生物鐘與光周期響應(yīng)*

袁力，謝啟光，徐小冬?

①河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 植物逆境生物學(xué)重點實驗室，河南 開封 475004；②河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 分子細(xì)胞生物學(xué)重點實驗室，石家莊 050024

1 光周期現(xiàn)象

1.1 日照長度與季節(jié)節(jié)律

地球的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致地軸和晨昏線的夾角以一年為周期循環(huán)，南北半球的日照長度和太陽輻射能量變化產(chǎn)生季節(jié)性變化。對于多數(shù)生物，一年中有利于生命活動的時間隨著緯度增加或海拔升高而縮短。因此，生活在不同地理位置的生物，會在適應(yīng)季節(jié)完成其生長發(fā)育、遷徙或洄游、開花結(jié)實或繁殖，在嚴(yán)酷季節(jié)進(jìn)行休眠或冬眠。與溫度、濕度和降水等環(huán)境因素相比，在地球上特定區(qū)域日照長度的節(jié)律性變化是長期穩(wěn)定且有規(guī)律可循的，生物體能預(yù)知光信號的季節(jié)性變化并使其生命活動與之同步[1]。

光周期(photoperiod)是指晝夜24 h周期中光照和黑暗時間相對長度的交替變化。赤道地區(qū)的光周期保持12 h光照ü12 h黑暗的穩(wěn)定循環(huán)，低緯度地區(qū)光周期季節(jié)性變化比較微弱，而中緯度和高緯度地區(qū)光周期季節(jié)性變化十分顯著。動植物對日照長短周期性變化的反應(yīng)，比如動物的遷徙和繁殖，植物的開花時節(jié)、塊莖形成以及休眠等被稱為光周期現(xiàn)象(photoperiodism)。在溫帶地區(qū)，動物常常在春季和夏季繁衍后代，在冬季通過休眠等降低代謝水平的方式或者遷徙至氣候更加適宜的地方來適應(yīng)惡劣環(huán)境的變化；植物需要在合適的時間生長、開花，有利于在合適的時間吸引授粉者[1-3]。

1.2 光周期現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1920年，美國科學(xué)家W.W.Garner和H. A.Allard發(fā)現(xiàn)在普通煙草開花的夏季，一種名為Maryland Mammoth 的煙草生長茂盛但并不開花，而在短日照的冬天才會開花[4]。他們將Maryland Mammoth稱之為短日照植物(shortday plant)，即在日照長度短于臨界條件時才會開花的植物。同樣屬于短日照植物的有菊花、一品紅和某些品種的大豆等。另一類在日照時間較長時開花的植物被稱之為長日照植物(longday plant)，包括胡蘿卜、菠菜和許多谷物等。此外，水稻、蒲公英和西紅柿等開花不依賴于日照長度的植物被稱之為中日性植物(day-neutral plant)，它們的開花時間由自身的生長狀況和溫度、水分等環(huán)境條件所調(diào)控。

光周期是調(diào)控昆蟲滯育、遷徙和繁殖的主要環(huán)境因素。一個種群中50 %個體處于滯育期、50 %處于非滯育期時的光周期被稱為 臨界光周期(critical photoperiod)[5]。一些昆蟲為了適應(yīng)夏季炎熱干旱、冬季溫和多雨的環(huán)境，隨著日照時間的延長進(jìn)入滯育期，被稱為長日照滯育型；另一些昆蟲為了適應(yīng)夏季溫暖濕潤、冬季嚴(yán)寒干燥的環(huán)境，會隨著日照時間的縮短進(jìn)入滯育期，被稱為短日照滯育型[1]。盡管有些時候環(huán)境中的溫度或食物等條件適合生長，但昆蟲必須根據(jù)光周期的變化判斷生存環(huán)境的季節(jié)性節(jié)律，提前決定繼續(xù)生長發(fā)育或進(jìn)入滯育期。如果錯過進(jìn)入滯育期的最佳時間，將對完成整個世代的發(fā)育不利。

對于鳥類和哺乳動物而言，由于性腺的發(fā)育、妊娠期或孵化期等生殖周期的生理過程所需時間一般是固定的，正確預(yù)期并在合適的時間繁衍后代是十分必要的。根據(jù)繁殖的時間是否依賴光周期，動物被分為季節(jié)性和非季節(jié)性繁殖動物(如人和小鼠等)，其中季節(jié)性繁殖動物又分為在春季隨著日照長度延長而繁殖的長日照動物(如馬和狐貍等)和在秋季發(fā)情、交配的短日照動物(如鹿和山羊等)[6]。大多哺乳動物的脂肪積累具有季節(jié)性循環(huán)的特性。對于西伯利亞倉鼠(Phodopus sungorus)的研究發(fā)現(xiàn)雄性倉鼠在長日照條件下體重比較穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)移到短日照條件下后體重逐漸下降，其中主要是脂肪含量的降低[7]。此外，季節(jié)性繁殖的鳥類在長日照條件繁殖后代，表現(xiàn)出隨著日照長度增加而呈現(xiàn)出性成熟、求偶和交配的現(xiàn)象[8]。

2 光周期響應(yīng)的機理研究

2.1 沙漏模型(hourglass model)

沙漏模型 假說認(rèn)為，生物體對于短日照條件的光周期響應(yīng)是基于對黑暗時間長度的測定。生物體內(nèi)某種化學(xué)成分在光暗條件下分別處于不同的狀態(tài)，在黑暗下的狀態(tài)是觸發(fā)光周期響應(yīng)所必需的，當(dāng)夜晚長度達(dá)到閾值時才能調(diào)控生理水平上的光周期現(xiàn)象的啟動。對于長日照條件的光周期響應(yīng)，該假說認(rèn)為某種化學(xué)成分的積累或活性受光暗信號調(diào)控，在光照條件下該成分積累或被激活，而進(jìn)入夜晚后逐漸降解或失活，當(dāng)日照長度達(dá)到閾值時觸發(fā)光周期響應(yīng)[9]。

沙漏模型 可以解釋一些在研究光周期現(xiàn)象過程中的發(fā)現(xiàn)。例如，將生長在長日照條件下的短日照植物牽牛花(Pharbitis nil)，在短日照處理一天即可促使其開花。但仍有很多現(xiàn)象是該假說無法解釋的。例如，生長在短日照條件下的長日照植物，在夜間進(jìn)行短時間光照處理會促進(jìn)其開花。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，黑暗長度達(dá)到促進(jìn)牽?；ㄩ_花的閾值后，超出的黑暗時間在一定范圍內(nèi)與開花的數(shù)量呈正相關(guān)，這一現(xiàn)象可能由 沙漏模型 調(diào)控[10]。 沙漏模型 由于不具備普遍的適用性，目前已不被廣泛接受，但其作為重要的假說，在光周期現(xiàn)象研究過程中發(fā)揮了重要作用[11-13]。

2.2 生物節(jié)律模型(circadian rhythm model)

生物節(jié)律模型又稱 生物鐘模型 ，最初由德國植物學(xué)家Erwin Bünning在1936年提出[14]，也稱為 Bünning假說 (Bünning hypothesis)、 外源契合模型 (external coincidence)。以長日照條件下的光周期現(xiàn)象為例，生物體內(nèi)存在內(nèi)源的近日節(jié)律，其 白天相位 對光照不敏感， 夜間相位 對光照敏感，當(dāng)外界日照長度逐漸增長至 夜間 相位感知到光照時，會觸發(fā)光周期響應(yīng)。在該假說中光信號具有兩個作用：一是可馴化或重置生物鐘；二是作為刺激信號觸發(fā)光周期響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，英國科學(xué)家Colin Pittendrigh和Dorothea Minis在1964年提出了 內(nèi)源契合模型 (internal coincidence)，該假說認(rèn)為光信號僅作為外源因子參與馴化或重置生物鐘，光周期變化會引起兩個或多個內(nèi)源節(jié)律之間相位關(guān)系的改變，從而調(diào)節(jié)光周期現(xiàn)象[15]。例如：激素分泌的節(jié)律和靶組織中受體表達(dá)的節(jié)律在某種光周期條件下保持一致，觸發(fā)光周期響應(yīng)；在另一光周期條件下相位相反，則抑制光周期響應(yīng)。

越來越多的實驗證據(jù)表明， 生物鐘模型更適合闡明光周期現(xiàn)象的調(diào)控機理[16-17]。生物鐘是調(diào)控近24 h生物節(jié)律的內(nèi)源性的時間調(diào)控機制，通過整合環(huán)境中光、溫度等因素的變化，維持自身生長發(fā)育等活動與環(huán)境周期變化同步(synchronization)，使地球上的生物可以預(yù)測由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的近24 h光暗等環(huán)境信號的節(jié)律性變化，增強了生物的環(huán)境適應(yīng)能力。生物鐘在從微生物到高等動植物中廣泛存在。對藍(lán)藻的研究表明，生物鐘與環(huán)境不同步(desynchronization)的菌株競爭能力降低[18]。此外，生物鐘廣泛調(diào)控包括動植物生長發(fā)育和脅迫耐受性在內(nèi)的眾多生物學(xué)過程。例如，果蠅生物鐘基因的突變會導(dǎo)致發(fā)育和壽命的異常變化，人類睡眠障礙和腫瘤等疾病的發(fā)生均與生物鐘調(diào)控異常相關(guān)[19-22]。

2.3 昆蟲、哺乳動物、鳥類和植物的光周期響應(yīng)研究

果蠅(Drosophila melanogaster)是研究昆蟲生物鐘的模式生物之一，其具有多個光受體蛋白，如隱花色素(cryptochrome)，和感知光的器官，如復(fù)眼、單眼和Hofbauer-Buchner孔眼等[23-24]。20世紀(jì)60年代完成的器官移植實驗表明，昆蟲感知光周期是由大腦控制的。1975年通過切除甲蟲復(fù)眼后，研究人員發(fā)現(xiàn)雄性甲蟲精子成熟等光周期響應(yīng)被抑制，第一次證實復(fù)眼可作為光周期響應(yīng)的受體器官，而對于甲蟲的幼蟲側(cè)單眼可能對光周期響應(yīng)十分重要[24]。生物鐘在昆蟲光周期響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，已有許多研究表明生物鐘核心組分的缺失會造成光周期響應(yīng)缺陷。由于物種多樣性，光周期響應(yīng)和生物鐘核心基因的進(jìn)化均存在差異，因此生物鐘在不同物種和不同光周期現(xiàn)象調(diào)控中的分子機制也不同[16,25]。

在昆蟲的光周期響應(yīng)研究中，有一部分內(nèi)容是針對不同光質(zhì)信號敏感性的探究，可歸納為三類實驗設(shè)計：①長日照條件下用濾光片改變光質(zhì)；②短日照條件使用單色光代替黑暗的時間；③短日照條件在黃昏后補加一定時長的單光質(zhì)光照[26]。研究結(jié)果表明：許多昆蟲對波長在400～550 nm的藍(lán)光或藍(lán)綠光比較敏感(如巢菜修尾蚜、歐洲松毛蟲和卷葉蛾等)，其中一些對紫外光也有響應(yīng)(如家蠶和蘋果全爪螨等)；部分昆蟲光周期響應(yīng)敏感光質(zhì)覆蓋了藍(lán)光至紅光的范圍(如劍紋夜蛾和麗蠅蛹集金小蜂等)[26]。

哺乳動物通過視網(wǎng)膜感知光信號。組成視網(wǎng)膜的細(xì)胞中70 %以上是視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，如老鼠的視網(wǎng)膜中約有640萬個視錐細(xì)胞和18萬個視桿細(xì)胞。照射在眼睛上的光線，一部分會被角膜、晶狀體和黃斑等散射或吸收，其余約57 %的光線能夠傳輸至視網(wǎng)膜表面，其中僅一小部分光子位于視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞能夠感知的可見光范圍，少量光子最終能夠引起生物電流[27]。除了視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞外，視網(wǎng)膜上還存在另一種可以感光的細(xì)胞ü 自發(fā)性感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell，ipRGC)。一方面，ipRGC與其他視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞一樣，可以接收視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的信號，并通過軸突向大腦傳遞動作電位；另一方面，ipRGC可表達(dá)視黑素蛋白，使其具有感光能力[28]。研究發(fā)現(xiàn)，ipRGC功能缺失的小鼠依然可以通過視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞成像，但喪失了瞳孔和生物鐘對光響應(yīng)的能力，表明光信號是通過ipRGC傳遞至生物鐘的[29]。ipRGC將光信號傳遞至下丘腦的視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)。SCN是哺乳動物的中樞生物鐘，其整合環(huán)境中光信號調(diào)控生物鐘與環(huán)境信號同步化，通過調(diào)控松果體褪黑激素的產(chǎn)生和分泌傳遞光周期信號[30-32]。鳥類具有3個感光器官或組織：眼睛、松果體和腦深部光感受器。研究發(fā)現(xiàn)切除眼睛和松果體的鳥依然存在睪丸發(fā)育的光周期現(xiàn)象，但在這些鳥的頭皮下方注射墨水以阻斷光線穿透之后，睪丸發(fā)育的光周期現(xiàn)象消失了，表明位于鳥類的腦深部光感受器也是光周期響應(yīng)所必需的[33]。

植物可以感知光強、光質(zhì)和光周期等的變化，光信號作為植物生物鐘系統(tǒng)輸入途徑的環(huán)境信號之一，對調(diào)控植物的生長發(fā)育起關(guān)鍵作用。根據(jù)接收光質(zhì)的不同，植物的光受體分為紅光和遠(yuǎn)紅光受體、藍(lán)光受體和紫外光受體。其中光敏色素(phytochrome)的5個成員(phyA～E)為紅光和遠(yuǎn)紅光受體，隱花色素、向光素(phototropin)和ZTL家族(zeitlupe family)的三個成員參與植物對藍(lán)光和UV-A的感知，此外植物還可以感知UV-B信號[34-35]。根據(jù)已有的報道，植物光受體參與了生物鐘核心振蕩器對光信號的響應(yīng)。例如：phyB主要參與生物鐘對強紅光的響應(yīng)；phyA參與生物鐘對弱紅光和弱藍(lán)光的響應(yīng)；而CRY1和CRY2調(diào)控生物鐘對藍(lán)光的響應(yīng)[36]。

3 光周期現(xiàn)象的分子機理研究進(jìn)展

3.1 光周期、生物鐘與植物季節(jié)性開花時間調(diào)控

在20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)科學(xué)家Mikhail Chailakhyan發(fā)現(xiàn)，將未開花植物與已開花的植物嫁接，或利用已開花植物的葉片提取物處理未開花植物，均可以促使生長在不合適光周期條件下的植物開花。他推測存在一種誘導(dǎo)開花的物質(zhì)成花素 (florigen)，其在葉片合成并運輸至莖尖組織誘導(dǎo)植物開花[37]。赤霉素可以促進(jìn)部分長日照植物在短日照條件下開花，但不能促進(jìn)短日照植物在長日照條件下開花，不完全符合成花素的特性。韌皮部短時間內(nèi)蔗糖濃度的增加同樣可以促進(jìn)花的形成，但只能在強光照條件下檢測到蔗糖濃度的短時間上升，并沒有在弱紅光或遠(yuǎn)紅光條件下檢測到，表明蔗糖可能不是促進(jìn)植物開花所必需的因子。在 成花素理論 提出70年后，研究人員在雙子葉模式植物擬南芥和單子葉作物水稻中同時發(fā)現(xiàn)，韌皮部表達(dá)的球狀蛋白FLOWERING LOCUS T (FT) 可以運輸至莖尖促進(jìn)開花，與推測中 成花素 的特性較為吻合[38]。

內(nèi)源生物鐘和外源光信號共同參與了對光周期依賴的植物開花時間的調(diào)控。CONSTANS (CO)是調(diào)控FT表達(dá)的重要轉(zhuǎn)錄因子，CO蛋白可直接結(jié)合到FT基因的啟動子區(qū)促進(jìn)其表達(dá)[39-40]。CO基因的表達(dá)和蛋白的積累受生物鐘和光信號通路的共同調(diào)控，CO轉(zhuǎn)錄本的24 h節(jié)律性富集在一天中的傍晚和夜間達(dá)到峰值。研究發(fā)現(xiàn)：紅光受體phyB在清晨促進(jìn)CO蛋白的降解；藍(lán)光受體CRY1和CRY2在傍晚促進(jìn)CO蛋白的積累[41-42]。

長日照植物開花調(diào)控模型為，成花基因的表達(dá)受生物鐘和光信號的共同調(diào)控，當(dāng)日照時間足夠長時，成花基因的表達(dá)量才能達(dá)到足夠的閾值，進(jìn)而誘導(dǎo)植物開花[42]。短日照植物開花有外源契合和內(nèi)源契合兩個模型：外源契合模型中，開花抑制因子表達(dá)的模式是固定的，但其功能依賴于光照，長日照條件下其表達(dá)峰值時如果有光照將抑制開花；而內(nèi)源契合模型中，開花抑制因子與其抑制子的表達(dá)隨光周期變化呈現(xiàn)出動態(tài)節(jié)律性，在短日照條件下兩者相位一致，開花抑制因子的活性被抑制，而在長日照條件下兩者相位不一致，開花被抑制[42]。在自然條件下，光周期現(xiàn)象還與溫度相關(guān)聯(lián)。例如，一些高緯度或高海拔地區(qū)的植物必需經(jīng)歷一個低溫的春化階段，才會在春天開花[42]。

綜上，生物鐘通過整合光、溫度等環(huán)境信號，調(diào)控自身生長發(fā)育的近日節(jié)律、季節(jié)節(jié)律與環(huán)境周期性變化的信號產(chǎn)生同步，增強植物體的生存競爭能力及環(huán)境適應(yīng)性。

3.2 帝王蝶遷徙的分子機制

北美洲帝王蝶(Danaus plexippu)的遷徙是十分壯觀的景象，也是生物學(xué)家研究動物遷徙和光周期現(xiàn)象的重要資源。與鳥類遷徙不同，帝王蝶每個遷徙周期至少需要兩個世代。在每年秋天，隨著日照長度的縮短和溫度的降低，位于加拿大東南部和美國東部的帝王蝶開始遷徙至墨西哥中部越冬；在春天，它們開始向北遷徙，途中在美國南部地區(qū)產(chǎn)卵，其后代會繼續(xù)向北遷徙至棲息地[43]。目前的研究表明，帝王蝶依賴太陽的位置和地球磁場的傾斜角判斷方位，這兩種辨別方位的機制可能存在相互間的微調(diào)作用，或者以其中一種機制作為備份。帝王蝶的遷徙活動在白天進(jìn)行，主要依賴太陽的位置決定飛行方向。帝王蝶的復(fù)眼可感知光信號，主要的視網(wǎng)膜區(qū)域感知太陽的方位，復(fù)眼背側(cè)的邊緣區(qū)域能夠感知平面偏振的紫外線[44]。

一天中太陽的位置是持續(xù)移動的，生物鐘為其提供了時間補償，帝王蝶需要通過生物鐘調(diào)整并判斷太陽方位。帝王蝶的生物鐘存在一個特有的調(diào)控機制，用于研究生物鐘的模式生物果蠅有一種類型的CRY蛋白，而帝王蝶有CRY1和CRY2兩種不同的隱花色素[25]。CRY1與果蠅CRY類似，可作為生物鐘感受光的受體；CRY2與脊椎動物CRY類似，在生物鐘轉(zhuǎn)錄－翻譯反饋環(huán)路中作為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄抑制因子發(fā)揮功能[45]。帝王蝶CRY2的發(fā)現(xiàn)更新了人們對動物細(xì)胞CRY在功能進(jìn)化上的認(rèn)知。帝王蝶通過地球磁場的傾斜角判定方向是需要處于藍(lán)光或紫外光的照射下，這表明帝王蝶的磁感應(yīng)是光依賴的化學(xué)反應(yīng)，已有研究表明CRY在帝王蝶的磁感應(yīng)中也發(fā)揮重要作用[46]。

4 總結(jié)與展望

在適宜的時間和地點完成生長發(fā)育和繁殖是生物有效適應(yīng)環(huán)境季節(jié)性變化的一個基本特征。光周期響應(yīng)是生物在漫長進(jìn)化過程中為了更好地生存、更高效合理地利用環(huán)境資源產(chǎn)生的調(diào)控機制。對光周期現(xiàn)象的研究，有助于揭示生物在進(jìn)化過程中與環(huán)境的相互關(guān)系，在生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面也具有重要應(yīng)用價值。近年來，全球變暖導(dǎo)致局部氣候異常，冬季氣溫升高，并且冬季變暖的速度隨著緯度的增加而增加，氣候變暖可能導(dǎo)致適宜季節(jié)的長度發(fā)生改變，但由于日照長度的季節(jié)性變化規(guī)律是相對穩(wěn)定的，光、溫這兩種與生物鐘最為密切的環(huán)境因子失衡會通過生物鐘影響到生物體的環(huán)境適應(yīng)性，因此全球變暖可能給生物的光周期響應(yīng)帶來新的挑戰(zhàn)[47-48]。揭示生物鐘在生物光周期響應(yīng)中的調(diào)控機制，會幫助我們利用生物鐘和光周期響應(yīng)機理去提高生物體的環(huán)境適應(yīng)性。

農(nóng)作物的生長發(fā)育和開花時間受光周期調(diào)控，光周期響應(yīng)在農(nóng)作物引種馴化等發(fā)面發(fā)揮重要作用。大豆是短日照植物，其開花時間對光周期十分敏感，將溫帶地區(qū)的大豆種植在低緯度地區(qū)會嚴(yán)重減產(chǎn)。通過大豆育種學(xué)家的工作，熱帶大豆產(chǎn)區(qū)已經(jīng)很好地解決了這個問題。研究表明，育種篩選到的適合熱帶地區(qū)種植的大豆品種當(dāng)中，生物鐘核心基因ELF3發(fā)生了突變，這成為大豆適應(yīng)低緯度地區(qū)環(huán)境的關(guān)鍵因素[49]。點蜂緣蝽(Riptortus pedestris)是亞洲和非洲地區(qū)豆類植物的主要害蟲，其繁殖和滯育的發(fā)生是典型的光周期響應(yīng)。在長日照條件下，雌性卵巢開始發(fā)育成熟并快速產(chǎn)卵；在短日照條件下，其卵巢的發(fā)育被抑制，處于滯育期的雌性中兩個卵黃蛋白相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄被抑制。同樣，雄性的交配行為和滯育也出現(xiàn)在短日照條件下被促進(jìn)、長日照條件下被抑制的現(xiàn)象[50]。在農(nóng)業(yè)蟲害防治領(lǐng)域，揭示并利用生物鐘調(diào)控的光周期響應(yīng)機制有良好的應(yīng)用前景，防治蟲害并減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染。