果实离开植株，它的生命节律还会继续吗？北京大学生命科学学院王伟课题组用六年时间给出了答案：会。但令人意外的是，实现这一节律的生物钟，是一套鲜为人知的非经典生物钟网络。
5月12日，北京大学生命科学学院王伟课题组在《细胞》（Cell）期刊发表题为“Discovery and heterologous reconstitution of a plant noncanonical quasi-circadian gene regulatory network”（植物非典型昼夜基因调控网络的发现与异源重建）的研究论文，揭开了谜题的重要一角。团队以鲜美且具有较高经济价值的草莓为材料，首次发现在采摘后的冷藏环境中，草莓的经典生物钟网络已经紊乱停摆，而一套新型生物钟网络被激活，替代经典生物钟网络继续工作，帮助果实维持节律，以应对极端环境和病害侵袭。这一发现为全面理解植物生物钟提供了全新的视角与工具，在园艺产品储运、蔬果营养品质改良及作物环境适应性提升等领域有广泛的应用前景。
文章发表截图
拍摄：王伟课题组博士研究生屠昱晨
什么是生物钟？
应势而为的生命时序系统
常见的生物钟研究对象
昼夜交替、寒来暑往，地球上的生命在这周而复始的过程中演化出了一套精密的“内在计时系统”——生物钟。它并非抽象的概念，而是一套由基因、蛋白质构成的分子反馈网络，如同生命自带的“智能操作系统”，默默协调着生长、代谢、防御等几乎一切生理活动。生物钟的存在，为生物维持正常发育节律、提高逆境生存率起到了重要作用。
以“生物钟”为核心的研究，因成功揭示了生命体生理活动与环境周期协同的分子奥秘，斩获2017年诺贝尔生理学或医学奖。然而，这套经典理论成立的前提是生物处于正常的生存环境中。倘若环境急剧恶化，比如一颗草莓脱离植株，失去养分供给，还要忍受冷藏的寒冷与持续光照时，它会怎么应对？生物钟齿轮就此停转，还是另有机制在运作？这个问题，植物学家追问已久，却始终没有得到令人满意的答案。
生物钟系统由三个部分组成：一是感知环境变化的“输入路径”，将昼夜中光照和温度等变化的信息传递到生物体内；二是整合生物内部节律和外部环境信号的“核心调控网络（Gene regulatory network, GRN）”，其中包含了一系列转录因子及其靶基因，决定了细胞的功能状态；三是直接调控生理活动的“输出路径”。作为连接环境与生理的枢纽，核心调控网络不仅是生物钟研究的历史重心，更是理解复杂生命节律的钥匙。
生物钟系统
当自然时钟失效，新的节律悄然发生
逆境之中，调控生命的“新网络”
不同物种的核心调控网络组分不同，但生物钟网络的底层调控逻辑却是一致的——由环环相扣的转录翻译反馈调控环组成。核心调控网络中的组分在一天的不同时间段高表达，从而对其余组分的表达产生激活或抑制作用。正是基于这种反馈调节机制，生物钟构建出内源性的节律，从而在宏观层面实现对生理活动的精准时序调控。
理论上，凡是具备“反馈调节”结构的系统，都蕴藏着掌控时间的潜力。然而，长期以来，相关研究大多局限于传统生物钟核心元件的功能，却鲜少触及深层的网络架构。在本研究中，王伟团队发现，草莓果实中由保守植物生物钟基因组成的经典生物钟调控网络，在采后冷藏环境中失去了稳健的昼夜节律表达。以极端环境（持续光照、持续低温、饥饿胁迫）为出发点，研究团队进一步评估了草莓果实全局转录组的节律性，并发现包括蛋白质生物合成、折叠和贮存在内的生物过程相关基因仍表现出显著的节律性振荡，说明有另一套“生物钟”正在调控着草莓果实的状态。
通过实验与分析相结合，王伟团队首次发现并鉴定出一个由全新组分组成的具有生物钟网络特性的非经典类生物钟基因调控网络。为了验证该网络具有独立产生生物节律的能力，该研究团队基于本氏烟草，利用合成生物学手段实现了采后草莓生物钟基因调控网络的异源重构，并成功利用该系统验证了基因调控网络的生物钟特性。最后，研究团队利用病理实验进一步证明了冷藏草莓果实中的非经典生物钟基因调控网络参与了草莓果实对灰霉菌侵染的抵抗。
冷藏草莓果实中非经典生物钟网络工作示意图
探索这个秘密时钟，有什么用？
生物钟应用的实际价值
王伟课题组长期致力于植物生物钟与逆境互作的分子机制解析与应用研究，已建立了先进的生物钟研究技术体系，并系统阐明了生物钟对逆境的响应（PNAS, 2019）。植物生物钟兼具调控生长发育与增强逆境适应性的双重功能，前者精准把控时序，后者应对生物及非生物胁迫。针对植物生物钟响应逆境的机理研究，驱动了“分子时钟农业”的发展，为定向培育抗逆高产良种、降低资源消耗提供了全新的分子靶点与解决方案。
这一研究不仅揭示了采后植物器官中的生物钟调控机制，为全面理解生物钟提供了重要的参考资料；也为未来果蔬保鲜、品质调控乃至作物抗逆研究，提供了全新的视角与工具。冷藏草莓果实中的非经典生物钟，直接参与了抵抗灰霉菌侵染的过程。也就是说，草莓摘下后“悄悄嘀嗒”，并非空转，它在替果实计时，调控防御，延长存活时间。
这项发现的意义远不止一颗草莓。它将生物钟研究从温和环境推向了作物采后、荒漠、极地等极端场景，揭示了“分子时钟农业”的全新靶点。将来，通过精准调控这套备用时钟，我们或许能让果蔬在储运中更强韧，让作物在不利环境中更高产。
北京大学生命科学学院、生命科学联合中心王伟研究员为本文的通讯作者，北京大学生命科学学院博士后王姝瑜（北京大学前沿交叉学科研究院已毕业博士研究生）为论文的第一作者。北京大学现代农学院何航研究员、首都师范大学周冕教授、南京农业大学游雄教授、中国科学院植物研究所王利军研究员、北京大学现代农学院周军会研究员、北京农学院黄芸副教授参与了本项工作。华中农业大学康春颖教授为本研究提供了前期的指导。本工作获得了基因功能研究与操控全国重点实验室、生命科学联合中心（CLS）以及启东创新基金等的资助。
原来，每一颗静置于果盘中的草莓，其内在的生命节律并未就此静止，它仍依循时光的脉络，在沉默中延续着自己的韵律。
来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学生命科学学院
文字&编辑 | 吴卓颖、张矣可
图片 | 北京大学生命科学学院
排版 | 顾馨月
责编 | 雪城
