近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)合作揭示了自然界光信號(hào)途徑與植物內(nèi)部的生物鐘互作協(xié)同調(diào)控生物鐘關(guān)鍵基因CCA1節(jié)律性表達(dá)的分子機(jī)理，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《植物細(xì)胞》上。

為適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)的周期(24小時(shí))，地球上幾乎所有生物都進(jìn)化出了一種內(nèi)在的時(shí)間衡量機(jī)制，稱為生物鐘，即生物體內(nèi)各種生理生化活動(dòng)均以24小時(shí)為周期的節(jié)律性變化。植物利用體內(nèi)的生物鐘來感知外部的環(huán)境變化(主要是光照和溫度)，從而識(shí)別晝夜和季節(jié)的變化，相應(yīng)的改變自身的生長和發(fā)育狀況，使之與外界環(huán)境的變化同步，從而增強(qiáng)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力和競爭能力。

以擬南芥為例，生物鐘的核心結(jié)構(gòu)，即中央振蕩器由三個(gè)核心因子組成，其中CCA1和LHY為早晨基因，它們編碼兩個(gè)同源的MYB類轉(zhuǎn)錄因子。CCA1/LHY可以與特定的DNA序列結(jié)合，抑制中央振蕩器的另一個(gè)核心基因TOC1的表達(dá)，形成生物鐘最核心的一個(gè)反饋抑制環(huán)。這個(gè)最核心的反饋抑制環(huán)通過調(diào)控其他基因的表達(dá)，進(jìn)一步形成一系列交叉的基因表達(dá)反饋環(huán)，調(diào)控植物不同組織器官的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)和生理生化活動(dòng)，如植物的生長，光合作用、抗逆反應(yīng)和開花時(shí)間等。因此，CCA1/LHY在生物鐘中發(fā)揮一個(gè)相當(dāng)于“節(jié)律起博器”的功能。

已知光是調(diào)節(jié)植物生物鐘，使之與不斷變化的環(huán)境條件相一致的一個(gè)關(guān)鍵信號(hào)，植物通過各種光受體(如光敏色素和隱花色素)來感知光信號(hào)的變化并通過信號(hào)輸入途徑將光信號(hào)傳遞到生物鐘內(nèi)部，進(jìn)而調(diào)節(jié)生物鐘的功能。近幾十年來，光信號(hào)傳導(dǎo)和生物鐘分子調(diào)控機(jī)理的研究一直是植物學(xué)科的兩個(gè)熱門研究領(lǐng)域，但關(guān)于光信號(hào)是如何傳遞到生物鐘內(nèi)部來調(diào)控和重設(shè)生物鐘的分子機(jī)制尚不清楚。

研究人員發(fā)現(xiàn)，光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子FHY3和FAR1在光激活CCA1的過程中發(fā)揮著重要作用。光可以激活FHY3/FAR1基因的表達(dá)，使其直接激活CCA1基因的轉(zhuǎn)錄。在fhy3 far1功能缺失雙突變體中，CCA1基因的表達(dá)不再受光誘導(dǎo)，而且其節(jié)律性的表達(dá)模式也受到影響。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，光敏色素結(jié)合蛋白PIF5和生物鐘關(guān)鍵因子TOC1可以與FHY3蛋白相互作用，抑制FHY3的轉(zhuǎn)錄激活功能，繼而抑制CCA1的表達(dá)。研究人員還發(fā)現(xiàn)在凌晨，高水平的FHY3蛋白和較低水平的PIF5和TOC1蛋白共同維持了CCA1基因的表達(dá)在凌晨達(dá)到頂峰。

該研究揭示了FHY3、TOC1和PIF5共同組成一個(gè)反饋循環(huán)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，一方面調(diào)控CCA1的光激活，另一方面維持CCA1基因在凌晨表達(dá)峰值。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于闡明整個(gè)植物生物鐘的分子調(diào)控機(jī)理具有十分重要的意義，同時(shí)可為培育適應(yīng)不同環(huán)境和地域的作物新品種提供理論指導(dǎo)。(記者 張晴丹)