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(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安710065；2.陜西省佛坪國家級自然保護(hù)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(jì)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(yīng)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(guān)系。竹鞭和竹根分布在地下，具有很強(qiáng)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(hù)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(jì)價值及其在大熊貓保護(hù)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(dá)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(fēng)媒傳粉植物，花和花序不顯著，一般當(dāng)發(fā)現(xiàn)其開花時，常常已進(jìn)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(guān)研究并不多見。竹類植物生殖期結(jié)束后將大面積死亡，嚴(yán)重影響竹林的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)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(jī)制、類型、周期、頻率、分子生物學(xué)以及生物學(xué)特性等各個方面對國內(nèi)外大量文獻(xiàn)進(jìn)行了整理［2－3］。當(dāng)前迫切需要研究竹類植物的開花機(jī)制，及時預(yù)測竹子的開花時間，進(jìn)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(jìn)行了整理和分析，期望能夠為研究竹類植物開花機(jī)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(chǔ)

通過對模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）等的有關(guān)誘導(dǎo)開花關(guān)鍵調(diào)控基因的研究，揭示了多條涉及開花調(diào)控的復(fù)雜分子作用機(jī)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(jìn)而對花分生組織識別基因進(jìn)行精準(zhǔn)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(dá)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(jī)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(dǎo)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(biāo)記，它的表達(dá)受年齡的調(diào)控，表達(dá)量隨著植物年齡的增長而逐漸減少。過量表達(dá)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(guān)鍵調(diào)控因子，miR156的含量決定了植物的生理學(xué)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(dá)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(jī)理可能同樣具有重要意義。

DNA通過甲基化能夠?qū)﹂_花時間進(jìn)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(dá)與植物開花密切相關(guān)。春化作用使得相關(guān)開花基因表達(dá)從而促進(jìn)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(dǎo)或促進(jìn)開花［14］；蘿卜開花過程中，DNA去甲基化能顯著增強(qiáng)FLC的表達(dá)能力，促使植株提早開花，進(jìn)一步論證了DNA甲基化水平的降低有利于開花相關(guān)基因的表達(dá)［15－16］。應(yīng)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(jìn)行的相關(guān)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(jī)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(jìn)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(jī)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(fù)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(jìn)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(guān)鍵物質(zhì)含量進(jìn)行測定，找到其臨界值并將此作為判斷竹子開花的指標(biāo)，是預(yù)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(xì)胞發(fā)生過早的復(fù)制性衰老，是加速動植物細(xì)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(qiáng)，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(guān)。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(dǎo)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(guān)，碳氮代謝的強(qiáng)弱能預(yù)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(guān)，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(biāo)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(guān)關(guān)系［42］，這種關(guān)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(yīng)的反映［45］。比葉面積往往是比較敏感的指標(biāo)，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(guān)。

2 結(jié)果和討論

竹類植物具有重要的經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jìn)化過程中已經(jīng)適應(yīng)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(luò)日益發(fā)達(dá)，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(yù)警指標(biāo)，預(yù)測竹子開花時間，不光可以進(jìn)一步完善竹類植物開花理論，還可為降低竹林經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中所面臨的風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)，對于大熊貓保護(hù)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(jī)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(jī)理奠定了理論基礎(chǔ)。

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(dǎo)等生長發(fā)育過程的調(diào)節(jié)；春化作用是植物適應(yīng)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(dǎo)和促進(jìn)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(fù)合體，解除了DELLA對SPL9的抑制，有利于其下游LFY和SOC1的表達(dá)，實現(xiàn)對開花誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)。GA在種子萌發(fā)、莖桿伸長、花粉成熟、開花誘導(dǎo)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(dá)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(dá)，解除FLC對FT的抑制來促進(jìn)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(biāo)記，其表達(dá)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(dǎo)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(guān)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(dá)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(guān)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)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。