科學(xué)新發(fā)現(xiàn)！日照長(zhǎng)短對(duì)植物種子的生長(zhǎng)發(fā)育有什么影響？

出品：科普中國(guó)

作者：胡一龍（中國(guó)科學(xué)院華南植物園）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

哲學(xué)家說，世界上沒有兩片相同的樹葉。

植物學(xué)家說，你永遠(yuǎn)也找不到兩顆完全相同的種子。

不同物種的種子在外形、大小、顏色和營(yíng)養(yǎng)成分等方面差異巨大，同一物種的種子也存在差異，而造成這些變化的原因是環(huán)境變化和基因變異。

這些大大小小的差異之中，最直觀的，就是種子的大小了。就算你沒有務(wù)農(nóng)的經(jīng)驗(yàn)，兩顆不同的種子放在你面前，我想你也一定能判斷出，粒大飽滿的才是好種子！

在作物馴化的幾千年中，包括水稻、大豆、玉米等在內(nèi)的幾大重要糧食作物的人工馴化，都經(jīng)歷了種子由小變大的過程。此外，種子里面的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為種子萌發(fā)提供能量，粒大、飽滿的種子能夠更好的萌發(fā)，從而保證生命得以順利傳承。

那么怎樣才能培育出又大又飽滿的優(yōu)質(zhì)種子呢？

田里成熟的麥穗

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

植物的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑——光周期

地球自轉(zhuǎn)帶來了一天之中白天和黑夜的交替變化，而地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)帶來了一年四季日照時(shí)長(zhǎng)的變化，這種一天24小時(shí)內(nèi)的光照期和黑暗期時(shí)長(zhǎng)的交替變化被稱為光周期。

光周期是自然界中最穩(wěn)定的環(huán)境因子，一年之中的夏至和冬至分別是光照時(shí)間最長(zhǎng)和最短的兩天。地球上的生物可通過光周期感知季節(jié)變化，在最適宜的季節(jié)完成生長(zhǎng)發(fā)育和繁衍生息，人們也根據(jù)四季變化進(jìn)行各項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們最為關(guān)注的是植物開花時(shí)間對(duì)光周期的響應(yīng)。根據(jù)開花誘導(dǎo)的日照時(shí)長(zhǎng)，植物可分為長(zhǎng)日照誘導(dǎo)開花的長(zhǎng)日照植物，短日照誘導(dǎo)開花的短日照植物，除此之外，還有中日照植物，以及對(duì)光周期不敏感的日中性植物。

多年來，人們對(duì)光周期影響植物開花以及其背后的分子機(jī)制已有較為清晰的認(rèn)識(shí)，但其如何影響花后發(fā)育尤其是種子發(fā)育仍不清楚。不過，類比先前對(duì)花與光周期的研究，產(chǎn)生了這樣一個(gè)想法：是不是種子的生長(zhǎng)，也能根據(jù)不同時(shí)長(zhǎng)的日照進(jìn)行調(diào)節(jié)呢？

從種子到發(fā)芽

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

種子怎樣長(zhǎng)得又大又飽滿？跟曬太陽(yáng)有關(guān)，但不一定要老曬太陽(yáng)！

其實(shí)，植物的種子大小，的確和光周期有著緊密的聯(lián)系。

近年來，中國(guó)科學(xué)院華南植物園胡一龍/侯興亮研究團(tuán)隊(duì)聚焦植物種子發(fā)育的研究。從環(huán)境因素如何影響植物種子大小的角度入手，發(fā)現(xiàn)了日照長(zhǎng)短（光周期）影響種子大小的普遍性規(guī)律。通過研究，我們不僅發(fā)現(xiàn)了光周期和種子大小的關(guān)系，還找到了在植物中響應(yīng)光周期的基因——CO基因。那么，具體的實(shí)驗(yàn)是怎么進(jìn)行的呢？

首先，研究者選取了兩類具有代表性的光周期特性的植物進(jìn)行研究，即長(zhǎng)日照植物百脈根、豌豆和擬南芥以及短日照植物大豆、紅小豆和菜豆。

其實(shí)光看這些植物所屬的類別，我們不難做出這樣的推測(cè)：是不是長(zhǎng)日照的植物更喜歡太陽(yáng)，在長(zhǎng)日照條件下能長(zhǎng)出飽滿的種子，而短日照的植物與之相反呢？

事實(shí)的確是這樣的。通過對(duì)這些植物在不同光周期條件下的種子大小進(jìn)行觀測(cè)，研究者們發(fā)現(xiàn)一種具有普遍性規(guī)律的有趣現(xiàn)象，三種長(zhǎng)日照植物（百脈根、豌豆和擬南芥）在長(zhǎng)日照下產(chǎn)生的種子比短日照下更大，而三種短日照植物（大豆、紅小豆和菜豆）則在短日照下產(chǎn)生更大的種子。

現(xiàn)在，我們知道不同的植物有著不同適合生長(zhǎng)的光周期。那么問題又來了，是植物中的什么機(jī)制在起作用，使得有的植物愛太陽(yáng)，有的植物沒有那么愛呢？

隨后，研究者們對(duì)長(zhǎng)日照植物擬南芥進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)光周期響應(yīng)因子CO基因在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。當(dāng)CO基因發(fā)生突變時(shí)，植株在不同光周期下會(huì)產(chǎn)生同樣大小的種子。

原來是CO基因的作用，使得植物對(duì)不同的光周期有著不同的反應(yīng)。之后，通過生物信息學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)等方法，研究者們發(fā)現(xiàn)CO基因直接抑制轉(zhuǎn)錄因子AP2的轉(zhuǎn)錄，以光周期依賴的方式調(diào)控種子大小。進(jìn)一步的細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察分析發(fā)現(xiàn)，CO基因通過增加種皮表皮細(xì)胞數(shù)目來影響種子大小。

在這之中，還有一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)。研究者們發(fā)現(xiàn)只有來自母本的CO基因才具有調(diào)控種子大小功能，而來自父本的基因?qū)ΨN子大小沒有影響。

不僅擬南芥中的CO基因具有這樣的調(diào)控作用，最后，研究者們進(jìn)一步在農(nóng)作物大豆中驗(yàn)證了CO基因具有類似的功能。

CO基因在光周期對(duì)種子發(fā)育過程中的作用

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

結(jié)語(yǔ)

這下我們就知道了，光周期對(duì)于種子發(fā)育具有直接調(diào)控作用，而且在這個(gè)過程中，CO基因起著核心的作用。

還是那句老話，萬物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。太陽(yáng)提供了光與熱，植物也依靠太陽(yáng)來感知季節(jié)的變化。有的植物可能比較愛太陽(yáng)，有的植物可能沒那么愛。如果我們摸清環(huán)境因子對(duì)于種子發(fā)育的直接影響，那么我們就更有可能因地制宜，培育出更優(yōu)質(zhì)、更飽滿的種子，進(jìn)而培育更強(qiáng)壯、更高產(chǎn)的作物，實(shí)現(xiàn)“手中有糧，心中不慌”。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.nature.com/articles/s41477-023-01350-y

編輯：郭雅欣