数量，我们认为这一通路首当其冲，”Wagner说。

为了避免作物因风雨而倒伏，农民们常选用缺乏赤霉素的水稻种系。“这项研究可以帮助人们提高农作物的产量，”Wagner说。“种子是花的产物，想要获得更多的种子就需要更多的花。而操纵赤霉素可以帮助我们培育出产量更高的农作物种系。”

下一步，研究人员将在其他植物（包括多年生植物）中，研究赤霉素对花朵形成的影响。

 

生物通推荐原文摘要：

Gibberellin Acts Positively Then Negatively to Control Onset of Flower Formation in Arabidopsis

The switch to reproductive development is biphasic in many plants, a feature important for optimal pollination and yield. We show that dual opposite roles of the phytohormone gibberellin underpin this phenomenon in Arabidopsis. Although gibberellin promotes termination of vegetative development, it inhibits flower formation. To overcome this effect, the transcription factor LEAFY induces expression of a gibberellin catabolism gene; consequently, increased LEAFY activity causes reduced gibberellin levels. This allows accumulation of gibberellin-sensitive DELLA proteins. The DELLA proteins are recruited by SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN–LIKE transcription factors to regulatory regions of the floral commitment gene APETALA1 and promote APETALA1 up-regulation and floral fate synergistically with LEAFY. The two opposing functions of gibberellin may facilitate evolutionary and environmental modulation of plant inflorescence architecture.