杜喜春，趙銀萍，何祥博，孟長軍，郭成圓，張九東，黨高弟

（1.西安文理學院生物與環(huán)境工程學院，陜西 西安710065；2.陜西省佛坪國家級自然保護區(qū)管理局，陜西 佛坪723400）

中國是竹類資源最豐富的國家，竹林面積、蓄積量、竹材產(chǎn)量均居世界之冠［1］。竹子是重要的經(jīng)濟作物，它的全身都是寶，筍、枝、葉、根等部分均可利用，在食品和飲料、包裝和造紙、建筑和家具等行業(yè)有著廣泛的應用，人們生產(chǎn)和生活的各個方面，包括衣、食、住、行等，都與竹子有著密切的關系。竹鞭和竹根分布在地下，具有很強的保持水土和改良土壤物理結(jié)構(gòu)的能力，因此竹林有著巨大的生態(tài)效益。竹類植物生長迅速，四季常青，有利于減輕冬季空氣的污染，同時又有著很高的觀賞價值和豐富的文化內(nèi)涵，是重要的城鄉(xiāng)綠化資源植物。

大熊貓（Ailuroplda melanoleuca）是中國特有的珍稀瀕危物種，也是全球生物多樣性保護的旗艦物種。大熊貓對竹子種類的選擇具有廣譜性的特征，絕大多數(shù)竹子都能被其選擇食用，因此竹類植物是大熊貓的主要食物來源，而竹林也是大熊貓的主要棲息地，對于野生大熊貓的生存具有重要意義。

基于竹類植物巨大的經(jīng)濟價值及其在大熊貓保護工作中的特殊地位，長期以來，國內(nèi)外在竹類植物分類、分布規(guī)律、生物量、遺傳多樣性、種子萌發(fā)、植物生長、竹林結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)特征、及種群動態(tài)與森林演替等方面開展了大量研究。但是，絕大多數(shù)竹種具有長周期開花的生殖特性，開花周期長達數(shù)十年甚至上百年，開花現(xiàn)象非常罕見；竹類植物屬于風媒傳粉植物，花和花序不顯著，一般當發(fā)現(xiàn)其開花時，常常已進入大規(guī)模開花的盛花期或者開花后期，錯過了最佳研究時期，相關研究并不多見。竹類植物生殖期結(jié)束后將大面積死亡，嚴重影響竹林的經(jīng)濟效益；竹子大規(guī)模死亡也會影響到大熊貓的棲息地環(huán)境質(zhì)量和食物來源，因此研究竹子開花具有重要的理論意義和實踐指導作用。

1 竹類植物開花研究現(xiàn)狀

針對竹子開花的特點，從開花原因、生理代謝機制、類型、周期、頻率、分子生物學以及生物學特性等各個方面對國內(nèi)外大量文獻進行了整理［2－3］。當前迫切需要研究竹類植物的開花機制，及時預測竹子的開花時間，進一步完善竹類植物開花理論。和其他植物一樣，竹類植物在開花期間，其形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合、營養(yǎng)狀況、植物內(nèi)源激素和遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和含量水平?？赡芤矔霈F(xiàn)一些變化。多年來，針對上述方面的研究已經(jīng)有了一定的積累，該研究對這些結(jié)果進行了整理和分析，期望能夠為研究竹類植物開花機制提供一些思路。

1.1 竹類植物開花的遺傳物質(zhì)分子基礎

通過對模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）等的有關誘導開花關鍵調(diào)控基因的研究，揭示了多條涉及開花調(diào)控的復雜分子作用機理，這些開花調(diào)控基因可通過光周期途徑、春化途徑、自主途徑、溫度途徑、赤霉素途徑和年齡途徑等發(fā)揮作用，進而對花分生組織識別基因進行精準控制，使植物適時完成從營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)變［4－5］。竹類植物屬禾本科植物，其生殖特性類似小麥（Triticum aestivum），表現(xiàn)為同期一次性開花，完成生殖后死亡；但又和小麥不同，需要經(jīng)歷長達數(shù)十年甚至百余年之久的營養(yǎng)生長期，表明近年來提出的年齡途徑對于揭示竹類植物的開花機制可能具有更加特別的意義，從RNA和DNA分子上都能找到一些生物年齡歷程的證據(jù)。

miR156是揭示年齡調(diào)控植物生長發(fā)育的一個重要媒介，其介導的年齡途徑是目前發(fā)現(xiàn)的重要開花途徑之一。miR156是一個年齡分子標記，它的表達受年齡的調(diào)控，表達量隨著植物年齡的增長而逐漸減少。過量表達miR156會延長植物的幼年期，出現(xiàn)分枝增多、葉片生長速度加快，以及開花延遲的表型。在mir156a和mir156c雙突變體中，體內(nèi)miR156含量降低，植物的幼年期縮短，開花提前［6－7］?？梢娮鳛槟挲g途徑的關鍵調(diào)控因子，miR156的含量決定了植物的生理學年齡。miR156對年齡的感受在不同物種中普遍存在：在擬南芥中，miR156在幼苗中高度積累，并隨著植物年齡的增長逐漸下降［8－9］；在玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）以及楊樹（Populus alba）中，miR156的表達均隨著年齡增長而降低［10－12］。竹類植物開花前后miR156含量變化對于揭示其生長發(fā)育和生殖開花的過程和機理可能同樣具有重要意義。

DNA通過甲基化能夠?qū)﹂_花時間進行調(diào)控［13］，與植物由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變過程中的基因表達與植物開花密切相關。春化作用使得相關開花基因表達從而促進植物開花的原因可能也是由于低溫降低了體內(nèi)DNA甲基化水平：小麥DNA的甲基化程度經(jīng)過春化處理后降低，能夠誘導或促進開花［14］；蘿卜開花過程中，DNA去甲基化能顯著增強FLC的表達能力，促使植株提早開花，進一步論證了DNA甲基化水平的降低有利于開花相關基因的表達［15－16］。應用去甲基化試劑5-氮雜胞苷處理植株引起甲基化水平降低也可引起提早開花［17－18］。

DNA甲基化也調(diào)控了一些竹類植物的開花時間：對毛竹（Phyllostachys edulis）年齡變化與其DNA甲基化進行的相關性分析表明，DNA的甲基化水平和模式與自身衰老過程有著密切聯(lián)系［19－21］。五月季竹（Ph．bambusoides）［21］和孝順竹（Bambusa multiplex）［22］開花時葉片甲基化水平降低。針對DNA甲基化的研究也有可能成為揭示竹類植物生長發(fā)育、成花機理和衰老過程的重要窗口。

1.2 植物內(nèi)源激素對竹類植物開花的影響

自然界的竹類植物開花難以遇到，但通過對竹類開花進程的人為調(diào)控，可促使一些竹種的試管苗開花。目前已經(jīng)成功實現(xiàn)20多個竹種的離體繁殖，同時通過調(diào)控培養(yǎng)基配方中植物激素和生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的組成和配比，多種竹類植物在試管中完成開花［23］，表明植物激素在竹類植物開花過程中的作用不可忽視。赤霉素（GA）在調(diào)節(jié)植物開花方面具有更加重要的作用，赤霉素（GA）途徑是植物開花分子調(diào)控的重要途徑之一，參與調(diào)控包括植物開花時間在內(nèi)的多種生長發(fā)育過程。赤霉素調(diào)控植物開花的分子機制大致上已經(jīng)比較清楚：GA與其受體GID緊密結(jié)合并與開花抑制子DELLA形成復合體，解除了DELLA對開花的抑制。竹子開花是各種生理活動協(xié)調(diào)進行的結(jié)果，竹子開花狀態(tài)不同，內(nèi)源激素含量會發(fā)生一定的變化［24－25］；而激素含量的變化又可以在一定程度上反映植物開花狀態(tài)。對竹子開花過程中的赤霉素（GA）等代謝關鍵物質(zhì)含量進行測定，找到其臨界值并將此作為判斷竹子開花的指標，是預測竹子開花的可能途徑之一［3］。

1.3 竹類植物開花過程中營養(yǎng)狀況的變化

糖類物質(zhì)影響植物開花、成熟和衰老［26－27］，原因在于高糖濃度能引起染色體末端端粒的縮短，使細胞發(fā)生過早的復制性衰老，是加速動植物細胞和組織器官衰老的重要因素之一。一些竹類植物開花期間碳代謝活動增強，可溶性糖、總糖含量以及蔗糖酶活性在開花期間均呈比較明顯的上升趨勢［28－29］。植物中的糖類物質(zhì)是通過光合作用合成的，葉綠素是光合作用最重要的色素，氮素是葉綠素的重要組成成分之一，所以糖代謝和氮代謝密切相關。竹子在生殖期對氮素等營養(yǎng)元素的消耗量增加，這些元素向生殖器官轉(zhuǎn)移；同時因老竹鞭所占比例增大，地下鞭系對營養(yǎng)元素的吸收能力降低，兩者共同導致竹子養(yǎng)分缺乏［30］。竹子開花期間氮代謝會顯著降低，葉綠素合成減少［28－29］；同時葉綠素遭到的破壞加劇，含量整體下降，植物葉片衰老加快［31－32］。這種現(xiàn)象在竹類植物中非常普遍：小琴絲竹（B．multiplex）［33］；異葉苦竹（Arundinaria simonii f.heterophylla）［34］；鵝毛竹（Shibataea chinensis）和茶桿竹（Pseudosasa amabilis）［34－35］；福建茶桿竹（P．a(chǎn)mabilis var.convexa）［34，36］；綠竹（Dendroclamopsisoldhami）［37］；麻竹（Dendrocalamuslatiflorus）［38］；雷竹（Ph．praecox f.prevernalis）［39－40］等竹種均在開花后表現(xiàn)出葉綠素總量減少，光合效率和同化能力降低。由于竹子的糖含量、氮素和葉綠素含量在從營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化過程中會出現(xiàn)顯著的變化，表明碳代謝和氮代謝和竹子開花過程密切相關，碳氮代謝的強弱能預示植物從營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化［28，41］，竹類植物的碳氮代謝失衡就有可能會引起開花。

1.4 竹類植物開花過程中葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化

葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)和光合效率密切相關，比葉重（SLW）指單位葉面積的葉片重量，是衡量葉片結(jié)構(gòu)及其光合作用性能的重要指標和參數(shù)，其倒數(shù)稱為比葉面積（SLA）。比葉面積與葉片的光合作用、氮含量以及葉片的發(fā)育有著密切聯(lián)系，大多數(shù)植物的比葉面積（SLA）與其最大光合能力以及葉片氮含量存在一定正相關關系［42］，這種關系幾乎在全球范圍內(nèi)所有植物種群和群落中普遍存在［43－44］，是植物對環(huán)境趨同適應的反映［45］。比葉面積往往是比較敏感的指標，單位面積氮含量和比葉面積又與葉壽命成反比，這種現(xiàn)象在植物種群和群落中也具有普遍性［43］，在一些竹類植物中也有類似表現(xiàn)，比葉面積隨著葉齡的增長有減少的傾向，表明比葉面積可能和植物成熟衰老和開花啟動過程有關。

2 結(jié)果和討論

竹類植物具有重要的經(jīng)濟價值，高附加值的竹類加工產(chǎn)品暢銷國內(nèi)外。竹類植物的地下根和莖具有極強的水土保持能力，四季常青的竹林也有利于減輕空氣污染，具有重要的生態(tài)價值，是重要的城鄉(xiāng)綠化資源植物。竹類植物是大熊貓的主要食物，竹子大面積開花死亡會影響大熊貓的食物來源和棲息地環(huán)境，雖然大熊貓在長期進化過程中已經(jīng)適應了竹子定期開花枯死的特性，但由于山區(qū)公路和鐵路網(wǎng)絡日益發(fā)達，大熊貓很難長距離遷移到適宜棲息的生境中生活，其生存就會受到威脅［46］。篩選開花預警指標，預測竹子開花時間，不光可以進一步完善竹類植物開花理論，還可為降低竹林經(jīng)濟發(fā)展過程中所面臨的風險提供科學依據(jù)，對于大熊貓保護工作更具有特別重要的意義。目前已經(jīng)有多條涉及植物開花調(diào)控的分子作用機理被揭示出來：包括光周期途徑、春化途徑、自主途徑、溫度途徑、赤霉素途徑和年齡途徑等［4－5，47］，為揭示竹類植物的開花機理奠定了理論基礎。

光周期是植物根據(jù)光照時間的日周期性節(jié)律變化，來協(xié)調(diào)自身新陳代謝和各種生理變化的過程，最終實現(xiàn)對開花誘導等生長發(fā)育過程的調(diào)節(jié)；春化作用是植物適應季節(jié)變化，在一定低溫處理后，表現(xiàn)出對越冬植物成花的誘導和促進作用，光周期和春化作用在調(diào)控植物開花方面具有普遍意義。

GA途徑是指GA與其受體GID緊密結(jié)合并與開花抑制子DELLA形成復合體，解除了DELLA對SPL9的抑制，有利于其下游LFY和SOC1的表達，實現(xiàn)對開花誘導的調(diào)節(jié)。GA在種子萌發(fā)、莖桿伸長、花粉成熟、開花誘導和花器官形成等方面發(fā)揮著重要作用。

自主開花途徑是植物通過感受自身內(nèi)部的發(fā)育狀態(tài)，在營養(yǎng)生長到達一定階段后完成開花。研究發(fā)現(xiàn)一些植物通過甲基化和去乙?；日{(diào)整FLC基因結(jié)構(gòu)，抑制FLC的表達，解除FLC對FT的抑制來促進開花。DNA甲基化也調(diào)控了一些竹類植物的開花時間。

miR156是一個年齡分子標記，其表達量隨著植物年齡增長而逐漸減少［48］，植物通過miRNA156-miR172級聯(lián)模式，解除了AP2-like對FT、AP1和SOC1的抑制，導致植物開花。miR172除了受到SPLs調(diào)控，還受到光周期途徑中GI的調(diào)控。自發(fā)途徑中的關鍵基因FCA 也能調(diào)控miR172。miR172通過SVP抑制GA20ox2，影響GA的合成，抑制開花。一些可溶性糖可抑制miR156的表達量，有利于植物從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)換。因此，通過與miRNA156和miR172有關的調(diào)控網(wǎng)絡可將相對獨立的光周期途徑、GA途徑、自發(fā)途徑和糖代謝結(jié)合到一起，表明對于竹類植物而言，年齡途徑的研究可能具有更加重要的理論意義和實踐價值。