早晨基因活动的爆发告诉植物什么时候开花

早晨基因活动的爆发告诉植物什么时候开花

对于被子植物或开花植物来说，每年最重要的决定之一就是什么时候开花。这不是一件微不足道的事。为了开花，它们必须停止植物生长，并致力于制造那些能量昂贵的生殖结构，这将带来下一代。

在细胞层面上了解这一过程对于理解植物如何分配资源和生产我们最关心的成分至关重要——包括谷物、块茎、树叶、坚果和水果，它们对人类和动物都意义重大。

在9月24日在《自然》杂志上发表的一篇论文的植物,一个国际研究小组的研究发现,基因英尺——的主要驱动过渡到每年春天开花植物中,做了一些意想不到的拟南芥植物生长在自然环境中,对人工生长条件与影响科学家在实验室里常用的。研究表明，FT每天早晨的活跃度最高，这是科学家们以前在拟南芥中从未见过的，拟南芥是一种被广泛研究的植物模型，其目的是了解植物向开花转变的分子细节。早春的FT活动高峰使植物从营养生长提前过渡到开花。

先前对拟南芥中FT活性的研究表明，晚间的FT活性达到峰值，而不是早晨，我们明确地展示了早上活动的高峰期——我们认为我们知道为什么在之前的研究实验室中没有发现早上活动高峰。之前的研究只观察到了FT基因活性的傍晚峰值，是在荧光下室内种植的拟南芥植株上进行的。

今泉之所以想做这个实验，是因为他的实验室所在的西雅图夏至的条件与拟南芥的标准化人工“长日”生长条件相似:光照16小时，黑暗8小时。“我一直想在室外的环境中种植植物，就像在实验室里一样，只是为了确保我们在实验室里看到的拟南芥就是自然界中正在发生的事情。”

他的团队连续5个夏天在室外种植非转基因拟南芥，并将其与室内人工长日种植的拟南芥进行比较。室外植物的叶子比室内植物少，说明室外植物开花早。室外和室内植物均表现出FT基因活性的晚高峰，而室外植物也表现出FT活性的早高峰。他们得出的结论是，室内人工生长条件错过了自然条件的关键品质，导致了FT基因的表达及其支配的特性。当FT基因活跃时，它会产生一种蛋白质，这种蛋白质从叶子到芽顶分生组织(芽顶分生组织是芽中产生地上生长的干细胞的小生境)，并将分生组织从植物性生长转变为花性生长。

为了识别室内和室外生长条件的差异，今泉的研究小组将重点放在了光线上。在拟南芥研究中常用的荧光灯泡发出的光波长与太阳光不同。例如，荧光灯泡产生的远红色波长的光更少。在室外生长小区，红波长与远红波长的比值约为1比1，而荧光灯泡的比值高于2，这意味着它们发出的红光比远红更多。当研究人员在室内的生长室内添加一盏远红色的LED灯来模拟室外光线时，拟南芥植株随后显示了FT基因活性的早晨峰值。此外，通过将室内生长室内的温度从16摄氏度调整到23摄氏度——或者从61华氏度调整到73华氏度——晚上的FT基因活性降低，与室外植物类似。

FT在其他植物中也得到了研究，包括一些农作物，这些植物也显示了FT的早晨表达高峰。但大多数具有商业价值的植物都太大或生长太慢，无法进行环境控制研究，而环境控制研究需要确定植物性状的细胞和遗传细节。这就是为什么拟南芥(Arabidopsis)这种来自芥菜科的生长迅速的小型杂草被广泛用作替代模型生物的原因。依泉说，研究小组的发现是一个机会，可以重新审视人工生长条件。

拟南芥已经被研究了几十年。研究人员设置了他们最好的室内生长条件，给予设备、时间和资金，并把这些条件传给他们训练的科学家。“但我们需要改变这些条件，以便我们在实验室中发现的东西更能反映自然。”如果我们通过这些微小的改变看到开花的变化，我想其他特征也会改变。关键的是，他们的研究结果为植物研究人员提供了一条途径，使他们能够采用更准确地反映自然生长条件的人工生长条件。

Imaizumi说:“我们展示了需要对人工生长环境进行一些简单的修改，这是研究人员在全球范围内使用的，这样一来，实验室对拟南芥和其他植物的研究就能更精确地模拟户外生长环境。”“这确保了在实验室中所取得的发现将更接近于生物学过程——在细胞和分子水平上——在其他自然感兴趣的植物中。”