在大多數人印象中，生物鐘似乎更多與動物甚至人類的作息相關，卻鮮少知曉植物必須依靠內源的時間感知系統，預測日出日落、溫度變化等周期性環境信號，從而提前調整自身的生理與發育節奏。
中國科學院植物研究所研究員王雷、特別研究助理蘇晨與英國約克大學教授Seth Davis團隊合作，首次提出植物生物鐘早晨復合體概念并揭示復合體的組成內容，發現該復合體在黎明時分對光信號感受器的精準調控機制。研究成果近日在線發表于《自然-通訊》。
超大“咖啡基因”引發的科學探索
植物作為固著生物，演化出一套精密的內源計時系統——生物鐘。它不僅調控植物的開花時間、代謝節律、免疫應答，甚至影響其對逆境的適應能力。
所有環境信號中，黎明和傍晚是最關鍵的授時節點。所謂授時因子，就是將外界時間信息傳遞給植物的“信使”，光信號便是其中最重要的一種。黎明時分，遠紅光作為晨光的重要組成部分，會迅速激活植物體內的黎明感受器，告訴植物“天亮了，該‘起床’了”。生物鐘系統正是協調這些變化的“指揮者”。
“動物可主動遷徙躲避惡劣環境，植物沒有腳不能跑，更依賴生物鐘對時間的感知?！蓖趵捉榻B，植物的“蘇醒”過程需要精準調控，如果生長過于迅猛，植物莖稈會變得纖細脆弱，抗風抗倒伏能力下降；若調控不足，則會錯失最佳生長時機。
雖然植物生物鐘研究起步較早，但其在黎明時分如何精準“啟動”一天的生命活動，仍是未解之謎。
這項研究的起點源于Davis在20多年前發現的TIC（TIME FOR COFFEE）蛋白?！皬摹摵瓤Х攘恕拿湍懿碌?，這是一個主要在黎明工作的生物鐘調節子?！蓖趵妆硎?，該蛋白異常龐大，由1550個氨基酸編碼組成，且沒有任何已知的功能保守結構域。自發現以來，它在生物鐘系統中的功能始終是個謎。
王雷在工作中。受訪者 供圖保守結構域好比蛋白的“功能身份證”，有了它，就能大致猜出這個蛋白是干什么的。“TIC蛋白幾乎沒有這類功能標識，我們研究它的出發點，就是想弄清這個龐大而神秘的蛋白究竟是如何在黎明時分發揮作用的?！蓖趵渍f。這個看似樸素的科學問題，最終牽引著團隊走上了一條長達7年的探索之路。
“同道中人”組建成的“分子剎車”
研究的第一步是明確TIC蛋白的作用靶點。已有研究表明，TIC蛋白主要的工作時間在黎明，這為實驗提供了方向?；诖?，團隊很快在茫茫大數據中“釣”到關鍵線索——遠紅光受體光敏色素phyA。
這一受體在黎明時被迅速激活，直接誘導大量基因表達，引發植物代謝與生長的顯著轉變，因此又被稱為“黎明感受器”。有研究表明，phyA的表達和活性等在時間維度上受到生物鐘的嚴格調控，但其背后的分子機制始終未明晰。
“當我們發現TIC的下游靶基因竟然是PHYA時，所有線索瞬間連成一條清晰的鏈條?！碧K晨回憶這一發現時仍難掩興奮，一個在黎明活躍的生物鐘調節子，恰好抑制黎明時被激活的光感受器——這不僅能解析TIC的生物學功能，更是首次發現生物鐘直接調控PHYA的證據?！澳且豢?，我們都覺得這就是答案?！?span style="display:none">n0l速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
然而，興奮之后，真正的挑戰才剛開始。隨著研究的深入，團隊逐漸意識到揭示TIC作用機制并非易事。利用AlphaFold進行結構預測時，他們發現該蛋白的可信建模區域不足20%，幾乎沒有任何已知結構域?！斑@意味著我們無法通過結構預測來推測它的功能位點，就像面對一個沒有任何標識的‘黑盒子’?！碧K晨說。
蘇晨在做擬南芥遺傳雜交實驗。受訪者 供圖這個難題一度讓研究陷入停滯。如果無法明確TIC的作用方式，即便知道它與phyA存在調控關系，也無法完整闡明其分子機制。
“結合以往研究，我們推測TIC在抑制PHYA過程中可能不是‘單兵作戰’，而是有某個‘助手’?！碧K晨說，經過系統互作篩選與驗證，研究發現，生物鐘早晨工作的核心蛋白CCA1和LHY極有可能是TIC招募的關鍵伙伴。
王雷補充說，早在10多年前，就有研究發現CCA1和LHY作為轉錄因子在植物體內往往不是“單兵作戰”，而是以復合體的形式參與轉錄調控，這與團隊的發現高度契合。
基于系列線索，團隊最終解開了植物生物鐘在黎明時的“秘密”。生物鐘調節子TIC作為橋梁，將生物鐘核心組合CCA1和LHY以及轉錄共抑制子TPL組合在一起，形成早晨復合體，在黎明階段抑制PHYA及其下游關鍵組分的表達，充當黎明感受器phyA的“分子剎車”，精準把控基因表達豐度，精細調節植物的形態發育，避免植物在清晨遠紅光條件下過度伸長，從而賦予植物更好的環境適應性。
想象一下，每天黎明植物體內都會上演這樣一幕：“鬧鐘蛋白”TIC先醒來，立刻召集兩位“時間總監”CCA1和LHY，以及一位“開關高手”TPL，組成“黎明行動組”，直奔光信號受體phyA而去，其任務不是啟動它，而是輕輕踩一腳剎車，告訴它“別太急，慢慢來”。“這個精妙的剎車機制，確保植物不會在清晨過度消耗能量，從而能在多變的大自然中生存下去?！蓖趵妆硎?。
解鎖更多生物鐘奧秘
據介紹，早晨復合體的發現不僅闡明了TIC在黎明時分的分子功能，還揭示了生物鐘核心組分CCA1和LHY轉錄活性調控的多樣性，進一步完善了植物生物鐘與光信號互作調控的分子網絡。這項研究為全面解析生物鐘如何反饋精準“駕馭”光信號提供了研究范例。
科研之路從來不是一帆風順的。初次投稿后，有審稿人認為“TIC缺乏明確的蛋白結構，相關蛋白互作的結果可靠性無法保證”。這一評語幾乎否定了團隊所有的努力，也提出了一個在短期內難以攻克的難題。
面對壓力，團隊沒有氣餒?！皢栴}不止有一種解法?！碧K晨回憶，“即使正面無法突破，我們也可以從側面印證，這好過一無所有。”
他們重新梳理實驗邏輯，決定通過體內驗證來強化結論的可信度。研究團隊最終進一步加強了在擬南芥體內的TIC與CCA1和LHY蛋白互作驗證，這讓論文的邏輯更加嚴謹，證據鏈也更為完整 。最終審稿人一致認為，“這個實驗設計嚴格、證據充分，在生物鐘影響光信號方面揭示了全新的重要機制”。
“生物鐘如何感知時間、傳遞時間信息，是該領域的核心科學問題之一?！蓖趵妆硎?，團隊的研究發現，黎明時分的“分子剎車”機制，正是生物鐘實現精準計時的重要環節，為后續研究提供了可借鑒的技術路線和研究思路。
“如果說光是指令，生物鐘就是時間表，兩者配合得當、協調一致，植物才能在合適的時間對環境信號變化作出正確反應?！蓖趵妆硎?，團隊將繼續探索這一早晨復合體在不同作物中的進化保守性，解析該復合體在脅迫環境下的功能，為揭示生物鐘如何在特定時間幫助作物適應復雜環境提供理論基礎和遺傳資源。他們表示，未來有望通過調控早晨復合體相關基因的表達，培育出更具優勢的作物品種。
相關論文信息：
https://www.doi.org/10.1038/s41467-025-65242-9
本文鏈接：“黎明行動組”為植物“踩剎車”，讓它“別太急”http://www.sq15.cn/show-11-27848-0.html
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