登上Cell封面：北京大學王偉團隊首次發現并異源重構新型生物鐘

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

大多數生物（包括植物和動物）都擁有一個內在的晝夜節律系統，即所謂的“生物鐘”，其 主要由轉錄因子（TF）構成的基因調控網絡（Gene Regulatory Network，GRN）所產生，它們像精準的指揮家，協調著各種生理過程，使其與地球自轉所帶來的晝夜變化同步。

通過對植物和哺乳動物的晝夜節律基因調控網絡的比較分析表明，其保守的是調控網絡架構而非其組成成分，這表明晝夜節律生成能力并不局限于經典的生物鐘基因調控網絡。

近日，北京大學生命科學學院王偉研究員團隊（王姝瑜博士為論文第一作者）在國際頂尖學術期刊Cell上發表了題為：Discovery and heterologous reconstitution of a plant noncanonical quasi-circadian gene regulatory network 的研究論文。

該研究揭示了一個令人驚訝的發現——在低溫冷藏（4°C）條件下，采摘后的草莓果實中的經典“生物鐘”被破壞，但有一個全新的非經典“生物鐘”仍在默默工作，它不僅維持著晝夜節律，還充當著抵抗灰霉病（導致植物腐爛的真菌感染）的“守門人”。

該研究報道了采摘后草莓中的一個此前未知的輔助性晝夜節律基因調控網絡，該基因調控網絡能夠獨立生成并維持晝夜節律，從而使草莓果實能夠持續抵御灰霉病病原菌。封面圖片展示了一個由采摘后草莓果實構成的時鐘，每個果實代表一個時間點，變化的光影代表晝夜光-暗周期。

在這項研究中，研究團隊發現，采摘后冷藏的草莓果實中的經典生物鐘核心組件（例如 FvLHY 和 FvTOC1）的表達節律完全消失，變得雜亂無章，也就是經典生物鐘在低溫下失靈了。然而，研究團隊驚訝地發現，這些草莓果實內部的新陳代謝并未隨之陷入一片混沌，而是仍然維持著晝夜節律。

研究團隊通過 RNA 測序分析，發現采摘后冷藏保存的草莓果實中有 275 個基因保持著清晰的晝夜表達節律。通過進一步系統性雙熒光素酶實驗和調控網絡分析，研究團隊從中發現了由5 個未被表征的轉錄因子（FvGRAS、FvMYB109、FvVOZ、FvERF4和FvERF105）構成的調控網絡，研究團隊將其命名為——“非經典準晝夜節律基因調控網絡”（noncanonical quasi-circadian gene regulatory network）。其具備生物鐘的關鍵特征——自由運行周期接近 24 小時；具有溫度補償能力（即在不同的溫度下周期保持相對穩定）；能夠被溫度循環等外界信號重新設定和同步。但其節律持續性不如經典生物鐘長久，在長時間的自由運行條件下會逐漸衰減，因此被定義為“準”晝夜節律。

為了證明這個新發現的基因調控網絡本身的確具有產生晝夜節律的能力，而非依賴于草莓的其他背景，研究團隊進一步開發了異源重建系統，在在異源植物煙草中，成功重建了這個完整的基因調控網絡，證明了該基因調控網絡的晝夜節律生成能力。隨后的 SELEX-seq、EMSA 和 DAP-qPCR 分析表明，該基因調控網絡負責下游基因的晝夜節律。

那么，這個在低溫下仍然工作的“生物鐘”有什么實際作用呢？研究團隊在草莓果實中特異性干擾這一“生物鐘”，結果顯示，草莓果實對灰霉菌（Botrytis cinerea，導致水果腐爛的常見病原菌）的易感性顯著增強，表明了這個新發現的基因調控網絡并不是一個可有可無的備選生物鐘，而是能夠“門控”并促進草莓的防御反應，在低溫儲存這種壓力條件下，經典生物鐘失效，此時，這個非經典生物鐘協調下游防御相關基因的節律性表達，從而幫助果實更有效地抵抗病原菌侵襲，延長保鮮期。

總的來說，該研究鑒定了一個非經典的準晝夜節律基因調控網絡，實現了真核生物晝夜節律基因調控的異源重建，并證明了該調控網絡在免疫調控中的功能。 這些發現不僅深化了我們對生命節律起源與多樣性的理解，也為農產品采摘后保鮮技術的開發提供了全新思路。未來，或許我們可以通過調控這個非經典生物鐘來增強水果的抗病性，減少冷藏保存和運輸過程中的損耗，讓更新鮮的水果蔬菜走上餐桌。

該研究的核心發現：

• 在低溫條件下，許多植物的典型“生物鐘”會受損；

• 草莓中一種新的基因調控網絡能夠產生晝夜節律；

• 在煙草中異源重建草莓的晝夜節律基因調控網絡；

• 草莓中的非典型晝夜節律基因調控網絡控制并促進對灰霉病的防御。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)00468-X