Plant Com | 深圳大学刘宏涛团队系统性总结了光作为核心环境信号,通过不同光感受器调控植物生物钟的复杂分子网络与双向互作机制

研究内容

光是地球上绝大多数生命，尤其是植物的能量来源与环境指南针。它既驱动光合作用，也为植物的生长、发育和代谢提供关键的环境线索。为了适应并预测每日规律的光暗循环，植物进化出了内源计时系统生物钟。生物钟能够协调生理代谢节律与外界环境周期同步，从而显著提升植物的环境适应性与生存竞争力。其中，光是重置和牵引生物钟最主要的“授时因子”。

图一 太阳光通过光信号转导输入到生物钟

光信号与植物生物钟通过一个多层次、双向互作的整合网络实现精密耦合。其整体框架涵盖三个核心层面：

①在输入层面，不同波段的光被特异性光受体感知后，通过多层次的调控路径影响生物钟：光受体既可通过蛋白质互作直接调控核心时钟组分的活性与稳定性，也在转录、表观遗传乃至RNA修饰等层面广泛调控生物钟相关基因的表达，同时光信号还汇聚于COP1-HY5等中枢分子，形成系统性的信号输入网络。

②在信号整合层面，光合作用产生的代谢物（如糖）和细胞氧化还原状态作为内源信号，被整合进生物钟网络，使内部计时与能量代谢状态同步。此外，光信号通路中的关键转录因子PIFs也在此层面扮演枢纽角色，参与将光与代谢信号传递至生物钟核心。

③在反馈与输出层面，生物钟并非被动响应，而是对光信号进行主动的“门控”与精细调节。核心时钟组分（如TOC1、PRRs、傍晚复合体）通过直接互作或转录抑制，在特定时间窗口内约束光信号通路中重要的因子PIFs的活性，从而将光形态建成与生长应答限制在适宜时段。同时，生物钟还前瞻性地调控光合作用等生理过程，最终优化植物的环境适应性与资源利用效率。

图二 光合作用以及代谢产物与生物钟的相互作用

尽管近年来光信号与昼夜节律互作研究取得了显著进展，但仍有许多关键科学问题有待进一步探索。例如：光信号与节律系统之间复杂调控网络的系统性整合机制仍不清晰；光信号、代谢信号与温度等环境因素如何在节律系统中实现多信号协同整合；RNA修饰、相分离等新型分子机制在光-节律互作中的作用仍有待深入研究；不同植物物种之间光信号与生物钟调控机制的进化多样性仍缺乏系统认识。这些前沿问题的探索，是连接基础机制认知与设计智能光环境、培育高适应作物的关键。

研究团队