女科学家讲科普 | 探索植物生物钟的奥秘

作

者

简

介

当前由于风高物燥，不仅居民住宅要小心防火，各工厂、集贸市场、批发市场、餐厅等更要警惕，一旦失火，极易火烧连营，火势迅速蔓延，后果严重。居民个人和各单位部门要尽快检查和增加消防设施，整改火灾隐患，加强防火安全，正确用火用电，保证通道和安全出口的畅通，并掌握基本的防火、灭火和逃生自救常识。

郑慧琼 博士，中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物生理生态研究所研究员，博导。上海市女科学家联谊会会员。目前从事空间植物生物学研究工作。

韩飞 中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物生理生态研究所博士研究生。

春天繁花盛开，夏天绿荫如盖，秋天稻香廪实，冬天落叶归根。

四时盛景，年年岁岁，

是什么让四季美景常驻？

答案，就在于植物的生物钟。

生物钟，生命的节律

“生物钟”现象又被称作为“生物节律”，它是普遍存在于所有生物体内的自然规律。在自然界中，植物开花，昆虫卵孵化，候鸟迁徒，都有一定的时间和规律。我们人类自身的生命活动也与“生物钟”密切相关，比如一天中有昼夜节律，这使得我们早上到了一定时间会自然醒来，晚上到了一定时间就会困倦。一年之中有季节节律，所以有“春困、秋乏、夏打盹”的说法。

地球由于绕太阳公转和自转而产生了季节更迭与昼夜变化，这使得生命活动都按照特定的时序和各种特有的节律周期运转——生物体的新陈代谢、细胞和细胞器的生理功能，以及生长运动等生命活动都会随着昼夜循环而发生规律性的变化。

地球四季更替

（来自网络https://www.baidu.com)

人体生物钟作用（图来自网络http://www.nasa.gov，有所修改）

四季开放的花（第一幅图片鸢尾花春天开花，来自本实验室照片；第二至四幅图片为荷花、菊花和腊梅花分别代表夏天、秋天和冬天开花的植物，图片来自网络）

植物的生物钟很“智慧”

生物钟能够在生物体内形成稳固的周期系统，代代相传。

植物的整个生命周期都受到生物钟的调控，由此，它们能够适应地球上光、温度和湿度等环境因子的昼夜周期性变化，从而得以生存和最大化的生长。

生物钟影响到植物生命周期的各种生物学过程（图片来自文献 Journal of Plant Research (2018) 131:59-66 ，有所修改）

1720年，法国物理学家Jean-Jacques d’Ortous de Mairan发现生物钟具有内源性，也就是可一定程度上独立于外界环境信号而存续。他发现，放置在黑暗环境下的含羞草，其叶片仍能保持节律性闭合，好像它依然知晓昼夜的变化一样。1880年，达尔文父子基于对69种植物睡眠的研究，提出了昼夜节律的可遗传性。达尔文推断，叶片的睡眠运动可能是为了抵御夜间的寒冷。菜豆的叶片也有类似情况，白天展平，夜晚竖起来。2018年，科学家使用分辨精度达毫米级的地面激光扫描仪来进行观测，结果显示，白桦树的树冠昼夜之间上下移动——也就是说，树不但真的会“睡觉”，醒来后还会“伸懒腰”。分析认为，植物这种“睡眠”运动有利于应对夜间的低温。

白桦树的树冠昼夜之间上下移动的激光扫描图像（左：夜晚；右：白天，图片来自文献Frontiers in Plant Science, 2018）

在地球上，能“按时而动”的物种更具有进化优势，生命活动更有效率。比如，科学家曾将正常蓝藻与生物钟异常的蓝藻放在同样条件下培养，结果正常的蓝藻的成活率远远高于生物钟异常的蓝藻；又比如我们所熟悉的向日葵，它是典型的生物钟调控植物。研究表明，清晨面向东方有太阳的一面的花盘表面比向西没有太阳照射的花盘升温更快，前来授粉的蜜蜂数量也多出5倍。如果用树桩捆住向日葵不让其转动，其生长量就大为下降。如果把“松绑”的向日葵移到装有固定顶灯的室内，尽管“太阳”一直在头顶上，但向日葵仍然会来回摆动，这说明植物体存在着独立的自我调节的生物节律控制系统。

向日葵茎的顶端昼夜周期性转向运动

（图片来自Science (2016) 353:6299）

植物上了太空，还有生物钟吗？

如前所说，地球生物的生物钟是为了更好地适应地球上的生存条件。当地球生物飞上太空后，昼夜不再是24小时周期，也不再有四季的变化（如在我国天宫二号上每24小时有16次的日出与日落），更重要的是没有了重力，生活于其中的植物没有上下方向。那么，空间植物还有“生物钟”吗？

空间飞行微重力实验与地面离心机的超重实验研究均表明，重力水平的变化的确会引起生物钟的改变。1991年，科学家Brown等人在美国的空间实验室中曾用向日葵作实验，证明在空间向日葵的转头运动能够进行，但是，转动的幅度从地面对照的7.4毫米减少到2.4毫米, 时间周期从105分钟减少到88分钟。

2016年7月，我国“天宫二号”空间实验室中种植了拟南芥和水稻，科学家通过实时图像观察发现在空间实验室生长的水稻吐水活性明显增加。此外，空间实验室中拟南芥的叶片运动和茎的点头运动，要明显慢于地面对照。

在我国天宫二号空间实验室中生长的水稻吐水比地面对照明显增加（图片来自本实验室）

对比地面和“天宫二号”空间实验室中拟南芥和水稻的生长和吐水情况（图片来自本实验室）

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展望：

让空间植物为人类遨游太空提供保障

植物这种有节奏的生长运动是其能够适应环境，得以生存与繁殖不可缺少的机制，但目前我们对于植物生物钟的机理的了解还不多。对空间植物生物钟的认识，如气孔的开闭、花周期的变化，细胞分裂以及基因表达等，也还有待进一步深化。我们相信，随着对生物钟认识的加深及对其调控机制的进一步揭示，一些适应地球重力环境限制的作物将能够打破对重力的依赖，从而成功地在空间种植与繁衍，最终为人类遨游太空提供保障。

来源：上海市女科学家联谊会

原标题：《女科学家讲科普 | 探索植物生物钟的奥秘》