Science：植物季节性生长全靠“体温计”

　　

生物通报道：最近，由剑桥大学领导的一个国际科学家小组，发现了一种“温度计”分子，可使植物能够根据季节性的温度变化来生长。

研究人员发现，称为光敏色素的分子——植物利用它在白天探测光，在黑暗中实际上改变了它们的功能，变成为细胞温度计来测量夜晚的温度。这项新的研究结果，发表在10月27日的《Science》杂志上，表明光敏色素控制着响应温度以及光的遗传开关，来指示植物的发育。延伸阅读：Science：控制植物开花的“开关”；PNAS：植物也有记忆？；植物受精的“丘比特之箭”。

科学家说，在夜间，这些分子会改变状态，并且它们改变的速度，是与“温度”成正比的，他们将光敏色素比作温度计中的水银。天气越热，这种分子变化的速度就越快，植物生长的速度也就越快。

数百年来，农民和园丁们已经知道，植物如何响应温度：温暖的冬天可导致许多树木和花卉早发芽，一些人很早就用来预测来年的天气和收获时间。

这项最新的研究首次指出了植物响应温度的分子机制。研究人员说，由于气候的变化，天气和温度变得更加不可预测，因此，发现这种光感应分子兼作为植物细胞内的温度计，可以帮助我们培育出更坚强的作物品种。

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据估计，到2050年农业产量将需要翻倍，但气候变化是这个目标的主要威胁。剑桥大学Sainsbury实验室的研究人员Philip Wigge说：“主要作物（如小麦和水稻）对高温敏感。每升高一摄氏度，热应力可使作物产量降低10%。发现让植物探测到温度的分子，有可能加速作物的育种，使它们对热应激和气候变化具有灵活的应变能力。”

在它们活跃的状态中，光敏色素分子可将自己与DNA结合，限制植物的生长。白天，阳光可激活分子，从而减缓生长。如果植物发现自身处于阴影当中，光敏色素就迅速失活，从而使它更快速地生长，以再次找到阳光。这就是植物如何竞相逃避彼此的阴影。Wigge说：“光驱动的光敏色素变化发生的很快，不到一秒钟的时间。”

然而，在晚上，又是一种不同的情况。日落后这个分子不是快速失活，而是逐渐从它们的活跃状态转换到不活跃状态。这被称为“暗逆转”。Wigge说：“就像温度计中的水银上升，光敏色素在晚上恢复到静止状态的速度，是温度的一个直接测度。”

“温度越低，光敏色素恢复到不活跃状态的速度就越慢，所以分子花费更多的时间在它们的活跃的、抑制生长的状态。这就是为什么植物在冬天生长的比较慢。温暖的温度可加速暗逆转，从而使光敏色素迅速达到一个不活跃状态，并使自己脱离DNA，从而使基因被表达，植物生长恢复。”

Wigge认为，光敏色素热感应是在后一阶段发生演变，并在夜晚的停工期“插足”早已用于基于光的生长的生物网络。一些植物主要利用日长作为季节的一个指标。其他物种，如水仙花，有相当大的温度敏感性，在温暖的冬天可以提前一个月开花。

事实上，“光敏色素的双重作用”这一发现，对于一个长久以来用于预测季节的著名规律提供了其背后的科学依据，这个规律是：如果梣树的树叶比橡树先发芽，那夏天雨水会很多，如果橡树先发芽，那夏天雨水将很少。

Wigge解释说：“橡树比较多地依靠温度，可能用光敏色素作为温度计来决定发育，而梣树依靠测量一天的日长，来确定它们的季节性时间。因此，如果春天较温暖，更有可能有一个炎热的夏天，将导致在橡树发芽的时间比梣树早。如果春天比较寒冷，情况则相反。由于英国人知道的太清楚了，比较凉爽夏天很可能就是一个雨水浸泡的夏天。”

这一新发现是十二年来研究的成果，包括来自德国、阿根廷和美国的科学家以及剑桥大学的科学小组。这项工作是在模式植物拟南芥中完成的，但Wigge说，温度传感所必要的光敏色素基因，也在作物中被发现过。

Wigge说：“现在，在植物遗传学领域的进展意味着，科学家能够迅速识别控制作物这些过程的基因，甚至使用的精确分子‘刀’改变它们的活性。剑桥大学是非常适合进行这种研究，因为我们附近有杰出的合作者，致力于植物生物学更具应用性的方面，并可以帮助我们把这一新的知识转化到田间。”

（生物通：王英）