eLife | 植物如何对冲他们的赌注？英国剑桥大学研究揭示调控种子最佳发芽时机的开关！

在某些环境中，种子没有办法确定何时是发芽的最佳时机。在春天，光照、温度和水分等线索可能暗示种子发芽的条件最佳，但一周后，不可预测的干旱或霜冻可能会杀死新萌发的幼苗。那么，植物如何确保其所有的后代不会在发芽后被不合时宜的环境胁迫同时杀死？有证据表明，一些植物物种产生的种子在不同时间发芽，以对冲这种风险。许多物种产生的种子可以进入休眠状态，并在土壤中存在数年之久，有些还产生在一个季节内不同时间发芽的种子。这意味着，如果致命的环境波动真的发生，植物的一部分后代将作为种子存活下来，这些种子可以在另一个时间发芽。即使是在相同的环境中生长的基因相同的种子，也可以看到发芽时间的这种变化。在农业方面，当你想在同一时间收获整个作物时，发芽时间的变化可能是一个问题。相反，农民必须监测作物的成熟度，从多个单独的植物上进行测量，以估计何时是收获的最佳时机。

近日，国际权威学术期刊eLife发表了英国剑桥大学塞恩斯伯里实验室（SLCU）James CW Locke团队和德国马克斯-普朗克植物育种研究所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）合作的最新相关研究成果，题为An ABA-GA bistable switch can account for natural variation in the variability of Arabidopsis seed germination time的研究论文，本研究利用模式植物拟南芥来探究：是什么让基因相同的种子在不同时间发芽？

已知两种植物激素：抑制发芽的脱落酸（ABA）和促进发芽的赤霉素（GA）相互作用来控制发芽的时机，但是科研人员想知道这种相互作用是如何在种子之间产生发芽时间的变化的。通过检测数百个遗传上不同拟南芥品系发芽时间的变异水平，科研人员能够确定控制发芽时间变异程度的两个DNA区域（遗传位点）。这两个基因座包含影响种子对ABA敏感程度的基因，测试这些基因的突变体提供了它们调节发芽时间可变性的证据。利用这一新信息，本研究构建了一个ABA-GA网络的数学模型，以了解ABA和GA之间的相互作用如何导致一批相同的种子有一系列不同的发芽时间。他们想了解该网络如何能引起发芽时间的不同程度变化。

结果发现，在模型中改变ABA的敏感性复制了观察到的实验性发芽时间分布。在模型中，对ABA敏感度较高的种子以更分散的方式发芽，因为在播种时，这些种子中的每一个都依靠ABA-GA网络的随机波动来从非发芽状态切换到发芽状态--这被称为双稳态切换行为。然而，对ABA敏感度较低的种子在播种后更迅速、更同步地进入发芽状态，而不需要随机波动。本研究的随机模型表明ABA-GA双稳态开关可以导致发芽时间的变异性，发芽时间受到激素水平随机波动的影响。虽然研究人员预计还有其他遗传和生物物理效应在影响发芽时间的变异性过程中起作用，但他们的研究结果表明，这种植物性状是受遗传控制的，因此，可以在作物育种计划中专门选择发芽时间的高或低变异性，或恢复环境高度可变的自然区域。

图 1. 拟南芥的发芽时间存在变异性

图2. 发芽时间的全部范围可以在单个小叶子植物中找到

图3. 变异性与模式发芽时间呈弱耦合关系

图4. 定量性状位点（QTL）和批量分离体图谱揭示了发芽时间变异系数（CV）的两个QTL基础

图5. ABA-GA双稳态开关模型和ABA敏感性参数对发芽性状的影响

图 6. 外源添加脱落酸 (ABA) 到高变异性和低变异性植物

图 7. 脱落酸 (ABA) 和赤霉酸(GA) 水平改变的突变体改变了发芽时间变异性

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