创新实地实验揭示自然界的生物钟

我们对植物昼夜节律的了解大部分来自实验室实验，在实验中可以严格控制光和温度等输入。

人们对于这些生物计时机制如何在更加难以预测的自然界中运作知之甚少，它们在自然界中进化以使生物与日常和季节周期保持一致。

英国和日本研究人员之间的一项开创性合作研究通过一系列创新的现场实验帮助恢复了这种平衡，这些实验展示了植物在自然波动的条件下如何将时钟信号与环境线索结合起来。

来自京都大学约翰英纳斯中心和剑桥大学塞恩斯伯里实验室的研究小组根据这些实地研究建立了统计模型，可以帮助我们预测植物(其中包括主要农作物)对未来气温的反应。

“我们的研究凸显了跨学科科学进步中国际合作的价值，”约翰·英纳斯中心研究组组长、资深作者安东尼·多德教授说道。“看到我们在实验室中发现的过程如何在自然条件下影响植物，真是令人着迷。”

京都大学的 Hiroshi Kudoh 教授表示：“任何生命系统都是在其自然栖息地的背景下进化的。在自然条件下评估遗传系统的功能还有大量工作要做。这项研究是此类努力的开端之一。”

多德教授研究小组先前的一项研究发现了生物钟控制下的一条遗传途径，该途径可以保护光合作用植物在寒冷的条件下免受细胞损伤。

在这项发表于《国家科学院院刊》的研究中，研究小组借鉴了由 Hiroshi Kudoh 教授领导的大量“自然”研究成果，着手在自然界中识别同样的机制。

在三月和九月春分前后进行的两项实地研究中，他们分析了日本农村田间地点的拟南芥植物自然种群。

他们监测了植物的基因表达随着光照和温度的变化在24小时内如何变化。

实验包括每两小时从植物中提取一次 RNA，冷冻这些样本并将它们带回实验室进行分析，以便他们可以追踪组织中的基因表达水平。

A. halleri 自然种群的昼夜节律和环境信号整合。图片来源：美国国家科学院院刊(2024)。DOI：10.1073/pnas.2402697121

研究团队还制造了能够控制植物周围温度的设备。这让他们能够重现之前研究中在实验室中创造的条件。

植物对红光和蓝光高度敏感;因此，为了避免影响实验结果，研究人员在头灯上戴了绿色滤光片，这实际上意味着植物在夜间造访时就看不见它们了。

多德教授评论道：“令人惊讶的是，在半夜倾盆大雨中，用绿色头灯辨认绿色植物是多么困难。”

利用从样本收集的信息，研究人员观察了先前发现的遗传途径中基因表达的模式，该途径将来自植物昼夜节律钟的信息与光和温度信号整合在一起。

收集到的数据表明，野生种群的植物对寒冷和明亮的黎明条件表现出与之前在实验室实验中观察到的相同的敏感性。

基于这些信息，研究小组开发了统计模型，可以准确预测在昼夜节律控制下的基因表达活动将如何响应自然界一天中的环境信号。

多德教授说：“我们相信这是第一次有人模拟户外植物的整个昼夜节律信号通路。”

“如果我们能够建立能够准确预测与环境条件相关的基因表达的模型，那么就有可能培育出能够适应未来气候条件的植物。”

这项研究的共同第一作者、滋贺大学的 Haruki Nishio 博士表示：“贝叶斯时间序列建模的灵活性使我们能够解开自然环境中复杂的信号整合。这种方法已被证明对于在复杂环境中进行的研究特别有效。”

本研究从基因表达水平研究了植物的反应。本研究的下一阶段是将本研究产生的统计模型应用于植物生理学功能，如光合作用速率或对温度的适应性。

剑桥大学塞恩斯伯里实验室的昼夜节律研究员、这项研究的共同第一作者多拉·卡诺-拉米雷斯博士说：“实验室环境下的研究表明，昼夜节律调节着许多关键的植物过程。然而，直到现在我们还不知道这些过程在田间条件下的转化程度。”

“通过模拟这种信号通路，了解昼夜节律调节过程如何与波动的环境保持一致，可能有助于预测植物在日益不可预测的气候下的反应。”