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植物学通报 2004, 21 (1): 26￣36Chinese Bulletin of Botany植物春化特性及春化作用机理①胡 巍 侯喜林② 史公军（南京农业大学园艺学院南京 210095）摘要春化作用是某些高等植物成花转变的重要环节，被认为是植物在低温诱导下促使其相关基因的表达，从而导致生理状态转变的一种受遗传控制的生理过程。
本文对植物春化反应特性、春化作用的生理生化特性及春化作用的分子生物学等方面的研究进展进行了概述，并对春化研究中的问题进行了分析和展望。
关键词春化作用，成花，春化特性，分子生物学Characteristics and Mechanism of Plant VernalizationHU Wei HOU Xi-Lin② SHI Gong-Jun(College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095)Abstract Vernalization, one of the genetically controled process induced by low temperature which involves expression of related genes, plays an important role for transition to flowering in some higher plants. In this paper, the research progresses on plant vernalization were summarized, including types of vernalization , physiological and biological characteristics of vernalization and molecular mecha-nism of vernalization. The existed problems in researches were discussed, and the prospect was put forward.Key words Vernalization, Flowering, Vernalizational characteristics, Molecular biology高等植物的成花过程（包括成花诱导和花芽分化等过程）是植物个体发育的中心环节。
植物春化过程中的生理生化代谢引言：春化作用对植物生长发育调控具有重要作用。
本文对植物春化过程中的碳水化合物代谢、蛋自质和核酸代谢、酶代谢、内源激素代谢以及春化作用分子机理等几个方面进行了简要综述。
低温对植物开花的诱导效应。
1918年G.加斯纳发现冬黑麦在种子萌发期或幼苗期要经过一低温阶段（1～2℃），第2年才能抽穗开花。
1928年苏联李森科为了在寒冷地区推广高产冬小麦品种，于春季播种前将吸水萌动的冬小麦种子进行低温处理，当年就抽穗、开花、结实。
他把用低温促使植物开花的作用称为春化作用。
除刚萌动的种子外，幼苗和长成的植株营养体都可接受春化。
冬性一年生植物（如禾谷类作物）是在刚萌动的种子或幼苗时期通过春化。
二年生植物（萝卜、白菜、油菜等）是在第 1年种植后越冬时以营养体状态通过春化。
有些多年生牧草也需要经过春化。
春化作用是指低温(最好为O。
C～2。
C)诱导或促进植物成花的效应．春化作用在冬性植物成花诱导中具有重要且不可替代的作，通常认为春化作用决定开花启动。
春化作用的基本特征(1)植物对春化的感应部位和效应部位都在茎端，而且发生反应的时间与发生效应的时间间隔很大这一点不同于光周期反应．(2)春化过程是一个缓慢的量变过程(一般需要2～8周)，需要细胞具有旺盛的代谢活性，代谢抑制剂实验证明，春化过程的代谢方式具有严格的顺序性和多步骤性．(3)春化效应可被高温所解除，即脱春化作用，冬小麦一般(33±2℃)，5d可使春化效应消失．(4)春化作用产生的效应：随着有丝分裂一直保留在茎端生长点，当其他因素，如生长状态、光周期适合时促进花．低温产生的这种效应会因减数分裂或其他有性生殖过程而消失，而不能遗传给子代．(5)春化作用与光周期关系极复杂，如一些植物短Et照可替代冷处理，而对另一些植物却脱春化效果…．影响春化作用的因素温度、光照、温度与光周期的关系、激素等。
物春化过程中的生理生化代谢对于春化过程的研究，从Klebs的C／N算起已有100多年的历史，并积累了大量的文献资料。
植物春化作用的分子机理植物在春季显示出一系列兴盛的生长行为，称为春化。
为了适应春季的轻松环境，植物体内的分子机制和调控机制发生了许多变化。
总的来说，植物春化作用的分子机制可以分为三个主要层次：分子基础、细胞信号转导和分子调控机制。
首先，春季拉长日照时间，使得其可以更好地搜集自然光照，并有效地传导光能到叶片。
由于光能作用于叶片，会使叶绿素中的单磷酸异黄酮瘤UCP通过调动绿素合成途径和细胞空间位置而发生变化。
接着，绿素还可作为信号转导来调控生物体内的其他信号，如糖代谢的调节、细胞壁的改性。
另外，植物春化过程中也会参与植物内激素的调节。
植物激素是植物内的化学物质，可以调节植物的生长和发育。
春季拉长日照时间，会使绿色激素、内源激素及病原微生物抑菌素等内源激素合成增加，从而使植物胚芽迅速增长和分化，并促进植物的开花结果。
此外，干旱胁迫也能促使植物增加水分吸收，使植物春季繁茂。
同时，植物春化作用也可以通过调控植物内各种途径的调节来实现。
例如，细胞通路对春化作用起着重要的作用，如何调控细胞通路，了解春季植物的生长特性和生理功能，将有助于我们更好地了解植物春化作用的分子机制。
例如，春季气温升高，会加强自分子共焦显微镜中脱落酸（ABAs) 的水溶性途径，ABAs能显著影响植物的生长发育，可以促进对冷害的抵抗能力。
此外，赤霉素可以抑制细胞信号转导机制的调节，从而影响植物的生长发育过程。
总而言之，植物春化作用的分子机制是一个复杂的过程，中转植物性状的变化所涉及的分子和信号的调节机制很多。
以上研究正试图深入研究春化作用的分子机制，以便对不同品种的植物发展构建解释框架，从而进一步推动人类获得和种植可耐寒和耐热植物。
植物所种康组发现小麦春化作用分子网络新机制冬性和二年生植物开花需要长时间环境低温的诱导，该过程即春化作用。
冬小麦的春化特性及其对冬春季气温的适应程度直接影响冬小麦产量。
这一复杂生理现象自1918年发现以来，在遗传学和生理学上的研究有了长足的进展，并在小麦生产上广泛应用，许多春化相关基因也相继被克隆，但植物细胞如何接受春化信号并激活分子网络则几乎一无所知。
分子网络的解析对于小麦品种改良和高产分子育种具有重要的意义。
近日，中科院植物研究所种康研究组及其合作者揭示了蛋白糖基化修饰（O-GlcNAc）介导小麦细胞感受春化信号、启动开花网络的新机制。
研究发现，春化诱导基因（VER2）的超表达具有部分取代春化促进开花的功能，其编码的凝集素蛋白VER2能与RNA结合蛋白VIP2（TaGRP2）形成蛋白复合物。
两者间的互作依赖于VER2磷酸化和TaGRP2（Thr17）的O-GlcNAc修饰。
TaGRP2在未春化时结合春化基因TaVRN1的前体RNA，进而抑制其转录与开花启动。
随着春化处理，TaGRP2（Thr17）的O-GlcNAc 修饰水平升高。
同时，磷酸化形式的VER2进入细胞核与O-GlcNAc修饰的TaGRP2直接作用，以解除TaGRP2对TaVRN1基因转录的抑制，完成春化作用对开花的启动。
这一机制保证了小麦在自然界适时进行开花结实。
该成果揭示了糖基化信号控制春化信号网络的崭新机制，是开花生物学研究的重大进展之一，对于小麦品种改良和分子育种具有重要意义。
研究成果于8月5日在线发表于Nature Communications（DOI: 10.1038/ncomms5572）期刊上，种康研究组博士研究生肖军为该文的第一作者。
研究得到了科技部“973”项目和国家自然科学基金委的资助。
植物春化作用的分子机理
植物春化作用的分子机理
春化作用在控制高等植物开花中起着重要的作用.本文综述了近年来以拟南芥(Arabidopsis thaliana)和冬小麦(Triticum aestivum)为主要研究对象进行的有关春化作用分子机制的研究;概括和分析了已经分离得到的与春化有关的基因的功能及其调控方式以及各基因间的相互作用.
作者：赵仲华曾群赵淑清Zhonghua Zhao Qun Zeng Shuqing Zhao 作者单位：山西大学生物技术研究所化学生物学与分子工程教育部重点实验室,太原,030006 刊名：植物学通报ISTIC PKU 英文刊名：CHINESE BULLETIN OF BOTANY 年，卷(期)：2006 23(1) 分类号： Q94 关键词：春化作用春化相关基因春化分子机制。
•4 4 •长江大学学报（自然科学版）2016年9月第13卷第27期（农学) Journal of Yangtze University(Natural Science Edition)Sep. 2016, V ol. 13 No. 27[引著格式]扬柳依，赵荣秋，刘乐承.高等植物春化作用的分子基础及调控机制[J].长江大学学报（自科版），2016, 13 (27): 44〜50.高等植物春化作用的分子基础及调控机制杨柳依，赵荣秋，刘乐承（长江大学园艺园林学院，湖北荆州434025)[摘要]春化作用对控制高等植物开花具有重要的作用，它是一个由多基因相互作用并受环境因素（温度、光周期等）影响的复杂过程。
双子叶植物拟南芥与单子叶植物谷物中春化关键基因是不同的。
春化状态在有丝分裂中传递，在有性生殖的下一代中重建。
综述了春化作用促进途径中春化相关基因的功能以及开花的表观遗传调控。
[关键词]春化作用；拟南芥；谷物；开花途径；表观遗传调控[中图分类号]Q915.6+4 [文献标识码]A[文章编号]1673 - 1409 (2016 )27 - 004 4 - 07高等植物开花的诱导，即由营养生长向生殖生长转变的过程，决定着开花期的早晚，是高等植物个体发育中最关键的步骤。
植物的开花过程极其复杂，不仅由多个基因调控，而且还受多变的环境因素影响[]。
在高等植物的开花途径中，低温诱导或促进植物成花的效应称为春化作用，它是一些二年生植物和一年生冬性植物成花所必需的，因而一直备受关注。
研究表明，植物感受低温的部位是有丝分裂旺盛的茎尖分生组织[2]。
研究发现，春化过程具有多步骤性，而且存在碳水化合物代谢、蛋白质及核酸代谢、酶代谢、内源激素代谢4个方面的生理生化代谢[3]。
随着对春化作用机理的研究从生理水平上升到分子水平，许多与春化作用相关的突变体从模式植物拟南芥和冬小麦（TViti-中分离鉴定出来，一些相应的基因也已经被克隆。
高等植物春化作用的分子基础及调控机制春化作用的分子基础可以从几个方面来分析。
首先，光周期对春化作用具有重要影响。
在植物中，红光和远红外光是植物识别光周期的主要波长范围。
植物通过蛋白质PIF3和CO这样的光调控因子来感知光信号，从而调控春化基因FT的表达。
FT蛋白是植物中的关键分子，它在叶片中积累，然后向茎顶部运输，通过FT与FLOWERINGLOCUST(FT)的相互作用促进开花。
其次，春化作用还受到低温信号的调控。
在冬天，低温会激活一系列春化基因，如VRN1、VRN2和VRN3等，并抑制一些抑制性基因如FLC和SVP的表达。
这些变化导致了植物从营养生长到生殖生长的转换。
此外，春化作用还与植物内源激素的调控密切相关。
赤霉素是一种重要的内源激素，其含量在低温下会显著上升，从而促进花蕾的形成。
而赤霉素与植物中的春化相关基因如VRN1和VRN3等相互作用，进一步调控开花时间。
另外，春化还受到DNA甲基化修饰的影响。
DNA甲基化修饰是一种表观遗传调控机制，可以通过甲基化修饰DNA的碱基对基因表达进行调节。
在春化过程中，DNA甲基化修饰可促进春化基因FT和SOC1的表达，从而促进开花。
最后，微小RNA(miRNA)也在春化作用中起到重要的调控作用。
春化期间，一些miRNA会下调FT和SOC1的表达，从而抑制开花。
而在适宜的春化条件下，miRNA的降解速度加快，从而解除对FT和SOC1的抑制。
总的来说，高等植物春化作用的分子基础涉及光周期信号、低温信号、植物内源激素、DNA甲基化修饰和微小RNA等多个方面的调控机制。
这些调控机制相互作用，共同控制了植物的开花时间，确保植物在合适的时间开花，适应环境的变化。
春化—脱春化机理
什么是“春化—脱春化机理”呢？
在植物营养生长阶段主要是生长激素起作用，都是促使植物大量分生叶片的，花的形成，其实就是其它器官的分化的结果，那是需要成花激素起作用的。
一些夏季花卉及蔬菜要想开花是要“掐尖”处理。
这就是人为的去控制生长激素使其减少，促使成花激素形成。
君子兰这样的春季开花的植物“春化—脱春化机理”是起很大作用的。
就是说温度，光照的一定量的减少，促使植物的营养生长阶段减缓，大量的成花激素形成。
等到温度的升高“脱春化”的过程来临，花箭就会和一组新叶一起上来了。
有的朋友年年开花且一年多花，有的朋友却多年不开。
其实，开不开花，开不开得好。
是与您的一年养护是有很大关系的。
烂根，伤叶，病害等原因的出现，不开花是不奇怪的。
知道了“春化—脱春化机理”控制花期是不难做到的，只要在新的一组叶片没发出来前，降温，少浇水，低光照。
使它进入“春化期”20-30天，再回暖“脱春化”就会开花的。
具体操作方法：如果室温在20度，降低5度左右，保持15度，低光，保持百分之30水份就可以实现“春化期”。
有一点要注意“春化期”时间越长，其“脱春化”时间就越长。
经历严寒开花的生物学机制
冬性及二年生植物开花必须经历漫长而寒冷的冬天，这一现象被称为“春化作用”。
春化作用是影响植物物候期和地理分布的重要因素，在作物育种中有着至关重要的作用，解析植物感知记忆冬季时长机制有助于作物的分子设计育种。
中国科学院植物研究所种康研究组长期从事植物春化作用机制的研究。
近日，该团队受邀在国际学术期刊Nature Plants上发表特邀综述文章“Remembering winter through vernalization”（《记忆冬天的春化机制》）。
文中从研究组自身工作出发，探讨了多个物种中春化的起源进化模式，概述了当前拟南芥以及温带禾本科植物（小麦、大麦以及短柄草）中春化的分子遗传调控网络、表观遗传修饰与核心蛋白修饰介导的春化作用记忆机制，重点讨论了关键蛋白的磷酸化和糖基化修饰互作以及主效基因VRN1的表观修饰参与春化感知记忆的分子机制。
文中指出，春化作用的分子与表观遗传控制机理在双子叶植物（如拟南芥）和单子叶植物模式（如小麦）完全不同。
在小麦和大麦等温带作物中，春化促进开花途径包括VRN1、VRN2、VRN3和VRN-D4等春化基因的调控，其中VRN1编码一个类似FRUITFULL的MADS-box转录因子，在春化过程中起到至关重要的促进作用。
在小麦中，春化调控基因VER2在春化过程中通过改变RNA 结合蛋白GRP2的亚细胞定位，解除GRP2对TaVRN1前体mRNA可变剪接的抑制作用，促进小麦开花；而TaGRP2结合VRN1的RIP3基序决
定了小麦的春冬性，在小麦育种中有非常重要的作用。
该综述囊括了最新的春化作用调控和感知机制，并展望了未来深入研究春化的方向以及在分子设计育种中的应用。
植物学通报 2006, 23(1): 60￣67收稿日期: 2005-04-25; 接受日期: 2005-07-13基金项目: 国家自然科学基金项目(30570164)和山西省自然科学基金(20051067)*通讯作者 Author for correspondence. E-mail: shuqing@植物春化作用的分子机理赵仲华 曾群 赵淑清＊(山西大学生物技术研究所化学生物学与分子工程教育部重点实验室 太原 030006)摘要 春化作用在控制高等植物开花中起着重要的作用。
本文综述了近年来以拟南芥(Arabidopsis thaliana )和冬小麦(Triticum aestivum )为主要研究对象进行的有关春化作用分子机制的研究; 概括和分析了已经分离得到的与春化有关的基因的功能及其调控方式以及各基因间的相互作用。
关键词 春化作用, 春化相关基因, 春化分子机制The Molecular Mechanism of Vernalization in PlantsZhonghua Zhao, Qun Zeng, Shuqing Zhao *(Key Laboratory of Chemical Biology and Molecular Engineering of Ministry of Education,Institute of Biotechnology, Shanxi University , Taiyuan 030006)Abstract Vernalization plays an important role in regulation of flowering time in higher plants.This paper reviews recent advances in the studies of the molecular mechanism of vernalization in Arabidopsis thaliana and wheat (Triticum aestivum ), which include the vernalization-related genes, the manner of flowering control by such genes, the relation between these genes and the molecular mechanism of vernalization.Key words vernalization, vernalization-related genes, molecular mechanism开花是高等植物由营养生长向生殖生长的转变过程, 是植物个体发育和后代繁衍的中心环节。
这一发育的转变过程是通过植物体内部自身的发育条件和外部的环境因素共同决定的。
温度是影响植物开花的一个重要的环境因素。
大多数冬性一年生或二年生植物在其种子萌动期或营养生长初期必须经过一定时期的低温处理(通常为4℃, 2~8周)才能开花。
这一低温处理一定时期而促进植物开花的作用称为春化作用(种康等, 1999)。
春化作用具有以下几个特征。
(1)春化作用是一个缓慢的量变积累的过程, 有其作用的临界点, 只有当低温处理足够长的时间后, 植株才会产生明显的春化反应。
(2)春化作用并不改变植物的基因, 不具有遗传性。
春化作用的效果只可通过有丝分裂在当代植株中保持稳定, 而不能通过有性生殖传递给后代。
(3)春化作用的感受位点在植物的茎尖和根尖, 只有有分裂活性的细胞才能对春化作用做出反应。
(4)春化作用并不直接导致开花, 而只是在很大的程度上加速了开花的进程(种康等,1999)。
春化作用最早于20世纪初由Gassner (1918)提出, 但人们对其机理的认识一直只停．专题介绍．61 2006赵仲华等: 植物春化作用的分子机理留在生理学基础上。
近年来随着分子遗传学的迅速发展,人们利用模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)和冬小麦(Triticum aestivum)等已经分离鉴定了许多与春化作用相关的突变体, 克隆了相应的基因并对这些基因进行了功能分析, 使我们对于春化作用的机理有了分子水平的认识。
１ 春化作用的相关基因1.1 FRI和FLC基因在拟南芥自然群体中, 存在冬性一年生和夏季一年生两种生态型。
冬性一年生生态型植株开花延迟, 需要春化作用促进其开花; 而夏季一年生的植株开花早, 没有对春化作用的需求。
将这两种生态型植株杂交, 显示显性基因FRI可以控制冬性一年生植株的晚花特性 (Napp-Zinn, 1987)。
大多数早花生态型都携带纯合的隐性FRI等位基因。
进一步的研究发现, 另一个显性基因FLC对FRI赋予冬性植株的晚花特性是必需的(Koornneef et al., 1994; Lee et al., 1994)。
因而, FRI和FLC共同作用阻碍未春化的冬性拟南芥开花。
也就是说, 冬性一年生植株对于春化作用的需求是由于显性等位基因FRI和FLC协同作用所致。
通过对FLC和FRI的克隆及其功能的研究表明, FLC编码一个含MADS盒的开花抑制转录因子, 它是控制拟南芥开花春化途径的枢纽基因(Michaels and Amasino, 1999; Sheldon et al., 1999, 2000)。
FRI编码一个含有2个卷曲螺旋结构域蛋白, 表明它和其他的蛋白或核蛋白存在相互作用(Johanson et al., 2000)。
FRI的作用是促进FLC的表达, 从而实现对开花的抑制作用。
春化作用对于开花的促进作用是通过抑制FLC的表达实现的, 但这种抑制并不通过FRI的调节途径, 而是通过另外一条与FRI激活FLC平行的途径(Michaels and Amasino, 2001)。
春化作用抑制FLC表达的状态可以通过细胞有丝分裂传给子代细胞, 在植株的一生中均表现春化状态。
但这一状态不能通过减数分裂传给配子细胞, 因而子代植株又会重新表现未春化的状态,体内F L C mRNA的含量重新升高,植株表型为晚花(Michaels and Amasino, 1999; Sheldon et al., 1999, 2000)。
1.2 ELF7、ELF8、VIP4和EFS基因ELF7、ELF8和VIP4是从冬性一年生拟南芥中鉴定出的与开花相关的基因。
当冬性一年生植株的这些基因发生突变后, 植株由需春化作用的晚花表型转变为对春化作用没有需求的早花表型, 显示ELF7、ELF8和VIP4对维持拟南芥冬性一年生植株对春化作用的需求是必需的。
在含有显性FRI和FLC等位基因的突变体elf7和elf8中, FRI对FLC表达的促进作用受到抑制, 植株体内几乎检测不到FLC的转录, 表明ELF7和ELF8的功能是协助FRI共同促进FLC的转录。
ELF7、ELF8和VIP4在拟南芥中均为单拷贝基因, 所编码的蛋白质分别与酵母P A F1复合物成分PAF1、CTR9和LEO1同源(Zhang and van Nocker, 2002; He et al., 2004)。
酵母PAF1复合物是RNA聚合酶Ⅱ的结合因子, 其作用是识别活性基因染色质组蛋白H3的第4位lys (H3-K4)三甲基化信号, 引导RNA聚合酶Ⅱ与该基因的DNA序列结合, 从而启动基因的转录(Betz et al., 2002; Krogan et al., 2002; Squazzo et al., 2002)。
研究表明, 冬性一年生拟南芥在未春化前其FLC染色质也有较高水平的H3-K4三甲基化信号(He et al., 2004), 因而认为ELF7、ELF8和VIP4对FLC表达的促进作用是通过形成PAF1复合物而实现的。
EFS也是一个晚花控制基因, 研究显示EFS与酵母PAF1复合物结合因子SET1同源(Soppe et al., 1999; Roguev et al., 2001)。
EFS 蛋白具有甲基转移酶的活性, 主要作用是对染色质组蛋白H3-K4三甲基化, 表明EFS与PAF1复合物协同作用, 共同维持未春化冬性一年生6223(1)拟南芥FLC的高活性, 维持植株对春化作用的需求(He and Amasino, 2005)。
1.3 VRN1、VRN2和VIN3基因通过筛选对春化作用没有应答的拟南芥突变体, 显示有3个基因参与春化作用的过程,即VRN1、VRN2和VIN3(Gendall et al., 2001; Levy et al., 2002; Sung and Amasino, 2004a)。
VIN3具有感受低温时程的特性。
冬性一年生拟南芥只有经过足以产生春化反应的一段时期的低温处理后VIN3才会诱导表达。
当植株由春化的低温条件转到正常生长环境后, VIN3迅速关闭。
当VIN3被诱导表达后, FLC的表达随即被抑制, 因而VIN3的作用是在春化过程中识别低温处理的时间进而建立对春化关键基因FLC表达的抑制。
VIN3编码一个PHD 锌指结构蛋白, 该类型蛋白质与染色质空间结构的变化有关。
研究表明, 当VIN3表达后FLC所在染色质的组蛋白H3发生了去乙酰化。
VIN3蛋白本身没有去乙酰化酶的活性,因而它是作为去乙酰化酶的协助蛋白实现对FLC表达抑制的(Sung and Amasino, 2004a)。
VRN1和VRN2的表达不受春化作用的诱导, 但当这2个基因发生突变后, 春化作用对冬性一年生植株没有明显的开花促进作用。
通过突变体vrn1和vrn2的研究发现, 当植株在足以产生春化反应的低温条件下, FLC的表达明显降低, 但当植株重新回到正常生长环境中, FLC的表达又迅速升高, 显示未春化的状态。
这表明VRN1和VRN2的功能是在春化作用后,即VIN3蛋白激活FLC表达的抑制后, 维持对FLC表达的持续抑制。
VRN1和VRN2在植株的不同组织和不同发育阶段均有表达, 且它们的转录水平不受春化作用的诱导而发生变化, 这一特性为其在春化作用后对FLC持续抑制提供了保证。
VRN1和VRN2对植株春化效果的维持主要是通过对开花抑制因子FLC 的持续抑制来实现的, 但VRN1和VRN2并不能自发地激活对FLC表达的抑制。
尽管酵母双杂交实验显示VRN1与VRN2没有直接的相互作用, 但由于二者功能上的一致, 因而可能春化作用使VRN1和VRN2结构发生变化从而以某种方式协同作用, 共同调节春化途径关键基因FLC的表达(Gendall et al., 2001; Levy et al., 2002)。
