哲學(xué)家說，世界上沒有兩片相同的樹葉。
植物學(xué)家說，你永遠也找不到兩顆完全相同的種子。
不同物種的種子在外形、大小、顏色和營養(yǎng)成分等方面差異巨大，同一物種的種子也存在差異，而造成這些變化的原因是環(huán)境變化和基因變異。
這些大大小小的差異之中，最直觀的，就是種子的大小了。就算你沒有務(wù)農(nóng)的經(jīng)驗，兩顆不同的種子放在你面前，我想你也一定能判斷出，粒大飽滿的才是好種子！
在作物馴化的幾千年中，包括水稻、大豆、玉米等在內(nèi)的幾大重要糧食作物的人工馴化，都經(jīng)歷了種子由小變大的過程。此外，種子里面的營養(yǎng)物質(zhì)為種子萌發(fā)提供能量，粒大、飽滿的種子能夠更好的萌發(fā)，從而保證生命得以順利傳承。
那么怎樣才能培育出又大又飽滿的優(yōu)質(zhì)種子呢？
植物的生長調(diào)節(jié)劑——光周期
地球自轉(zhuǎn)帶來了一天之中白天和黑夜的交替變化，而地球繞太陽公轉(zhuǎn)帶來了一年四季日照時長的變化，這種一天24小時內(nèi)的光照期和黑暗期時長的交替變化被稱為光周期。
光周期是自然界中最穩(wěn)定的環(huán)境因子，一年之中的夏至和冬至分別是光照時間最長和最短的兩天。地球上的生物可通過光周期感知季節(jié)變化，在最適宜的季節(jié)完成生長發(fā)育和繁衍生息，人們也根據(jù)四季變化進行各項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們最為關(guān)注的是植物開花時間對光周期的響應(yīng)。根據(jù)開花誘導(dǎo)的日照時長，植物可分為長日照誘導(dǎo)開花的長日照植物，短日照誘導(dǎo)開花的短日照植物，除此之外，還有中日照植物，以及對光周期不敏感的日中性植物。
多年來，人們對光周期影響植物開花以及其背后的分子機制已有較為清晰的認識，但其如何影響花后發(fā)育尤其是種子發(fā)育仍不清楚。不過，類比先前對花與光周期的研究，產(chǎn)生了這樣一個想法：是不是種子的生長，也能根據(jù)不同時長的日照進行調(diào)節(jié)呢？
種子怎樣長得又大又飽滿？跟曬太陽有關(guān)，但不一定要老曬太陽！
其實，植物的種子大小，的確和光周期有著緊密的聯(lián)系。
近年來，中國科學(xué)院華南植物園胡一龍/侯興亮研究團隊聚焦植物種子發(fā)育的研究。從環(huán)境因素如何影響植物種子大小的角度入手，發(fā)現(xiàn)了日照長短（光周期）影響種子大小的普遍性規(guī)律。通過研究，我們不僅發(fā)現(xiàn)了光周期和種子大小的關(guān)系，還找到了在植物中響應(yīng)光周期的基因——CO基因。那么，具體的實驗是怎么進行的呢？
首先，研究者選取了兩類具有代表性的光周期特性的植物進行研究，即長日照植物百脈根、豌豆和擬南芥以及短日照植物大豆、紅小豆和菜豆。
其實光看這些植物所屬的類別，我們不難做出這樣的推測：是不是長日照的植物更喜歡太陽，在長日照條件下能長出飽滿的種子，而短日照的植物與之相反呢？
事實的確是這樣的。通過對這些植物在不同光周期條件下的種子大小進行觀測，研究者們發(fā)現(xiàn)一種具有普遍性規(guī)律的有趣現(xiàn)象，三種長日照植物（百脈根、豌豆和擬南芥）在長日照下產(chǎn)生的種子比短日照下更大，而三種短日照植物（大豆、紅小豆和菜豆）則在短日照下產(chǎn)生更大的種子。
現(xiàn)在，我們知道不同的植物有著不同適合生長的光周期。那么問題又來了，是植物中的什么機制在起作用，使得有的植物愛太陽，有的植物沒有那么愛呢？
隨后，研究者們對長日照植物擬南芥進行深入研究，發(fā)現(xiàn)光周期響應(yīng)因子CO基因在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。當(dāng)CO基因發(fā)生突變時，植株在不同光周期下會產(chǎn)生同樣大小的種子。
原來是CO基因的作用，使得植物對不同的光周期有著不同的反應(yīng)。之后，通過生物信息學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)等方法，研究者們發(fā)現(xiàn)CO基因直接抑制轉(zhuǎn)錄因子AP2的轉(zhuǎn)錄，以光周期依賴的方式調(diào)控種子大小。進一步的細胞形態(tài)學(xué)觀察分析發(fā)現(xiàn)，CO基因通過增加種皮表皮細胞數(shù)目來影響種子大小。
在這之中，還有一個有趣的發(fā)現(xiàn)。研究者們發(fā)現(xiàn)只有來自母本的CO基因才具有調(diào)控種子大小功能，而來自父本的基因?qū)ΨN子大小沒有影響。
不僅擬南芥中的CO基因具有這樣的調(diào)控作用，最后，研究者們進一步在農(nóng)作物大豆中驗證了CO基因具有類似的功能。
CO基因在光周期對種子發(fā)育過程中的作用（圖片來源：參考文獻[1]）
結(jié)語
這下我們就知道了，光周期對于種子發(fā)育具有直接調(diào)控作用，而且在這個過程中，CO基因起著核心的作用。
還是那句老話，萬物生長靠太陽。太陽提供了光與熱，植物也依靠太陽來感知季節(jié)的變化。有的植物可能比較愛太陽，有的植物可能沒那么愛。如果我們摸清環(huán)境因子對于種子發(fā)育的直接影響，那么我們就更有可能因地制宜，培育出更優(yōu)質(zhì)、更飽滿的種子，進而培育更強壯、更高產(chǎn)的作物，實現(xiàn)“手中有糧，心中不慌”。
參考文獻：
[1] https://www.nature.com/articles/s41477-023-01350-y
出品：科普中國
作者：胡一龍（中國科學(xué)院華南植物園）
監(jiān)制：中國科普博覽
編輯：郭雅欣
