植物開花過程對溫度變化的響應(yīng)研究進展

余成華，陳 丹，楊秋雄，楊嫦麗，和麗媛，梁艷麗

（1. 麗江師范高等?？茖W(xué)校，云南 麗江 674199；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省藥用植物生物學(xué)重點實驗室，云南 昆明 650201；3. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

氣候的急劇變化使植物的生存面臨巨大挑戰(zhàn)。開花是植物繁育后代的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，成花轉(zhuǎn)變是一個復(fù)雜的過程，不僅是形態(tài)上的變化，而且包括在花芽分化前發(fā)生的一系列復(fù)雜的生理生化變化，通過感受外部環(huán)境因子（包括光周期、溫度和激素等）變化，經(jīng)內(nèi)源因子（基因差異表達和激素變化等）作用，使花芽分化，最終成花。植物花朵的開放是絕大多數(shù)植物成花轉(zhuǎn)變的顯著標(biāo)志，有關(guān)光周期對植物花朵開放與閉合影響的研究最為廣泛且比較系統(tǒng)，但有關(guān)溫度對植物花朵開放與閉合影響的研究較少且比較零散。因此，筆者綜述了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于溫度是怎樣影響植物花朵開放與閉合的研究成果，對植物在開花過程中是如何響應(yīng)環(huán)境中的溫度變化進行了探討。

1 植物的開花調(diào)控因子

開花是植物進行繁殖的關(guān)鍵，花器官的發(fā)育相對于營養(yǎng)器官來說十分脆弱，在其發(fā)育過程中更容易受到外界環(huán)境因素的影響，這就需要植物的花進化出更多適應(yīng)機制來適應(yīng)外界環(huán)境的改變，植物花朵的開閉就是一種很常見的適應(yīng)機制。為了在關(guān)鍵有效的時間內(nèi)傳粉受精和應(yīng)對夜晚的低溫，很多植物會選擇在夜間閉合花朵，如睡蓮科（Nymphaeaceae）、罌粟科（Papaveraceae Juss.） 、菊科中常見的雛菊（Bellis perennisL.）、萬壽菊（Tagetes erectaL）、蒲公英（Taraxacum mongolicumHand.-Mazz.）和麥稈菊（Helichrysum bracteatum）等都在夜間閉合花朵[1-2]，以延長花朵的開放時間，有利于昆蟲的傳粉受精。因此，對于引起植物花朵開閉的調(diào)控因子除了光周期反應(yīng)和植物自身的生物鐘調(diào)節(jié)外，溫度的調(diào)節(jié)也至關(guān)重要。因為低溫會影響傳粉受精，所以植物在感受溫度的變化后，通過花朵的開放與閉合這種防御機制，可以保證在有限的花期內(nèi)，花朵在傳粉昆蟲最活躍的時間段開放，以提高傳粉受精的概率。

2 植物開花過程對溫度的感知

溫度是影響植物生長最重要的環(huán)境因子之一，植物擁有一套精準(zhǔn)的測量外界環(huán)境溫度變化的系統(tǒng)以便及時做出生理上的調(diào)整[3]，特別是一些生殖生長在冬季或者生長在高山的植物，在成花轉(zhuǎn)變的過程中需要有精確的溫度感應(yīng)系統(tǒng)，才能抵御寒冷的溫度并成功繁殖。開花期是植物對環(huán)境變化最為敏感的時期。與動物不同，植物不能通過移動位置以逃避惡劣的環(huán)境，當(dāng)植物暴露在高溫或者低溫下時，只能通過調(diào)整發(fā)育和生長相關(guān)基因的表達以適應(yīng)環(huán)境。因此，為了生存及繁衍后代，植物開花往往進化出相應(yīng)的策略以適應(yīng)環(huán)境變化，如當(dāng)遭遇較低環(huán)境溫度時推遲開花時間，當(dāng)周圍環(huán)境溫度升高時則加速開花進程[4-6]。溫度是影響郁金香生長的關(guān)鍵因素之一，提高郁金香所處環(huán)境溫度、降低晝夜溫差，可以促進郁金香的生長拔節(jié)，從而使郁金香植株高度增加、花期提前、現(xiàn)蕾率和成花率顯著提高，而且花徑、花冠增大，花質(zhì)量大大提高[7]。

有研究[8-11]表明，擬南芥短營養(yǎng)期基因（SVP）在開花過程中對溫度的感知起重要作用，SVP功能的損失會引起植物對環(huán)境溫度變化的反映不敏感；SVP介導(dǎo)FCA和FT（Flowering Locus T）依賴于溫度的功能在熱感覺通路內(nèi)；在波動溫度條件下調(diào)節(jié)開花時間的分子機制是SVP通過與FT序列中的CArG 直接結(jié)合，負調(diào)控FT的表達從而控制開花時間。Lee 等[12-13]的研究進一步證實了SVP基因是響應(yīng)溫度變化的關(guān)鍵因子，可以調(diào)節(jié)開花啟動子miRNA172 在不同溫度的表達水平，而在長日照條件下SVP則能抑制開花啟動子 miRNA172 的表達。SVP基因受損時會導(dǎo)致植物對環(huán)境溫度變化不敏感，因為已有研究證實了擬南芥svp突變體開花相對較早，而SVP過量表達則使擬南芥出現(xiàn)晚花現(xiàn)象[14-15]。擬南芥中SVP與FLC（Flowering Locus C）形成的復(fù)合物在擬南芥開花響應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)過程中也起關(guān)鍵作用[16]。Kim 等[17]研究開花對溫度的響應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，開花前mir156 抑制SPL基因的表達從而維持植物的營養(yǎng)生長，miR156 通過調(diào)控下游SPL家族基因SPL3、SPL4和SPL5的表達，控制與開花時間相關(guān)蛋白FT 和SOC1 的合成來調(diào)控外界環(huán)境溫度對植物開花的反應(yīng)。

此外，植物也會通過調(diào)節(jié)自身的溫度來響應(yīng)環(huán)境溫度。例如：天南星科植物臭鼬甘藍（Symplcarpus Renifolius）會通過自身產(chǎn)熱來抵御低溫[18]。在初春當(dāng)環(huán)境溫度降到冰點以下時，臭鼬甘藍的花會自身產(chǎn)熱融化覆蓋在花朵周圍的冰雪?；蚬δ艿难芯拷Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，臭鼬甘藍具有兩個編碼磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白（PEBP）的基因SrFT和SrMFT。而對擬南芥SrFT和SrMFT的功能分析表明，SrFT促進開花，而SrMFT則不促進開花。因此，SrFT在臭鼬甘藍的開花和花發(fā)育中起著重要作用。

3 溫度介導(dǎo)的植物花朵開閉運動

植物花朵的開閉是一種植物運動。植物的運動分為向性運動（Tropic movement）和感性運動（Nastic movement）。向性運動大多由植物的生長引起，如植物生長的向光性和向地性等，向日葵（Helianthus annuus）頂端的花盤隨著太陽的運動而轉(zhuǎn)動，以保證花盤朝向太陽方向的運動就屬于植物的向性運動。而感性運動則與植物受到外界環(huán)境的刺激密切相關(guān)，可將其分為感震運動（Seismonasty/Thigmonasty）、感光運動（Photonasty）、感夜運動（Nactinasty）和感溫性運動（Thermonasty）等[19]，例如：含羞草（Mimosa pudicaLinn.）感受到外界刺激和晝夜的交替后葉片會閉合[20]；捕蠅草（Dionaea muscipula）葉頂端形成的“貝殼”捕蟲夾在感知昆蟲進入后會自動關(guān)閉，以捕捉昆蟲作為食物[21]，都屬于植物的感震運動。植物在生長過程中的運動，受到外界環(huán)境的調(diào)控，并且運動的過程與發(fā)育、防御和捕食等密切相關(guān)。季節(jié)的變遷和生長環(huán)境的不同，是植物呈現(xiàn)出多樣性變化的條件，特別是一些高山植物會進化出自己獨特的機制，如通過生長過程中的變化和運動，提高自身的生存和防御能力，以保證植物自身的生長發(fā)育。

影響植物花朵開閉的因素主要是濕度、光照和溫度以及內(nèi)源節(jié)律（生物鐘）的作用。此外，激素調(diào)節(jié)以及碳水化合物需求和水的關(guān)系也與花朵的開閉運動息息相關(guān)[19]。目前對植物花朵開閉運動的研究主要集中在光周期和生物鐘的響應(yīng)調(diào)節(jié)，如山姜屬（Alpinia）植物在開花過程中會進行2 次方向相反的彎曲運動，在凌晨開花時花柱相對于花藥向上卷曲，到了中午它的花柱又開始向下卷曲[22]；盡管光照和溫度隨時間的變化而變化，但這些物種的花通常在一天中的特定時間關(guān)閉，這與植物生物鐘的調(diào)節(jié)和光周期調(diào)節(jié)密不可分。有研究[23-24]表明，光照時間和光照強度的改變都會改變睡蓮開花生物鐘，進而控制睡蓮的花朵開閉。Nakamichi 等[25]在對生物鐘的研究中發(fā)現(xiàn)了一些與生物鐘相關(guān)的蛋白質(zhì)成分，其中（CIRCADIAN CL OCK-ASSOCIATED 1）/LHY（LATE ELONG- ATED HYPOCOTYL）和TOC1（TIMING OF CAB EXPRESSI ON 1）被認(rèn)為是控制植物生物鐘的關(guān)鍵因子。但在許多高山環(huán)境中溫度的急劇變化對于花朵的開閉影響更大，早在1926 年就發(fā)現(xiàn)了龍膽科植物在開花過程中會出現(xiàn)花朵的閉合現(xiàn)象；2001 年Bynum 等[26]還報道了高山龍膽在頻繁的下午雷雨期間，直立管狀花在雷雨即將來臨的幾分鐘內(nèi)，花朵關(guān)閉，在陽光直射后花朵又重新開放。2006 年Kozuharova 等[27]描述了9 種龍膽屬植物的花冠運動，同年，He 等[28]對授粉后永久性閉合發(fā)育現(xiàn)象進行研究的結(jié)果表明，這種閉合能保護雄蕊或柱頭上的花粉粒，提高雄蕊和雌蕊的適合度。Mu 等[29]還研究發(fā)現(xiàn)，龍膽屬（龍膽科）的兩種不同顏色的花朵會受到溫度和光照的影響出現(xiàn)花朵的開放閉合現(xiàn)象，但具體的開花調(diào)控機理還未見報道。此外，溫度也會調(diào)控郁金香（Tulipa gesnerianaL.）花朵的開花進程，郁金香花瓣的運動是由于兩側(cè)生長速率的差異造成的，早晨當(dāng)溫度升高時花瓣的內(nèi)表面會迅速增長，而外層則不會。當(dāng)溫度下降后外表面迅速生長（其最適生長溫度為10℃左右，低于內(nèi)側(cè)細胞的最適生長溫度），由于花瓣兩側(cè)生長不均從而引起花瓣的運動[30-31]。蒲公英花序在20℃時會保持開放，低于15℃時花序就會自動閉合，而且溫度也會影響蒲公英花朵花期的長短，溫度高會加快開花的進程[32]。

4 溫度介導(dǎo)細胞壁修飾對植物開花的影響

溫度的急劇改變會引起植物生理生化的變化，尤其是對于植物細胞的改變最為顯著，如引起細胞擴張、細胞間通訊、溶質(zhì)運輸和細胞壁增厚等。溫度是直接影響植物開花的關(guān)鍵因素，溫度可以影響花器官內(nèi)細胞結(jié)構(gòu)的改變，例如細胞壁的修飾，從而導(dǎo)致植物在開花過程中的花朵開放與關(guān)閉。在植物花朵的開閉過程中，伴隨著花瓣內(nèi)特定細胞的細胞壁軟化和增強的過程，才能實現(xiàn)花朵開與閉的轉(zhuǎn)變。在許多植物中，開花是由于花器官（局部）伸長生長或伴隨生長的局部離子積累，Ca2+作為第二信使普遍存在于生物體內(nèi)，由各種細胞外刺激物引起的細胞活化可以在幾秒鐘內(nèi)瞬時增加Ca2+含量高達百倍[33]。高山環(huán)境復(fù)雜多變，溫度的急劇變化很容易引起龍膽科植物在開花過程中的Ca2+和Calmodulin（CaM）的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而對環(huán)境的變化做出快速反應(yīng)。因此，有科學(xué)家認(rèn)為鈣離子通道是溫度感受器之一。

無論是伸長生長還是花朵運動所引起的植物花朵開閉都與細胞壁的修飾改變密切相關(guān)。植物細胞壁胞間層富含果膠，果膠是多種半乳糖醛酸多糖分支組成的復(fù)雜聚合體，主要存在于高等植物的胞間層和初生壁。果膠的單糖主要有半乳糖醛酸（GalA）、鼠李糖（Rha）、半乳糖（Gal）和阿拉伯糖（Ara），其中最主要的是半乳糖醛酸，占果膠總量的70%左右。而果膠多糖主要有3 種類型即同聚半乳糖醛酸（Homogalacturnoan，HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅰ（RhamnogalacturonanⅠ，RGⅠ）和鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅱ（RhamnogalacturonanⅡ，RGⅡ）[34-37]。果膠在高爾基體合成分泌到細胞壁前能增強細胞壁的強度，而果膠合成后的修飾降級在果實的軟化、花粉粒成熟、非生物脅迫響應(yīng)等方面具有重要作用[38]。合成的果膠通過果膠甲酯酶（PMEs）發(fā)生水解，以HG 為底物，催化去甲酯反應(yīng)形成自由羥基的半乳糖醛酸鏈而產(chǎn)生酸性環(huán)境，此時自由羥基的半乳糖醛酸鏈可以與體內(nèi)的Ca2+結(jié)合，在HG 分子內(nèi)形成鈣橋從而增加細胞壁的強度，而環(huán)境溫度的改變能夠引起細胞內(nèi)外Ca2+的大量流動，為細胞的修飾提供Ca2+[39]。同時，PMEs會受到果膠甲酯抑制因子（PMEIs）的抑制，促進果膠甲酯化，甲酯化的HG 鏈在PL（Pecttate lyases）的作用下催化同聚半乳糖醛酸鏈的斷裂，導(dǎo)致細胞壁的松弛[40]。因此，花瓣細胞的細胞壁合成與降級修飾，賦予了花瓣細胞極大的韌性，有利于花瓣的開放與閉合。許多植物花朵的開閉伴隨著細胞壁合成與降級修飾這樣的過程，當(dāng)閉合花朵開放時，花瓣的細胞壁會出現(xiàn)軟化松弛，便于花瓣的伸展；到完全開放后，細胞壁會硬化，支持花瓣的持續(xù)開放；當(dāng)花瓣需要閉合時，細胞壁便會再次軟化，使花瓣重新閉合。例如：香石竹（Dianus caryophyllusL.）花朵開放時花瓣向外擴大的過程就伴隨著細胞壁的改變[40-41]。木葡聚糖糖基轉(zhuǎn)移酶（XTH）參與了植物細胞壁的松動[42]，XTH還可能在細胞擴大過程中的不同層的木葡糖鏈的重新排列中起作用，并且在加入新合成的木葡聚糖時參與細胞壁的組裝。膨脹素催化纖維素和交聯(lián)葡聚糖之間的氫鍵斷裂，導(dǎo)致細胞壁延伸[43]。Harada 等[42]的研究也表明，木葡聚糖糖基轉(zhuǎn)移酶（XTH）在康乃馨（Dianthus'Carnation'）的花瓣中特異高表達，進一步證明了XTH 對花朵的開放具有促進作用。牽牛花（Pharbitis nil）的花瓣中木葡聚糖糖基轉(zhuǎn)移酶1-4（InXTH1-InXTH4）的高表達也可以促進開花進程，這是由于XTH 調(diào)控了花瓣細胞的改變[44]。

此外，已證明生長素通過改變細胞壁的性質(zhì)在調(diào)節(jié)細胞擴張中起關(guān)鍵作用[45]。細胞對生長素的反應(yīng)包括微管行為、囊泡運輸和細胞壁結(jié)構(gòu)的變化，并且生長素在細胞分裂、細胞極性、細胞膨脹和細胞壁松動中起關(guān)鍵作用[46-47]。在擬南芥中，花瓣的生長受到生長素響應(yīng)因子ARF8的調(diào)控，arf8突變體導(dǎo)致生長素相關(guān)基因表達量的差異，從而改變細胞數(shù)和細胞的膨脹，而且突變體的花瓣顯著大于對照組的花瓣[48]。Harada 等[42]的研究表明，康乃馨在開花過程中，其體內(nèi)IAA 等生長素的輸出受到蛋白的調(diào)控；鳶尾花的花朵開放過程中生長素IAA 和NAA 可以促進花瓣的伸長和開放，而利用生長素運輸抑制劑TIBA 和生長素作用抑制劑PCIB 處理后，可顯著抑制鳶尾花的生長和開放[49]。

5 問題與展望

氣候變化帶來的環(huán)境改變最直接的變化就是溫度，溫度是植物開花的關(guān)鍵，也調(diào)控著植物開花過程中花朵的開放和閉合，花朵的開閉過程與細胞壁膨脹和細胞壁修飾密切相關(guān)，但其內(nèi)在的調(diào)控機制還沒有得到完全驗證。植物感受外界環(huán)境的改變，為適應(yīng)環(huán)境和生長發(fā)育，調(diào)節(jié)體內(nèi)生長素或調(diào)控相關(guān)基因，通過作用于細胞壁與協(xié)調(diào)細胞壁的修飾過程，使細胞壁表現(xiàn)出松弛和增強。而細胞壁的修飾受到細胞壁中果膠的改變的調(diào)節(jié)，高分子半乳糖的代謝是細胞壁內(nèi)果膠形成的基礎(chǔ)。但是，對于生長素、細胞壁、果膠和半乳糖代謝對植物花朵開閉的影響等一系列通路之間的相關(guān)調(diào)控機制仍不十分清楚，特別是對于植物是如何感知溫度變化，通過細胞壁的修飾響應(yīng)溫度變化從而引起花朵的開放與閉合有待進一步深入研究。

此外，對于生長素調(diào)節(jié)和細胞壁修飾等都是植物花朵開閉調(diào)控的下游基因的反應(yīng)，但對于上游一開始來感受溫度變化的“植物溫度感受器”的研究還很薄弱。雖然在水稻上報道了首個植物溫度感受器COLD1（CHILLING TOLERANCE DIVERGEVCE 1）基因可響應(yīng)高溫脅迫，應(yīng)對氣候的改變[50]；在擬南芥中也發(fā)現(xiàn)了ELF3 可以通過PrD（prion-like domain）介導(dǎo)的相變，感受環(huán)境溫度變化，使ELF3 成為一個新的熱感受器[51]。證明了植物也存在著對溫度變化的感受器，但是對于植物響應(yīng)低溫時對低溫感受的感受器目前還知之甚少，植物在開花過程中對于低溫的感受與響應(yīng)研究應(yīng)作為今后該研究領(lǐng)域的重點。