植物通過觸發(fā)生物過程來準(zhǔn)備寒冷的夜晚，例如關(guān)閉它們的氣孔和合成蠟以防止水分流失。生物學(xué)家已經(jīng)證明，這些由晚上表達(dá)的基因誘導(dǎo)的過程實際上是由日出時產(chǎn)生的時鐘蛋白調(diào)節(jié)的。進(jìn)一步了解這些時鐘介導(dǎo)的過程可以促進(jìn)植物在與其起源不同的氣候中的生長。

為了適應(yīng)由地球自轉(zhuǎn)引起的晝夜交替，許多生物體具有受其基因調(diào)節(jié)的生物鐘(生物鐘)。然而，與植物生物鐘相關(guān)的基因的相互作用仍未完全了解。在一項新研究中，由植物細(xì)胞雜志在線發(fā)表，由名古屋大學(xué)轉(zhuǎn)化生物分子研究所(WPI-ITbM)的Norihito Nakamichi領(lǐng)導(dǎo)的生物學(xué)家團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，晚上產(chǎn)生的時鐘基因受到監(jiān)管。通過早上產(chǎn)生的時鐘蛋白質(zhì)。

該團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，這些夜晚時鐘基因負(fù)責(zé)植物在晚上進(jìn)行生物過程以響應(yīng)環(huán)境。為了準(zhǔn)備晚上的低溫，植物準(zhǔn)備應(yīng)對干旱脅迫，傳遞來自植物激素的信號，調(diào)節(jié)其氣孔的開啟和關(guān)閉，并產(chǎn)生蠟以防止水分流失。我們現(xiàn)在看到的許多作物都是具有受其生物鐘調(diào)節(jié)的優(yōu)化特性的選定物種。例如，在日本，種植早花小麥品種，以便在雨季到來之前收獲。由于調(diào)節(jié)生物鐘相關(guān)基因，已經(jīng)產(chǎn)生了早期開花的栽培品種。Nakamichi及其同事在植物抗旱性的一組關(guān)鍵時鐘基因上的發(fā)現(xiàn)可以通過修改生物鐘來產(chǎn)生優(yōu)化的植物物種以在特定環(huán)境中生長。

許多生物中的生物鐘由大約24小時的周期組成。在植物中，它們使用它們的生物鐘，以便在一天中的正確時間發(fā)生適當(dāng)?shù)纳镞^程。例如，突然的日光會產(chǎn)生對植物有毒的活性氧，因此植物開始合成分子，在日出前去除活性氧。

在下午，植物準(zhǔn)備好應(yīng)對日落之后的寒冷氣溫。以這種方式，植物利用它們的生物鐘預(yù)先響應(yīng)由時間變化引起的周圍環(huán)境的變化。生物鐘被認(rèn)為是由多個基因之間的相互調(diào)節(jié)組成，但這種復(fù)雜的基因和分子網(wǎng)絡(luò)尚未完全闡明。Norihito Nakamichi是ITbM的副教授，也是該項研究的負(fù)責(zé)人，自2004年以來一直在進(jìn)行植物生物鐘研究，他決定研究各種生物事件如何受時鐘調(diào)節(jié)。“我之所以對研究生物鐘感興趣，是因為我非常喜歡植物復(fù)雜時鐘網(wǎng)絡(luò)帶來各種生物過程背后的邏輯，”Nakamichi說。

“自2011年以來，我們一直在努力尋找調(diào)節(jié)下午轉(zhuǎn)錄基因表達(dá)的關(guān)鍵因素，”Nakamichi說。該小組使用PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 5(PRR5)，它是模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)的時鐘基因。

“我們首先假設(shè)CCA1是一種在日出時產(chǎn)生的時鐘蛋白，它與參與靶基因PRR5表達(dá)的特定DNA序列結(jié)合，”Nakamichi描述道。“我們通過一種名為染色質(zhì)免疫沉淀(ChIP)的技術(shù)收集了與DNA結(jié)合的CCA1蛋白，并通過快速DNA測序分析了DNA序列。” 雖然快速DNA測序是眾所周知的技術(shù)，但DNA序列的綜合分析可能是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。Nakamichi繼續(xù)說道，“我們實際上不得不來回多次，直到我們能夠確定PRR5基因以高頻率出現(xiàn)在監(jiān)管區(qū)域。” “當(dāng)我看到數(shù)據(jù)表明CCA1蛋白直接作用于PRR5基因的調(diào)控區(qū)并對其產(chǎn)生重大影響時，我感到非常興奮。”

此外，該組在植物細(xì)胞的染色體中發(fā)現(xiàn)了CCA1時鐘蛋白的靶DNA區(qū)域。“我們發(fā)現(xiàn)許多基因在晚上在CCA1結(jié)合的DNA區(qū)域附近表達(dá)，”Nakamichi解釋道。這些基因中的一些負(fù)責(zé)植物對干旱脅迫的反應(yīng)，來自植物激素的信號傳遞，脫落酸，氣孔開啟和關(guān)閉的調(diào)節(jié)以及蠟的產(chǎn)生。“我們的研究結(jié)果表明，CCA1蛋白誘導(dǎo)這些生物過程在晚上的特定時間發(fā)生。”

“植物有一個復(fù)雜的時鐘系統(tǒng)，適當(dāng)?shù)纳镞^程在一天中的正確時間發(fā)生。如果CCA1蛋白在早上不起作用，植物將開始準(zhǔn)備感冒，防止白天失水，”中道。“通過能夠在正確的時間打開和關(guān)閉時鐘蛋白的功能，這可以促進(jìn)適應(yīng)不同氣候的植物的生長，”他繼續(xù)說。

“與生物鐘相關(guān)的基因在許多植物中很常見。到目前為止，許多已經(jīng)選擇的作物實際上是在控制其生物鐘的基因中自然或人工突然發(fā)生變化的作物，”Nakamichi說。“我們相信，我們的工作有助于進(jìn)一步了解擬南芥中生物鐘的分子機(jī)制，我們希望這有助于在許多其他植物物種中適當(dāng)調(diào)整生物鐘。”