竹子是一种广泛分布的草本非木材植物，具有高生态和经济价值，主要用于燃料、食品加工、造纸、建筑和医药等领域。Bambuseae（竹亚科）包含91个属和约1500种竹子。竹子为单次开花植物，具有独特的开花特征，包括长开花周期和不确定的开花时间。不同竹种的开花周期差异显著，例如，Dendrocalamus（竹节竹）为8至117年，Bambusa（毛竹）为30至150年以上，Phyllostachys（紫竹）为13至120年。竹子的开花类型可分为四类：零星开花、大规模同步开花、组合大规模同步与零星开花及部分开花。某些木本竹类，如毛竹，属于大规模同步开花类别，开花后通常会大面积死亡，导致竹笋产量下降，从而妨碍竹产业的发展。然而，大多数木本竹类的开花调控机制尚不清楚。
开花调控主要涉及花的转变、发育和开花过程，受到植物内部信号和外部环境的影响。植物开花的分子机制已被广泛研究，尤其是在模型植物如阿拉伯芥和水稻中，光周期途径被认为是最重要的信号通路之一。水稻中的关键调控因子Hd1在光周期途径中发挥着重要作用。F-box蛋白是一类含有约50个氨基酸的蛋白，广泛参与植物的生长发育、信号转导及对生物和非生物胁迫的响应。
本研究中，鉴定出来自毛竹的F-box蛋白PeFKF1。PeFKF1在毛竹开花诱导过程中表现出高表达，能够增强关键开花基因的表达，从而在过表达的水稻和阿拉伯芥中诱导开花。此外，PeFKF1可能通过与PeHd1和PeID1形成蛋白复合体，直接结合PeID1的启动子促进其表达。本文揭示了PeFKF1在调控竹子开花中的功能和新颖的分子机制。
在毛竹基因组中通过同源比较和保守结构筛选，鉴定出五个属于ZTL/FKF1/LKP2基因家族的同源基因，分别命名为PeFKF1、PeZTL1–1、PeZTL1–2、PeZTL2–1和PeZTL2–2。结构分析显示，所有五个基因均含有LOV、F-box和Kelch重复的保守结构（图1A）。进化树分析（图1B）表明，PeFKF1与水稻、阿拉伯芥及其他竹类的FKF1蛋白具有较高的序列相似性。
为了探讨PeFKF1在竹子开花过程中的作用，选择了四个不同时间段的开花和非开花样本的幼叶，分析PeFKF1在竹子开花过程中的表达模式变化。四个阶段被确定为开花前期（F1）、开花启动期（F2）、花发育期（F3）和花成熟期（F4）[35]。开花样本中PeFKF1的表达呈现出先上升后下降的趋势（图1C），在F2阶段（花蕾原基形成时）达到最高，而在非开花样本中的表达非常低且无显著变化。PeFKF1的表达具有明显的昼夜节律，并在连续两天内表现出较好的重复性（图1D），其表达在14:00时达到峰值，其他时间几乎无法检测。因此，PeFKF1可能通过参与光周期途径调控开花。
为探讨PeFKF1的功能，本研究构建了35S:PeFKF1过表达载体在野生稻（Zhonghua 11）中进行转化。PeFKF1过表达植物表现出显著的早花表型，开花时间比野生型提前约22天（图3A和图3C）。为进一步分析PeFKF1在转基因水稻中导致早花的调控机制，选择了三个独立的过表达株系（OE7、OE8、OE19）进行分析（图3B）。结果显示，RID1、Hd1、Hd3a和Ehd1的表达分别比野生型水稻显著上调12.85 ± 5.34、8.37 ± 1.42、17.7 ± 2.38和8.12 ± 7.58倍（图3D）。此外，PeFKF1过表达水稻中Ghd7和RCN1的表达则显著下调。因此，PeFKF1的过表达通过上调RID1、Hd1、Hd3a和Ehd1等关键开花相关基因的表达，促进了早花。
为进一步验证PeFKF1的开花功能，在阿拉伯芥（A. thaliana）的野生型和fkf1突变体中进行了PeFKF1的过表达。结果表明，PeFKF1的过表达诱导了野生型的抽苔，并拯救了fkf1突变体的晚花表型。此外，PeFKF1的过表达增加了下游开花促进因子如CO、FT和SOC1的表达，同时降低了开花抑制因子FLC的表达（图S1E）。综上所述，PeFKF1在促进开花方面发挥了积极作用。
ZTL/FKF1/LKP2基因家族主要调控植物的生物钟、开花时间和胚轴生长长度[53–55]。与ZTL和LKP2不同，FKF1能够促进开花，是多种植物开花的关键基因[49,56–58]。FKF1在生殖阶段的幼叶、雌蕊和幼穗中高表达，表明其参与植物开花调控[26,49,56]。本研究在毛竹中鉴定出FKF1同源基因并命名为PeFKF1，发现其在毛竹早期开花阶段高表达，并呈现明显的昼夜节律（图1C和D）。因此，PeFKF1可能在毛竹的花序转变过程中发挥作用，并参与光周期调控。
由于竹类物种的转化较为困难[59]，因此PeFKF1的功能在水稻和拟南芥（A. thaliana）中得到了验证。PeFKF1的过表达能够缩短转基因水稻和拟南芥的开花时间，并恢复拟南芥fkf1突变体的晚开花表型（图3A和图S1）。在水稻中，OsFKF1可以抑制转录抑制因子Ghd7，间接促进Ehd1的表达，进而上调开花基因Hd3a和RFT1以促进开花[49]。本研究中，PeFKF1过表达显著提高了Ehd1、Hd3a和RFT1的表达，同时降低了Ghd7的表达。因此，PeFKF1可能参与转基因水稻中的Ehd1-Hd3a/RFT1调控通路，类似于OsFKF1。此外，Hd1和RID1的表达也显著上调，表明PeFKF1可能参与RID1-Hd3a/RFT1和Hd1-Hd3a/RFT1的调控通路[60,61]。
然而，FKF1在某些物种中也表现出抑制开花的表型。Li等[62]发现FKF1通过激活E1转录抑制开花，进而抑制FLOWERING LOCUS T2a（FT2a）和FT5a的转录。这一发现与Li等在大豆（Glycine max）的研究结果相对立[56]，表明这种差异可能与种群和地区的差异有关。进一步研究需要探讨不同竹类物种中FKF1同源基因的潜在功能差异。
FKF1主要通过与重要的开花蛋白形成复合物发挥功能。FKF1与GI的相互作用在蓝光依赖下激活CO转录，并通过形成复合物稳定CO蛋白[29,48,63]。水稻中的开花相关基因Hd1和拟南芥中的CO是同源基因，均在开花调控中至关重要[64,65]。FKF1通过上调Ehd2和下调Ghd7来激活水稻中的Ehd1表达[49]。Hd1和RID1（Ehd2）是重要的开花促进因子，被认为在FKF1的下游发挥作用[20,66–68]。然而，FKF1与RID1之间是否存在直接相互作用尚不明确。
本研究中，PeFKF1转基因植物中Hd1和RID1的表达显著上调，且在毛竹早期开花阶段高表达，表明它们在P. edulis的花序转变中可能发挥调控作用（图4A）。此外，这三个基因均表现出相对简单的昼夜节律（图4B）。因此，PeFKF1可能通过与PeHd1和PeID1直接合作参与光周期开花调控通路。研究结果表明，PeFKF1能够与PeID1和PeHd1形成蛋白质复合物（图4）。此外，PeFKF1还可以通过直接结合PeID1的启动子增强其表达（图5）。因此，PeFKF1不仅可能以蛋白质复合物的形式稳定PeHd1和PeID1蛋白，还可能在转录水平上调控PeID1的表达，从而通过光周期途径控制开花时间。PeFKF1与PeHd1之间的调控关系在水稻、拟南芥和毛竹等物种中相对保守[27,28]。然而，PeFKF1与PeID1之间的直接关系在本研究中首次提出，为相关调控机制提供了新的见解。
总结
在毛竹中提出了PeFKF1促进开花的潜在调控模型（图6）。PeFKF1是竹子中一个重要的开花促进因子，可能参与光周期开花调节途径。PeFKF1蛋白通过部分与PeHd1和PeID1相互作用，靶向PeID1的启动子以增强其在另一个部分的表达。综上所述，本研究描绘了一个新的机制，并为毛竹中的开花调节提供了新的启示。
Zhuo, J.; Tang, Q.; Pei, J.; Ma, H.; Hou, D.; Lin, X. F-Box Protein PeFKF1 Promotes Flowering by Cooperating with PeID1 and PeHd1 in Phyllostachys Edulis. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 283, 137593, doi:10.1016/j.ijbiomac. 2024.137593.
