Science Advances | 仅需单时间点转录组数据即可精准推断水稻生物钟节律，北京大学王伟团队开发SPIRAL平台

生物钟作为内源性的计时系统，赋予植物预判昼夜节律、提前调控光合作用及生长发育等生理活动的能力，从而优化资源利用效率并增强逆境适应性。在拟南芥等双子叶植物中，研究者通常借助叶片运动的追踪或生物发光成像来监测节律变化；然而，水稻等单子叶作物因叶片直立，上述方法难以直接应用。更关键的是，作物生物钟研究长期受制于遗传材料匮乏、基因组结构复杂以及时程转录组测序与分析成本高昂等问题，导致环境因子对节律调控的影响及其关键位点尚不清楚。与此同时，公共数据库中虽已积累大量水稻转录组数据，却因缺乏适配的分析工具而未能得到充分利用。上述因素共同制约了基于生物钟性状的水稻育种改良。

近日，北京大学王伟研究团队、首都师范大学周冕研究团队联合中国科学院北京基因组研究所章张研究团队在Science Advances在线发表了题为SPIRAL: A versatile online single time-point circadian analysis platform for rice的研究论文。该研究开发了名为SPIRAL（Single time-point circadian analysis）的在线单时间点生物钟分析平台，通过整合公共数据库中大量水稻转录组数据与优化的分子时刻表算法，实现了对水稻生物钟节律的高效、灵敏检测，为作物生物钟与环境互作研究提供了全新工具。

研究团队以公共数据库中水稻转录组数据最具代表性的实验条件（日本晴V4期叶片）为基础，结合高时间分辨率的转录组测序与分子时刻表法，构建了水稻标准分子时刻表，为水稻生物钟研究提供了统一的时间参照系。在此基础上，团队进一步通过实验推导、算法优化及普适性原理验证，成功开发了基于该标准分子时刻表的单时间点生物钟节律在线分析平台——SPIRAL。该平台采用交互式界面设计，支持对公共数据库数据及用户自行提交的转录组数据进行跨平台整合分析（图1）。

图1 生物钟在线分析平台（SPIRAL）界面架构及功能示意

研究团队基于SPIRAL平台的数据分析，发现水稻品种日本晴的内源生物钟节律周期约为28小时，并经由多重独立实验验证了这一结果（图2）。据此推测，该长周期表型可能源于栽培稻在长期驯化与选育过程中，为适应从北纬18°至53°的广阔地理跨度而产生的遗传多样性。鉴于开花时间与生物钟之间的内在调控关系已被充分证实，水稻抽穗期所呈现的丰富遗传变异，很可能与不同品种间节律周期的差异密切相关。由于长周期植株通常更适应长日照环境，后续通过系统测定其他水稻品种的内源节律周期，将有望为具有不同周期特性的品种匹配最优种植区域提供理论依据。

图2 水稻日本晴持续 条件下 叶片中 生物钟节律参数分析

最后，研究团队通过多个案例系统展示了SPIRAL的应用价值：（1）可定量评估生物钟节律对非生物胁迫的敏感性；（2）能够精准检测缺氮等胁迫开始干扰生物钟节律的时间节点，其时间分辨率显著优于传统方法；（3）可通过双因素分析，筛选出参与生物钟与胁迫响应交互调控的候选基因。

综上所述，本研究通过生物信息学大数据挖掘与实验验证相结合的策略，构建了水稻生物钟标准分子时刻表，并搭建了界面友好的单时间点节律在线分析平台SPIRAL。在此基础上，依托SPIRAL在大规模转录组数据整合与可视化分析方面的优势，初步解析了非生物胁迫信号对水稻生物钟的调控影响。本研究不仅为作物生物钟研究提供了新颖的切入点，也为推动作物适应性研究与时间耕作学（Chronoculture）领域的科学探索提供了有力支撑。

北京大学生命科学学院、基因功能研究与操控全国重点实验室、北大-清华生命科学联合中心王伟研究员为论文通讯作者。北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生师亚波（已毕业）为论文第一作者。中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）章张研究员、邹东高级工程师、韩镇先助理工程师、马英克高级工程师，首都师范大学周冕教授、徐羽丰博士，北京大学生命科学学院学院博士生姚力、王兴卫博士、姜兆雄博士、王姝瑜博士也为该研究做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金、基因功能研究与操控全国重点实验室、生命科学联合中心、首都师范大学、北京科技新星计划等项目的支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec9727