Dev Cell | 冬季光周期调控的植物适应性机制——代谢日长测量系统介导的冬季光周期现象

撰文 | HY(RES)

2021年8月17日，Developmental Cell在线发表了美国耶鲁大学分子、细胞和发育生物学系Joshua M. Gendron教授课题组题为“A metabolic daylength measurement system mediates winter photoperiodism in plants”的研究论文。该研究鉴定发现PP2-A13是植物冬季适应性所必需的代表性光周期诱导基因，并表明存在一个由植物代谢网络控制且独立于典型CO/FT开花调控机制的光周期测量系统以调控季节性细胞适应性。

光周期作为高度可预测信号，可帮助生物体监测季节性变化。因植物开花易于观察并且通常受光周期调控而成为光周期现象的优选研究系统。分子和遗传研究表明，光周期开花依赖于生物钟调控的CONSTANS(CO)基因转录，CO是监测日照长度的重要元件，整合光信号和生物钟信号诱导开花途径整合因子FLOWERING LOCUS T（FT）的表达，进而促进植株开花。然而，除了光周期调控的开花之外，对植物中其他光周期调控过程还知之甚少。冬季虽日照时间短并存在诸多潜在威胁，但对于许多植物来说是生存所必需的。目前对冬季光周期调控网络缺乏详细研究，但推测可能存在一个完全独立的冬季光周期转录诱导系统。

本研究利用相对日表达计算分析了全基因组表达数据，以鉴定在拟南芥中受类似冬季短日照光周期诱导表达的转录本，结果发现了一种与冬季光周期诱导转录本相关的普遍暗双相表达模式。其中，F-box基因PHLOEM PROTEIN2-A13(PP2-A13)被强烈诱导表达，但不受长日照条件诱导，这种表达模式类似于长日照诱导表达的FT。突变表型分析表明在短光照生长条件下，PP2-A13是拟南芥细胞健康和生殖所必需的（图1）。另外，PP2-A13和自噬在防止植物营养组织过早衰老方面具有重要但相互独立的功能，但也显示出一定程度的串扰。

利用PP2-A13启动子驱动荧光素酶表达构建了实时光周期报告系统，转录诱导特性分析表明，其光周期调控独立于典型的CO/FT光周期开花调控机制。进一步分析发现，PP2-A13表达受光周期测量系统的调控，而该系统依赖于光合作用与生物钟控制的淀粉生产相结合所调节的胞内蔗糖水平（图2）。这使得植物能够在光周期早期对黑暗做出响应，快速和持续诱导PP2-A13表达。

这项工作证明了存在于植物代谢网络中的光周期测量系统，其对于驱动冬季光周期转录本和植物健康至关重要。但该研究并未阐明蔗糖是如何转化为下游基因转录调控信号的，初步推测可能是由蔗糖信号直接传导或通过感知由蔗糖浓度变化引起的细胞生理变化所介导。

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(21)00599-2#%20