植物能保持时间吗?

我们人类有生物钟或昼夜节律来控制我们什么时候醒来，我们什么时候睡觉，甚至我们有多饿。这就是为什么我们在出国时屈服于时差反应。但植物也有影响其生长方式和营养运输方式的日常节律。为了弄清楚这些是如何工作的，凯特·兰布尔(Kate Lamble)与剑桥大学植物科学系的亚历克斯·韦伯(Alex Webb)进行了交谈，她首先询问了昼夜节律到底是什么

亚历克斯:它是指任何具有24小时周期并且可以在恒定条件下持续的生物节律。我们最熟悉的是睡眠-觉醒周期。

凯特-所以，对我来说，它改变了我清醒的程度和清醒的时间。在植物中有什么变化?

亚历克斯:嗯，它几乎控制着植物生物学的每一个方面。我很想告诉大家的一个事实是植物的生长周期是24小时。所以，就像你和我一样，植物在夜晚结束时生长得最快。它调节光合作用，调节植物体内的水通量，调节植物感知环境的能力，所以植物在白天比在晚上对寒冷信号更敏感，以及植物生物学的各个方面。

凯特:当我意识到周围有多少光线时，我可以看到这种环境刺激，植物是如何识别环境时间信号来告诉它们何时是白天，何时是夜晚的?

亚历克斯:你问了一个很难的问题。我们知道它们同时测量温度和光。我们知道它们测量温度和光的节奏，植物用一系列我们称为光感受器的蛋白质来测量光。有一个子集是红色的，一个子集是蓝色的，我们知道它们与设置时钟有关。例如，每天早上，时钟通过蓝色和红色的信号重新调整。但实际上，这是如何发生的，我们不知道。当谈到植物的温度感知时，我们知道它们可以测量温度。它们可以精确地测量温度，但我们对其工作原理知之甚少。我们知道他们实际上可以将温度测量结合到调整时钟中。

凯特:我的昼夜节律是由大脑控制的，那么植物的昼夜节律是由什么控制的呢?

亚历克斯:嗯，这是个有趣的想法。你的昼夜节律是由你的大脑控制的还是你的大脑中有一个昼夜节律控制着你所有人?

凯特:这是一个非常有趣的问题。

亚历克斯:我想这可能是第二个原因。像我们这样的哺乳动物的工作原理是，大脑中有一组神经，大约2万个神经，它们形成了一个定时机制，它们有24小时的节律性活动，然后通过激素传递给生物体的其他部分。植物是一个更分散的系统，所以事实上，每个细胞都有一个时钟，这个时钟是由一套基因组成的，它们有节奏地相互开关，有点像老式手表的时钟工作。所以，所有的细胞都有一个时钟，我们现在感兴趣的事情之一，我想很多植物生物学家都对这个感兴趣，这些时钟是否在细胞内相互交流，它们之间是否有协调，或者每个细胞都在做自己的事情，但这一切都是同时发生的。

凯特:我之所以要问这个问题，是因为为了能够重置生物钟，这些细胞中的每一个都与我们之前讨论过的感知光和温度的传感器进行通信吗?

Alex -至少在叶子细胞中，每个细胞都有自己的光传感器。所以，这些蛋白质存在于所有的叶细胞中。根更有趣，现在有很多人感兴趣因为根在黑暗中生长格拉斯哥的实验室，休·尼莫的实验室做了一些很好的研究似乎确实有一些信号从叶子传到根，影响时钟。这个信号可能就是糖。

凯特:为什么我们认为是糖在不同细胞之间传递这些信号?

亚历克斯:嗯，如果你用药物停止光合作用，那么根部生物钟的功能就会发生变化，所以最有可能的物质是糖。事实上，我的小组也在研究这个问题。

凯特:我想说，你对光合作用与昼夜节律的关系特别感兴趣。为什么会受到昼夜差异的影响呢?

植物收集光能，它们利用叶绿素捕获光能，然后被光能激发的电子被用来从空气中的二氧化碳中制造糖。这是一种难以置信的能量，在植物中流动，如果植物在早上没有准备好制造所有的糖，并使用所有收获的能量，那么这些能量就会消耗掉，去做其他事情。它所做的大部分事情都会对细胞造成相当大的破坏。所以植物需要在黎明时准备好收集所有的光能。因此，生物钟似乎可以调节光合作用。所以，它在白天更活跃。

凯特:如果植物在晚上不进行光合作用，那它们在这段时间里怎么有足够的食物来维持细胞的运转呢?

亚历克斯:它们白天产生的多余的糖被转化为淀粉，然后淀粉在整个晚上被分解，以维持植物的生命。事实上，约翰·英尼斯实验室，艾莉森·史密斯在诺里奇的实验室做了一些很棒的实验表明它们实际上能够预测黎明的时间，利用生物钟，在黎明的时候消耗所有可用的淀粉。如果你人为地将夜晚延长两小时，植物就会开始挨饿，实际上无法生长，因为它们消耗了所有储存的能量。因此，它们实际上会在黎明到来之前，消耗掉晚上储存的所有能量，然后在早上准备进行光合作用。

凯特:如果我们开始了解控制生物钟的基因，我们能否以某种方式将其用于农业?

亚历克斯-是的，我认为我们绝对可以。再说一遍，这是早期。对植物生物钟的深入研究只进行了大约15年。但我们发现的一件事是一些对作物驯化非常重要的基因实际上与生物钟有关。所以，这告诉我们，早期的繁殖者实际上是在不知情的情况下选择改变基因的行为，这些基因构成了生物钟的一部分。现在，我们最不明白的是为什么，但在其他领域，农业利用昼夜节律系统确实有很大的潜力。

例如，植物的生物钟提供适应性，以帮助阻止昆虫取食。所以，如果你拿那些没有正常生物钟的植物来说，它们比那些有正常生物钟的植物更容易受到昆虫的伤害。当然，这是一个很大的进步，从观察到，然后研究我们如何利用观察并应用它。我们怎样才能受益?所以大多数情况下，我们目前似乎能做的就是通过干扰生物钟让植物变得更糟。下一步就是想办法让它们变得更好。

凯特:如果我们想要改变某些植物的生物钟，我们该怎么做呢?这是基因改造的问题，把我们知道的好的昼夜节律控制基因放进去吗?

亚历克斯:这是一种方法。有证据表明，孟山都公司有一种大豆产量增加了5%这对农业来说是一个巨大的增长这是通过对一种与生物钟密切相关的基因的基因操纵。

我们实验室使用的另一种方法是寻找影响生物钟的化学物质我们已经确定了一种可以改变生物钟速度的化学物质我们对找出它是如何起作用的很感兴趣。实际上，我们有一些假设，但我们不知道为什么这种化学物质会改变时钟的速度。有趣的是，我们发现的这种化学物质在不同王国的生物钟中有着完全相同的作用。它实际上使生物钟运行得更慢，在植物中也是如此，一年后，我们发现它在老鼠身上也有完全相同的效果。关于它是如何工作的有很多假设，但到目前为止，我们还不知道。