《The Plant Cell》：CONSTANS-LIKE 5 facilitates flower opening and scent biosynthesis in Solanaceae
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本研究聚焦于茄科植物花朵开放与香气释放的昼夜节律调控机制这一关键科学问题。研究人员通过筛选具有特定表达模式的基因，发现转录因子COL5是调控烟草和矮牵牛花朵夜间开放及主要香气成分苯基丙酮释放的关键因子。基因沉默实验证实，COL5功能的丧失会导致花朵开放不完全和香气缺失，而不影响整体生长。该研究揭示了COL5在协调植物生殖行为中的保守作用，为理解植物 circadian 钟调控的复杂花部性状提供了新的分子基础。
夜幕降临，一种名为 coyote tobacco（Nicotiana attenuata）的植物悄然绽放，释放出迷人的香气，吸引着传粉者；然而，当黎明到来，它的花朵又会闭合，香气也随之消散。这种精确的、以大约24小时为周期的花朵开放与闭合运动，以及与之同步的香气释放，是植物内在生物钟——昼夜节律（circadian rhythm）调控的典型表现。在茄科植物中，这种节律性的花部行为对于在特定时间吸引正确的传粉者（如夜间活动的蛾类）至关重要，从而保障繁殖的成功。虽然科学家们已经知道一些核心的生物钟组件，如LATE ELONGATED HYPOCOTYL(LHY) 和 ZEITLUPE(ZTL)，参与了N. attenuata花部节律的调控，但连接生物钟与具体花部性状（如花朵运动和香气合成）的分子桥梁，即其下游的关键调控因子，在很大程度上仍然是一个未知的领域。揭示这一机制，对于深入理解植物如何精确协调其生殖行为以适应环境具有重要的理论意义。
为了填补这一知识空白，一项发表在植物科学顶级期刊《The Plant Cell》上的研究应运而生。研究人员采用了一种多管齐下的策略来寻找这个“缺失的环节”。他们旨在鉴定出在N. attenuata花冠中同时满足三个条件的基因：首先，其表达表现出昼夜节律性波动；其次，其表达在生物钟基因ZTL的突变体中发生改变，表明其受生物钟调控；第三，其表达模式与一个已知的香气合成关键基因EMISSION OF BENZENOIDS II(EOBII) 相协调。通过这一精巧的设计，研究团队成功地将目光聚焦于一个名为 CONSTANS-LIKE 5 (COL5) 的转录因子。
本研究主要运用了几项关键技术方法：利用转录组学分析筛选在花冠中具有昼夜节律表达且受ZTL调控的基因；通过病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术在N. attenuata和P. axillaris中分别敲低COL5基因的功能，以观察其表型；采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）等技术分析花香挥发性成分的变化；对野生型和突变体植株的花部形态和开放程度进行表型观察和比较。
COL5是连接生物钟与花部性状的关键节点
通过筛选分析，研究人员发现COL5的表达在N. attenuata花冠中呈现出明显的昼夜节律，在夜晚达到峰值，这与花朵开放和香气释放的时间相吻合。更重要的是，在ztl突变体中，COL5的节律性表达被打乱，并且其表达水平与EOBII密切相关。这些证据强烈提示，COL5可能是生物钟信号传导至花朵开放和香气合成通路中的一个关键中间因子。
COL5缺失导致花朵开放缺陷和香气合成受阻
为了验证COL5的功能，研究人员在N. attenuata中沉默了COL5基因。结果发现，与野生型花朵在夜间完全展开不同，col5沉默植株的花朵开放不完全，呈现出一种“羞涩”的半开状态。更为显著的是，这些突变体花朵完全丧失了释放其主要香气成分苯基丙酮（benzylacetone）的能力。值得注意的是，这些缺陷是特异性的，col5突变体的整体营养生长和花的发育并未受到明显影响，表明COL5特异性地调控与授粉相关的花部功能性状。
COL5功能的保守性验证
为了探究COL5的功能是否在其他茄科植物中具有保守性，研究团队在另一种具有夜间开放和香气的植物——大花矮牵牛（Petunia axillaris）中沉默了其COL5的同源基因。实验获得了与烟草中高度相似的表型：花朵开放程度减小，同时花香挥发物的排放量显著降低。这一结果有力地证明了COL5在茄科植物中调控花朵开放和香气释放的功能是保守的，凸显了其在进化上的重要性。
综上所述，本研究通过严谨的实验设计，首次鉴定出转录因子CONSTANS-LIKE 5 (COL5)是调控茄科植物花朵昼夜节律性开放和香气生物合成的核心分子开关。该研究清晰地表明，COL5作为生物钟输出通路的关键组分，直接协调了花部运动与香气合成这两个紧密关联的生殖性状，确保其在正确的时间发生。这一发现不仅深化了我们对植物生物钟如何调控复杂生理过程的理解，而且为未来通过分子手段改良作物（特别是茄科作物）的花期、花香性状以吸引传粉者、提高产量和品质提供了重要的理论依据和潜在的基因靶点。该研究将COL5置于植物时间生物学与化学生态学交叉研究领域的中心位置，为探索植物与环境互作的精密计时机制开辟了新的方向。
