【CC講壇】王雷：植物適應環境的法寶——生物鐘_風聞

王雷

中國科學院植物研究所 研究員

宇宙萬物，千變萬化，不離其“鍾”！生物鐘，植物也有，而且是植物適應自然環境的生存法寶。

他通過對植物生物鐘核心組分的研究，為研發具有多重抗逆性育種品種，為國家糧食安全，做出了傑出貢獻。

演講實錄：我們人類賴以生存的家園~地球，每一天都是二十四小時不停地自轉，除了地球的自轉以外，它還圍繞着太陽進行公轉。

在我國的古書《周易》裏面，有一句話叫“天地革而四時成”，也就是説，天地的變化，導致了我們四季的形成。

面對地球的自轉與公轉導致的光和温度的晝夜以及季節性的變化，我們人類有了各種各樣的生存（辦法），比如我們俗話説的“日出而作，日落而息”，那麼植物怎麼樣來應對這種晝夜的或者是季節性變化的環境呢？

在白天的時候，你會發現大豆或者是花生，它的葉片是完全張開的，而到了晚上，大豆葉片會垂下來，而花生的葉片會完全的合上，像我們現在的國家植物園的合歡樹，它就在晚上的時候，葉片會完全的關閉，説明植物也會“日出而作，日落而息”。

如果我們看植物的這種單個的一個時間點，你可能看不到它的運動的形式，但是一個延時攝影的技術，你就可以看到植物的運動。

就像人在扇扇子一樣，但是它這扇一下，是一天二十四小時為週期的，所以它很慢。

有的人可能會有這麼一個疑問：白天有光，晚上沒有光，植物的這種運動是不是受光來驅動的呢？

實際上早在1729年，法國天文學家，注意他不是植物學家，天文學家德·麥朗用天文望鏡觀察夜空中的星星的時候，他就發現，他身邊的含羞草，在晚上的時候，葉子是關閉的，而到了第二天的白天是打開的。他當時就思考，這是不是植物的一種內在的節律呢，還是真的受光的影響？就像我們現在所想的一樣。

他做了一個非常簡單的實驗，就把含羞草放到一個黑盒子裏頭，然而第二天的早晨，當他看這個含羞草的時候，他發現葉片仍然是打開的，也就是説，含羞草葉片的打開並不是受光的驅動，而是有它內在的節律。

實際上這種內在的節律的運動，達爾文在1880年，就提出植物的運動是有力量的。

大家都知道，達爾文是進化論的創始人，他提出“物競天擇，適者生存”的進化論的思想。

在1880年，他和他的兒子弗朗西斯·達爾文，合作寫了這本書《The Power of Movement in Plants》。在這本書裏，就把植物的運動歸為兩類，一類就是向性運動，比如説植物會向着光生長，會向着水生長，這叫向性運動；

另外一種運動就是感性運動，叫Nastic Movement，像晝夜的節律的運動，就是他歸類的這種感性運動的一種。

他提出的是適者生存，他就在想，植物為什麼要做出這種運動呢？

大家都知道運動健身是要消耗能量的，植物也一樣，它要張開葉片、要關閉葉片，也一樣要消耗能量，那麼這種運動必然有它存在的意義。

從進化上的角度上來講，會有什麼樣的意義呢？後來他就提出了一個假説，認為植物之所以會有這種生物鐘來驅動的晝夜的節律的運動，實際上就是為了抵禦晚上害蟲的侵襲，減少害蟲活動的舞台；

另外一方面大家可能也能想得到，當它葉片低下來的時候，水分就能夠更好地保持。

所以從這兩個方面來講，對於植物耗費這點能量，它是值得的，所以這是它的一種進化的意義。

我們不知道它是高級還是不高級，但是我敢説的是它更復雜。因為和人不一樣，我們有遇到不利的環境的時候，比如説低温、或者是外面温度很高，我們可以躲起來，但是植物它不能動，它必須要站在那兒應對環境，它一點都不能後退。那麼它要應對這種環境，它應該是更復雜的這種系統，來維持它的內在的穩態，我想這可能給我們人類一種啓示，也就是説在應對外界環境的時候，可能複雜的系統有的時候更穩定。

植物具有更為複雜的這種生物鐘系統，比如説蔬菜，你把它收割了以後，它這種生物鐘仍然是能夠維持的，像我們在做實驗的條件下，即使你把它的細胞分離出來，它仍然能夠在體外維持將近一個星期的生物鐘的震盪。

在後來一百多年的時間內，大家都不知道這裏面內在的機制是什麼，直到1995年開始，進入了分子生物學的時代以後，大家可以在果蠅，還有包括其他的這些模式生物裏頭，來解析有什麼東西來控制着生物鐘，有哪些基因來控制它們，而且這些基因是怎麼樣組成的。

這三位美國的科學家，利用果蠅作為模式生物，他們就鑑定出了生物鐘的關鍵組分，並且把它們搭建成了生物鐘的一個轉錄翻譯的反饋環路。實際上在同一時代，植物的研究也進入了定量化的時代。

史蒂夫·卡伊是我們生物鐘研究領域的，可以説做出了里程碑式的工作。

他利用螢火蟲的熒光素酶的編碼基因，來驅動作為一個生物鐘的報告基因，就可以定量地對生物鐘的週期、振幅以及它的實效進行研究。雖然很簡單的一個利用，但是文章是在《Science》的封面上來發表的，大家都知道這個意義是什麼，所以這是一個里程碑的工作。

經過了二十多年的研究，大概大家已經很清楚地知道了植物生物鐘有三個基本的架構，第一個大的板塊是對環境中的光和温度信號的輸入，另外一個就是中央震盪器。

中央震盪器就是由基因和蛋白組成的一個轉錄和翻譯的反饋環路，通過對下游基因表達調控，在時間維度上呈現出節律性，從而調控植物各種行為。

這是現有的，目前已經簡化的植物的中央震盪器，像一個集成電路板的一個複雜的系統，就是目前我們知道的，所能概括出來的相對簡單的一箇中央震盪器的一個模型。

在這個震盪器模型裏，每一個組分都是一個轉錄因子，它可以調控下游數以百計乃至上千個基因的表達，所以你可以把它想象成，每一個組分都是生命機體內的一個重要的港口，它可以調控下游很多的行為，從而使它們呈現出晝夜的節律性。

在這個模式生物裏，還有在目前我們已經知道的其他的植物裏，約有三分之一的基因的表達，在時間維度受到生物鐘的調控，所以我們可以看到，像細胞的伸長、葉片的運動、乃至葉綠素在葉肉細胞中這一天的分佈的動態、還有氣孔的開閉，氣孔是水和氣體進出植物的通道，還有在開花時間季節上，它也是受到生物鐘的調控。

實際上還遠遠不止，我們可能有的時候會有這樣一個粗淺的印象，昨天種了一個西瓜，我怎麼一天沒有看，好像長大了一圈？沒錯，相信你的直覺，自信一點，你是對的。

從這個視頻裏你可以看到，西瓜在晚上的時候，快速地膨大，而到了白天，它的生長几乎停止，就像我們吹氣球一樣，所以它的增長呈現出這種明顯的晝夜的節律性。

**不但植物的生長發育受到了植物生物鐘的調控，另外生物鐘還是植物應對害蟲的一個防禦武器。**我們之所以説生物鐘是植物適應環境的法寶，它表現在方方面面。

美國萊斯大學的研究人員，做了一個非常簡單的實驗，把蟲子和植物做了兩種處理，一個是讓蟲子白天的時候，植物也是白天；另外一個是讓蟲子白天的時候，植物是晚上。

這兩種處理就叫同步化處理，同步化處理就是你白天 我也白天，非同步化處理就是植物是白天的時候，蟲子是晚上，就是白天不懂夜的黑。

這種情況下會出現什麼後果呢？

你可以看，左邊的是同步化的，右邊是非同步化的，剛開始的第一天，你可能看不到什麼差別，但很快這個差異就表現得非常的明顯，大家可以看到在非同步化的時候，蟲子就會快速地把蔬菜的葉片給吃掉。

他們同時提出，如果蔬菜要想保鮮或者長途運輸，給予它一定的光暗處理，使它維持強壯的生物鐘，對蔬菜的保鮮是非常有意義的，如果大家囤菜的時候，可以適當考慮一下這個問題。

為什麼它能應對害蟲呢？實際上有它的科學道理，他們對其中的一種代謝產物，叫葡糖醛酸酯進行了測定，發現這個應對害蟲的武器，它在一天之中，表現出了明顯的晝夜的節律性。

在白天的時候表達高，所以蟲子不喜歡來吃它，而到了晚上表達量低了，這時候蟲子就會趁虛而入，所以大家可以看到，生物鐘它也是應對害蟲的一個防禦武器。

我們大家可能覺得科學很有趣，但是實際上科學不光有趣，科學還有用。

我們看大豆，有的時候覺得在北方的大豆很好，你拿回南方去種，會發現它怎麼樣？很快就會開花，不會有很高的產量。

我國的科學家在大豆的方面做出了很突出的工作，他們就發現，原產於我國黃淮海區域的大豆，在往北進、往南拓展的過程中，都是生物鐘的組分受到了突變，然後適應當地的光週期，才能夠給它營養生長和生殖生長達到最好的比例，提供給我們優質的產品；

同時在水稻裏，像開花的時間，我們叫“抽穗期”，還有分櫱的數量，也都受到了生物鐘的調控，甚至於氮的高效利用。

我在2013年從美國回國以後，就在想一個問題，我想把我學到的這些生物鐘的知識，能不能做一些接地氣的工作？實際在2006年去美國之前，我在博士期間，一直在做水稻的激素調控發育這麼一件工作，然後我在水稻的方面有一些技術儲備。

這時候我想能不能去做一些調控耐鹽性的工作？可能有的人會問，為什麼要調控耐鹽性這個問題呢，實際上這個問題不但有它的理論意義，還有很具體的實際的需求。

這是世界的土壤鹽漬化的一個現狀，大家可以看到，我們中國土壤的鹽漬化在世界範圍內是比較嚴重的，在中國，我們的所有種水稻的地，大概有20%的土地，受到了鹽鹼的侵擾，這就是我們現實生產上的一個問題。

我國的鹽鹼地主要分為四個大片區：西北鹽鹼區、東北鹽鹼區、濱海鹽鹼區以及華北鹽鹼區。

特別是東北鹽鹼區，大家都知道東北的大米好吃，它也有鹽鹼的一些困擾。

我們就想，能不能從生物鐘的角度給出一個我們時間生物學的解決方案，因為在鹽鹼地上生長的水稻，它實際上是不能夠完成它的整個的生育週期的，那麼它的產量就會非常的低，這樣對於我們國家的糧食安全，也是一個很不利的問題。

這時候我們就開始利用（實際上2013年的時候，有一項技術橫空出世，大家現在都知道，很熱，就叫基因編輯技術）基因編輯技術，可以在植物裏很快地獲得相關的功能缺失的突變體，然後我們基本上是把所有對應的水稻的生物鐘的組分，都去做了一個共同的缺失。

讓我們剛開始有所失望的是，發現很多的基因，和水稻的鹽脅迫沒有任何關係，你看處理前、處理後沒有關係。

但是科學總是要偏愛一些勤奮的人，在做這麼多過程中，我們就發現其中的一個基因突變以後，一旦這個功能不在了，它就對鹽脅迫非常的敏感，只要有鹽在，它就會幾乎全軍覆沒，那麼為什麼會導致這個現象呢？