空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花的分子机理研究

Photoperiod pathway is an essential response mechanism, in which plants adapt to seasonal change and alternation of day and night on earth in order to survive and proliferation. Recently, breakthrough progress in this field has made the growth of some important economic crops free from seasonal and geographical restrictions and achieved great economic benefit. However, many important economic plants still cannot be carried out large-scale production under manual control, because the molecular mechanism of flowering control is unclear. Our knowledge on photoperiod pathway all obtained under the terrestrial environment. Whether the response of plants to photoperiod formed on ground can work in the same way under microgravity remains to be studied. In our pervious space experiments on board SJ-10 recoverable satellite and TG-2 space lab, we have studied the photoperiod response of Arabidopsis thaliana and rice in microgravity. Our results indicated apparent changes on photoperiod responses of plants under microgravity, such as delayed in flowering and slowed down growth rhythm, but molecular mechanism of microgravity on plants is still unknown. Here, we are plan to use the samples of Arabidopsis and rice returned from the space experiment on board SJ-10 experiment to study the effect of microgravity on photoperiod response at the transcriptome level with cDNA microarrays and RNA sequencing. The common points and specificity of flowering control regulation networks of these two important environmental factors will also be analyzed in order to comprehensively and systematically know the effect of microgravity on plant flowering control and provided the direct evidence to uncover the molecular mechanism of photoperiod response of plants under microgravity.

光周期途径是植物适应地球环境得以生存与繁殖不可缺少的反应机制。近年来该领域的突破性进展，使得部分重要经济植物的生长不受季节和地理位置的限制，取得了巨大的经济效益。光周期反应是建立以植物为基础的空间生命生态保障系统必须了解的关键生物学理论之一，但是，目前关于植物光周期反应的知识都是在地球重力环境下获得的。当植物进入空间微重力环境中是否仍然遵循地球重力条件下形成的光周期反应规律仍然不清楚。“实践十号”和“天宫二号”空间实验结果表明微重力对植物的光周期反应有明显的影响，但是，其作用的分子机理尚需进一步研究。本申请项目拟利用“实践十号”返回的拟南芥和水稻空间及其地面对照样品，利用基因表达谱芯片和RNA测序等手段，从转录组水平来解析微重力与光周期反应途径在植物开花调控网络中的共通点和特异性，全面系统地认识微重力在光周期调控植物开花中的作用，为揭示微重力影响光周期反应的分子机理提供直接证据。

本研究利用“实践十号”返回式卫星中长日和短日两种不光周期条件下生长拟南芥和水稻返回材料，通过比较和分析空间微重力条件下两种不同光周期条件下与地面正常重力条件下开花期拟南芥与水稻转录组的变化，发现了微重力在光周期调控植物开花途径中的关键分子，为揭示微重力影响空间植物光周期反应的分子机理提供了直接的证据，也为未来空间生命支持系统中作物培养方案设计提供重要的参考。发表相关研究论文5篇，申请专利1项，培养博士研究生3名，硕士研究生1名，取得的主要创新成果如下：.1、发现植物对微重力的敏感性与光周期有关：发现拟南芥和水稻都是在长日条件下比短日条件下对微重力的敏感性高。这一发现为将来在空间生命支持系统中利用光周期条件来减少微重力伤害，提供植物产量提高了理论根据。.2. 发现生物钟和蛋白质磷酸化在植物适应空间微重力中不同光周期条件的关键：在拟南芥中，REV1和REV2在微重力长日条件下上调30多倍，但是，在短日条件下表达不受影响。LHY在长日和短日条件下都上调，而GI在微重力长日和短日条件下分别下调100多倍和30多倍。此外，PICC在微重力条件下下调，通过外源表达FT可使其上调。在水稻中，BTBZ1，ELF和 GI基因等在不同光周期条件下对微重力响应也发生相应的改变。表明生物钟基因可以是植物适应空间微重力的关键调节因子，而蛋白质磷酸化和去磷酸化可能是拟南芥和水稻适应空间微重力另一条重要途径。.3.拟南芥和水稻的开花过程适应微重力环境可能有的不同策略：拟南芥是通过CO-FT和赤霉素途径共同调控来协调和适应不同光周期条件微重力对开花的影响，而水稻可能是通过开花促进因子（FPFL1）蛋白复合体调控GI-FT途径来协调不同光周期条件下微重力的响应。