PlantCell Environ：徐小冬课题组揭示植物生物钟的器官自主运行机理

来源：BioArt植物

植物的离体组织（茎叶、下胚轴、根）的内源近日节律的周期长度存在较大差异：根部的节律周期（Period, Tau值）较长，其次是下胚轴、茎叶【1,2】；生物钟核心组分在叶肉和维管组织中的表达丰度不同，暗示生物钟的功能可能存在组织特异性【3】；此外，在游离原生质体和细胞培养系中可检测到稳定表达的内源节律，且叶片的保卫细胞、叶肉细胞、表皮细胞的近日节律存在差异【4-6】。但植物生物钟在组织/器官/细胞水平上特异性调控的分子机制尚不清楚。

近日，Plant Cell & Environment在线发表了徐小冬课题组完成的题为 Molecular investigation of organ-autonomous expression of Arabidopsis circadian oscillators 的研究论文。该项研究发现，植物地上或地下器官中的生物钟蛋白-蛋白之间24小时动态互作存在自主运行的特性；茎叶的生物钟和根部的生物钟可独立响应环境温度信号的周期性变化，维持其温度补偿能力。

该研究利用萤火虫荧光素酶互补的方法，分别检测了拟南芥的茎叶和根部生物钟核心振荡器关键蛋白复合体的动态形成过程。结果表明，CCA1-LHY, LNK1-LNK2, LNK1-CCA1, LNK2-CCA1, LNK1-RVE8, LNK2-RVE8, ELF3-ELF4和ELF3-LUX等蛋白-蛋白间动态相互作用在茎叶和根部均呈现出生物钟调控的近日（以24小时为周期）节律性振荡，但在根部的蛋白复合体形成的周期显著长于茎叶器官（图1）。

图1. 生物钟核心组分的蛋白-蛋白间动态互作的近日节律呈现出器官特异性

为探究调控茎叶和根中节律周期长度差异的关键基因，研究人员分析了大量生物钟基因突变体的地上/地下两种器官中的内源节律后发现，与野生型不同的是，prr7-3 prr9-1突变体近日节律的周期长度在茎叶和根部不再存在显著差异，toc1-101和ztl-3突变体在根部的周期延长的表型加剧。

为探究器官自主性生物钟对环境信号的响应特性，该项工作采用了“相位响应曲线(Phase Response Curve)”  这一经典的生物钟响应重置信号的研究策略，通过在一天24小时的不同时间点进行温度处理，分析生物节律的相位变化趋势。结果表明，拟南芥地上或地下器官的生物钟具有独立响应温度信号的特性，且根部生物钟在白天时段对温度的响应比茎叶器官更为敏感。

“温度补偿 (Temperature Compensation)”现象是受生物钟调控的近日节律的重要特性，即节律的周期长度在一定温度范围内可保持恒定；prr7-3 prr9-1植株表现为温度过补偿现象【7】，但作用机制不清楚。该研究通过对野生型和prr7-3 prr9-1根部和茎叶节律的温度（12，22，28°C）补偿表型的分析发现，茎叶和根部生物钟分别具备温度补偿能力；不同于茎叶组织，prr7-3 prr9-1的根部未表现出温度过补偿表型（图2）；相较于茎叶组织，根部PRR9, PRR7基因的近日节律性表达在22，28°C温度下存在显著差异。

图2. PPR7和PRR9生物钟温度补偿中的作用存在差异

综上，该研究阐明了植物生物钟核心调控组分的蛋白-蛋白间互作的时空表达特性；揭示出地上和根部组织生物钟可独立响应环境温度信号，均具备温度补偿能力；PRR7和PRR9参与茎叶部位的温度补偿调控。该研究结果为深入解析昼夜节律的器官特异性及其生物学意义提供了理论依据。 

徐小冬课题组的河北师范大学研究生李跃、王玲宝为该论文的第一作者，相关研究与河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室的师生协作完成。

徐小冬教授长期从事时间生物学研究，建立了从生理水平、组织及细胞水平、分子水平高通量/自动化的近日节律监测平台，用于揭示生物钟参与植物环境适应性调控的作用机理。该研究得到国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划等项目的支持。

参考文献：

[1] N. Takahashi, Y. Hirata, K. Aihara, P. Mas, A hierarchical multi-oscillator network orchestrates the Arabidopsis circadian system, Cell 163(1) (2015) 148-59.

[2] A.B. James, J.A. Monreal, G.A. Nimmo, C.L. Kelly, P. Herzyk, G.I. Jenkins, H.G. Nimmo, The circadian clock in Arabidopsis roots is a simplified slave version of the clock in shoots, Science 322(5909) (2008) 1832-5.

[3] M. Endo, H. Shimizu, M.A. Nohales, T. Araki, S.A. Kay, Tissue-specific clocks in Arabidopsis show asymmetric coupling, Nature 515(7527) (2014) 419-22.

[4] E. Yakir, M. Hassidim, N. Melamed-Book, D. Hilman, I. Kron, R.M. Green, Cell autonomous and cell-type specific circadian rhythms in Arabidopsis, Plant J 68(3) (2011) 520-31.

[5] N. Nakamichi, A. Matsushika, T. Yamashino, T. Mizuno, Cell autonomous circadian waves of the APRR1/TOC1 quintet in an established cell line of Arabidopsis thaliana, Plant Cell Physiol 44(3) (2003) 360-5.

[6] J. Kim, D.E. Somers, Rapid assessment of gene function in the circadian clock using artificial microRNA in Arabidopsis mesophyll protoplasts, Plant Physiol 154(2) (2010) 611-21.

[7] P.A. Salome, D. Weigel, C.R. McClung, The role of the Arabidopsis morning loop components CCA1, LHY, PRR7, and PRR9 in temperature compensation, Plant Cell 22(11) (2010) 3650-61.

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.13739