一项最近的研究利用一系列开创性的实地实验，展示了植物如何将生物钟信号与不断变化的自然环境中的环境因素相结合。我们对植物生物节律的理解大部分源于控实验室实验，其中光照和温度等因素可以被严密控制。
然而，对于这些生物计时机制在不可预测的动态自然界中如何运作的了解有限，在这样的环境中，它们已经进化为能与日常和季节性节律同步。
一项由来自英国和日本的研究人员共同开展的突破性研究，做出了明显进展，填补了这一空白，该研究通过一系列创新的实地实验，揭示了植物如何在自然多变的条件下将生物钟信号与环境指示因素整合在一起。
这一合作团队由约翰·因尼斯中心、京都大学和剑桥大学的西恩斯伯里实验室的成员组成，基于这些实地研究开发了统计模型，这可能增强我们对植物（包括主要农作物）如何适应未来温度变化的理解。
“我们的研究强调了国际合作在推动各学科科学知识方面的重要性，” 首席作者、约翰·因尼斯中心的组长安东尼·多德教授表示。“看到我们在实验室环境中识别出的机制也影响植物在其自然环境中的表现，令人着迷。”
京都大学的工藤博教授评论道：“每个生物系统都是在其自然环境中进化的。对于在自然背景下评估遗传系统功能还有很多工作要做。这项研究代表了这一重要调查的第一步。”
多德教授先前的一项研究确定了一条由生物钟调节的遗传通路，该通路保护在极端明亮和寒冷条件下光合作用的植物免受细胞损害。
在本研究中，研究团队旨在在现实世界场景中识别这一相同机制，参考了工藤博教授领导的前期大量研究。
通过在春分和秋分附近进行的两项实地研究，他们在日本的一个乡村场地考察了一自然种群的阔叶紫露草植物。
研究人员追踪植物中的基因表达如何随着光照和温度的变化而在24小时周期内改变。
他们每两小时提取一次植物的RNA，通过冷冻保存这些样本，并将其运回实验室进行分析，以监测植物组织中的基因表达水平。
研究团队还设计了设备，以操纵植物周围的温度，使他们能够复制先前工作中的实验室条件。
植物对红光和蓝光反应敏感，这促使研究人员在夜间访问时使用绿光滤镜，确保他们对于植物保持隐形。
“在倾盆大雨的夜晚用绿色头灯识别植物实在是令人惊讶的挑战，” 多德教授指出。
利用从样本中收集到的数据，研究人员在已经建立的遗传通路中识别出基因表达的模式，这一通路将植物的生物钟洞察与光照和温度的信号连接起来。
他们的研究结果表明，野生植物对寒冷和明亮的黎明条件表现出与早期实验室实验相同的敏感性。
基于这些数据，团队构建了能够准确预测生物钟调节的基因活动如何响应自然环境信号的统计模型。
“我们认为这是在自然环境中建模整个生物钟信号传递通路的第一次尝试，” 多德教授表示。
“如果我们能够开发模型来准确预测基因表达对环境因素的响应，或许可以培育出能适应气候变化的植物。”
滋贺大学的西尾春纪博士，该研究的共同第一作者，表示：“贝叶斯时间序列模型的灵活性使我们能够在自然环境中解开复杂信号整合，特别适用于具有挑战性的生态背景下的研究。”
本研究关注植物在基因表达层面的反应。此项工作的下一阶段将涉及将开发的统计模型应用于植物的生理功能，例如光合作用速率和温度适应能力。
剑桥大学西恩斯伯里实验室的生物钟研究员、多位共同第一作者之一的多拉·卡诺-拉米雷斯博士评论道：“生物钟控制着许多关键的植物过程，这在实验室研究中得到了证实，但直到现在我们对于这些过程如何在田间条件下转化仍未完全理解。”
“通过对这一信号传递通路建模，掌握生物钟调节的过程如何与多变环境相一致，可能有助于预测植物在日益不确定的气候下的反应。”
“在阔叶紫露草的自然种群中生物钟与环境信号的整合” 详细记录在《美国国家科学院院刊》（PNAS）中。
