综述：将温度整合进拟南芥昼夜节律系统

本综述深入探讨温度信号如何整合进拟南芥昼夜节律时钟，并提出核心时钟基因的温度依赖性可变剪接（TDAS）是适应温度变化的新机制。文章通过多物种实例指出TDAS是一种保守的温度适应机制，为理解全球变暖下植物如何通过生物钟（Circadian Clock）进行热感知与响应提供了新视角。

　　

温度影响着每一个生物过程。全球变暖正威胁着全球生态系统，重塑生命平衡，其影响深远，从海洋生物多样性下降到动物灭绝风险增加，再到农业生产力降低。其中，植物是最脆弱的物种之一，其固着的特性使其特别容易暴露于气候变化之中。温度不仅破坏植物生长和发育，还减少了生殖过程所需的低温暴露。在分子水平上，温度的影响同样显著，它影响蛋白质生物合成的所有方面，例如导致植物中蛋白质的差异表达，并通过破坏蛋白质折叠和配体结合来影响蛋白质稳定性。这些环境变化使得我们必须理解植物如何感知和响应温度，特别是提供这些环境线索背景的昼夜节律系统。

昼夜节律系统是一个在多种生物中普遍存在的概念。地球的每日自转确保了大多数物种拥有一个内源性计时器，它以重复的24小时周期控制着生理和行为变化。这个昼夜节律系统（或称生物钟）是一种内在的分子计时机制，它将细胞活动与每日环境模式相协调，促进对变化环境的适应。昼夜节律最初是通过恒定光线下植物的叶片运动观察到的，后来在果蝇中与特定基因联系起来，它们的哺乳动物同源物揭示了核心时钟组件。尽管不同界和门的昼夜节律系统有所不同，但其遗传方面在进化过程中已趋同于通过互连的转录-翻译反馈环（TTFL）运作，从而驱动节律性基因表达和生物事件的昼夜节律门控。代谢昼夜节律机制也有描述；在蓝细菌集胞藻中，一个翻译后昼夜节律时钟通过节律性磷酸化蛋白质，在白天协调光合作用的基因表达，在夜间协调固氮作用。在真核生物中，以昼夜节律驱动的氧化还原循环形式的非转录振荡已在抗氧化系统元素中发现；这些循环是可牵引的，提供了TTFL昼夜节律系统之外的一种替代或额外机制。

昼夜节律系统对环境线索的重置确保了全年与黎明和黄昏的同步，同时也允许温度补偿，以在每日和季节时间尺度上温度变化时提高生物计时器的可靠性。可靠的昼夜节律计时实现了涌现特性，包括开花的外部重合控制和昼夜节律门控，即分子响应根据一天中的时间进行调制。本综述评估了拟南芥昼夜节律系统如何适应持续的温度变化，并考虑了全球变暖对植物昼夜节律计时的影响。

拟南芥生物钟可分为三个概念上的亚组。基于de Mairan的基础观察，研究已将植物分子振荡器描述为符合经典的TTFL模型，在模式植物拟南芥中得到了例证。

从概念上讲，拟南芥生物钟可以分为三个时间上不同的组：晚间复合体（EC）、伪响应调节蛋白（PRRs）和MYB样转录因子。EC是第一个被识别的昼夜节律复合体：EARLY FLOWERING3 (ELF3) 作为支架，通过其中央结构域与ELF4相互作用，并通过其C端与LUX ARRHYTHMO (LUX) 相互作用。ELF3还结合光敏色素B (phyB)，将生物钟与光信号联系起来。染色质免疫沉淀（ChIP）研究表明，在LUX存在的情况下，ELF3和ELF4更频繁地结合到如PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 4 (PIF4) 和PIF5等基因的启动子上。ELF3、ELF4和LUX之间的相互作用对于EC的调节功能至关重要。

拟南芥中的MYB样家族包括核心时钟组件，如CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 (CCA1) 和LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY)，以及特征较少的REVEILLE (RVE) 转录因子（RVE1-8），它们都共享一个保守的TWA1 MYB样DNA结合基序。CCA1和LHY在黎明时表现出峰值表达，并确保生物钟与黎明同步。尽管RVE1功能的破坏不会改变昼夜节律，但其他RVE基因已被描述为调节计时。与EC类似，RVE与各种蛋白质相互作用以执行其功能。例如，RVE8与其他RVE（RVE4, 5, 6）、耐寒和冷冻调节因子TOLERANT TO CHILLING AND FREEZING1 (TCF1) 以及REGULATOR OF CHROMOSOME CONDENSATION1-LIKE (RCC1L) 相关联。在早晨，RVE8与LIGHT NIGHT-INDUCIBLE AND CLOCK-REGULATED 1 (LNK1) 和LNK2形成复合物，这些是影响基因表达的转录共激活因子。在晚上，COLD-REGULATED 27 (COR27) 和COR28加入该复合物，通过调节其丰度来抑制RVE8活性。CCA1和RVE8都通过组蛋白H3修饰调节TOC1表达，RVE8促进乙酰化（与激活相关），而CCA1诱导去乙酰化（抑制）。

PRR家族由PRR5、PRR7、PRR9和TIMING OF CAB EXPRESSION1 (TOC1) 组成，它们作为一系列阻遏物，从上午中段到黄昏顺序表达，紧随黎明时CCA1和LHY的峰值之后。它们在时钟内的负反馈中扮演关键角色，因为TOC1通过减少其阻遏物间接促进CCA1，而CCA1和LHY抑制TOC1表达以形成反馈环。与其他关键时钟家族一样，PRR形成蛋白质复合物以调节基因表达。例如，PRR5、PRR7和PRR9通过其C端的CONSTANS, CONSTANS-LIKE, and TOC1 (CCT) 结构域结合CCA1和LHY的启动子，招募TOPLESS (TPL) 蛋白，帮助组蛋白去乙酰化酶抑制CCA1和TOC1转录。这突出了PRR在维持时钟稳定和协调时钟网络相互作用中的作用。

温度在昼夜节律系统内的整合对于在我们的进化环境中操纵植物生长至关重要。虽然关于光整合的广泛方面存在共识，但温度传感器的识别更为复杂，因为温度变化通常影响所有化学反应和许多亚细胞组件。与光感受器的定义一致，我们认为温度传感器是一种通过改变其自身结构、活性或与其他分子组分的相互作用将温度信息转化为生物信号的分子，触发下游响应。在此背景下，ELF3、PHYTOCHROME INTERACTION FACTOR 7 (PIF7) mRNA和THERMO-WITH ABA-RESPONSE已被识别为温度传感器。此外，光感受器，包括光敏色素和向光素，已被证明可以扩展其分子功能，并与内源性计时系统整合。

最近的证据强调了EC整合光和温度信号的作用。ELF3响应温度发生构象变化。温度升高通过相分离促进ELF3积累到核体中，阻止ELF3与信号伙伴相互作用。ELF3的隔离可能使温度信息整合到时钟中，因为ELF3与靶基因启动子的结合是温度依赖的。EC的温度依赖性作用得到了在较低温度下lux arrhythmic昼夜节律表型被拯救的支持。除了温度信号，phyB的生物活性也受温度影响，光敏色素P型的半衰期随着温度升高而减少，允许温度作为晚间复合体的一部分影响光感受器活性。

光和温度信号整合的其他例子来自PIF蛋白的调节。光敏色素热回复确保PIF积累是温度依赖的。PIF3与C-REPEAT BINDING FACTOR3 (CBF3) 相互作用，在低温下稳定phyB，最终导致耐冻性增加。PIF4和PIF5在热应激响应中起作用，PIF4促进生长和向开花过渡，但降低免疫力。门控也与PIF4相关联，表明PIF4温度敏感性可能有助于昼夜节律系统适应温度。时钟不同组件之间的相互作用强调了温度对生物学的普遍影响。

除了这些蛋白质，昼夜节律系统内还注意到许多其他温度依赖性效应。昼夜节律转录因子及其相互作用蛋白的温度依赖性积累已被报道。例如，RVE5和RVE7都在较高温度下积累以改变基因表达，而PRR7和PRR9有助于温度补偿。由于TWA1以温度依赖性方式与TOPLESS相互作用，它将通过调节与PRR蛋白的相互作用来影响昼夜节律基因表达。然而，在这些情况下，温度如何影响蛋白质积累和活性仍不清楚。

可变剪接（AS）作为一种全局温度计。可变剪接（AS）是一个单一基因通过外显子和内含子的不同组合产生多个转录本异构体的过程，有助于蛋白质组多样性。异构体表现出不同的功能，一些有助于不同的细胞过程，而其他可能由于存在提前终止密码子导致无功能蛋白质，通过无义介导的衰变（NMD）导致RNA降解。各种异构体的存在改变了转录组和蛋白质组，导致特定的温度依赖性响应，并使AS的全局变化提供温度敏感性。温度依赖性AS已在番茄、水稻、甘蔗和大麦等具有商业重要性的作物以及拟南芥中被报道。事实上，这种现象不仅限于植物，在酵母、鱼、果蝇甚至哺乳动物中也能找到，指向AS传递温度信号的进化益处。

AS由剪接体促进，剪接体是一种由指定U1-2、U4-6的小核核糖核蛋白（snRNP）以及多个辅助蛋白和RNA分子组成的复杂大分子。位于外显子和内含子中的顺式调节序列招募剪接因子 governs 剪接位点的选择，导致剪接的激活或抑制。由于RNA结构依赖于转录速率，剪接体和核糖体活性之间的相互作用似乎可能实现温度依赖性AS。或者，已有RNA核糖开关的报道，RNA结构以温度依赖性方式变化。在任何一种情况下，剪接体或RNA内温度诱导的构象变化可以修改剪接位点的可及性，改变剪接结果。

时钟组件的温度依赖性AS。昼夜节律时钟的几个核心组件，包括CCA1、LHY、PRR7、TOC1和ELF3，表现出温度依赖性AS，尽管这些替代异构体的功能后果大多未被表征。CCA1主要积累两种异构体：全长CCA1α和截短CCA1β，在环境温度下观察到比例相当；然而，在高温下注意到向CCA1β的转变。虽然两种异构体竞争结合伙伴，但只有CCA1α编码DNA结合蛋白，因为它包含MYB样结构域。低温的存在影响CCA1的AS，促进CCA1α的积累。类似地，在12°C与20°C相比，观察到规范LHY转录本积累增加，尽管这与总LHY转录本水平的增加一致。在12°C也观察到LHYβ的积累，尽管该异构体与其他异构体相比的生物学功能尚不清楚。

温度依赖性AS不仅显示于CCA1和LHY，还显示于RVE2。RVE2在20°C时主要积累为内含子保留异构体，由于提前终止密码子缺乏功能性MYB结构域的翻译。 upon chilling，规范异构体变为最丰富。RVE2已被证明通过CBF信号通路影响昼夜节律时钟的周期性和冷响应。有趣的是，RVE2有助于开花时间，尽管其温度依赖性作用直到最近才被认识到。温度依赖性AS of RVE2可能提供一种信号机制，使环境温度能够“重新编程”关键的发育决策。

未来的工作前景和结论。最近的发现终于揭示了定义植物如何响应温度以及这些环境线索如何整合到调节系统（如昼夜节律系统）中的特定机制。温度线索调节昼夜节律转录因子的活性，为环境响应提供时间背景。然而，AS对昼夜节律调节的贡献因缺乏详细转录本异构体积累的可靠数据而受到限制。我们的综述强调了AS的保守机制，它传递温度信息并根据环境变化重新编程转录组，并理论化了可能促进AS响应温度的根本原因。对植物温度信号感知的增强理解将使得能够操纵植物对气候变化驱动的进化环境条件的响应。