宇宙万物，千变万化，然终不离其“钟”！

王雷

中国科学院植物研究所 研究员

我们人类赖以生存的家园~地球，每一天都是二十四小时不停地自转，除了地球的自转以外，它还围绕着太阳进行公转。

在我国的古书《周易》里面，有一句话叫“天地革而四时成”，也就是说，天地的变化，导致了我们四季的形成。

面对地球的自转与公转导致的光和温度的昼夜以及季节性的变化，我们人类有了各种各样的生存（办法），比如我们俗话说的“日出而作，日落而息”，那么植物怎么样来应对这种昼夜的或者是季节性变化的环境呢？

在白天的时候，你会发现大豆或者是花生，它的叶片是完全张开的，而到了晚上，大豆叶片会垂下来，而花生的叶片会完全的合上，像我们现在的国家植物园的合欢树，它就在晚上的时候，叶片会完全的关闭，说明植物也会“日出而作，日落而息”。

如果我们看植物的这种单个的一个时间点，你可能看不到它的运动的形式，但是一个延时摄影的技术，你就可以看到植物的运动。

就像人在扇扇子一样，但是它这扇一下，是一天二十四小时为周期的，所以它很慢。

有的人可能会有这么一个疑问：白天有光，晚上没有光，植物的这种运动是不是受光来驱动的呢？

实际上早在1729年，法国天文学家，注意他不是植物学家，天文学家德·麦朗用天文望镜观察夜空中的星星的时候，他就发现，他身边的含羞草，在晚上的时候，叶子是关闭的，而到了第二天的白天是打开的。他当时就思考，这是不是植物的一种内在的节律呢，还是真的受光的影响？就像我们现在所想的一样。

他做了一个非常简单的实验，就把含羞草放到一个黑盒子里头，然而第二天的早晨，当他看这个含羞草的时候，他发现叶片仍然是打开的，也就是说，含羞草叶片的打开并不是受光的驱动，而是有它内在的节律。

实际上这种内在的节律的运动，达尔文在1880年，就提出植物的运动是有力量的。

大家都知道，达尔文是进化论的创始人，他提出“物竞天择，适者生存”的进化论的思想。

在1880年，他和他的儿子弗朗西斯·达尔文，合作写了这本书《The Power of Movement in Plants》。在这本书里，就把植物的运动归为两类，一类就是向性运动，比如说植物会向着光生长，会向着水生长，这叫向性运动；

另外一种运动就是感性运动，叫Nastic Movement，像昼夜的节律的运动，就是他归类的这种感性运动的一种。

他提出的是适者生存，他就在想，植物为什么要做出这种运动呢？

大家都知道运动健身是要消耗能量的，植物也一样，它要张开叶片、要关闭叶片，也一样要消耗能量，那么这种运动必然有它存在的意义。

从进化上的角度上来讲，会有什么样的意义呢？后来他就提出了一个假说，认为植物之所以会有这种生物钟来驱动的昼夜的节律的运动，实际上就是为了抵御晚上害虫的侵袭，减少害虫活动的舞台；

另外一方面大家可能也能想得到，当它叶片低下来的时候，水分就能够更好地保持。

所以从这两个方面来讲，对于植物耗费这点能量，它是值得的，所以这是它的一种进化的意义。

我们不知道它是高级还是不高级，但是我敢说的是它更复杂。因为和人不一样，我们有遇到不利的环境的时候，比如说低温、或者是外面温度很高，我们可以躲起来，但是植物它不能动，它必须要站在那儿应对环境，它一点都不能后退。那么它要应对这种环境，它应该是更复杂的这种系统，来维持它的内在的稳态，我想这可能给我们人类一种启示，也就是说在应对外界环境的时候，可能复杂的系统有的时候更稳定。

植物具有更为复杂的这种生物钟系统，比如说蔬菜，你把它收割了以后，它这种生物钟仍然是能够维持的，像我们在做实验的条件下，即使你把它的细胞分离出来，它仍然能够在体外维持将近一个星期的生物钟的震荡。

在后来一百多年的时间内，大家都不知道这里面内在的机制是什么，直到1995年开始，进入了分子生物学的时代以后，大家可以在果蝇，还有包括其他的这些模式生物里头，来解析有什么东西来控制着生物钟，有哪些基因来控制它们，而且这些基因是怎么样组成的。

这三位美国的科学家，利用果蝇作为模式生物，他们就鉴定出了生物钟的关键组分，并且把它们搭建成了生物钟的一个转录翻译的反馈环路。实际上在同一时代，植物的研究也进入了定量化的时代。

史蒂夫·卡伊是我们生物钟研究领域的，可以说做出了里程碑式的工作。

他利用萤火虫的荧光素酶的编码基因，来驱动作为一个生物钟的报告基因，就可以定量地对生物钟的周期、振幅以及它的实效进行研究。虽然很简单的一个利用，但是文章是在《Science》的封面上来发表的，大家都知道这个意义是什么，所以这是一个里程碑的工作。

经过了二十多年的研究，大概大家已经很清楚地知道了植物生物钟有三个基本的架构，第一个大的板块是对环境中的光和温度信号的输入，另外一个就是中央震荡器。

中央震荡器就是由基因和蛋白组成的一个转录和翻译的反馈环路，通过对下游基因表达调控，在时间维度上呈现出节律性，从而调控植物各种行为。

这是现有的，目前已经简化的植物的中央震荡器，像一个集成电路板的一个复杂的系统，就是目前我们知道的，所能概括出来的相对简单的一个中央震荡器的一个模型。

在这个震荡器模型里，每一个组分都是一个转录因子，它可以调控下游数以百计乃至上千个基因的表达，所以你可以把它想象成，每一个组分都是生命机体内的一个重要的港口，它可以调控下游很多的行为，从而使它们呈现出昼夜的节律性。

在这个模式生物里，还有在目前我们已经知道的其他的植物里，约有三分之一的基因的表达，在时间维度受到生物钟的调控，所以我们可以看到，像细胞的伸长、叶片的运动、乃至叶绿素在叶肉细胞中这一天的分布的动态、还有气孔的开闭，气孔是水和气体进出植物的通道，还有在开花时间季节上，它也是受到生物钟的调控。

实际上还远远不止，我们可能有的时候会有这样一个粗浅的印象，昨天种了一个西瓜，我怎么一天没有看，好像长大了一圈？没错，相信你的直觉，自信一点，你是对的。

从这个视频里你可以看到，西瓜在晚上的时候，快速地膨大，而到了白天，它的生长几乎停止，就像我们吹气球一样，所以它的增长呈现出这种明显的昼夜的节律性。

不但植物的生长发育受到了植物生物钟的调控，另外生物钟还是植物应对害虫的一个防御武器。我们之所以说生物钟是植物适应环境的法宝，它表现在方方面面。

美国莱斯大学的研究人员，做了一个非常简单的实验，把虫子和植物做了两种处理，一个是让虫子白天的时候，植物也是白天；另外一个是让虫子白天的时候，植物是晚上。

这两种处理就叫同步化处理，同步化处理就是你白天 我也白天，非同步化处理就是植物是白天的时候，虫子是晚上，就是白天不懂夜的黑。

这种情况下会出现什么后果呢？

你可以看，左边的是同步化的，右边是非同步化的，刚开始的第一天，你可能看不到什么差别，但很快这个差异就表现得非常的明显，大家可以看到在非同步化的时候，虫子就会快速地把蔬菜的叶片给吃掉。

他们同时提出，如果蔬菜要想保鲜或者长途运输，给予它一定的光暗处理，使它维持强壮的生物钟，对蔬菜的保鲜是非常有意义的，如果大家囤菜的时候，可以适当考虑一下这个问题。

为什么它能应对害虫呢？实际上有它的科学道理，他们对其中的一种代谢产物，叫葡糖醛酸酯进行了测定，发现这个应对害虫的武器，它在一天之中，表现出了明显的昼夜的节律性。

在白天的时候表达高，所以虫子不喜欢来吃它，而到了晚上表达量低了，这时候虫子就会趁虚而入，所以大家可以看到，生物钟它也是应对害虫的一个防御武器。

我们大家可能觉得科学很有趣，但是实际上科学不光有趣，科学还有用。

我们看大豆，有的时候觉得在北方的大豆很好，你拿回南方去种，会发现它怎么样？很快就会开花，不会有很高的产量。

我国的科学家在大豆的方面做出了很突出的工作，他们就发现，原产于我国黄淮海区域的大豆，在往北进、往南拓展的过程中，都是生物钟的组分受到了突变，然后适应当地的光周期，才能够给它营养生长和生殖生长达到最好的比例，提供给我们优质的产品；

同时在水稻里，像开花的时间，我们叫“抽穗期”，还有分蘖的数量，也都受到了生物钟的调控，甚至于氮的高效利用。

我在2013年从美国回国以后，就在想一个问题，我想把我学到的这些生物钟的知识，能不能做一些接地气的工作？实际在2006年去美国之前，我在博士期间，一直在做水稻的激素调控发育这么一件工作，然后我在水稻的方面有一些技术储备。

这时候我想能不能去做一些调控耐盐性的工作？可能有的人会问，为什么要调控耐盐性这个问题呢，实际上这个问题不但有它的理论意义，还有很具体的实际的需求。

这是世界的土壤盐渍化的一个现状，大家可以看到，我们中国土壤的盐渍化在世界范围内是比较严重的，在中国，我们的所有种水稻的地，大概有20%的土地，受到了盐碱的侵扰，这就是我们现实生产上的一个问题。

我国的盐碱地主要分为四个大片区：西北盐碱区、东北盐碱区、滨海盐碱区以及华北盐碱区。

特别是东北盐碱区，大家都知道东北的大米好吃，它也有盐碱的一些困扰。

我们就想，能不能从生物钟的角度给出一个我们时间生物学的解决方案，因为在盐碱地上生长的水稻，它实际上是不能够完成它的整个的生育周期的，那么它的产量就会非常的低，这样对于我们国家的粮食安全，也是一个很不利的问题。

这时候我们就开始利用（实际上2013年的时候，有一项技术横空出世，大家现在都知道，很热，就叫基因编辑技术）基因编辑技术，可以在植物里很快地获得相关的功能缺失的突变体，然后我们基本上是把所有对应的水稻的生物钟的组分，都去做了一个共同的缺失。

让我们刚开始有所失望的是，发现很多的基因，和水稻的盐胁迫没有任何关系，你看处理前、处理后没有关系。

但是科学总是要偏爱一些勤奋的人，在做这么多过程中，我们就发现其中的一个基因突变以后，一旦这个功能不在了，它就对盐胁迫非常的敏感，只要有盐在，它就会几乎全军覆没，那么为什么会导致这个现象呢？

我们就从机制上进行了进一步的研究，我们发现其中在根上有一个钠离子通道的编码基因，这个基因的主要的功能，是把钠离子从土壤中吸收到根里头来的，而在我们这个基因功能缺失了以后，它这个门就关不上了，它就不停地从土壤里头吸，导致了钠离子不停地积累，从而导致了离子的毒害，还有活性氧的产生，从而导致细胞的凋亡，也就是我们最后看到植物会死去。

这就说明在时间维度，对离子通道的开与关，就对于水稻的耐盐性是非常关键的。

但是这个基因不幸的是，它并不是在抽穗期上有很多的功能，也就是说它在耐盐性上功能很特异，实际上在盐害时，很多时候会导致抽穗期延迟。这种抽穗期的延迟在生产上实际上是很不好的，如果赶到了秋天，在天气变冷快的话，有时候灌浆可能就不会那么及时。

我们能不能获得一些材料，能够得到它更好的既有耐盐性，又有抽穗期的调节呢？

我们就幸运的得到了一个基因的突变，这个突变以后，它就能够表现出对盐胁迫非常非常忍耐的一个表型，大家可以看得到和对照相比较，对照基本上都已经死掉了，而它仍然能够活得很好。

更有趣的是，这个突变体长得高高大大的，而且抽穗期相对提前，那么这样的材料对于我们来说，就会在生产上非常有用，可以作为将来的设计育种的一个关键的靶点。

除了这样的一个发育，还有胁迫上的这样一个一石两鸟的效果以外，我们也想知道为什么它有这样的功能。

我们就发现它和刚才那个一样，它也是影响离子转运蛋白的表达，但是跟刚才那个不一样的是，它是让这些基因的表达统统降低，也就是说这些离子通道的转运段，编码离子通道的这些基因，它在转录水平上下调，下调以后就可以把钠离子拒之门外，就不吸进来，不吸进来自然它就可以让植物活得更好。

这个工作我们一方面调控了水稻抽穗期，另外一方面调控耐盐性，做这样一个机制的解析，也是在国际《Plant Cell ＆ EnvironmentT》杂志上，作为封面故事发表，在2021年度，被评为五篇杰出学术论文中的一篇。

除了我们所看到的这个现象以外，实际上很多时候盐碱胁迫并不是孤立的，有的时候盐胁迫的同时，会伴随着干旱胁迫，能不能找到一种基因，它可以同时应对多种非生物胁迫呢？

然后我们也幸运地找到了其中的一个生物钟基因，这个生物钟基因突变以后，不但对盐敏感，而且对干旱渗透都很敏感，也就是说它让水稻能够忍耐这些胁迫的必须的因子。这样的一个基因，将来也有可能在设计育种上有它的用武之地。

有了以上对这些基因的解读，再加上我们中国植物生物学在过去二十年来取得的飞速的发展，我们已经具备了很好的知识，我们就有可能形成合力，来对我们的种质进行快速的设计育种，进行改良。

千变万化，不离其“钟”。

我们想在我们时间生物学的角度，利用我们生物钟的组分，还有其他的一些工作一起推进，争取做到我们的育种提质提升，谢谢大家。