植物生物鐘研究的歷史回顧與最新進(jìn)展*

徐小冬 謝啟光

①教授，河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，細(xì)胞生物學(xué)研究所細(xì)胞生物學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科，石家莊 050024

②副研究員，達(dá)特茅斯大學(xué)生物系，美國新罕布什爾州漢諾威 03755

* 科技部973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)(2012CB126303)；國家自然科學(xué)基金(30971507，31071247，31170265)；河北省杰出青年科學(xué)基金(C2011205034)

植物生物鐘研究的歷史回顧與最新進(jìn)展*

徐小冬①謝啟光②

①教授，河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，細(xì)胞生物學(xué)研究所細(xì)胞生物學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科，石家莊 050024

②副研究員，達(dá)特茅斯大學(xué)生物系，美國新罕布什爾州漢諾威 03755

* 科技部973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)(2012CB126303)；國家自然科學(xué)基金(30971507，31071247，31170265)；河北省杰出青年科學(xué)基金(C2011205034)

生物鐘；周期節(jié)律；時(shí)間生物學(xué)；植物

生物鐘幾乎參與調(diào)控了植物體所有的新陳代謝、生長發(fā)育過程，使植物體與外界環(huán)境條件達(dá)到時(shí)間和空間的同步，極大地增強(qiáng)了植物環(huán)境適應(yīng)性和競爭能力。筆者首先從植物生物鐘的研究歷史入手，回顧了中國古代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)節(jié)律性的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用；然后介紹了現(xiàn)代植物生物鐘研究的起源、基本概念和理論知識(shí)；最后重點(diǎn)論述了本領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，揭示了植物生物鐘作為復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的“整體水平”調(diào)控特性和“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的獨(dú)特性。

在生命漫長的發(fā)展歷程里，由自然選擇主導(dǎo)的進(jìn)化長河中，諸多種類的生命體殊途同歸，演化和發(fā)展出了可以稱得上生命基本特征之一的周期節(jié)律性。生物節(jié)律(biological rhythm)的研究已經(jīng)成為現(xiàn)代自然科學(xué)的一門重要學(xué)科——時(shí)間生物學(xué)(chronobiology)。簡而言之，時(shí)間生物學(xué)是一門研究生物體節(jié)律現(xiàn)象的科學(xué)。周期節(jié)律是人們探索生命奧秘的科學(xué)進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)和揭示的一類非常重要的生命現(xiàn)象。生物的周期節(jié)律性的產(chǎn)生原因，通常認(rèn)為是在漫長的進(jìn)化歷程中，生命體為了適應(yīng)自然界的周期性變化(比如一天中晝夜現(xiàn)象所產(chǎn)生的光照和溫度變化，一年中四季輪轉(zhuǎn)，以及潮汐漲落等)，從而進(jìn)化出的內(nèi)源性適應(yīng)機(jī)制。根據(jù)外界環(huán)境周期變化的不同因素，生物節(jié)律可以分為：近日節(jié)律(circadian，circa-around, dian-day)，外因主要認(rèn)為是由于地球自轉(zhuǎn)引起日長變化(光周期，photoperiodism)和晝夜溫度變化(溫度周期)，近日節(jié)律常見表現(xiàn)有植物的葉片振動(dòng)角度變化、花瓣開合、氣孔開閉、人類的體溫、激素水平變化等以近24 h為周期的生物節(jié)律；近潮汐節(jié)律(circatidal)，外因是月球的引力作用于地球表面海洋而形成的周期性漲落，很多海洋生物表現(xiàn)出相應(yīng)的潮汐節(jié)律；近月節(jié)律(circalunal)，外因是月亮環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，例如女性的月經(jīng)周期；季節(jié)節(jié)律和近年節(jié)律(circaseasonal和 circannual)，外因認(rèn)為是由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，植物的季節(jié)性落葉和成熟，樹木的生長——年輪，動(dòng)物的季節(jié)性繁殖、休眠和鳥類的季節(jié)性遷徙都屬于這個(gè)范疇；此外還有報(bào)道指出一些和太陽活動(dòng)周期有關(guān)的近十年為周期的節(jié)律現(xiàn)象(circadecennian)。

任何一門科學(xué)的建立都不是憑空而來的，時(shí)間生物學(xué)在納入嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究范疇之前，人類已在生產(chǎn)生活過程中，開始對(duì)自然和生物體的節(jié)律性進(jìn)行觀察思考、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并最終指導(dǎo)自身實(shí)踐活動(dòng)。以中國為例，早在《易經(jīng)》中已經(jīng)記述了“天地革而四時(shí)成”，這在某種程度上可以看作是中華民族的先人對(duì)自然界節(jié)律性認(rèn)知的萌芽階段。在《夏小正》這部中國科學(xué)技術(shù)史最古老的文獻(xiàn)中，記載了 4000年前古人已經(jīng)懂得調(diào)整自己的實(shí)踐活動(dòng)，來適應(yīng)自然界的節(jié)律性，展現(xiàn)了中華民族杰出的生存智慧。值得一提的是，《呂氏春秋》中更進(jìn)一步提出了“圜道觀”，大量地記述了自然界和社會(huì)的各種節(jié)律性現(xiàn)象。在隨后的歷代農(nóng)書中描述的作物輪作、土壤輪耕、物能循環(huán)等，都進(jìn)一步完善和體現(xiàn)了“圜道觀”提到的節(jié)律性思想，并用它來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。中國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)中對(duì)生物節(jié)律現(xiàn)象描述更為具體，比如《黃帝內(nèi)經(jīng)》中關(guān)于“子午流注”的記述，雖然思辨的成分多些，卻與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的研究有驚人的契合度。除了中國古代科技文獻(xiàn)中有大量關(guān)于節(jié)律性的記載外，中國古代文學(xué)作品中對(duì)節(jié)律也有提及，如明代李東陽的七絕《夜合花》“夜合枝頭別有春，坐含風(fēng)露入清晨。任他明月能相照，斂盡芳心不向人?！蓖ㄟ^描述合歡晝夜開合節(jié)律來比喻忠貞的愛情；唐代白居易在《長恨歌》“春風(fēng)桃李花開日，秋雨梧桐葉落時(shí)”則巧妙地通過對(duì)植物季節(jié)節(jié)律的描寫表達(dá)了思念之情。

生物鐘調(diào)控的周期節(jié)律中，研究最為深入且廣泛的是以近24 h為周期的節(jié)律現(xiàn)象。circadian源自拉丁語circa (around) and dies(day，～24 h)，即節(jié)律周期接近24 h。真正現(xiàn)代自然科學(xué)意義上的生物鐘相關(guān)實(shí)驗(yàn)起始于 1720年，De Mairan(Jean-Jacques d’Ortous de Mairan)觀察到在持續(xù)黑暗條件下含羞草葉片依然保持著如同晝夜周期下同樣的節(jié)律性開合現(xiàn)象。隨后的科學(xué)研究表明生物鐘現(xiàn)象廣泛存在，目前生物鐘研究的主要模式物種包括從藍(lán)藻、衣藻、粗糙脈孢霉、線蟲、果蠅、帝王蝶、擬南芥、老鼠到人，幾乎涵蓋了生物學(xué)研究的模式物種。生物鐘的研究經(jīng)歷了最初的緩慢發(fā)展，到20世紀(jì)50年代，基本建立起了生物鐘調(diào)控的近24 h節(jié)律的三個(gè)主要特征。第一，生物鐘調(diào)控的周期節(jié)律是內(nèi)源的，獨(dú)立于外界環(huán)境信號(hào)的周期性馴化，如光暗周期、溫度周期等，在持續(xù)條件下自由地以 24 h為周期振蕩(self-sustaining)?；蛘呖梢哉f生物鐘調(diào)控系統(tǒng)是遺傳得來的，由細(xì)胞內(nèi)自身的組分來控制，使得生物體能夠具有“預(yù)測(cè)”時(shí)間和外界環(huán)境的周期性變化。第二，生物鐘調(diào)控的節(jié)律可以被周圍環(huán)境信號(hào)(如光照、溫度等)所馴化(entrainable)，進(jìn)而被重新設(shè)定。如同我們到另外一個(gè)時(shí)區(qū)要矯正隨身攜帶的手表一樣，生物體自身的節(jié)律也可以被調(diào)節(jié)去更好地適應(yīng)外界環(huán)境。第三，生物鐘調(diào)控的節(jié)律具有溫度補(bǔ)償現(xiàn)象(temperature compensation)。簡單表述就是生物鐘在一定生理溫度范圍內(nèi)，可以保持自身節(jié)律的相對(duì)穩(wěn)定，這就意味著對(duì)于大多數(shù)生理反應(yīng)的溫度系數(shù)Q10大于2(比如酶反應(yīng)溫度提高10℃，速度加快1倍)在生物鐘控制的節(jié)律中并不成立，其節(jié)律的Q10接近 1，在一定溫度范圍內(nèi)節(jié)律性可以維持穩(wěn)定狀態(tài)。除上述幾點(diǎn)，生物鐘節(jié)律還有一個(gè)很有意思的規(guī)律，被命名為Aschoff’s rule(即節(jié)律的周期長短與光強(qiáng)相關(guān)，隨著光強(qiáng)增加周期變短)(圖1)。不夸張地說每一個(gè)生物鐘研究者都了解Aschoff’s rule的另一層含義，就是當(dāng)年 Aschoff用了幾十年的用來測(cè)量試管中菌體生長的生物鐘周期的污跡斑斑的尺子已被裝裱好，作為生物鐘領(lǐng)域依次傳承的一項(xiàng)榮譽(yù)。生物節(jié)律研究協(xié)會(huì)(Society for Research on Biological Rhythms,SRBR) 的大會(huì)上會(huì)頒發(fā)這項(xiàng)榮譽(yù)，它的評(píng)選遵循兩個(gè)有趣的規(guī)則：一是繼任者必須是與當(dāng)前得獎(jiǎng)?wù)吖ぷ髟诓煌瑖业纳镧妼W(xué)家；二是繼任者研究的生物體必須與當(dāng)前得獎(jiǎng)?wù)卟煌?/p>

圖 1 Aschoff’s rule (圖片來源 http://www.srbr.org/Pages/AschoffRule.aspx)

圖2 生物鐘節(jié)律研究的幾個(gè)常用參數(shù)

生物鐘研究中將生物體的周期節(jié)律表型通過數(shù)學(xué)方法來分析計(jì)算，常用的基本參數(shù)包括周期(period)、振幅(amplitude)、相位(phase)和中值或均值。周期指振蕩曲線一次周而復(fù)始的變動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間。振幅是指生理變量的變動(dòng)幅度，以余弦函數(shù)描述生物鐘節(jié)律時(shí)，振幅是最大值與最小值的差值的一半。相位在時(shí)間生物學(xué)的數(shù)學(xué)表述中是指生理變量的某一特征值在周期節(jié)律性變化中出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，一般而言常用波峰的相位或者波谷的相位作為研究對(duì)象。中數(shù)(中值)在數(shù)據(jù)模型中指研究的生物節(jié)律相關(guān)生理變量的平均值(圖 2)。前模式植物擬南芥生物鐘系統(tǒng)核心調(diào)控由CCA1(CIRCADIAN CLOCK-ASSOCIATED 1)、LHY(LATE ELONGATED HYPOCOTYL)、TOC1(TIMING OF CAB EXPRESSION 1)和其他PRRs(PRR3、PRR5、PRR7、PRR9)、GI(GIGANTEA)、ZTL(ZEITLUPE)、CHE(CCA1 HIKING EXPEDITION)、ELF3(EARLY FLOWERING 3)、ELF4、LUX(LUX ARRHYTHMO)等構(gòu)成復(fù)雜的多重反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。第三部分輸出途徑(output pathways)，指生物鐘參與調(diào)控的諸多以近24 h振蕩的生物節(jié)律，涉及到植物生長發(fā)育過程中各類關(guān)鍵的生理生化過程，例如：細(xì)胞游離鈣離子濃度的近 24 h節(jié)律性振蕩、蛋白磷酸化反應(yīng)、激素的合成與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、植物周期性生長、葉綠體移動(dòng)、氣孔開閉、下胚軸伸長、葉片運(yùn)動(dòng)、花瓣開閉、開花時(shí)間、非生物和生物逆境脅迫反應(yīng)等。生物鐘系統(tǒng)上述三部分之間的關(guān)系并不是分割獨(dú)立存在的，它們之間信號(hào)網(wǎng)絡(luò)交叉在一起，相互應(yīng)答組成一個(gè)有機(jī)的整體來調(diào)控植物生長和發(fā)育及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[5-11](圖 3)。

植物生物鐘的研究有著最為悠久的歷史，與其他領(lǐng)域的生物鐘研究相互借鑒，特別是近些年隨著生物技術(shù)突飛猛進(jìn)，研究的深度和廣度都有了飛躍式的發(fā)展。植物生物鐘參與調(diào)控植物體幾乎所有的新陳代謝、生長發(fā)育過程，使植物體近24 h節(jié)律(circadian rhythm)與外界環(huán)境條件(光、溫度周期)達(dá)到時(shí)間和空間的同步。生物鐘調(diào)節(jié)機(jī)制使得植物在與環(huán)境應(yīng)答反應(yīng)中獲益，從基因表達(dá)到生理生化水平，以近24 h為周期的節(jié)律性振蕩能夠減少不必要的能量和物質(zhì)消耗，提高生物量和生產(chǎn)力，極大地增加了植物生存和競爭能力[1-4]。植物生物鐘系統(tǒng)由三部分組成：首先是輸入途徑(input pathway)，紅光受體PHYs和藍(lán)光受體CRYs等以及其他可能存在的未知組分，將自然界光、溫度、營養(yǎng)等的環(huán)境信號(hào)的變化傳遞給第二部分，生物鐘核心振蕩器(core oscillator)。目

圖3 植物生物鐘系統(tǒng)組成關(guān)系圖

1 植物生物鐘輸入途徑——生物鐘的發(fā)條

自然環(huán)境中，植物生物鐘處于外界環(huán)境因子(特別是光照和溫度)的持續(xù)作用下，在植物整個(gè)生長發(fā)育進(jìn)程中，機(jī)體感受到外界光照長短和溫度高低的變化，不停地重新設(shè)定自身節(jié)律，使之與環(huán)境變化同步。光是對(duì)生物鐘的作用最為顯著的因素，因此研究得較為深入。研究表明擬南芥生物鐘感知光的輸入途徑主要通過紅光受體光敏色素(phytochrome，PHY)、藍(lán)光受體隱花色素(cryptochrome，CRY)和其他與生物鐘相關(guān)的藍(lán)光受體 ZTL(ZEITLUPE)、FKF1(FLAVIN BINDING,KELCH REPEAT, F-BOX1)和 LKP2(LOV KELCH PROTEIN2)。光敏色素及其相關(guān)的光信號(hào)途徑組分(PIF3、PIF4、PIF5、ELF3、ELF4、FHY3、DET1和 HY5等)感受外界光信號(hào)，并調(diào)控生物鐘核心循環(huán)基因的表達(dá)來重新設(shè)定生物鐘，其中隱花色素到生物鐘的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程除了獨(dú)立于光敏色素的途徑外，還在光敏色素下游起一定的作用。研究表明 ZTL的 LOV(light，oxygen，or voltage)結(jié)構(gòu)域可以和 TOC1、PRR5結(jié)合，然后通過蛋白酶依賴的降解途徑降解掉 TOC1和 PRR5。但是藍(lán)光可以誘導(dǎo) ZTL的 LOV結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象變化更加傾向于結(jié)合GI(GIGANTEA)，從而保護(hù) TOC1、PRR5 和 ZTL在夜晚之前不被降解，此外 PRR3作為維管束表達(dá)的PRR蛋白，也可以通過與TOC1結(jié)合，從而抑制 TOC1的降解。利用ZTL、FKF1和LKP2雙突和三突變體為材料的研究結(jié)果表明生物鐘調(diào)控中以ZTL為主，LKP2表達(dá)量很低，但FKF1和LKP2也起了一定的作用[1,9,12-18]。除了最早發(fā)現(xiàn)的光和溫度兩種影響生物鐘的重要因子外，氮營養(yǎng)元素和鐵離子也被證明對(duì)生物鐘有重要的調(diào)控作用[19-21]。

溫度補(bǔ)償現(xiàn)象是生物鐘節(jié)律的一個(gè)重要特征，但是對(duì)植物生物鐘的溫度補(bǔ)償機(jī)制研究并沒有非常深入，目前主要是PRR7和PRR9以及GI基因比較肯定的在溫度補(bǔ)償機(jī)制中扮演了重要角色。此外，CCA1/LHY雖然功能上有很大的互補(bǔ)，但是 LHY在高溫情況下起重要作用，而CCA1在低溫情況下發(fā)揮著主要作用。CK2 和CCA1也同時(shí)受到溫度的調(diào)節(jié)，CCA1作為CK2的底物，磷酸化的CCA1對(duì)其功能尤為重要。CK2和 CCA1對(duì)溫度的反應(yīng)表現(xiàn)出相互拮抗作用，使得植物在高溫下依舊能保持生物鐘的正常節(jié)律。但是植物生物鐘溫度相關(guān)的輸入途徑仍然有許多空白地帶需要進(jìn)一步研究[22-26]。

2 植物生物鐘核心循環(huán)——復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及不同層面的調(diào)控

隨著越來越多植物生物鐘相關(guān)基因的克隆及對(duì)這些基因的轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的研究，生物鐘核心循環(huán)已經(jīng)從最初單一的負(fù)反饋循環(huán)逐步發(fā)展成當(dāng)前比較公認(rèn)的多重負(fù)反饋循環(huán)模型，并逐步演化為復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。為了方便理解，可以將復(fù)雜的核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)合并為三個(gè)循環(huán)[27](圖4)：第一個(gè)是中心循環(huán)(core loop)，是最早鑒定的以三個(gè)重要的核心基因CCA1/LHY-TOC1為主的反饋通路。其中CCA1/LHY一對(duì)類似于MYB的轉(zhuǎn)錄因子抑制TOC1的表達(dá)，進(jìn)而TOC1直接或間接地通過未知組分調(diào)控CCA1/LHY的表達(dá)，從而構(gòu)成了一個(gè)完整調(diào)控過程。新的研究發(fā)現(xiàn)TCP轉(zhuǎn)錄因子的成員CHE在其中也起到了重要作用，CCA1/LHY可以抑制CHE的表達(dá)，而CHE蛋白的積累反過來會(huì)降低CCA1的表達(dá)水平，同時(shí)TOC1可以同CHE結(jié)合拮抗CHE的作用[28]。值得注意的是，新的研究結(jié)果推翻了以前的 TOC1促進(jìn)轉(zhuǎn)錄激活的推論，證明TOC1可以直接作為DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，結(jié)合與CCA1/LHY啟動(dòng)子特定元件上，抑制CCA1/LHY的表達(dá)，雖然與以前生物鐘模型中的結(jié)論相反，但是也給出了一些需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證的推論和解釋[29]。第二個(gè)循環(huán)是早晨循環(huán)(morning loop)，由CCA1/LHY以及PRR7/PRR9組成，其中CCA1/LHY在清晨(subjective day morning)達(dá)到表達(dá)高峰，促進(jìn)PRR7/PRR9的轉(zhuǎn)錄，而PRR7/PRR9反過來抑制CCA1/LHY表達(dá)。此外，另外兩個(gè)關(guān)鍵的生物鐘基因LUX和ELF3也可以直接抑制PRR9的表達(dá)水平[30-32]。第三個(gè)循環(huán)為傍晚循環(huán)(evening loop)，主要有TOC1和未鑒定的組分Y(GI可能部分行使著Y的功能)，TOC1抑制GI的表達(dá)，而GI促進(jìn)了TOC1的表達(dá)，同時(shí)GI的轉(zhuǎn)錄被 CCA1/LHY所抑制[27]。此外PRRs(pseudo-response regulators)在擬南芥生物鐘調(diào)控中至關(guān)重要。擬南芥基因組共有 5個(gè)PRRs(TOC1/PRR1、PRR3、PRR5、PRR7、PRR9)。其中TOC1是第一個(gè)在短周期突變體基礎(chǔ)上鑒定的生物鐘基因[33]。在此基礎(chǔ)上陸續(xù)發(fā)表的文章揭示了TOC1屬于5個(gè)PRRs小基因家族成員之一，研究表明PRRs的表達(dá)調(diào)控比較復(fù)雜，可以分為轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。PRRs轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控最有趣的現(xiàn)象是5個(gè)基因不僅受生物鐘調(diào)控，而且它們的振蕩就像音樂會(huì)五重奏(quintet)，它們轉(zhuǎn)錄水平的波峰(peaks)依次出現(xiàn)，間隔約2 h：PRR9的表達(dá)緊隨在一對(duì)重要的生物鐘基因CCA1/LHY(表達(dá)高峰位于清晨)之后，大約在早晨達(dá)到表達(dá)高峰(early in the morning)；接著是PRR7、PRR5、PRR3；最后TOC1的表達(dá)高峰出現(xiàn)在入夜時(shí)分(in the early evening)[34]。PRRs轉(zhuǎn)錄后調(diào)控則更為復(fù)雜，其中 PRMT5則影響到了PRR9mRNA的選擇性拼接[35]，同時(shí)PRRs在蛋白水平上還存在磷酸化現(xiàn)象，相關(guān)研究揭示了磷酸化狀態(tài)也決定了PRRs的穩(wěn)定性，以及它們參與的蛋白復(fù)合體的命運(yùn)(穩(wěn)定性和亞細(xì)胞定位)[36-38]。最新研究結(jié)果還證明了PRR5、PRR7、PRR9通過與TOPLESS/TOPLESS-RELATED家族蛋白相互作用，從而抑制CCA1和LHY的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控生物鐘[39]。目前對(duì)于生物鐘的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控越來越得到重視，對(duì)于SKIP基因的研究證實(shí)了 mRNA的選擇性拼接的變化可以影響到諸多生物鐘關(guān)鍵基因的拼接模式，起到調(diào)控生物鐘的作用[40]。

圖4 植物生物鐘主要基因調(diào)控信號(hào)途徑(根據(jù)最新研究結(jié)果修改自文獻(xiàn)[27])

3 植物生物鐘輸出途徑——通過周期節(jié)律調(diào)控植物體環(huán)境適應(yīng)性

植物的適應(yīng)性部分得益于生物鐘系統(tǒng)使機(jī)體具備了對(duì)未來環(huán)境變化的“預(yù)知”能力，提前作出調(diào)整(圖5)，比如使光合作用相關(guān)基因和蛋白提前轉(zhuǎn)錄和翻譯，達(dá)到最大的光合利用率。氣孔的節(jié)律性開閉以及相關(guān)抗性基因的周期性表達(dá)，可能使植物在盡可能減少能量和資源浪費(fèi)的情況下，兼顧到對(duì)生物和非生物脅迫的抵抗。通過不同周期的生物鐘突變體在長短不同的周期條件下的生長情況的比較，證明了植物生物鐘如果與地球自轉(zhuǎn)的周期同步將賦予植物生長發(fā)育和適應(yīng)性等方面的優(yōu)勢(shì)[3]。另外生物鐘對(duì)于雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象的解釋也從一個(gè)側(cè)面揭示了其對(duì)提高植物的環(huán)境適應(yīng)性的作用[41]。2011年關(guān)于擬南芥對(duì)抗霜霉病的實(shí)驗(yàn)表明，生物鐘核心循環(huán)基因CCA1下游調(diào)控的一些抗性基因可能參與了基本防御反應(yīng)和R-基因介導(dǎo)的抗性反應(yīng)，使得植物可以預(yù)期病原菌的侵染時(shí)間，有針對(duì)性地調(diào)動(dòng)相應(yīng)的防御基因表達(dá)[10]。此外植物生物鐘也被證明可以提前“預(yù)知”昆蟲的取食行為，通過調(diào)控茉莉酸介導(dǎo)的防御反應(yīng)與之相適應(yīng)，從而與昆蟲做斗爭[11]。生物鐘系統(tǒng)另一核心循環(huán)成員 TOC1(PRR1)，最早是作為種子中ABI3相互作用蛋白(ABI3-interacting protein 1，AIP1)被克隆出來[42]。TOC1被證實(shí)可以直接結(jié)合ABAR啟動(dòng)子區(qū)并調(diào)節(jié) ABAR的周期性表達(dá)，同時(shí) ABA可以上調(diào)TOC1，因此 TOC1被認(rèn)為在干旱脅迫信號(hào)途徑和生物鐘之間起到分子開關(guān)的作用[43]。研究表明處于擬南芥生物鐘核心循環(huán)中的與TOC1同一基因家族的PRR5/PRR7/PRR9在植物適應(yīng)低溫、高鹽和干旱脅迫中也起到了重要作用，prr5/prr7/prr9三突植株中ABA含量比野生型明顯提高，而且芯片結(jié)果顯示ABA合成途徑關(guān)鍵基因也相應(yīng)地顯著上調(diào)[44-45]。氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)控葉片CO2交換和水分的蒸騰散失，同時(shí)氣孔開閉處于生物鐘調(diào)控之下，研究表明，在水分缺失中度脅迫情況下ABA對(duì)氣孔的作用效果在下午明顯高于早晨[46]，在TOC1缺失突變體中ABA介導(dǎo)的對(duì)干旱的抗性反應(yīng)被弱化了許多[43]。

圖5 植物生物鐘輸出途徑簡圖 (圖片資料來源于互聯(lián)網(wǎng)和文獻(xiàn))

Ca2＋作為植物細(xì)胞中最重要的第二信使之一，不僅在植物的生長發(fā)育和新陳代謝過程中起到重要作用，而且由于其參與植物對(duì)許多逆境信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，獲得了廣泛而深入的研究[47-50]。Johnson等[51]1995年發(fā)現(xiàn)細(xì)胞游離鈣離子濃度存在近 24 h節(jié)律性振蕩(circadian calcium oscillation)，隨后他們?cè)跀M南芥中對(duì)鈣節(jié)律調(diào)控機(jī)制有了進(jìn)一步研究[52-53]。Xu等利用擬南芥多種光受體和生物鐘突變體以及超表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植物為實(shí)驗(yàn)材料，證實(shí)紅光和藍(lán)光均調(diào)控細(xì)胞質(zhì)[Ca2+]cyt的近 24 h節(jié)律振蕩，紅光途徑主要由PHYB介導(dǎo)，藍(lán)光則通過 CRY1、CRY2的雙重調(diào)節(jié)。藍(lán)光可以提高細(xì)胞質(zhì)中[Ca2+]cyt水平，這種調(diào)控需要PHYB、CRY1、CRY2的共同參與來完成。ELF3(EARLYFLOWERING3)的作用如同閥門(gating)，直接通過控制生物鐘的光輸入途徑來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子節(jié)律。研究還表明擬南芥生物鐘核心調(diào)控基因CCA1和LHY共同參與[Ca2+]cyt及CAB2(CHLOROPHYLL A/B BINDING PROTEIN2)的節(jié)律性調(diào)控，但是在TOC1不同突變體toc1-1、toc1-2中，[Ca2+]cyt及CAB2prom:luc節(jié)律存在明顯的差異，突變體中這種不同輸出途徑存在的節(jié)律差異表明，鈣節(jié)律和CAB2prom:luc(基因表達(dá))節(jié)律可能分別由植物生物鐘核心機(jī)制的不同負(fù)反饋循環(huán)來調(diào)控[52]。目前對(duì)于鈣節(jié)律振蕩中鈣離子的來源問題(胞外或細(xì)胞器)，cADPR途徑和CAS-IP3途徑都有初步研究結(jié)果，但由于缺乏直接證據(jù)，仍處于爭論狀態(tài)[54-58]。

總而言之，生物鐘系統(tǒng)參與調(diào)控了植物體內(nèi)絕大多數(shù)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，對(duì)生物鐘與其他信號(hào)途徑的應(yīng)答反應(yīng)的研究必將對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極好的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。生物鐘在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谠鰪?qiáng)植物的適應(yīng)性、抗逆性，改造作物的地域性限和提高生物量等方面均起著至關(guān)重要的作用。與其他信號(hào)通路的關(guān)系中生物鐘起到了一個(gè)統(tǒng)領(lǐng)和橋梁的作用，但是植物生物鐘調(diào)控模型依然有許多缺失環(huán)節(jié)和未知的關(guān)鍵基因有待于我們?nèi)ヨb定。

(2013年3月4日收稿)

[1]NOZUE K, COVINGTON M F, DUEK P D, et al. Rhythmic growth explained by coincidence between internal and external cues [J].Nature, 2007, 448(7151): 358-361.

[2]COVINGTON M F, MALOOF J N, STRAUME M, et al. Global transcriptome analysis reveals circadian regulation of key pathways in plant growth and development [J]. Genome Biol, 2008, 9(8):R130.

[3]DODD A N, SALATHIA N, HALL A, et al. Plant circadian clocks increase photosynthesis, growth, survival, and competitive advantage[J]. Science, 2005, 309(5734): 630-633.

[4]NI Z, KIM E D, HA M, et al. Altered circadian rhythms regulate growth vigour in hybrids and allopolyploids [J]. Nature, 2008,457(7227): 327-331

[5]MCCLUNG C R. Comes a time [J]. Curr Opin Plant Biol, 2008,11(5): 514-520.

[6]PRUNEDA-PAZ J L, KAY S A. An expanding universe of circadian networks in higher plants [J]. Trends Plant Sci, 2010, 15(5): 259-265.

[7]HARMER S L. The circadian system in higher plants [J]. Annu Rev Plant Biol, 2009, 60: 357-377.

[8]ROBERTSON F C, SKEFFINGTON A W, GARDNER M J, et al.Interactions between circadian and hormonal signalling in plants [J].Plant Mol Biol, 2009, 69(4): 419-427.

[9]NUSINOW D A, HELFER A, HAMILTON E E, et al. The ELF4-ELF3-LUX complex links the circadian clock to diurnal control of hypocotyl growth [J]. Nature, 2011, 475(7356): 398-402.

[10]WANG W, BARNABY J Y, TADA Y, et al. Timing of plant immune responses by a central circadian regulator [J]. Nature, 2011,470(7332): 110-114.

[11]GOODSPEED D, CHEHAB E W, MIN-VENDITTI A, et al.Arabidopsissynchronizes jasmonate-mediated defense with insect circadian behavior [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109(12):4674-4677.

[12]DEVLIN P F. Signs of the time: environmental input to the circadian clock [J]. J Exp Bot, 2002, 53(374): 1535-1550.

[13]BAUDRY A, ITO S, SONG Y H, et al. F-box proteins FKF1 and LKP2 act in concert with ZEITLUPE to controlArabidopsisclock progression [J]. Plant Cell, 2010, 22(3): 606-622.

[14]KIM W Y, FUJIWARA S, SUH S S, et al. ZEITLUPE is a circadian photoreceptor stabilized by GIGANTEA in blue light [J]. Nature,2007, 449(7160):356-360.

[15]KIBA T, HENRIQUES R, SAKAKIBARA H, et al. Targeted degradation of PSEUDO-RESPONSE REGULATOR5 by a SCFZTL complex regulates clock function and photomorphogenesis inArabidopsis thaliana[J]. Plant Cell, 2007, 19(8): 2516-2530.

[16]LI G, SIDDIQUI H, TENG Y, et al. Coordinated transcriptional regulation underlying the circadian clock inArabidopsis[J]. Nature Cell Biology, 2011, 13(5): 616-622.

[17]LAU ON S, HUANG X, CHARRON J-B, et al. Interaction ofArabidopsisDET1 with CCA1 and LHY in mediating transcriptional repression in the plant circadian clock [J]. Molecular Cell, 2011,43(5): 703-712.

[18]PARA A, FARRE E M, IMAIZUMI T, et al. PRR3 Is a vascular regulator of TOC1 stability in theArabidopsiscircadian clock [J].Plant Cell, 2007, 19(11): 3462-3473.

[19]SALOME P A, OLIVA M, WEIGEL D, et al. Circadian clock adjustment to plant iron status depends on chloroplast and phytochrome function [J]. EMBO J, 2013, 32(4): 511-523.

[20]HONG S, KIM S A, GUERINOT M L, et al. Reciprocal interaction of the circadian clock with the iron homeostasis network inArabidopsis[J]. Plant Physiol, 2013, 161(2): 893-903.

[21]GUTIERREZ R A, STOKES T L, THUM K, et al. Systems approach identifies an organic nitrogen-responsive gene network that is regulated by the master clock control gene CCA1 [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(12): 4939-4944.

[22]SALOME P A, MCCLUNG C R. PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 7 and 9 are partially redundant genes essential for the temperature responsiveness of theArabidopsiscircadian clock [J].Plant Cell, 2005, 17(3): 791-803.

[23]GOULD P D, LOCKE J C, LARUE C, et al. The molecular basis of temperature compensation in theArabidopsiscircadian clock [J].Plant Cell, 2006, 18(5): 1177-1187.

[24]PORTOLéS S, MáS P. The functional interplay between protein kinase CK2 and CCA1 transcriptional activity is essential for clock temperature compensation inArabidopsis[J]. PLoS Genet, 2010,6(11): e1001201.

[25]DANIEL X, SUGANO S, TOBIN E M. CK2 phosphorylation of CCA1 is necessary for its circadian oscillator function inArabidopsis[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(9): 3292-3297.

[26]LU S X, LIU H, KNOWLES S M, et al. A role for protein kinase casein kinase2 alpha-subunits in theArabidopsiscircadian clock [J].Plant Physiol, 2011, 157(3): 1537-1545.

[27]HAYDON M J, BELL L J, WEBB A A R. Interactions between plant circadian clocks and solute transport [J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(7): 2333-2348.

[28]PRUNEDA-PAZ J L, BRETON G, PARA A, et al. A functional genomics approach reveals CHE as a component of theArabidopsiscircadian clock [J]. Science, 2009, 323(5920): 1481-1485.

[29]GENDRON J M, PRUNEDA-PAZ J L, DOHERTY C J, et al.Arabidopsiscircadian clock protein, TOC1, is a DNA-binding transcription factor [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109(8):3167-3172.

[30]DIXON L E, KNOX K, KOZMA-BOGNAR L, et al. Temporal repression of core circadian genes is mediated through EARLY FLOWERING 3 inArabidopsis[J]. Current Biology: CB, 2011,21(2): 120-125.

[31]CHOW B Y, HELFER A, NUSINOW D A, et al. ELF3 recruitment to the PRR9 promoter requires other evening complex members in theArabidopsiscircadian clock [J]. Plant Signal Behav, 2012,7(2):170-173.

[32]HELFER A, NUSINOW D A, CHOW B Y, et al. LUX ARRHYTHMO encodes a nighttime repressor of circadian gene expression in theArabidopsiscore clock [J]. Current Biology: CB,2011, 21(2): 126-133.

[33]MILLAR A, CARRE I, STRAYER C, et al. Circadian clock mutants in Arabidopsis identified by luciferase imaging [J]. Science, 1995,267(5201): 1161-1163.

[34]MIZUNO T, NAKAMICHI N. Pseudo-response regulators (PRRs) or true oscillator components (TOCs) [J]. Plant Cell Physiol, 2005,46(5): 677-685.

[35]SANCHEZ S E, PETRILLO E, BECKWITH E J, et al. A methyl transferase links the circadian clock to the regulation of alternative splicing [J]. Nature, 2010, 468(7320): 112-116.

[36]WANG L, FUJIWARA S, SOMERS D E. PRR5 regulates phosphorylation, nuclear import and subnuclear localization of TOC1 in theArabidopsiscircadian clock [J]. EMBO J, 2010, 29(11):1903-1915.

[37]MAS P, KIM W Y, SOMERS D E, et al. Targeted degradation of TOC1 by ZTL modulates circadian function inArabidopsis thaliana[J]. Nature, 2003, 426(6966): 567-570.

[38]FUJIWARA S, WANG L, HAN L, et al. Post-translational regulation of theArabidopsiscircadian clock through selective proteolysis and phosphorylation of pseudo-response regulator proteins [J]. J Biol Chem, 2008, 283(34):23073-23083.

[39]WANG L, KIM J, SOMERS D E. Transcriptional corepressor TOPLESS complexes with pseudoresponse regulator proteins and histone deacetylases to regulate circadian transcription [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(2): 761-766.

[40]WANG X, WU F, XIE Q, et al. SKIP is a component of the spliceosome linking alternative splicing and the circadian clock inArabidopsis[J]. Plant Cell, 2012, 24(8): 3278-3295.

[41]NI Z, KIM E D, HA M, et al. Altered circadian rhythms regulate growth vigour in hybrids and allopolyploids [J]. Nature, 2009,457(7227): 327-331.

[42]KURUP S, JONES H D, HOLDSWORTH M J. Interactions of the developmental regulator ABI3 with proteins identified from developingArabidopsisseeds [J]. Plant J, 2000, 21(2): 143-155.

[43]LEGNAIOLI T, CUEVAS J, MAS P. TOC1 functions as a molecular switch connecting the circadian clock with plant responses to drought[J]. EMBO J, 2009, 28(23): 3745-3757.

[44]NAKAMICHI N, KUSANO M, FUKUSHIMA A, et al. Transcript profiling of anArabidopsisPSEUDO RESPONSE REGULATOR arrhythmic triple mutant reveals a role for the circadian clock in cold stress response [J]. Plant Cell Physiol, 2009, 50(3):447-462.

[45]FUKUSHIMA A, KUSANO M, NAKAMICHI N, et al. Impact of clock-associatedArabidopsispseudo-response regulators in metabolic coordination [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2009,106(17):7251-7256.

[46]CORREIA M J, PEREIRA J S, CHAVES M M, et al. Aba xylem concentrations determine maximum daily leaf conductance of field-grownVitis-ViniferaL plants [J]. Plant Cell and Environment,1995, 18(5): 511-521.

[47]CHEN X, LIN W H, WANG Y, et al. An inositol polyphosphate 5-phosphatase functions in PHOTOTROPIN1 signaling inArabidopisby altering cytosolic Ca2+[J]. Plant Cell, 2008, 20(2):353-366.

[48]WARD J M, MASER P, SCHROEDER J I. Plant ion channels: gene families, physiology, and functional genomics analysis [J]. Annu Rev Physiol, 2008, 71:59-82.

[49]HAN S, TANG R, ANDERSON L K, et al. A cell surface receptor mediates extracellular Ca(2+) sensing in guard cells [J]. Nature, 2003,425(6954): 196-200.

[50]DU L, ALI G S, SIMONS K A, et al. Ca(2+)/calmodulin regulates salicylic-acid-mediated plant immunity [J]. Nature, 2009, 457(7233):1154-1158.

[51]JOHNSON C H, KNIGHT M R, KONDO T, et al. Circadian oscillations of cytosolic and chloroplastic free calcium in plants [J].Science, 1995, 269(5232): 1863-1865.

[52]XU X, HOTTA C T, DODD A N, et al. Distinct light and clock modulation of cytosolic free Ca2+oscillations and rhythmic CHLOROPHYLL A/B BINDING PROTEIN2 promoter activity inArabidopsis[J]. Plant Cell, 2007, 19(11): 3474-3490.

[53]LOVE J, DODD A N, WEBB A A. Circadian and diurnal calcium oscillations encode photoperiodic information inArabidopsis[J].Plant Cell, 2004, 16(4): 956-966.

[54]TANG R H, HAN S, ZHENG H, et al. Coupling diurnal cytosolic Ca2+oscillations to the CAS-IP3 pathway inArabidopsis[J]. Science,2007, 315(5817): 1423-1426.

[55]IMAIZUMI T, KAY S A, SCHROEDER J I. Circadian rhythms.Daily watch on metabolism [J]. Science, 2007, 318(5857):1730-1731.

[56]IMAIZUMI T, SCHROEDER J I, KAY S A. In SYNC: the ins and outs of circadian oscillations in calcium [J]. Sci STKE, 2007,2007(390): pe32.

[57]DODD A N, GARDNER M J, HOTTA C T, et al. TheArabidopsiscircadian clock incorporates a cADPR-based feedback loop [J].Science, 2007, 318(5857): 1789-1792.

[58]XU X, GRAEFF R, XIE Q, et al. Comment on “theArabidopsiscircadian clock incorporates a cADPR-based feedback loop” [J].Science, 2009, 326(5950): 230.

The circadian clock in plants

XU Xiao-dong①, XIE Qi-guang②
①Professor, Hebei Normal University, Colledge of Life Sciences, Key Laboratory of Molecular Cell Biology, Shijiazhuang 050024,China; ②Research Associate, Dartmouth Colledge, Department of Biological Sciences, Hanover, Hampshire 03755, USA

Circadian clock generates endogenous rhythms to confer the fitness advantages for most organisms. Plants with the evolved self-sustaining rhythms could anticipate the changes of environment, synchronize own growth and development with oscillated outer signals. This review summarizes the emerging of research work on the various circadian rhythms, introduces the concepts of chronobiology and related theory,etc, and describes in detail on the current basic network architecture of circadian systems of higher plants, including the prominent transcriptional and posttranslational mechanism.

biological clock, circadian rhythm, chronobiology, plant

10.3969/j.issn.0253-9608.2013.02.006

(編輯：段艷芳)