VRN1在温带禾本科植物叶片开花调控网络中位于FT1上游的关键作用

《Plant Communications》：VRN1 Genetically Acts Upstream of FT1 in the Flowering Regulatory Network in Temperate Grass leaves

本研究针对温带禾本科植物中VRN1与FT1调控关系长期存在的争议，通过遗传学和分子生物学方法，证实了在二穗短柄草叶片中VRN1位于FT1上游，直接结合FT1启动子激活其转录，从而形成正反馈环路促进开花，为理解温带禾本科植物复杂开花网络提供了新见解。

　　

对于温带禾本科植物如小麦、大麦和二穗短柄草而言，适时开花是保证繁殖成功和适应环境的关键。开花过程由florigen（开花素）的积累驱动，其中FLOWERING LOCUS T（FT）基因编码的FT蛋白是核心的开花素。在拟南芥中，FT蛋白在茎顶端分生组织（SAM）与FD转录因子形成开花激活复合物（FAC），激活APETALA1（AP1）表达，从而启动花分生组织发育。然而，在温带禾本科植物中，AP1的同源基因VERNALIZATION 1（VRN1）不仅表达于SAM，也在叶片中检测到表达，这与拟南芥中AP1仅特异性表达于SAM不同，暗示VRN1可能具有功能分化。更为关键的是，虽然传统观点认为VRN1位于FT1下游，但早期研究发现在einkorn小麦的vrn1突变体中FT1表达降低，提示VRN1可能反过来调控FT1。这一矛盾使得VRN1与FT1在温带禾本科植物叶片中的调控关系成为该领域一个长期悬而未决的科学问题。

为了解决这一争议，本研究以模式温带禾本科植物二穗短柄草为材料，通过系统的遗传学和分子生物学实验，揭示了VRN1在叶片开花调控网络中位于FT1上游，直接激活FT1转录的新机制。

研究人员主要应用了转基因植物构建与表型分析、实时荧光定量PCR（qRT-PCR）基因表达分析、酵母单杂交（Y1H）技术、电泳迁移率变动分析（EMSA）、染色质免疫沉淀（ChIP）技术以及双荧光素酶报告基因（dual-LUC） assays等关键技术方法。实验材料主要为实验室自主构建的二穗短柄草转基因株系，包括FT1过表达（FT1-OE）株系、ft1突变体、VRN1过表达（VRN1-OE）株系、vrn1突变体以及相应的双突变/过表达组合株系（如ft1/VRN1-OE和vrn1/FT1-OE）。部分分子互作验证实验在本氏烟叶片中进行。

VRN1与FT1在二穗短柄草叶片中形成双向调控环路

研究人员首先检测了FT1-OE株系和ft1突变体中VRN1的表达水平。结果显示，与野生型（WT）相比，VRN1在FT1-OE株系中表达上调，而在ft1突变体中表达下调，证实FT1正调控VRN1。反过来，在VRN1-OE株系和vrn1突变体中检测FT1表达时发现，FT1在VRN1-OE株系中上调，在vrn1突变体中下调，表明VRN1也正调控FT1。进一步分析发现，过表达株系中内源基因的表达也发生变化，提示可能存在自我调控或双向反馈环路。

遗传学证据表明VRN1位于FT1上游

为了明确遗传层级关系，研究人员构建了双转基因材料。表型分析显示，VRN1-OE植株开花极早（比WT早20天），但将ft1突变引入VRN1-OE背景后得到的ft1/VRN1-OE植株，开花反而延迟（比WT晚13天），且内源VRN1表达水平降低，表明ft1突变可以抵消VRN1过表达引起的早花效应，VRN1并非位于FT1的上位。相反，在vrn1/FT1-OE植株中，其开花时间与FT1-OE植株相似，均显著早于WT，且内源FT1表达水平与FT1-OE植株一样显著上调。这些遗传数据表明，在控制二穗短柄草叶片开花的调控层级中，VRN1作用于FT1的上游。

VRN1直接结合FT1启动子并激活其转录

分子机制探索发现，VRN1蛋白可以直接结合到FT1基因启动子区的两个CArG-box-like顺式作用元件上。这一结论通过Y1H、EMSA和ChIP-qPCR实验得到了逐级验证。此外，在本氏烟中进行的双荧光素酶报告基因实验表明，VRN1能够显著激活由FT1启动子驱动的荧光素酶报告基因的表达。然而，研究未发现VRN1能够直接结合自身启动子或激活自身转录的证据。因此，叶片中VRN1与FT1构成了一个由VRN1启动的正反馈环路：VRN1直接激活FT1转录，而FT1可能通过其蛋白产物（可能与其他因子形成复合物）间接反馈增强VRN1的表达。

VRN1与FT1功能的异同

研究还发现了一些有趣的现象。VRN1-OE不能完全挽救ft1突变体的极晚花表型，这可能与其他因子如VRN1的同源基因FRUITFULL 2（FUL2）的上调有关。此外，在短日照（SDs）非诱导光周期下，FT1-OE植株仍表现早花，而VRN1-OE植株则不能，说明VRN1和FT1在非诱导光周期下可能扮演不同角色。

本研究结论部分提出了一个修订的温带禾本科植物开花调控工作模型。VRN1在叶片和SAM中扮演双重角色。在叶片中，VRN1位于FT1上游，形成正反馈环路，加速开花素的积累。在SAM中，VRN1作为FT1的下游靶标，与其他AP1-like蛋白（如FUL2/3/4）共同促进花分生组织的形成。在幼年期，低水平的VRN1和高水平的开花抑制因子（如FPL1和VRN2）抑制FT1表达，防止过早开花。随着植物发育进入成年期，逐渐积累的VRN1激活FT1，进而通过正反馈环路促使FT1在叶片中快速积累，FT1蛋白随后转运至SAM，激活VRN1等基因，最终启动开花转型。

这项研究发表在《Plant Communications》上，它首次提供了坚实的遗传和分子生物学证据，明确了VRN1在温带禾本科植物叶片开花调控网络中位于FT1的上游地位，澄清了长期以来的争议。该发现不仅深化了对禾本科植物开花复杂调控网络的理解，特别是正反馈环路在放大开花信号中的作用，也为未来通过分子育种精准调控小麦、大麦等重要禾谷类作物的开花时间以提高产量和适应性提供了重要的理论依据和潜在的靶点。