全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月 1021
控制拟南芥和水稻开花时间光周期途径的分子机制
彭凌涛*
中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，植物分子遗传国家重点实验室，上海 200032
Molecular Mechanism of Flowering Time Controlling Photoperiod Pathway
in Arabidopsis and Rice
PENG Ling-Tao*
National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological
Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
提要 就拟南芥和水稻开花时间控制光周期途径的分子机制的研究进展作简要介绍。
关键词 拟南芥；水稻；开花时间；光周期途径；基因调控
收稿 2006-06-07 修定 　2006-09-20
资助 国家高技术研究发展计划(863 计划) (2005AA2Z1030)
和国家重点基础研究发展计划(973计划) (2005CB120801)。
致谢 张景六先生曾给予修改和帮助。
*E-mail: ltpeng@sippe.ac.cn, Tel: 021-54924078
营养生长阶段(vegetative phase)向生殖生长阶
段(reproductive phase)转换是植物生命活动中的一
个重要过程，这种转换的时间一般称为开花时间
(flowering time)。经典植物学研究认为，这时，
一部分或全部茎端分生组织不再形成叶原基和腋芽
原基，而是形成花原基或花序原基。但分子生物
学的研究表明，在茎端分生组织发生形态变化之
前，还有一个开花决定过程( f l o w e r i n g
determination)。这是植物生殖生长启动的第一个
阶段，在这一阶段，植物的生理生化和基因表达
程序化发生明显变化(雍伟东等2000)。植物的开
花时间是受外在因素和内在因素共同调控的。外
在因素包括光周期(日照长度)、光质(光的光谱组
成)、光照强度(光子流密度)、温度(低温，如：
拟南芥和冬小麦的春化作用)、群体密度和营养
等，而内在因素是指激素(赤霉素等)和控制植物
发育阶段的各种基因调控机制。双子叶植物拟南
芥由于其生长周期短、个体小以及每个植株的种
子量大等特点，成为包括开花时间在内的各种生
理和分子调控研究的模式材料。近几年来拟南芥
开花时间的调控研究有了很大的进展，并获得了
多种晚开花和早开花的突变体，与这些突变性状
相关的基因得到克隆和鉴定，人们根据这些基因
在拟南芥开花控制中所起的作用和它们之间的相互
关系，认为控制拟南芥开花时间主要是通过 4 个
途径：即光周期途径(photoperiod pathway)、春
化途径(vernalization pathway)、自发途径
(autonomous pathway)和赤霉素途径(GA pathway)
(图 1)。
拟南芥的光周期途径(photoperiod pathway)也
称为长日照途径(long day pathway)，是拟南芥开
花途径中最重要、研究最为详细的一个途径。光
周期现象(photoperidism)是指生物体(包括植物)对
昼夜(日照)相对长度的反应，光周期影响植物开
花时间的现象早在1920年就为Garner和Allard的
实验所证明。根据植物开花时间对日照长度的不
同反应，将它们分为长日照植物(LDPs)和短日照
植物(SDPs)。长日照植物是指在长于某个特定日
照长度条件下提早开花，而在短于某个特定日照
长度条件下推迟开花的植物，如拟南芥(LD 是指
不少于 16 h 光照，SD 是指不多于8 h 光照)等；
短日照植物是指在短于某个特定日照长度条件下提
前开花，而在长于某个特定日照长度条件下推迟
开花的植物，如水稻(LD 是指不少于 14 h 光照，
SD 是指不多于10 h 光照)等。
在拟南芥的开花光周期途径中，光受体
(photoreceptors)感受光信号，把信号传递给生物
节律钟(circadian clock)，由生物节律钟产生生物
节律(circadian rhythm)并将节律输出给下游的节律
调节基因(circadian regulated genes)。节律调节基
因的表达和功能体现还受光受体的直接调控。节
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律调节基因通过调控下游开花时间基因(flowering
time genes)如成花途径整合因子(floral pathway
integrators)的表达，进一步激活或抑制花分生组
织基因(floral meristem identity genes)和花器官基因
(floral organ identity genes)的表达，从而控制拟南
芥的开花过程(图 1)。
作为分子生物学研究中的 2 种重要模式植
物，拟南芥和水稻的开花时间对日照长短反应不
同，这是否说明它们通过光周期途径控制开花时
间的分子机制也不同？本文就近年来控制拟南芥和
水稻开花的光周期途径研究进展作简要介绍。
为叙述方便，将近年来在拟南芥和水稻光周
期通路中所鉴定的部分基因和它们的功能，以及
通过水稻基因组检索发现的拟南芥开花基因在水稻
中的直向同源基因(orthologe genes)列于表1。
1 水稻和拟南芥的感光受体
植物之所以能够区分白天和黑夜，是因为植
物体中含有某些可以感受光信号(5种波长范围)的
色素(pigments)蛋白。这些色素蛋白的存在已为经
典的植物生理学实验所证实，例如植物的向光性
(phototropism)实验和暗期中断(night break)实验。
前一个实验是指改变光的方向或强度从而影响细胞
的定向生长，这已是一种广泛存在的自然现象，
并为大家所熟悉；而暗期中断实验是指在夜里用
一定波长的光处理植物一段时间，对植物开花时
间的影响。人们发现，在短日照下相对较长的黑
夜(long night)里给予短日照植物以一定时间的光照
(红光效果最明显)，能明显抑制短日照植物开花
(Thomas和 Vince-Prue 1997)。同样是在短日照
下，用红光对拟南芥等长日照植物进行暗期中断
则能明显促进开花，远红光或蓝光的处理效果更
明显。
迄今为止，植物中已知的光受体(色素蛋白)
主要分为3类：第1类是光敏色素(phytochromes)，
如拟南芥色素蛋白 P H Y A 、B 、C 、D 和 E 等。
这类色素蛋白主要吸收红光(R)和远红光(FR)，红
光抑制拟南芥开花，而远红光促进拟南芥开花。
在远红光条件下，PHYA 能促进开花。phyB 突变
体的研究结果表明，PHYB 在长、短日照下都抑
制开花，但 P H Y B 超表达则促进开花。在水稻
中，图位克隆(map based clone)和全基因组检索
的结果显示，水稻第 3 染色体上存在 P H Y A、B
和 C 基因且都为单拷贝，而 PHYD 和 E 在水稻中
是缺失的。在水稻幼苗茎中的 PHYA 表达受光抑
制，而 PHYB 在光和暗下都是组成型表达。在水
稻绿色组织中 PHYA 和 B 表达丰度基本相同。而
图1 拟南芥中控制开花的几个途径(Komeda 2004)
带箭头线条表示正调节，T 型线条表示负调节，虚线表示其间关系尚未证实。
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表1 影响拟南芥光周期途径的开花基因和功能以及它们在水稻中可能的同源基因
拟南芥开花控制基因名称 编码的蛋白及其功能 水稻中对应的同源基因名 文献 　及其序列号
AG (AGAMOUS) M A D S 转录因子，促进开花 OsMADS3/L37528 Kyozuka和
Shimamoto 2002
AGL2 (AGAMOUS-LIKE 2) MADS 转录因子， 促进开花 OsMADS1/L34271 Prasad等2005
AP1 (APETALA1) M A D S 转录因子，促进开花 OsMADS15 (RAP1A)/AF058698； Moon 等 1999
OsMADS14 (RAP1B)/AF058697
CCA1 (CIRCADIAN CLOCK 含 MYB 保守域的转录因子， OsLHY(OsCOC1)/
ASSOCIATED 1) 生物节律钟组分 XM_480189, AK104073
CK2 (CASEIN KINASE 2) 蛋白激酶，生物节律钟组分 Hd6/AB036788 Takahashi等 2001
CO(=FG)(CONSTANS)和 COL2 含锌指(zinc finger)结构域的转 Hd1(se1)/AB041838 Yano 等 2000
录因子，突变体晚开花
CRY1 and 2 (CRYPTOCHROME 蓝光 /UV 光受体 OsCRY1/AB024337, BAB70686； Matsumoto 等 2003
1 and 2) OsCRY2/AJ298877, BAB70688
ESD4 (EARLY IN SHORT DAYS 4) S U M O 蛋白酶，突变体早开花 水稻ESD4 同源基因 /NP_918865,
ABF95887, ABF96554
ELF3 (EARLY FLOWERING 3) 核蛋白，生物节律钟组分 OsELF3/ XP_493738,
F C A R N A 结合蛋白，A B A 受体 OsFCA/4 种转录本形式 Lee 等 2005
AY274928, AY311343, AY311344,
AY331574
F D 含碱性亮氨酸拉链蛋白(bZIP) 没有水稻同源基因
结构域的转录因子，突变体
晚开花
FKF1 (FLAVIN-BINDING, 可能的蓝光受体 水稻 FKF1 同源基因 /AK100677
KELCH REPEAT, F-BOX 1)
FT (FLOWERING LOCUS T) 磷脂酰乙醇胺结合蛋白基因， Hd3a (FT-L2) /AB052944; FTL(FT- Izawa等 2002
开花促进因子 L1)/P0665D10.20, AP002861; RFT1 Kojima 等 2002
(FT-L3) /AB062676; FT-L4~L10/
AP005828, AP004124, OJ99111330,
AL954160, AP003105, AP003076,
AP004070
F Y 多聚腺苷化因子，含 G- 蛋白 水稻 FY 同源基因 /BAD87887
和 b W D 4 0 重复序列保守域，
突变体晚开花
GI (GIGANTEA) 含有跨膜结构域新的核蛋白， OsGI/AJ133787 Hayama 等 2002
突变体晚开花
LHY (LATE ELONGATED 含 MYB 结构域的转录因子， OsLHY (OsCOC1)/ XM_480189,
HYPOCOTYL) 生物节律钟组分 AK104073
PHY A~E (PHYTOCHROME A~E) 红光/远红光受体 OsPHYA-C/AB109891, AB109892, Takano 等 2005
AF141942
SOC1 (SUPPRESSOR OF 含 MYB 结构域的转录因子， OsMADS50/AY332476 Lee 等 2004
OVEREXPRESSION OF 开花促进因子
CONSTANS 1)/AGL20
TFL2 (TERMINAL FLOWER 2) 染色质结合蛋白，开花的抑制 Hd3a (FT-L2)/AB052944; FTL Izawa等 2002
因子 (FT-L1)/P0665D10.20, AP002861; Kojima 等 2002
RFT1 (FT-L3)/AB062676
TOC1 (TIMING OF CAB 1)/ 伪应答调节蛋白域的核定位转 OsPRR1/AB189038;
AtPRR1, APRR9, APRR7, 录因子，生物节律钟组分 OsPRR37,73/AB189042, AB189043; Murakami 等 2005
APRR5, APRR3 OsPRR59,95/AB189041
ZTL (ZEITLUPE) 可能的蓝光受体 水稻 FKF1 同源基因 /AK100677
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P H Y C 的表达比 PHYA 和 B 的表达弱，且在光和
暗下表达没有区别(Basu等2000; Dehesh等1991)。
第2类是隐花色素(cryptochromes)，主要吸收蓝
光和紫外光，又称为蓝光受体，它是一种可溶的
黄素蛋白(flavoproteins)，在生物界广泛存在，在
拟南芥中由 CRY1(CRYPTOCHROME)和 CRY2 基
因所编码。长日照条件下 CRY2 基因能促进拟南
芥开花。水稻中也克隆到与拟南芥隐花色素同源
的OsCRY1 和 OsCRY2，且功能与拟南芥的同源基
因比较接近。拟南芥中超表达水稻 OsCRY1 基因
后，蓝光抑制其幼苗下胚轴伸长的程度远比野生
型明显，但红光和远红光对下胚轴伸长的抑制不
明显(Matsumoto等 2003); 水稻 OsCRY2的功能还
未见报道。第3类是向光蛋白(phototropin)，由
Phototropin 1和Phototropin 2组成，主要表现在
对蓝光依赖的向光性反应，影响叶绿体的运动和
气孔开闭，尚未见与开花时间有关的报道。这 2
个蛋白在水稻中都由相应的基因编码，但基因克
隆和功能研究未见报道。此外，最近在拟南芥中
又鉴定了 3 个蛋白即 FKF1、LKP2 和 ZTL，它们
的 PAS 信号响应组件氨基酸序列与向光蛋白发色
团(chromophore)的结合位点(LOV)氨基酸序列有较
高的同源性。拟南芥中的 FKF1、LKP2 和 ZTL 3
个蛋白功能与向光蛋白的功能有一定区别，它们
都能影响开花时间和生物钟节律，表明它们可能
属于光受体的第 4 个成员。在水稻中有拟南芥
FKF1、LKP2 和 ZTL 基因的同源序列存在，分别
为 Os11 g 3 4 4 6 0 ( A K 0 6 5 3 6 9 )、BA D 5 3 8 7 3
(AK111850)和 BAD38049 (没有全长 cDNA 和
EST )，但上述基因的功能尚未见报道。
2 生物节律钟
光受体(PHYA-E 和 CRY1、2)负责将光信号传
递给生物节律钟，由生物节律钟产生节律振荡信
号。所谓的生物节律钟是指在生物体中能够产生
以接近24 h为一个周期的生物节律自发机制。拟
南芥中生物节律钟的核心部分主要由 2 个 MYB 蛋
白 L H Y 、C C A 1 和一类拟南芥伪应答调节蛋白
APRRs (Arabidopsis Pseudo-Response Regulators)
小家族组成。LHY 和 CCA1 蛋白氨基酸序列具有
较高的同源性，它们的基因表达水平和蛋白水平
是昼夜变化的。AP R R s 包括 AP R R 9、A P R R 7、
APRR5、APRR3 和 APRR1/TOC1 等同源蛋白，它
们各自的基因表达水平和蛋白水平也是昼夜变化
的，并且这类基因表达变化是按照 A P R R 9 →
APRR7 → APRR5 → APRR3 → APRR1/TOC1 顺序
依次传递的(Matsushika等2000)。生物钟的节律
变化就是基于上述 LHY、CCA1 和 APRRs 转录和
翻译水平的昼夜变化。TOC1/APRR1 是 APRRs 中
研究最为清楚的蛋白，已经知道的事实是：清晨
时 LHY 和 CCA1 表达水平达到最高峰，白天开始
时LHY 和 CCA1 的蛋白量逐渐增加(有实验表明光
能促进LHY蛋白翻译)(Kim等 2003)。由于 LHY和
CCA1 蛋白能和 TOC1 基因启动子区域的夜晚组件
(EE, the evening element, AAATATCT)结合，并抑
制 TOC1 基因表达，所以在白天 TOC1 蛋白表达
量逐渐减少，而 TOC1 是 LHY 和 CCA1 基因表达
所必须的促进因子，所以 LHY 和 CCA1 基因的表
达量随着下调；到夜晚时分，LHY 和 CCA1 蛋白
量减少到最低程度，从而可解除对 TOC1 基因表
达的抑制作用。在夜里，由于 TOC1 基因表达上
调，T O C 1 蛋白量逐渐升高，再次启动 L H Y 和
CCA1 基因的表达，因而凌晨时 mRN A 表达水平
达到最高峰，从而进入下一个循环(周期)(图 2)。
正是基于这种转录和翻译水平的反馈调节机制，
拟南芥生物节律钟在光受体调节下呈昼夜周期性的
同步振荡变化。最近的研究还发现另外一个基因
ELF4也可能是这个反馈抑制系统的一个成员，功
能接近于 TOC1，并且在 ELF4 启动子区域也有 EE
组件(Doyle 等 2002)。水稻全基因组序列检索表
明，水稻中只有一个拟南芥 LHY 和 CCA1 同源基
因OsLHY (又称 OsCOC1, AK104073)，其基因表
达变化和拟南芥LHY和 CCA1基因的表达变化一样
具有节律周期性(Izawa等2002)。水稻中也有一个
同源基因家族对应于拟南芥节律钟的另外一个组成
部分 APRRs。它们是 OsPRR73 (OsPRR37)、
OsPRR95 (OsPRR59)和 OsPRR1，表达节律的变
化是由 O s P R R 7 3 ( O s P R R 3 7 )→ O s P R R 9 5
(OsPRR59)→ OsPRR1 依次传递的(Murakami 等
2005)。
3 响应长、短日照的节律调节基因和下游开花时
间基因
日照长短不仅控制节律调节基因的转录本和
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蛋白水平，而且还影响着节律调节基因对下游开
花时间基因的表达调控，这些下游开花时间基因
包括成花途径整合因子、花序分生组织基因和花
器官基因，所以节律调节基因及其下游开花时间
基因是植物光周期途径中响应日照长短的主要组
件。拟南芥和水稻作为长、短日照的 2 种代表性
模式植物，它们开花时间的光周期途径之不同，
主要也就体现在长、短日照对它们各自的节律调
节基因和下游开花时间基因表达调控的区别。
3.1 拟南芥中节律调节基因和下游开花时间基因
的相互作用 拟南芥中，生物节律钟将节律信号
传递给下游一些控制开花的关键基因，这些基因
在生物节律钟和下游开花时间基因之间起信号传递
的桥梁作用(Levy 和 Dean 1998)。拟南芥 CO
(CONSTANS)是第一个鉴定的受节律调节且影响开
花时间基因。拟南芥co突变体在长日照条件下晚
开花，而在短日照下开花时间不受影响，说明长
日照条件下CO是拟南芥开花的促进基因(Putterill
等 1995)。CO 编码一个含 CCT 结构域的转录因
子，它直接作用的靶基因是 FT，FT 是一个成花
途径整合因子基因。最近的研究证明，长日照下
CO 通过上调 FT 基因表达，进而促进 SOC1 基因
mRNA积累并促进开花(Suarez-Lopez等2001; Yoo
等 2005)。生物节律钟调控CO基因转录本呈昼夜
节律性变化，拟南芥中 CO 基因 mRN A 的节律变
化是日照长度调节拟南芥开花的分子基础(图 3)。
短日照下 CO 的转录本峰值出现在黑夜阶段，而
长日照下 CO 的转录本峰值则出现在黄昏时。由
于 CO 蛋白是不稳定的，所以拟南芥体内 CO 蛋白
水平的峰值基本上是紧跟着CO基因转录本峰值出
现的。Suarez-Lopez等(2001)在实验中还注意到，
CO基因翻译需要光信号存在，也就是说在夜晚没
有光照条件下 CO 蛋白不会随 CO 转录本的积累而
积累。因此，短日照下黄昏时的 CO 蛋白积累量
很低，直到午夜时 C O 基因转录本才达到高峰，
所以 CO 蛋白维持在较低水平，因而使 FT 基因表
达量较低。而在长日照下，由于黄昏时的 CO 基
因转录本积累量最多，并且此时有光照，所以CO
蛋白峰值相对较高，因而FT转录本的量也有一个
较高的峰值。长日照下拟南芥FT基因表达峰值比
在短日照下要高得多，所以长日照下开花时间比
短日照下早，这也是为什么拟南芥co突变体只在
长日照下表现明显晚开花表型的原因。拟南芥的
FT基因在哺乳动物和酵母中的同源基因称之为磷
图2 拟南芥中生物节律钟的转录/翻译的反馈调节机制(Putterill等2004)
　　左侧白色背景部分为光照的白天，右侧灰色背景部分为没有光照的黑夜。节律钟组分蛋白或基因右侧的箭头表示蛋白或基因
转录本水平的上调(向上指的箭头)或下调(向下指的箭头)。节律钟组分蛋白或基因两两之间带箭头的线条表示正调节，T 型线条
表示负调节。
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脂酰乙醇胺结合蛋白(phosphatidyl ethanolamine-
binding protein, PEBP)基因。PEBP 蛋白是一个很
大的家族，它们主要起抑制哺乳动物中某些酶如
Raf激酶和凝血酶(thrombin)，以及抑制酵母中羧
肽酶Y (carboxypeptidase Y)和Ras鸟苷酸三磷酸酶
活化蛋白(Rat sarcoma GTPase-activating protein,
Ras GAP)活性的作用(Bruun等1998; Yeung等1999;
Hengst等 2001)。拟南芥FT是开花的一个促进因
子(promotor)，而 FT 的同源基因TFL1 则是拟南
芥开花的抑制因子(suppressor)。Abe等(2005)的
研究证明，拟南芥中的 FT 和 TFL1 能与一个带碱
性亮氨酸拉链蛋白(basic region-leucine zipper, b-
ZIP)结构域的转录因子蛋白FD相互作用，并随之
结合在一些花器官决定基因(floral organ identity
genes)启动子区域(如AP1等)以不同的方式调控拟
南芥开花时间。Ahn 等(2006)的实验表明，FT 和
TFL1蛋白的晶体结构存在一定差异，并且这种差
异可能是它们在开花过程中起不同作用的主要原
因。开花素(florigen)学说是植物生理学中的经典
假说，这个假说认为在合适的光周期诱导下，植
物叶中产生某种促进开花的物质(开花素)，此物
质通过输导组织转移到茎顶端分生组织中，促进
开花。多年来对开花素的分析与鉴定，并未能得
到肯定的结果，但Huang等(2005)和Abe等(2005)
的实验揭示拟南芥叶片中表达的FT很可能就是拟
南芥的“开花素”。拟南芥接受合适的光周期诱
导后，FT 的转录本(mRNA)从叶片移动到顶端组
织，翻译后的 FT 蛋白与前面提到的 FD 蛋白(FD
基因是在顶端分生组织中特异表达的)相互作用，
共同促进下游成花基因的表达，从而促进开花
(Abe等2005; Wigge等2005)(图4)。
图3 长、短日照条件下拟南芥CO和 FT基因的表达
模式(Searle和Coupland 2004)
　　a 为短日照条件，b 为长日照条件。在短日照条件下 CO 基
因转录本(m R N A )在午夜时达到最高峰，CO 基因翻译需要光
照，所以在短日照下，C O 蛋白水平较低，因而 F T 基因转录
水平较低，于是抑制拟南芥开花。而在长日照条件下，C O
基因转录本在黄昏时达到最高峰，但此时还有光照，所以长
日照下的 C O 蛋白水平较高，因而 F T 基因 m R N A 水平较高，
于是促进拟南芥开花。
图4 FT运输和作用的机制(Baurle和Dean 2006)
　　FT 通过维管束运输到茎顶端生长点，FT 蛋白和 FD 共同
相互作用调控 AP1 基因的表达。FLC 是春化途径和自发途径中
的关键基因，在叶片中抑制 FT 表达，在茎顶端生长点抑制 FD
和 SOC1 的表达。AP1 和 SOC1 是拟南芥开花的促进基因。基
因之间，带箭头的线条表示正调节，T 型线表示负调节，问
号表示其间关系尚未得到证明。
最近的研究证明，拟南芥光周期途径中 C O
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基因的上游至少还有另外 3 个受节律调节的基因
GI、ELF3和FKF1 (Liu等2001; Imaizumi等2003;
Mizoguchi 等 2005)，它们共同调控着CO 基因的
转录和翻译，但 3 个基因之间是平行关系还是上
下游关系还不清楚。GI基因编码一个含多个跨膜
结构但生化功能未知的蛋白，亚细胞定位表明其
为一个核蛋白。拟南芥 gi 突变体表现为晚开花，
并且检测发现突变体中 CO 基因的表达明显受抑
制。GI 位于节律钟和 CO 之间，是 CO 的促进基
因，它通过上调 CO 和 FT 基因的表达而促进拟南
芥开花；另外，GI 还可能以某种间接的形式调
节拟南芥的生物节律钟(Mizoguchi等2005)。ELF3
是一个新的核定位蛋白，ELF3基因转录本的积累
具昼夜节律性。拟南芥 elf3 突变体明显早开花，
并且突变体中 CO 转录水平在任何时期都高很多，
所以ELF3 基因是 CO 表达的抑制基因。体外酵母
双杂交实验表明，ELF3蛋白能和远红光受体蛋白
PHYB相互作用。双突变体(elf3/phyB)的遗传分析
表明，在拟南芥早期形态发生过程中的 ELF3 是
PHYB 信号传导过程中所必需的，但不是 PHYB 影
响开花时间途径所必需的。在elf3突变体中，GI
基因表达被上调，这表明 ELF3 基因也可能是 GI
的抑制基因(Fowler 等 1999)。前面提到的 FKF1
(FLAVIN-BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX)可
能是一个光周期调节的蓝光受体，它的表达受生
物周期节律钟调节，并且FKF1能和光信号共同调
控 CO 的转录，从而影响开花时间(Imaizumi 等
2003)。最近的工作还证明，FKF1是和一个含Dof
保守域的转录因子 CDF1 共同起作用而调节 CO 的
表达。FKF1 能和 CDF1 相互作用，在 fkf1 突变
体中 CDF1 蛋白更稳定。CDF1 可结合在 CO 基因
启动子上并抑制其表达(Imaizumi等2005)。
3.2 水稻中节律调节基因和下游开花时间基因对
开花时间的调控 水稻是典型的短日照植物，短
日照促进水稻开花特性显示出水稻和拟南芥在开花
机制上可能有一定的区别。有些实验室根据水稻
品种‘Nipponbare’和‘Kasalath’抽穗时间差
异，在水稻中确定了大约有14个与抽穗时间有关
的数量性状位点(quantitative trait locus, QTLs)，
分别为Hd1~Hd14 (Yano等2000; Takahashi等2001;
Kojima 等 2002)(图 5)。其中 Hd1、Hd3a 和 Hd6
位点的基因已克隆，它们分别是拟南芥的 C O 、
FT 和 CK2 的 a 亚基基因的同源基因，也是水稻
光周期途径中的基因。
超表达Hd3a基因的转基因水稻表现为明显的
早开花，这说明 Hd3a 和其拟南芥的同源基因 FT
图5 QTL定位中所用的材料和方法以及水稻开花时间控制QTL位点在水稻染色体上的分布(Yano等2001)
　　a，作图群体是水稻品种‘Nipponbare’和‘Kasalath’的杂交后代。采用 F2、BC1F 5、BC3F 2 和 BC 4F 2 群体进行 QTL 作
图。采用进一步的回交后代精细作图并选择近等基因系。b，开花时间控制 QTL 位点(Hd1~Hd14)在标注高密度 RFLP 连锁图谱
中染色体上的位置。
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功能基本相同，都是开花的促进因子。拟南芥FT
基因表达是受 CO 所调控的，但只有在长日照下
CO 才上调 FT 的表达；水稻的原生质体瞬间表达
实验证明Hd3a的表达确实也是受Hd1直接调控的
(Yano等 2000)。在 Hd1功能缺失的水稻近等基因
系或突变体se1中，长日照下的Hd3a转录本上调
表现为早开花，短日照下的Hd3a转录本下调表现
为晚开花，这说明 Hd1 在长日照和短日照条件下
所起的功能可能是完全相反的(Kojima 等 2002;
Izawa 等 2002)。
在水稻光周期敏感突变体se5 (photoperiod sen-
sitivity 5，突变基因编码一个血红素加氧酶)中，
由于突变体的光敏色素发色基团缺失，以致此突
变体对日照长短变化没有响应，它在长、短日照
下都早开花；表达分析显示，OsGI 基因以极其
低的水平表达，这说明OsGI在水稻开花途径中起
非常重要的作用(Hayama 等 2002)。OsGI 基因的
RNAi转基因植株在长日照下早开花，而在短日照
下则晚开花；Lin等(2000)和Izawa等(2000)的实
验也表明，在长日照下水稻 hd1 突变体开花要比
野生型的早得多，并且突变体内有大量Hd3a基因
转录本的积累，这可能是：水稻 OsGI 促进 Hd1
基因表达，长日照下 Hd1 基因抑制 Hd3a 基因表
达，因而导致水稻晚开花，而短日照条件下 Hd1
基因则促进 Hd3a 基因表达，以致水稻早开花(图
6)。
综上所述，Hd3a 在长、短日照日照条件下
都是水稻开花的促进基因，Hd3a基因的表达是受
Hd1 调控的；水稻在长、短日照下之所以开花时
间有差异可能是长、短日照下 Hd1 所起的作用不
同决定的(图 6 )。但控制水稻开花时间过程中
Hd3a的表达并不是总是受Hd1 的直接调控，在水
稻暗期中断实验中观察到，当在黑夜里给予水稻
短暂的光照(10 min)后会明显推迟水稻开花。表达
分析表明，暗期中断处理仅仅下调 Hd3a 的表达，
并不影响Hd1和 OsGI的表达。而经暗期中断处理
的phyB、hd1 双突变体，则不起推迟开花时间的
作用。所以暗期中断实验中的Hd3a基因表达可能
图6 拟南芥和水稻光周期途径中的基因之间关系比较(Izawa等2003)
　　左图是长日照下拟南芥光周期途径，右图是长、短日照下水稻光周期途径。水稻中只有 Hd1、Hd3 a、OsG I 和 SE5 等基因
的功能有遗传学证据。?表示其他在水稻中还未确定有功能的拟南芥同源基因如 CRYs、TOC1 ( OsPR Rs)、ELF 3、ZTL、FKF1
和 S O C 1 等。带箭头的线条表示正调节，T 型线条表示负调节，带问号的线条表示其间关系尚未得到证明。
植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月 1029
是不受 H d 1 影响的，而是受 P H Y B 的直接调控
(Ishikawa等2005)。
在水稻光周期途径中影响Hd3a基因以及FT-
like同源基因表达的基因还有Ehd1基因。Ehd1基
因也是作为一个控制开花的 Q T L 得到克隆的。
Ehd1基因编码水稻一个B类型的应答调节因子B-
RRs (B-type Response Regulators)，此因子蛋白N
端有一个接受子保守域(receiver domain)，中间有
一个 GARP DNA 结合域。拟南芥的应答调节因子
除了B类型的以外还有A类型(A-type RRs)和伪应
答调节蛋白(pseudo-RRs)。B和A类型的应答调节
因子都是拟南芥中的激素(主要是细胞分裂素、乙
烯)双组份信号级联传递过程(two-component or
His-to-Asp phosphorelay signaling cascades)中的重
要成员。A 类型 RR 是 B 类型 RR 基因表达的反馈
抑制基因。而伪应答调节蛋白就是拟南芥生物节
律钟的重要成员 APRRs。尽管 APRRs 经证明与植
物开花和节律有关，但还未见 A 和 B 类型的 RRs
影响拟南芥开花时间或节律的报道。另外，水稻
Ehd1和 OsPRRs (如 OsPRR1)的功能也不同，Ehd1
功能缺失的近等基因系中 OsPRR1 所调节的基因
OsLHY 的表达并不发生明显变化。作为水稻 B 类
型RR的Ehd1，可能和拟南芥B类型的RR(如ARR1)
功能存在一定区别，并且Ehd1所影响的开花时间
途径在拟南芥中有可能是不存在的。已有数据表
明，短日照下 Ehd1 可以不依赖 Hd1 作用，它可
促进下游 FT 类似的基因(Hd3a、RFT1、FTL 和
F T - L 9 ) 和一些花器官决定基因 M A D S 基因
(OsMADS1、OsMADS14 和 OsMADS15 等)的表
达，从而促进水稻开花。所以认为 Ehd1 和 Hd1
不存在上下游关系，它们的功能是平行的。预测
分析表明，在 Hd3a 和 FT 类似基因的启动子区域
可能有 Ehd1 的 DNA 结合位点，所以 Ehd1 可能直
接调节 Hd3a 和 FT 类似基因表达而调控开花时间
(Doi 等 2004)。另外值得一提的是，水稻另外一
个水稻开花时间的光周期途径中 QTL 位点 Hd2，
此位点基因也不依赖 Hd1。由于 Hd2 位点是位于
第 7 染色体上，而 Ehd1 基因则是位于第 10 染色
体上，所以它们不是同一个基因。Ehd1 所在的
途径是水稻光周期途径特有的，目前尚无Ehd1上
游基因的报道。如果Ehd1基因上游基因及其调控
机制得以阐明，则是水稻光周期途径研究中的又
一个突破。
4 结语
拟南芥开花时间控制基因和途径的研究已为
水稻开花时间控制研究描绘出了一个比较清晰的研
究框架。随着水稻基因组测序的完成和水稻全长
cDNA 数据的完善，人们发现拟南芥的开花控制
基因大部分在水稻基因组中都可以找到同源基因。
因此，可以采用反向遗传学手段，如反义、RNAi
(双链 RNA 干涉)和超表达等技术研究这些同源基
因在水稻中所起的功能，并与拟南芥中同源基因
功能进行比较。由于水稻和拟南芥的开花时间控
制过程存在差异，如拟南芥有春化现象而水稻中
没有，以及某些开花时间控制基因在水稻中是特
异存在的(如Ehd1等)，所以在进行同源基因的反
向遗传学研究以外，还要进行正向遗传学的研
究，即构建大规模的水稻突变体库，并鉴定出开
花时间变异的突变体和影响开花时间的突变基因，
并对水稻中的这些特异存在的新基因功能进行深入
研究。
水稻光周期途径的研究虽然已经取得了比较
大的进展，但是仍然有很多问题有待解决，例
如，水稻光受体的功能很少见报道，生物节律钟
的功能鉴定几乎是空白。另外，到目前为止，对
水稻Hd1为何在长短日照下有不同功能还没有一个
很完美的解释。拟南芥FT可能就是经典植物生理
学中的“开花素”基因，其转录本能从叶传输
到茎顶端分生组织。而水稻中 FT 有 11 个同源家
族成员，它们是如何分工的？Hd3a和RFT-like基
因不仅受 Hd1 调控，还受水稻中特有的光周期开
花控制基因Ehd1的调控，其调控方式如何？所有
这些问题若能得到解决，将不仅有助于完善控制
水稻开花时间过程的认识，而且还对水稻生产有
一定的指导意义。
参考文献
雍伟东, 种康, 许智宏, 谭克辉, 朱自清(2000). 高等植物开花时间
决定的基因调控研究. 科学通报, 45 (5): 455~466
Abe M, Kobayashi Y, Yamamoto S, Daimon Y, Yamaguchi A,
Ikeda Y, Ichinoki H, Notaguchi M, Goto K, Araki T (2005).
FD, a bZIP protein mediating signals from the floral path-
way integrator FT at the shoot apex. Science, 309 (5737):
1052~1056
植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月1030
Ahn JH, Miller D, Winter VJ, Banfield MJ, Lee JH, Yoo SY, Henz
SR, Brady RL, Weigel D (2006). A divergent external loop
confers antagonistic activity on floral regulators FT and
TFL1. EMBO J, 25 (3): 605~614
Basu D, Dehesh K, Schneider-Poetsch HJ, Harrington SE, McCouch
SR, Quail PH (2000). Rice PHYC gene: structure, expression,
map position and evolution. Plant Mol Biol, 44 (1): 27~42
Baurle I, Dean C (2006). The timing of development transitions
in plants. Cell, 125 (4): 655-664
Bruun AW, Svendsen I, Sorensen SO, Kielland-Brandt MC, Winther
JR (1998). A high-affinity inhibitor of yeast carboxypepti-
dase Y is encoded by TFS1 and shows homology to a family
of lipid binding proteins. Biochemistry, 37 (10): 3351~3357
Dehesh K, Tepperman J, Christensen AH, Quail PH (1991). phyB
is evolutionarily conserved and constitutively expressed in
rice seedling shoots. Mol Gen Genet, 225 (2): 305~313
Doi K, Izawa T, Fuse T, Yamanouchi U, Kubo T, Shimatani Z, Yano
M, Yoshimura A (2004). Ehd1, a B-type response regulator
in rice, confers short-day promotion of flowering and con-
trols FT-like gene expression independently of Hd1. Genes
Dev, 18 (8): 926~936
Doyle MR, Davis SJ, Bastow RM, McWatters HG, Kozma-Bognár
L, Nagy F, Millar AJ, Amasina RM (2002). The ELF4 gene
controls circadian rhythms and flowering time in Arabidopsis
thaliana. Nature, 379 (6902): 694~699
Fowler S, Lee K, Onouchi H, Samach A, Richardson K, Morris B,
Coupland G, Putterill J (1999). GIGANTEA: a circadian
clock-controlled gene that regulates photoperiodic flower-
ing in Arabidopsis and encodes a protein with several possible
membrane-spanning domains. EMBO J, 18 (17): 4679~4688
Garner WW, Allard HA (1920). Effect of the relative length of day
and night and other factors of the environment on growth
and reproduction in plants. J Agr Res, 18: 553~606
Hayama R, Izawa T, Shimamoto K (2002). Isolation of rice genes
possibly involved in the photoperiodic control of flowering
by a fluorescent differential display method. Plant Cell
Physiol, 43 (5): 494~504
Hengst U, Albrecht H, Hess D, Monard D (2001). The phosphati-
dylethanolamine-binding protein is the prototype of a novel
family of serine protease inhibitors. J Biol Chem, 276 (1):
535~540
Huang T, Böhlenius H, Eriksson S, Parcy F, Nilsson O (2005). The
mRNA of the Arabidopsis gene FT moves from leaf to shoot
apex and induces flowering. Science, 309 (5741): 1694~1696
Imaizumi T, Tran HG, Swartz TE, Briggs WR, Kay SA (2003).
FKF1 is essential for photoperiodic-specific light signaling
in Arabidopsis. Nature, 426 (6964): 302~306
Imaizumi T, Schultz TF, Harmon FG, Ho LA, Kay SA (2005).
FKF1 F-box protein mediates cyclic degradation of a repres-
sor of CONSTANS in Arabidopsis. Science, 309 (5732):
293~297
Ishikawa R, Tamaki S, Yokoi S, Inagaki N, Shinomura T, Takano
M (2005). Suppression of the floral activator Hd3a is the
principal cause of the night break effect in rice. Plant Cell,
17 (12): 3326~3336
Izawa T, Oikawa T, Sugiyama N, Tanisaka T, Yano M, Shimamoto
K (2002). Phytochrome mediates the external light signal
to repress FT orthologs in photoperiodic flowering of rice.
Genes Dev, 16 (15): 2006~2020
Izawa T, Takahashi Y, Yano M (2003). Comparative biology
comes into bloom: genomic and genetic comparison of flow-
ering pathways in rice and Arabidopsis. Curr Opin Plant Biol,
6 (2): 113~120
Kim J-Y, Song H-R, Taylor BL, Carre IA (2003). Light-regulated
translation mediates gated induction of the Arabidopsis clock
protein LHY. EMBO J, 22 (4): 935~944
Kojima S, Takahashi Y, Kobayashi Y, Monna L, Sasaki T, Araki
T, Yano M (2002). Hd3a, a rice ortholog of the Arabidopsis
FT gene, promotes transition to flowering downstream of
Hd1 under short-day conditions. Plant Cell Physiol, 43 (10):
1096~1105
Komeda Y (2004). Genetic regulation of time to flower in
Arabidopsis thaliana. Annu Rev Plant Biol, 55: 521~535
Kyozuka J, Shimamoto K (2002). Ectopic expression of OsMADS3,
a rice ortholog of AGAMOUS, caused a homeotic transforma-
tion of lodicules to stamens in transgenic rice plants. Plant
Cell Physiol, 43 (1): 130~135
Lee JH, Cho YS, Yoon HS, Suh MC, Moon J, Lee I, Weigel D, Yun
CH, Kim JK (2005). Conservation and divergence of FCA
function between Arabidopsis and rice. Plant Mol Biol, 58
(6): 823~838
Lee S, Kim J, Han JJ, Han MJ, An G (2004). Functional analyses
of the flowering time gene OsMADS50, the putative SUP-
PRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO 1/AGAMOUS-
LIKE 20 (SOC1/AGL20) ortholog in rice. Plant J, 38 (5):
754~764
Levy YY, Dean C (1998). The transition to flowering. Plant Cell,
10 (12): 1973~1990
Lin HX, Yamamoto T, Sasaki T, Yano M (2000). Characterization
and detection of epistatic interactions of three QTLs, Hd1,
Hd2 and Hd3, controlling heading date in rice using nearly
isogenic lines. Theor Appl Genet, 101: 1021~1028
Liu XL, Covington MF, Fankhauser C, Chory J, Wagner DR
(2001). ELF3 encodes a circadian clock-regulated nuclear
protein that functions in an Arabidopsis PHYB signal trans-
duction pathway. Plant Cell, 13 (6): 1293~1304
Matsumoto N, Hirano T, Iwasaki T, Yamamoto N (2003).
Functional analysis and intracellular localization of rice
cryptochromes. Plant Physiol, 133 (4): 1494~1503
Matsushika A, Makino S, Kojima M, Mizuno T (2000). Circadian
waves of expression of the APRR1/TOC1 family of pseudo-
response regulators in Arabidopsis thaliana: insight into the
plant circadian clock. Plant Cell Physiol, 41 (9): 1002~1012
Mizoguchi T, Wright L, Fujiwara S, Cremer F, Lee K, Onouchi H,
Mouradov A, Fowler S, Kamada H, Putterill J, Coupland G
(2005). Distinct roles of GIGANTEA in promoting flowering
and regulating circadian rhythms in Arabidopsis. Plant Cell,
17 (8): 2255~2270
植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月 1031
Moon YH, Kang HG, Jung JY, Jeon JS, Sung SK, An G (1999).
Determination of the motif responsible for interaction be-
tween the rice APETALA1/AGAMOUS-LIKE9 family pro-
teins using a yeast two-hybrid system. Plant Physiol, 120
(4): 1193~1204
Murakami M, Matsushika A, Ashikari M, Yamashino T, Mizuno
T (2005). Circadian-associated rice pseudo response regula-
tors (OsPRRs): insight into the control of flowering time.
Biosci Biotechnol Biochem, 69 (2): 410~414
Prasad K, Parameswaran S, Vijayraghavan U (2005). OsMADS1,
a rice MADS-box factor, controls differentiation of specific
cell types in the lemma and palea and is an early-acting
regulator of inner floral organs. Plant J, 43 (6): 915~928
Putterill J, Robson F, Lee K, Simon R, Coupland G (1995). The
CONSTANS gene of Arabidopsis promotes flowering and
encodes a protein showing similarities to zinc finger tran-
scription factors. Cell, 180 (6): 847~857
Putterill J, Laurie R, Macknight R (2004). It’s time to flower: the
genetic control of flowering time. BioEssays, 26 (4):
363~373
Searle L, Coupland G (2004). Induction of flowering by seasonal
changes in photoperiod. EMBO J, 23: 1217~1222
Suarez-Lopez P, Wheatley K, Robson F, Onouchi H, Valverde F,
Coupland G (2001). CONSTANS mediates between the cir-
cadian clock and the control of flowering in Arabidopsis.
Nature, 410 (6832): 1116~1120
Takahashi Y, Shomura A, Sasaki T, Yano M (2001). Hd6, a rice
quantitative trait locus involved in photoperiod sensitivity,
encodes the alpha subunit of protein kinase CK2. Proc Natl
Acad Sci USA, 98 (14): 7922~7927
Takano M, Inagaki N, Xie X, Yuzurihara N, Hihara F, Ishizuka T,
Yano M, Nishimura M, Miyao A, Hirochika H, Shinomura T
(2005). Distinct and cooperative functions of phytochromes
A, B, and C in the control of deetiolation and flowering in rice.
Plant Cell, 17 (12): 3311~3325
Thomas B, Vince-Prue D (1997). Photoperiodism in Plants.
London: Academic Press
Wigge PA, Kim MC, Jaeger KE, Busch W, Schmid M, Lohmann
JU, Weigel D (2005). Integration of spatial and temporal
information during floral induction in Arabidopsis. Science,
309 (5737): 1056~1059
Yano M, Katayose Y, Ashikari M, Yamanouchi U, Monna L, Fuse
T, Baba T, Yamamoto K, Umehara Y, Nagamura Y, Sasaki
T (2000). Hd1, a major photoperiod sensitivity quantitative
trait locus in rice, is closely related to the Arabidopsis
flowering time gene CONSTANS. Plant Cell, 12 (12): 2473~
2484
Yano M, Kojima S, Takahashi Y, Lin HX, Sasaki T (2001). Genetic
control of flowering time in rice, a short-day plant. Plant
Physiol, 127 (4): 1425~1429
Yeung KC, Rose DW, Dhillon AS, Yaros D, Gustafsson M,
Chatterjee D, McFerran B, Wyche J, Kolch W, Sedivy JM
(2001). Raf kinase inhibitor protein interacts with NF-
kappaB-inducing kinase and TAK1 and inhibits NF-kappaB
activation. Mol Cell Biol, 21 (21): 7207~7217
Yeung K, Seitz T, Li S, Janosch P, McFerran B, Kaiser C, Fee F,
Katsanakis KD, Rose DW, Mischak H et al (1999). Suppres-
sion of Raf-1 kinase activity and MAP kinase signalling by
RKIP. Nature, 401 (6749): 173~177
Yoo SK, Chung KS, Kim J, Lee JH, Hong SM, Yoo SJ, Yoo SY, Lee
JS, Ahn JH (2005). Constans activates suppressor of
overexpression of constans 1 through flowering locus T to
promote flowering in Arabidopsis. Plant Physiol, 139 (2):
770~778