登上Cell封面：北京大学王伟团队首次发现并异源重构新型生物钟

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

大多数生物（包括植物和动物）都拥有一个内在的昼夜节律系统，即所谓的“生物钟”，其 主要由转录因子（TF）构成的基因调控网络（Gene Regulatory Network，GRN）所产生，它们像精准的指挥家，协调着各种生理过程，使其与地球自转所带来的昼夜变化同步。

通过对植物和哺乳动物的昼夜节律基因调控网络的比较分析表明，其保守的是调控网络架构而非其组成成分，这表明昼夜节律生成能力并不局限于经典的生物钟基因调控网络。

近日，北京大学生命科学学院王伟研究员团队（王姝瑜博士为论文第一作者）在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Discovery and heterologous reconstitution of a plant noncanonical quasi-circadian gene regulatory network 的研究论文。

该研究揭示了一个令人惊讶的发现——在低温冷藏（4°C）条件下，采摘后的草莓果实中的经典“生物钟”被破坏，但有一个全新的非经典“生物钟”仍在默默工作，它不仅维持着昼夜节律，还充当着抵抗灰霉病（导致植物腐烂的真菌感染）的“守门人”。

该研究报道了采摘后草莓中的一个此前未知的辅助性昼夜节律基因调控网络，该基因调控网络能够独立生成并维持昼夜节律，从而使草莓果实能够持续抵御灰霉病病原菌。封面图片展示了一个由采摘后草莓果实构成的时钟，每个果实代表一个时间点，变化的光影代表昼夜光-暗周期。

在这项研究中，研究团队发现，采摘后冷藏的草莓果实中的经典生物钟核心组件（例如 FvLHY 和 FvTOC1）的表达节律完全消失，变得杂乱无章，也就是经典生物钟在低温下失灵了。然而，研究团队惊讶地发现，这些草莓果实内部的新陈代谢并未随之陷入一片混沌，而是仍然维持着昼夜节律。

研究团队通过 RNA 测序分析，发现采摘后冷藏保存的草莓果实中有 275 个基因保持着清晰的昼夜表达节律。通过进一步系统性双荧光素酶实验和调控网络分析，研究团队从中发现了由5 个未被表征的转录因子（FvGRAS、FvMYB109、FvVOZ、FvERF4和FvERF105）构成的调控网络，研究团队将其命名为——“非经典准昼夜节律基因调控网络”（noncanonical quasi-circadian gene regulatory network）。其具备生物钟的关键特征——自由运行周期接近 24 小时；具有温度补偿能力（即在不同的温度下周期保持相对稳定）；能够被温度循环等外界信号重新设定和同步。但其节律持续性不如经典生物钟长久，在长时间的自由运行条件下会逐渐衰减，因此被定义为“准”昼夜节律。

为了证明这个新发现的基因调控网络本身的确具有产生昼夜节律的能力，而非依赖于草莓的其他背景，研究团队进一步开发了异源重建系统，在在异源植物烟草中，成功重建了这个完整的基因调控网络，证明了该基因调控网络的昼夜节律生成能力。随后的 SELEX-seq、EMSA 和 DAP-qPCR 分析表明，该基因调控网络负责下游基因的昼夜节律。

那么，这个在低温下仍然工作的“生物钟”有什么实际作用呢？研究团队在草莓果实中特异性干扰这一“生物钟”，结果显示，草莓果实对灰霉菌（Botrytis cinerea，导致水果腐烂的常见病原菌）的易感性显著增强，表明了这个新发现的基因调控网络并不是一个可有可无的备选生物钟，而是能够“门控”并促进草莓的防御反应，在低温储存这种压力条件下，经典生物钟失效，此时，这个非经典生物钟协调下游防御相关基因的节律性表达，从而帮助果实更有效地抵抗病原菌侵袭，延长保鲜期。

总的来说，该研究鉴定了一个非经典的准昼夜节律基因调控网络，实现了真核生物昼夜节律基因调控的异源重建，并证明了该调控网络在免疫调控中的功能。 这些发现不仅深化了我们对生命节律起源与多样性的理解，也为农产品采摘后保鲜技术的开发提供了全新思路。未来，或许我们可以通过调控这个非经典生物钟来增强水果的抗病性，减少冷藏保存和运输过程中的损耗，让更新鲜的水果蔬菜走上餐桌。

该研究的核心发现：

• 在低温条件下，许多植物的典型“生物钟”会受损；

• 草莓中一种新的基因调控网络能够产生昼夜节律；

• 在烟草中异源重建草莓的昼夜节律基因调控网络；

• 草莓中的非典型昼夜节律基因调控网络控制并促进对灰霉病的防御。

论文链接：

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