Science

2024年2月9日，美国耶鲁大学分子细胞发育生物学系Joshua Gendron实验室在Science在线发表了题为Plants distinguish different photoperiods to independently control seasonal flowering and growth的研究论文。

光周期是季节变换中最稳定的外界环境信号，许多生物已经进化出光周期测量系统，以预测和适应与特定季节相关的生物和非生物变化。植物因其在特定季节开花而成为光周期研究的重要对象，对其分子机制已经研究的非常清楚。环境中的红光和蓝光被光受体感知后调控转录因子CONSTANS (CO)的稳定性，从而激活成花素 FLOWERING LOCUS T (FT) 的产生，促进植物开花。尽管对光周期开花的关注度很高，但研究显示植物的开花和生长都受光周期控制，且二者可以分开，并在一年中的不同时间段调控植物生长发育。例如，植物通常在长日照下生长迅速，但有些植物在短日照下可能更快地开花。然而，关于调控植物光周期生长的关键因子，包括光周期测量系统、细胞信号通路和光周期依赖的生长调节基因，我们都知之甚少。这种不足部分原因是由于缺乏与CO-FT途径相似的用于调控生长的遗传工具和标记物。

相对于短日照条件，拟南芥在长日照下生长更快。研究人员通过挖掘实验室构建的转录组数据库，寻找在长日照中诱导并且对植物正常生长至关重要的基因。鉴定到了一个植物用于产生肌醇的酶MYO-INOSITOL-1-PHOSPHATE SYNTHASE 1 (MIPS1)，肌醇是控制生长各种重要过程所需的一种糖。研究发现MIPS1在长日照条件下被诱导高表达，而在短日照中不会。而且mips1突变植株在长日照下有生长缺陷，但在短日照下没有。因植物的光周期开花途径已经被阐明，因此研究人员测试了该生长突变体是否属于同一途径，结果发现mips1突变体并没有开花缺陷，这些实验表明光周期开花和生长在遗传上是可分的，并且控制开花的光周期测量系统并不控制光周期生长。

进一步的实验证明了MIPS1的表达和功能是由一套不同于CO-FT的光周期测量系统调节的（Metabolic Daylength Measurement System, MDLM），该系统与能量代谢相关并且受生物钟控制。这个植物光周期感知系统2021年由该实验室刘伟博士发现，被证明是植物短日照条件下生长所必需的。通过改变一天内不同时间段的光强度，证明了光周期生长和MIPS1功能是受MDLM系统调控，而开花则受到完全不同的绝对光周期控制，MIPS1表达和功能的发现表明了植物MDLM光周期感知系统对长日照和短日照的生长都起到重要作用。

综上所述，该研究发现植物能够测量自然界两种不同的光周期：植物的光感受器可以感知低强度光来测量绝对光周期，从而控制开花时间。与此同时，植物也可以感知较高强度光引起的光合作用周期（MDLM），以控制生长。开花时间和生长的独立调控使得植物能够协调季节性发育，以精确调节各种季节性生长发育的过程。