植物开花过程对温度变化的响应研究进展

余成华，陈 丹，杨秋雄，杨嫦丽，和丽媛，梁艳丽

（1. 丽江师范高等专科学校，云南 丽江 674199；2. 云南农业大学云南省药用植物生物学重点实验室，云南 昆明 650201；3. 云南农业大学农学与生物技术学院，云南 昆明 650201）

气候的急剧变化使植物的生存面临巨大挑战。开花是植物繁育后代的关键转折点，成花转变是一个复杂的过程，不仅是形态上的变化，而且包括在花芽分化前发生的一系列复杂的生理生化变化，通过感受外部环境因子（包括光周期、温度和激素等）变化，经内源因子（基因差异表达和激素变化等）作用，使花芽分化，最终成花。植物花朵的开放是绝大多数植物成花转变的显著标志，有关光周期对植物花朵开放与闭合影响的研究最为广泛且比较系统，但有关温度对植物花朵开放与闭合影响的研究较少且比较零散。因此，笔者综述了国内外学者关于温度是怎样影响植物花朵开放与闭合的研究成果，对植物在开花过程中是如何响应环境中的温度变化进行了探讨。

1 植物的开花调控因子

开花是植物进行繁殖的关键，花器官的发育相对于营养器官来说十分脆弱，在其发育过程中更容易受到外界环境因素的影响，这就需要植物的花进化出更多适应机制来适应外界环境的改变，植物花朵的开闭就是一种很常见的适应机制。为了在关键有效的时间内传粉受精和应对夜晚的低温，很多植物会选择在夜间闭合花朵，如睡莲科（Nymphaeaceae）、罂粟科（Papaveraceae Juss.） 、菊科中常见的雏菊（Bellis perennisL.）、万寿菊（Tagetes erectaL）、蒲公英（Taraxacum mongolicumHand.-Mazz.）和麦秆菊（Helichrysum bracteatum）等都在夜间闭合花朵[1-2]，以延长花朵的开放时间，有利于昆虫的传粉受精。因此，对于引起植物花朵开闭的调控因子除了光周期反应和植物自身的生物钟调节外，温度的调节也至关重要。因为低温会影响传粉受精，所以植物在感受温度的变化后，通过花朵的开放与闭合这种防御机制，可以保证在有限的花期内，花朵在传粉昆虫最活跃的时间段开放，以提高传粉受精的概率。

2 植物开花过程对温度的感知

温度是影响植物生长最重要的环境因子之一，植物拥有一套精准的测量外界环境温度变化的系统以便及时做出生理上的调整[3]，特别是一些生殖生长在冬季或者生长在高山的植物，在成花转变的过程中需要有精确的温度感应系统，才能抵御寒冷的温度并成功繁殖。开花期是植物对环境变化最为敏感的时期。与动物不同，植物不能通过移动位置以逃避恶劣的环境，当植物暴露在高温或者低温下时，只能通过调整发育和生长相关基因的表达以适应环境。因此，为了生存及繁衍后代，植物开花往往进化出相应的策略以适应环境变化，如当遭遇较低环境温度时推迟开花时间，当周围环境温度升高时则加速开花进程[4-6]。温度是影响郁金香生长的关键因素之一，提高郁金香所处环境温度、降低昼夜温差，可以促进郁金香的生长拔节，从而使郁金香植株高度增加、花期提前、现蕾率和成花率显著提高，而且花径、花冠增大，花质量大大提高[7]。

有研究[8-11]表明，拟南芥短营养期基因（SVP）在开花过程中对温度的感知起重要作用，SVP功能的损失会引起植物对环境温度变化的反映不敏感；SVP介导FCA和FT（Flowering Locus T）依赖于温度的功能在热感觉通路内；在波动温度条件下调节开花时间的分子机制是SVP通过与FT序列中的CArG 直接结合，负调控FT的表达从而控制开花时间。Lee 等[12-13]的研究进一步证实了SVP基因是响应温度变化的关键因子，可以调节开花启动子miRNA172 在不同温度的表达水平，而在长日照条件下SVP则能抑制开花启动子 miRNA172 的表达。SVP基因受损时会导致植物对环境温度变化不敏感，因为已有研究证实了拟南芥svp突变体开花相对较早，而SVP过量表达则使拟南芥出现晚花现象[14-15]。拟南芥中SVP与FLC（Flowering Locus C）形成的复合物在拟南芥开花响应的温度调节过程中也起关键作用[16]。Kim 等[17]研究开花对温度的响应时发现，开花前mir156 抑制SPL基因的表达从而维持植物的营养生长，miR156 通过调控下游SPL家族基因SPL3、SPL4和SPL5的表达，控制与开花时间相关蛋白FT 和SOC1 的合成来调控外界环境温度对植物开花的反应。

此外，植物也会通过调节自身的温度来响应环境温度。例如：天南星科植物臭鼬甘蓝（Symplcarpus Renifolius）会通过自身产热来抵御低温[18]。在初春当环境温度降到冰点以下时，臭鼬甘蓝的花会自身产热融化覆盖在花朵周围的冰雪。基因功能的研究结果发现，臭鼬甘蓝具有两个编码磷脂酰乙醇胺结合蛋白（PEBP）的基因SrFT和SrMFT。而对拟南芥SrFT和SrMFT的功能分析表明，SrFT促进开花，而SrMFT则不促进开花。因此，SrFT在臭鼬甘蓝的开花和花发育中起着重要作用。

3 温度介导的植物花朵开闭运动

植物花朵的开闭是一种植物运动。植物的运动分为向性运动（Tropic movement）和感性运动（Nastic movement）。向性运动大多由植物的生长引起，如植物生长的向光性和向地性等，向日葵（Helianthus annuus）顶端的花盘随着太阳的运动而转动，以保证花盘朝向太阳方向的运动就属于植物的向性运动。而感性运动则与植物受到外界环境的刺激密切相关，可将其分为感震运动（Seismonasty/Thigmonasty）、感光运动（Photonasty）、感夜运动（Nactinasty）和感温性运动（Thermonasty）等[19]，例如：含羞草（Mimosa pudicaLinn.）感受到外界刺激和昼夜的交替后叶片会闭合[20]；捕蝇草（Dionaea muscipula）叶顶端形成的“贝壳”捕虫夹在感知昆虫进入后会自动关闭，以捕捉昆虫作为食物[21]，都属于植物的感震运动。植物在生长过程中的运动，受到外界环境的调控，并且运动的过程与发育、防御和捕食等密切相关。季节的变迁和生长环境的不同，是植物呈现出多样性变化的条件，特别是一些高山植物会进化出自己独特的机制，如通过生长过程中的变化和运动，提高自身的生存和防御能力，以保证植物自身的生长发育。

影响植物花朵开闭的因素主要是湿度、光照和温度以及内源节律（生物钟）的作用。此外，激素调节以及碳水化合物需求和水的关系也与花朵的开闭运动息息相关[19]。目前对植物花朵开闭运动的研究主要集中在光周期和生物钟的响应调节，如山姜属（Alpinia）植物在开花过程中会进行2 次方向相反的弯曲运动，在凌晨开花时花柱相对于花药向上卷曲，到了中午它的花柱又开始向下卷曲[22]；尽管光照和温度随时间的变化而变化，但这些物种的花通常在一天中的特定时间关闭，这与植物生物钟的调节和光周期调节密不可分。有研究[23-24]表明，光照时间和光照强度的改变都会改变睡莲开花生物钟，进而控制睡莲的花朵开闭。Nakamichi 等[25]在对生物钟的研究中发现了一些与生物钟相关的蛋白质成分，其中（CIRCADIAN CL OCK-ASSOCIATED 1）/LHY（LATE ELONG- ATED HYPOCOTYL）和TOC1（TIMING OF CAB EXPRESSI ON 1）被认为是控制植物生物钟的关键因子。但在许多高山环境中温度的急剧变化对于花朵的开闭影响更大，早在1926 年就发现了龙胆科植物在开花过程中会出现花朵的闭合现象；2001 年Bynum 等[26]还报道了高山龙胆在频繁的下午雷雨期间，直立管状花在雷雨即将来临的几分钟内，花朵关闭，在阳光直射后花朵又重新开放。2006 年Kozuharova 等[27]描述了9 种龙胆属植物的花冠运动，同年，He 等[28]对授粉后永久性闭合发育现象进行研究的结果表明，这种闭合能保护雄蕊或柱头上的花粉粒，提高雄蕊和雌蕊的适合度。Mu 等[29]还研究发现，龙胆属（龙胆科）的两种不同颜色的花朵会受到温度和光照的影响出现花朵的开放闭合现象，但具体的开花调控机理还未见报道。此外，温度也会调控郁金香（Tulipa gesnerianaL.）花朵的开花进程，郁金香花瓣的运动是由于两侧生长速率的差异造成的，早晨当温度升高时花瓣的内表面会迅速增长，而外层则不会。当温度下降后外表面迅速生长（其最适生长温度为10℃左右，低于内侧细胞的最适生长温度），由于花瓣两侧生长不均从而引起花瓣的运动[30-31]。蒲公英花序在20℃时会保持开放，低于15℃时花序就会自动闭合，而且温度也会影响蒲公英花朵花期的长短，温度高会加快开花的进程[32]。

4 温度介导细胞壁修饰对植物开花的影响

温度的急剧改变会引起植物生理生化的变化，尤其是对于植物细胞的改变最为显著，如引起细胞扩张、细胞间通讯、溶质运输和细胞壁增厚等。温度是直接影响植物开花的关键因素，温度可以影响花器官内细胞结构的改变，例如细胞壁的修饰，从而导致植物在开花过程中的花朵开放与关闭。在植物花朵的开闭过程中，伴随着花瓣内特定细胞的细胞壁软化和增强的过程，才能实现花朵开与闭的转变。在许多植物中，开花是由于花器官（局部）伸长生长或伴随生长的局部离子积累，Ca2+作为第二信使普遍存在于生物体内，由各种细胞外刺激物引起的细胞活化可以在几秒钟内瞬时增加Ca2+含量高达百倍[33]。高山环境复杂多变，温度的急剧变化很容易引起龙胆科植物在开花过程中的Ca2+和Calmodulin（CaM）的信号转导，从而对环境的变化做出快速反应。因此，有科学家认为钙离子通道是温度感受器之一。

无论是伸长生长还是花朵运动所引起的植物花朵开闭都与细胞壁的修饰改变密切相关。植物细胞壁胞间层富含果胶，果胶是多种半乳糖醛酸多糖分支组成的复杂聚合体，主要存在于高等植物的胞间层和初生壁。果胶的单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，占果胶总量的70%左右。而果胶多糖主要有3 种类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]。果胶在高尔基体合成分泌到细胞壁前能增强细胞壁的强度，而果胶合成后的修饰降级在果实的软化、花粉粒成熟、非生物胁迫响应等方面具有重要作用[38]。合成的果胶通过果胶甲酯酶（PMEs）发生水解，以HG 为底物，催化去甲酯反应形成自由羟基的半乳糖醛酸链而产生酸性环境，此时自由羟基的半乳糖醛酸链可以与体内的Ca2+结合，在HG 分子内形成钙桥从而增加细胞壁的强度，而环境温度的改变能够引起细胞内外Ca2+的大量流动，为细胞的修饰提供Ca2+[39]。同时，PMEs会受到果胶甲酯抑制因子（PMEIs）的抑制，促进果胶甲酯化，甲酯化的HG 链在PL（Pecttate lyases）的作用下催化同聚半乳糖醛酸链的断裂，导致细胞壁的松弛[40]。因此，花瓣细胞的细胞壁合成与降级修饰，赋予了花瓣细胞极大的韧性，有利于花瓣的开放与闭合。许多植物花朵的开闭伴随着细胞壁合成与降级修饰这样的过程，当闭合花朵开放时，花瓣的细胞壁会出现软化松弛，便于花瓣的伸展；到完全开放后，细胞壁会硬化，支持花瓣的持续开放；当花瓣需要闭合时，细胞壁便会再次软化，使花瓣重新闭合。例如：香石竹（Dianus caryophyllusL.）花朵开放时花瓣向外扩大的过程就伴随着细胞壁的改变[40-41]。木葡聚糖糖基转移酶（XTH）参与了植物细胞壁的松动[42]，XTH还可能在细胞扩大过程中的不同层的木葡糖链的重新排列中起作用，并且在加入新合成的木葡聚糖时参与细胞壁的组装。膨胀素催化纤维素和交联葡聚糖之间的氢键断裂，导致细胞壁延伸[43]。Harada 等[42]的研究也表明，木葡聚糖糖基转移酶（XTH）在康乃馨（Dianthus'Carnation'）的花瓣中特异高表达，进一步证明了XTH 对花朵的开放具有促进作用。牵牛花（Pharbitis nil）的花瓣中木葡聚糖糖基转移酶1-4（InXTH1-InXTH4）的高表达也可以促进开花进程，这是由于XTH 调控了花瓣细胞的改变[44]。

此外，已证明生长素通过改变细胞壁的性质在调节细胞扩张中起关键作用[45]。细胞对生长素的反应包括微管行为、囊泡运输和细胞壁结构的变化，并且生长素在细胞分裂、细胞极性、细胞膨胀和细胞壁松动中起关键作用[46-47]。在拟南芥中，花瓣的生长受到生长素响应因子ARF8的调控，arf8突变体导致生长素相关基因表达量的差异，从而改变细胞数和细胞的膨胀，而且突变体的花瓣显著大于对照组的花瓣[48]。Harada 等[42]的研究表明，康乃馨在开花过程中，其体内IAA 等生长素的输出受到蛋白的调控；鸢尾花的花朵开放过程中生长素IAA 和NAA 可以促进花瓣的伸长和开放，而利用生长素运输抑制剂TIBA 和生长素作用抑制剂PCIB 处理后，可显著抑制鸢尾花的生长和开放[49]。

5 问题与展望

气候变化带来的环境改变最直接的变化就是温度，温度是植物开花的关键，也调控着植物开花过程中花朵的开放和闭合，花朵的开闭过程与细胞壁膨胀和细胞壁修饰密切相关，但其内在的调控机制还没有得到完全验证。植物感受外界环境的改变，为适应环境和生长发育，调节体内生长素或调控相关基因，通过作用于细胞壁与协调细胞壁的修饰过程，使细胞壁表现出松弛和增强。而细胞壁的修饰受到细胞壁中果胶的改变的调节，高分子半乳糖的代谢是细胞壁内果胶形成的基础。但是，对于生长素、细胞壁、果胶和半乳糖代谢对植物花朵开闭的影响等一系列通路之间的相关调控机制仍不十分清楚，特别是对于植物是如何感知温度变化，通过细胞壁的修饰响应温度变化从而引起花朵的开放与闭合有待进一步深入研究。

此外，对于生长素调节和细胞壁修饰等都是植物花朵开闭调控的下游基因的反应，但对于上游一开始来感受温度变化的“植物温度感受器”的研究还很薄弱。虽然在水稻上报道了首个植物温度感受器COLD1（CHILLING TOLERANCE DIVERGEVCE 1）基因可响应高温胁迫，应对气候的改变[50]；在拟南芥中也发现了ELF3 可以通过PrD（prion-like domain）介导的相变，感受环境温度变化，使ELF3 成为一个新的热感受器[51]。证明了植物也存在着对温度变化的感受器，但是对于植物响应低温时对低温感受的感受器目前还知之甚少，植物在开花过程中对于低温的感受与响应研究应作为今后该研究领域的重点。