看不見的生物鐘，如何調控生命周期性運動｜迷上生物鐘（3）

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「迷上生物鐘」系列第1篇：植物進化最聰明的機制，人類如何改造利用？

「迷上生物鐘」系列第2篇：藍綠細菌的生物鐘，「另類」還是「先驅」？

撰文｜徐小冬（河北師範大學生命科學學院、中國細胞生物學學會生物節律分會副會長）

責編｜葉水送

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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2017年10月2日，諾貝爾生理或醫學獎授予發現調控果蠅晝夜節律分子機制的三位美國科學家。當晚，筆者的同行們在微信上歡欣鼓舞時，自家陽台上那顆仙人球正處於每年如約而至的花期，並且在晚上10點左右準時怒放，優雅如凌波仙子。此刻在遙遠的北美大陸，成千上萬的橙色斑紋與黑色翅脈相間的帝王蝶，正在從北美洲長途遷徙到溫暖的墨西哥冷杉林中過冬的路上。

?圖1 由藝術家重新繪製的植物學家林奈的「花鐘」——顯示一天之中不同花卉的花瓣依次開放（上）和花期處於特定季節並於夜間開花的仙人球（下）

「天地革而四時成」——季節節律

上述提到的植物季節性開花和帝王蝶遷徙都屬於生物對季節變化的響應，自然界中季節節律的例子比比皆是，如植物季節性開花結實、動物季節性休眠、遷徙、繁殖，人類季節性情感失調等。內源性是晝夜節律的特點之一，那麼季節節律或者說近年節律又如何呢？一個非常有趣的實驗表明，把剛出生的松鼠，隔離培養在黑暗、3℃恆溫條件下，松鼠的冬眠依然表現出近年節律，這似乎說明松鼠冬眠的季節節律是內源性的，以及可被遺傳（圖2）。

圖2 松鼠冬眠節律的內源性

五隻松鼠從出生就隔離生活在恆定溫度（3℃）、持續黑暗條件下依然保持冬眠節律

上面的例子容易使人想到一個問題：與生活在四季分明的高緯度地區的生物相比，赤道附近的熱帶地區的動植物也具有年節律性嗎？

另一個經典的季節節律的研究是以熱帶的野鶲為研究對象，野鶲生活在光溫周期相對恆定的肯亞地區，其繁殖和換羽時間也表現為年節律；將雛鳥從肯亞轉移到德國，在恆定的溫度和光照條件下撫養，它們的睾丸寬度（季節性繁殖指標）和換羽時間依然表現出很強的年節律性。結合季節節律的相關研究，時間生物學領域的奠基人之一的尤金·阿紹夫提出，外界信號是作為與環境同步化的「授時因子」，通過影響機體內源的生物鐘起作用，而不是通過直接影響（誘導或抑制）機體內部的生理活動。

?圖3 時間生物學領域的奠基人

尤金·阿紹夫（1913–1998，左）

科林·布里斯頓（1919–1996，中）

與佛蘭斯. 哈爾貝格（1919–2013，右）

自帶有生物鐘校準功能的GPS

——帝王蝶的漫漫遷徙路

帝王蝶是目前認為研究較為清楚的進行季節性長途遷徙的蝴蝶。這種具有傳奇色彩的蝴蝶的遷徙和鳥類遷徙有所不同，一般來說北美落基山脈以東的帝王蝶完成一次遷徙至少需要三代，新生蝴蝶在沒有親屬引領下，前仆後繼才能完成。

史蒂芬·瑞普爾特就是研究這一傳奇現象的科學家之一。他給人印象最深的就是一頭愛因斯坦式蓬鬆的白髮，和他交流收穫的不僅是科學上啟迪，也能深深感到他對科研發自內心的熱愛，一個科學家覺得科研「很好玩」並作為終生職業，這應該是科學研究的最高境界吧。

瑞普爾特教授從小就對鱗翅目昆蟲——惜古比天蠶蛾著迷，在他的職業生涯中還發表過非常出色的關於這種蛾子的生物鐘相關研究論文。

?圖4 史蒂芬·瑞普爾特博士與帝王蝶季節性遷徙

瑞普爾特博士和合作者長期以來從生理生化水平到分子水平，通過巧妙的實驗設計和艱辛的工作，逐步揭示了和帝王蝶遷徙相關的複雜調控機制，特別是近些年完成了帝王蝶基因組測序工作，並將基因編輯技術應用於相關研究，從系統和進化角度進一步開展了廣泛和深入的研究（圖4）。

和我們自駕游需要GPS一樣，帝王蝶長途遷徙也需要一套GPS系統，它的GPS系統非常高端，是時間補償性的太陽羅盤，通過眼部視覺系統感受「天空光」的信號（Skylight cues，包括藍紫色、藍色和綠色的梯度變化，太陽的位置以及紫外光的偏振模式），因為「天空光的信息是隨時間變化的，所以必須同時有一套時間補償機制共同起作用才能完成較為精準的定位。研究者揭示了帝王蝶的兩個觸角裡面的生物鐘可為飛行定位提供時間補償，最終兩類信號在腦部中央複合體和相關神經節進行整合，再把信號傳遞給運動系統從而完成定位飛行。帝王蝶生物鐘的分子機制和果蠅類似，是由PER、TIM、CRY2、CLK、CYC、VRI和PDP1等組分構成的多層次不同水平上的轉錄/翻譯反饋環路和調節環路。

「用一朵花開的時間」迷上生物鐘

——晝夜與季節節律的完美結合

不論多年生植物還是一年生植物都會響應季節的變化。生物鐘輸入途徑中兩個最重要的授時因子是光照和溫度（還包括營養等其它因素），而季節的周期性也主要是這兩個因素的變化。動植物的季節性生理活動周期一定程度上依賴於日照長短的規律性變化。上世紀20年代，懷特曼·迦納和亨利· 阿拉德提出光周期和光周期現象的概念，並根據植物開花對光周期中日照長度的要求，將植物分為長日照植物（小麥、萵苣等）、短日照植物（大豆、水稻、菊花等）和日中性植物（番茄、月季等）；而後續研究中對暗間斷處理實驗結果表明，植物是通過感知周期中黑暗的時長來對光周期做出響應的。植物對光周期的響應除了開花，還包括塊莖的形成、芽的休眠等。

在自然界，隨著外部環境信號的季節性輪迴，植物的生長發育每天都發生一定的小幅度變化，這種變化每天都在「校準」內源性的生物鐘，提高對環境適應的精度。對於長日照或短日照植物的開花來講，生物鐘調控的光周期依賴途徑至關重要：通過生物鐘輸入途徑感受外部環境的光周期變化，進而改變生物鐘核心組分的表達，並通過一系列信號轉導途徑影響到FT基因（FT蛋白被認為可能是人們長久以來尋找的「成花素」——Florigen組分）的表達，從而促進或抑制開花。

光周期途徑的調控機制是多層次、不同水平上發生的，不僅包括了轉錄和轉錄後的mRNA拼接，翻譯和翻譯後蛋白修飾及降解等途徑，還涉及到空間因素（比如FT蛋白從葉片轉移到頂端分生組織）和時間因素（比如FKF1和GI在短日照和長日照中的晝夜時間相位是否相同，影響到其蛋白複合體的形成，進而決定了是否能夠解除CDF1對CO的抑制，從而影響到CO對FT的激活）。組學分析結果表明幾乎所有光周期開花途徑的相關基因或蛋白的晝夜節律性表達都處在生物鐘調控之下，從時空動態調控上看，生物鐘決定的開花相關各組分節律性出現的相位是一個極其重要的因素（圖5）。

?圖5 生物鐘調控長日照植物光周期依賴的開花模型

1932年，歐文·邦寧博士用植物的遺傳學雜交實驗證實了周期節律的可遺傳性；1936年，他又根據對生物鐘與大豆的光周期響應的研究首次提出了如下假說來解釋光周期現象：一天中的24小時可分為喜光區段（對光敏感）和厭光區段（對黑暗敏感），兩種區段的節律性位移由內源生物鐘調控；外部環境中的光信號出現在上述兩個區段與否的信息使得植物感知或判斷自身是處於長日照條件下或短日照條件下。

時間生物學領域的奠基人之一科林·布里斯頓進一步發展了 邦寧的假說，確立了「External Coincidence」 、「Internal Coincidence」理論模型：其中光信號起到兩個關鍵的作用，一是設置生物鐘使得開花相關因子的節律性表達峰值出現在下午（與長日照條件下光信號出現的時間一致/External Coincidence），二是調節開花關鍵組分的活性。長日照條件下，光通過生物鐘調節的開花關鍵組分作為正調因子促進植物的開花；而短日照條件下，光調節的該組分作為開花調控的抑制因子起作用（圖6）。

介導動植物季節響應的除了光周期之外，溫度也是重要的授時因子，例如，春化過程中的低溫信號也是調控植物季節性開花的重要因素。生物鐘基因也會對低溫信號做出響應，例如漫長而寒冷的冬季過後，楊樹生物鐘基因PttLHY的表達有利於打破側芽的休眠，使之在早春適時萌發出新的枝條。

?圖6 闡釋短日照植物響應光周期的「External Coincidence」 和「Internal Coincidence」理論模型

從生到死，植物的一生的生長發育都離不開生物鐘調控。以模式植物擬南芥為例，一粒種子吸漲後起始萌發，生物鐘就開始啟動，最有意思的是即使去除外界光照、溫度的影響，比如把種子從一開始就在播種在恆溫持續黑暗或恆溫持續光照的條件下，生物鐘基因的轉錄依然會產生近24小時的振蕩模式，具體是什麼信號引導了生物鐘啟動還需進一步研究。研究表明植物葉片衰老時生物鐘會變快，但目前生物鐘變化是決定衰老的原因還是結果尚有爭論。

亞日節律（一般指周期大於28小時的節律）除了季節節律，還包括近周節律、近月節律、近年節律和近十年節律等；與之對應的還有日內節律/超日節律（一般指周期小於20小時的節律常見的節律現象）。

近潮汐節律也是一類比較有趣的節律現象，一些海岸線的生物，例如水生的蟹類動物有這種節律，近潮汐節律的調控也是內源的，不依賴與潮汐等外界環境。

總之，生物鐘節律與其它生物節律的關係依然有待於進一步研究，從進化上講，內源節律的精確計時，使得機體提前「預知」環境的周期性變化並與之同步，增強生物對環境的適應性。

譯名對照表：

帝王蝶 Danaus plexippus

季節節律 Seasonal rhythm 或 Circaseasonal

季節性情感失調 SAD, Seasonal Affective Disorder

近年節律 Circannual

松鼠 Golden-mantled ground squirrels

野鶲 African stonechat

尤金·阿紹夫 Jürgen Aschoff

「授時因子」 Zeitgeber，德語，Time giver

史蒂芬·瑞普爾特 Steven M. Reppert

惜古比天蠶蛾 Hyalophora cecropia，北美洲最大的蛾子之一

轉錄/翻譯反饋環路 TTFL, transcriptional/translational feedback loop

懷特曼·迦納 Wightman Garner

亨利· 阿拉德 Henry Allard

光周期 Photoperiod

光周期現象 Photoperiodism

暗間斷處理 Night break

黑暗的時長 Critical Night Length

歐文·邦寧 Erwin Bünning

喜光區段 photophile phase

厭光區段 scotophile phase

科林·布里斯頓 Colin Pittendrigh

春化 Vernalization

亞日節律 Infradian rhythm

日內節律/超日節律 Ultradian

近潮汐節律 Circatidal

參考文獻

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製版編輯： 許逸｜

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