2024年5月24日，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、生命科学学院刘耀光院士/郭晶心研究员课题组在Journal of Experimental Botany，在线发表了题为“Photoperiod and temperature synergistically regulate heading date and regional adaptation in rice”的综述。
植物需要准确地整合外界环境信号与自身的生长发育信号，在适宜的季节启动开花以获得繁殖成功。水稻是主要的食物来源，光周期和温度是影响水稻地理分布和生命周期的关键环境因素。由于全球变暖，粮食安全将面临巨大挑战，全球平均温度每升高1°C，水稻产量减少3.2%。因此，揭示光周期和温度在决定水稻抽穗期和产量方面的协同机制，选择和培育适宜不同区域的品种，有助于优化农业生产策略适应未来的气候变化，确保粮食安全。
一年当中，光周期和温度的变化是周期性的，同一地域的日照时间越长，接受的太阳辐射多，温度越高。水稻是短日植物，长日（LD）抑制抽穗，短日（SD）促进抽穗。光周期和温度的组合类型包括：长日低温（LT）均抑制抽穗（≥ 13小时，<25°C），短日高温（HT）都促进抽穗（<13小时，≥ 25°C），短日低温和长日高温组合中，日长和温度对抽穗的作用相反。我国大部分稻作区的光温组合类型是变化的，例如华中稻作区，早季包含了长日低温到长日高温的改变，晚季是短日高温→短日低温的变化。
亚洲栽培稻包括籼稻和粳稻两个亚种，经长期的人工驯化，在中国形成了以秦岭和淮河为界南籼北粳的种植格局。研究发现，为适应外界的光温环境，籼粳间的抽穗期基因存在丰富的等位基因变异。论文介绍了同时响应光温信号的重要抽穗期基因：OsPhyB、OsFKF1、OsGI、OsCCA1、OsELF3-1、OsLUX、Hd1、Ghd7、DTH8、PRR37、Ehd4、OsCOL4、Hd6、DTH2、Ehd1、Hd3a和RFT1，说明温度信号部分通过光周期途径调控开花时间。
不同抽穗期基因组合以及其他耐寒或耐热的基因资源，有助于水稻品种适应不同地区的光温度条件
论文总结了适应不同稻作区光温条件的抽穗期基因组合。例如在东北稻作区长日低温下，品种需要弱感光，弱功能型Ghd7、DTH8或OsLux抑制抽穗的作用弱还可以增加材料的耐冷性。同时引入其它抽穗抑制基因OsPhyB、Hd16、OsCOL4的弱或无功能的单倍型，利用促进抽穗基因OsCCA1、DTH2、OsELF3-1、Ehd4、Hd3a和RFT1的强功能单倍型，综合表型是提早抽穗耐低温，在较窄的耕作期内结实（图1）。此外，可利用其他的耐冷（COLD1和OsMADS57）或耐热（TT1和OsTOGR1）的基因资源，进一步增加品种对极端温度的耐受性。
对于籼稻和粳稻之间的南北引种，可以通过基因编辑，在粳稻中通过削弱促进抽穗的基因或增强抑制的基因或耐热的基因，使其适应南方高温的环境。通过相反的策略，可以促进低纬度地区籼稻适应更高纬度的低温长日条件，提早抽穗。
总之，利用抽穗期基因对光温反应的研究成果，利用水稻耐冷耐高温的基因资源，有助于设计人工耦合基因模块实现光周期和温度协同调控抽穗期，适应不同地域的具体环境条件。同时，深入研究抽穗期基因等位变异在光周期和温度响应中的差异，将为分子设计育种提供更多的基因资源。
博士后宗伍辈为第一作者，郭晶心研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目、面上项目，国家农业农村部-农业生物育种重大项目、广东省基础与应用基础研究重大项目、岭南实验室现代农业项目和中国博士后基金等项目的资助。
相关论文信息：https://doi.org/10.1093/jxb/erae209
文图／亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室
