科学新发现！日照长短对植物种子的生长发育有什么影响？

出品：科普中国

作者：胡一龙（中国科学院华南植物园）

(资料图)

监制：中国科普博览

哲学家说，世界上没有两片相同的树叶。

植物学家说，你永远也找不到两颗完全相同的种子。

不同物种的种子在外形、大小、颜色和营养成分等方面差异巨大，同一物种的种子也存在差异，而造成这些变化的原因是环境变化和基因变异。

这些大大小小的差异之中，最直观的，就是种子的大小了。就算你没有务农的经验，两颗不同的种子放在你面前，我想你也一定能判断出，粒大饱满的才是好种子！

在作物驯化的几千年中，包括水稻、大豆、玉米等在内的几大重要粮食作物的人工驯化，都经历了种子由小变大的过程。此外，种子里面的营养物质为种子萌发提供能量，粒大、饱满的种子能够更好的萌发，从而保证生命得以顺利传承。

那么怎样才能培育出又大又饱满的优质种子呢？

田里成熟的麦穗

（图片来源：Veer图库）

植物的生长调节剂——光周期

地球自转带来了一天之中白天和黑夜的交替变化，而地球绕太阳公转带来了一年四季日照时长的变化，这种一天24小时内的光照期和黑暗期时长的交替变化被称为光周期。

光周期是自然界中最稳定的环境因子，一年之中的夏至和冬至分别是光照时间最长和最短的两天。地球上的生物可通过光周期感知季节变化，在最适宜的季节完成生长发育和繁衍生息，人们也根据四季变化进行各项农业生产活动。

在农业生产中，人们最为关注的是植物开花时间对光周期的响应。根据开花诱导的日照时长，植物可分为长日照诱导开花的长日照植物，短日照诱导开花的短日照植物，除此之外，还有中日照植物，以及对光周期不敏感的日中性植物。

多年来，人们对光周期影响植物开花以及其背后的分子机制已有较为清晰的认识，但其如何影响花后发育尤其是种子发育仍不清楚。不过，类比先前对花与光周期的研究，产生了这样一个想法：是不是种子的生长，也能根据不同时长的日照进行调节呢？

从种子到发芽

（图片来源：Veer图库）

种子怎样长得又大又饱满？跟晒太阳有关，但不一定要老晒太阳！

其实，植物的种子大小，的确和光周期有着紧密的联系。

近年来，中国科学院华南植物园胡一龙/侯兴亮研究团队聚焦植物种子发育的研究。从环境因素如何影响植物种子大小的角度入手，发现了日照长短（光周期）影响种子大小的普遍性规律。通过研究，我们不仅发现了光周期和种子大小的关系，还找到了在植物中响应光周期的基因——CO基因。那么，具体的实验是怎么进行的呢？

首先，研究者选取了两类具有代表性的光周期特性的植物进行研究，即长日照植物百脉根、豌豆和拟南芥以及短日照植物大豆、红小豆和菜豆。

其实光看这些植物所属的类别，我们不难做出这样的推测：是不是长日照的植物更喜欢太阳，在长日照条件下能长出饱满的种子，而短日照的植物与之相反呢？

事实的确是这样的。通过对这些植物在不同光周期条件下的种子大小进行观测，研究者们发现一种具有普遍性规律的有趣现象，三种长日照植物（百脉根、豌豆和拟南芥）在长日照下产生的种子比短日照下更大，而三种短日照植物（大豆、红小豆和菜豆）则在短日照下产生更大的种子。

现在，我们知道不同的植物有着不同适合生长的光周期。那么问题又来了，是植物中的什么机制在起作用，使得有的植物爱太阳，有的植物没有那么爱呢？

随后，研究者们对长日照植物拟南芥进行深入研究，发现光周期响应因子CO基因在其中发挥了关键作用。当CO基因发生突变时，植株在不同光周期下会产生同样大小的种子。

原来是CO基因的作用，使得植物对不同的光周期有着不同的反应。之后，通过生物信息学、遗传学、分子生物学等方法，研究者们发现CO基因直接抑制转录因子AP2的转录，以光周期依赖的方式调控种子大小。进一步的细胞形态学观察分析发现，CO基因通过增加种皮表皮细胞数目来影响种子大小。

在这之中，还有一个有趣的发现。研究者们发现只有来自母本的CO基因才具有调控种子大小功能，而来自父本的基因对种子大小没有影响。

不仅拟南芥中的CO基因具有这样的调控作用，最后，研究者们进一步在农作物大豆中验证了CO基因具有类似的功能。

CO基因在光周期对种子发育过程中的作用

（图片来源：参考文献[1]）

结语

这下我们就知道了，光周期对于种子发育具有直接调控作用，而且在这个过程中，CO基因起着核心的作用。

还是那句老话，万物生长靠太阳。太阳提供了光与热，植物也依靠太阳来感知季节的变化。有的植物可能比较爱太阳，有的植物可能没那么爱。如果我们摸清环境因子对于种子发育的直接影响，那么我们就更有可能因地制宜，培育出更优质、更饱满的种子，进而培育更强壮、更高产的作物，实现“手中有粮，心中不慌”。

参考文献：

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

编辑：郭雅欣