生物钟与光周期响应*

袁力，谢启光，徐小冬†

①河南大学 生命科学学院 植物逆境生物学重点实验室，河南 开封 475004；②河北师范大学 生命科学学院 分子细胞生物学重点实验室，石家庄 050024

1 光周期现象

1.1 日照长度与季节节律

地球的公转导致地轴和晨昏线的夹角以一年为周期循环，南北半球的日照长度和太阳辐射能量变化产生季节性变化。对于多数生物，一年中有利于生命活动的时间随着纬度增加或海拔升高而缩短。因此，生活在不同地理位置的生物，会在适应季节完成其生长发育、迁徙或洄游、开花结实或繁殖，在严酷季节进行休眠或冬眠。与温度、湿度和降水等环境因素相比，在地球上特定区域日照长度的节律性变化是长期稳定且有规律可循的，生物体能预知光信号的季节性变化并使其生命活动与之同步[1]。

光周期(photoperiod)是指昼夜24 h周期中光照和黑暗时间相对长度的交替变化。赤道地区的光周期保持12 h光照ü12 h黑暗的稳定循环，低纬度地区光周期季节性变化比较微弱，而中纬度和高纬度地区光周期季节性变化十分显著。动植物对日照长短周期性变化的反应，比如动物的迁徙和繁殖，植物的开花时节、块茎形成以及休眠等被称为光周期现象(photoperiodism)。在温带地区，动物常常在春季和夏季繁衍后代，在冬季通过休眠等降低代谢水平的方式或者迁徙至气候更加适宜的地方来适应恶劣环境的变化；植物需要在合适的时间生长、开花，有利于在合适的时间吸引授粉者[1-3]。

1.2 光周期现象的发现

1920年，美国科学家W.W.Garner和H. A.Allard发现在普通烟草开花的夏季，一种名为Maryland Mammoth 的烟草生长茂盛但并不开花，而在短日照的冬天才会开花[4]。他们将Maryland Mammoth称之为短日照植物(shortday plant)，即在日照长度短于临界条件时才会开花的植物。同样属于短日照植物的有菊花、一品红和某些品种的大豆等。另一类在日照时间较长时开花的植物被称之为长日照植物(longday plant)，包括胡萝卜、菠菜和许多谷物等。此外，水稻、蒲公英和西红柿等开花不依赖于日照长度的植物被称之为中日性植物(day-neutral plant)，它们的开花时间由自身的生长状况和温度、水分等环境条件所调控。

光周期是调控昆虫滞育、迁徙和繁殖的主要环境因素。一个种群中50 %个体处于滞育期、50 %处于非滞育期时的光周期被称为 临界光周期(critical photoperiod)[5]。一些昆虫为了适应夏季炎热干旱、冬季温和多雨的环境，随着日照时间的延长进入滞育期，被称为长日照滞育型；另一些昆虫为了适应夏季温暖湿润、冬季严寒干燥的环境，会随着日照时间的缩短进入滞育期，被称为短日照滞育型[1]。尽管有些时候环境中的温度或食物等条件适合生长，但昆虫必须根据光周期的变化判断生存环境的季节性节律，提前决定继续生长发育或进入滞育期。如果错过进入滞育期的最佳时间，将对完成整个世代的发育不利。

对于鸟类和哺乳动物而言，由于性腺的发育、妊娠期或孵化期等生殖周期的生理过程所需时间一般是固定的，正确预期并在合适的时间繁衍后代是十分必要的。根据繁殖的时间是否依赖光周期，动物被分为季节性和非季节性繁殖动物(如人和小鼠等)，其中季节性繁殖动物又分为在春季随着日照长度延长而繁殖的长日照动物(如马和狐狸等)和在秋季发情、交配的短日照动物(如鹿和山羊等)[6]。大多哺乳动物的脂肪积累具有季节性循环的特性。对于西伯利亚仓鼠(Phodopus sungorus)的研究发现雄性仓鼠在长日照条件下体重比较稳定，在转移到短日照条件下后体重逐渐下降，其中主要是脂肪含量的降低[7]。此外，季节性繁殖的鸟类在长日照条件繁殖后代，表现出随着日照长度增加而呈现出性成熟、求偶和交配的现象[8]。

2 光周期响应的机理研究

2.1 沙漏模型(hourglass model)

沙漏模型 假说认为，生物体对于短日照条件的光周期响应是基于对黑暗时间长度的测定。生物体内某种化学成分在光暗条件下分别处于不同的状态，在黑暗下的状态是触发光周期响应所必需的，当夜晚长度达到阈值时才能调控生理水平上的光周期现象的启动。对于长日照条件的光周期响应，该假说认为某种化学成分的积累或活性受光暗信号调控，在光照条件下该成分积累或被激活，而进入夜晚后逐渐降解或失活，当日照长度达到阈值时触发光周期响应[9]。

沙漏模型 可以解释一些在研究光周期现象过程中的发现。例如，将生长在长日照条件下的短日照植物牵牛花(Pharbitis nil)，在短日照处理一天即可促使其开花。但仍有很多现象是该假说无法解释的。例如，生长在短日照条件下的长日照植物，在夜间进行短时间光照处理会促进其开花。此外，有研究发现，黑暗长度达到促进牵牛花开花的阈值后，超出的黑暗时间在一定范围内与开花的数量呈正相关，这一现象可能由 沙漏模型 调控[10]。 沙漏模型 由于不具备普遍的适用性，目前已不被广泛接受，但其作为重要的假说，在光周期现象研究过程中发挥了重要作用[11-13]。

2.2 生物节律模型(circadian rhythm model)

生物节律模型又称 生物钟模型 ，最初由德国植物学家Erwin Bünning在1936年提出[14]，也称为 Bünning假说 (Bünning hypothesis)、 外源契合模型 (external coincidence)。以长日照条件下的光周期现象为例，生物体内存在内源的近日节律，其 白天相位 对光照不敏感， 夜间相位 对光照敏感，当外界日照长度逐渐增长至 夜间 相位感知到光照时，会触发光周期响应。在该假说中光信号具有两个作用：一是可驯化或重置生物钟；二是作为刺激信号触发光周期响应。在此基础上，英国科学家Colin Pittendrigh和Dorothea Minis在1964年提出了 内源契合模型 (internal coincidence)，该假说认为光信号仅作为外源因子参与驯化或重置生物钟，光周期变化会引起两个或多个内源节律之间相位关系的改变，从而调节光周期现象[15]。例如：激素分泌的节律和靶组织中受体表达的节律在某种光周期条件下保持一致，触发光周期响应；在另一光周期条件下相位相反，则抑制光周期响应。

越来越多的实验证据表明， 生物钟模型更适合阐明光周期现象的调控机理[16-17]。生物钟是调控近24 h生物节律的内源性的时间调控机制，通过整合环境中光、温度等因素的变化，维持自身生长发育等活动与环境周期变化同步(synchronization)，使地球上的生物可以预测由于地球自转产生的近24 h光暗等环境信号的节律性变化，增强了生物的环境适应能力。生物钟在从微生物到高等动植物中广泛存在。对蓝藻的研究表明，生物钟与环境不同步(desynchronization)的菌株竞争能力降低[18]。此外，生物钟广泛调控包括动植物生长发育和胁迫耐受性在内的众多生物学过程。例如，果蝇生物钟基因的突变会导致发育和寿命的异常变化，人类睡眠障碍和肿瘤等疾病的发生均与生物钟调控异常相关[19-22]。

2.3 昆虫、哺乳动物、鸟类和植物的光周期响应研究

果蝇(Drosophila melanogaster)是研究昆虫生物钟的模式生物之一，其具有多个光受体蛋白，如隐花色素(cryptochrome)，和感知光的器官，如复眼、单眼和Hofbauer-Buchner孔眼等[23-24]。20世纪60年代完成的器官移植实验表明，昆虫感知光周期是由大脑控制的。1975年通过切除甲虫复眼后，研究人员发现雄性甲虫精子成熟等光周期响应被抑制，第一次证实复眼可作为光周期响应的受体器官，而对于甲虫的幼虫侧单眼可能对光周期响应十分重要[24]。生物钟在昆虫光周期响应中发挥关键作用，已有许多研究表明生物钟核心组分的缺失会造成光周期响应缺陷。由于物种多样性，光周期响应和生物钟核心基因的进化均存在差异，因此生物钟在不同物种和不同光周期现象调控中的分子机制也不同[16,25]。

在昆虫的光周期响应研究中，有一部分内容是针对不同光质信号敏感性的探究，可归纳为三类实验设计：①长日照条件下用滤光片改变光质；②短日照条件使用单色光代替黑暗的时间；③短日照条件在黄昏后补加一定时长的单光质光照[26]。研究结果表明：许多昆虫对波长在400～550 nm的蓝光或蓝绿光比较敏感(如巢菜修尾蚜、欧洲松毛虫和卷叶蛾等)，其中一些对紫外光也有响应(如家蚕和苹果全爪螨等)；部分昆虫光周期响应敏感光质覆盖了蓝光至红光的范围(如剑纹夜蛾和丽蝇蛹集金小蜂等)[26]。

哺乳动物通过视网膜感知光信号。组成视网膜的细胞中70 %以上是视杆细胞和视锥细胞，如老鼠的视网膜中约有640万个视锥细胞和18万个视杆细胞。照射在眼睛上的光线，一部分会被角膜、晶状体和黄斑等散射或吸收，其余约57 %的光线能够传输至视网膜表面，其中仅一小部分光子位于视杆细胞和视锥细胞能够感知的可见光范围，少量光子最终能够引起生物电流[27]。除了视杆细胞和视锥细胞外，视网膜上还存在另一种可以感光的细胞ü 自发性感光视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell，ipRGC)。一方面，ipRGC与其他视网膜神经节细胞一样，可以接收视杆细胞和视锥细胞的信号，并通过轴突向大脑传递动作电位；另一方面，ipRGC可表达视黑素蛋白，使其具有感光能力[28]。研究发现，ipRGC功能缺失的小鼠依然可以通过视杆细胞和视锥细胞成像，但丧失了瞳孔和生物钟对光响应的能力，表明光信号是通过ipRGC传递至生物钟的[29]。ipRGC将光信号传递至下丘脑的视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)。SCN是哺乳动物的中枢生物钟，其整合环境中光信号调控生物钟与环境信号同步化，通过调控松果体褪黑激素的产生和分泌传递光周期信号[30-32]。鸟类具有3个感光器官或组织：眼睛、松果体和脑深部光感受器。研究发现切除眼睛和松果体的鸟依然存在睾丸发育的光周期现象，但在这些鸟的头皮下方注射墨水以阻断光线穿透之后，睾丸发育的光周期现象消失了，表明位于鸟类的脑深部光感受器也是光周期响应所必需的[33]。

植物可以感知光强、光质和光周期等的变化，光信号作为植物生物钟系统输入途径的环境信号之一，对调控植物的生长发育起关键作用。根据接收光质的不同，植物的光受体分为红光和远红光受体、蓝光受体和紫外光受体。其中光敏色素(phytochrome)的5个成员(phyA～E)为红光和远红光受体，隐花色素、向光素(phototropin)和ZTL家族(zeitlupe family)的三个成员参与植物对蓝光和UV-A的感知，此外植物还可以感知UV-B信号[34-35]。根据已有的报道，植物光受体参与了生物钟核心振荡器对光信号的响应。例如：phyB主要参与生物钟对强红光的响应；phyA参与生物钟对弱红光和弱蓝光的响应；而CRY1和CRY2调控生物钟对蓝光的响应[36]。

3 光周期现象的分子机理研究进展

3.1 光周期、生物钟与植物季节性开花时间调控

在20世纪30年代，苏联科学家Mikhail Chailakhyan发现，将未开花植物与已开花的植物嫁接，或利用已开花植物的叶片提取物处理未开花植物，均可以促使生长在不合适光周期条件下的植物开花。他推测存在一种诱导开花的物质成花素 (florigen)，其在叶片合成并运输至茎尖组织诱导植物开花[37]。赤霉素可以促进部分长日照植物在短日照条件下开花，但不能促进短日照植物在长日照条件下开花，不完全符合成花素的特性。韧皮部短时间内蔗糖浓度的增加同样可以促进花的形成，但只能在强光照条件下检测到蔗糖浓度的短时间上升，并没有在弱红光或远红光条件下检测到，表明蔗糖可能不是促进植物开花所必需的因子。在 成花素理论 提出70年后，研究人员在双子叶模式植物拟南芥和单子叶作物水稻中同时发现，韧皮部表达的球状蛋白FLOWERING LOCUS T (FT) 可以运输至茎尖促进开花，与推测中 成花素 的特性较为吻合[38]。

内源生物钟和外源光信号共同参与了对光周期依赖的植物开花时间的调控。CONSTANS (CO)是调控FT表达的重要转录因子，CO蛋白可直接结合到FT基因的启动子区促进其表达[39-40]。CO基因的表达和蛋白的积累受生物钟和光信号通路的共同调控，CO转录本的24 h节律性富集在一天中的傍晚和夜间达到峰值。研究发现：红光受体phyB在清晨促进CO蛋白的降解；蓝光受体CRY1和CRY2在傍晚促进CO蛋白的积累[41-42]。

长日照植物开花调控模型为，成花基因的表达受生物钟和光信号的共同调控，当日照时间足够长时，成花基因的表达量才能达到足够的阈值，进而诱导植物开花[42]。短日照植物开花有外源契合和内源契合两个模型：外源契合模型中，开花抑制因子表达的模式是固定的，但其功能依赖于光照，长日照条件下其表达峰值时如果有光照将抑制开花；而内源契合模型中，开花抑制因子与其抑制子的表达随光周期变化呈现出动态节律性，在短日照条件下两者相位一致，开花抑制因子的活性被抑制，而在长日照条件下两者相位不一致，开花被抑制[42]。在自然条件下，光周期现象还与温度相关联。例如，一些高纬度或高海拔地区的植物必需经历一个低温的春化阶段，才会在春天开花[42]。

综上，生物钟通过整合光、温度等环境信号，调控自身生长发育的近日节律、季节节律与环境周期性变化的信号产生同步，增强植物体的生存竞争能力及环境适应性。

3.2 帝王蝶迁徙的分子机制

北美洲帝王蝶(Danaus plexippu)的迁徙是十分壮观的景象，也是生物学家研究动物迁徙和光周期现象的重要资源。与鸟类迁徙不同，帝王蝶每个迁徙周期至少需要两个世代。在每年秋天，随着日照长度的缩短和温度的降低，位于加拿大东南部和美国东部的帝王蝶开始迁徙至墨西哥中部越冬；在春天，它们开始向北迁徙，途中在美国南部地区产卵，其后代会继续向北迁徙至栖息地[43]。目前的研究表明，帝王蝶依赖太阳的位置和地球磁场的倾斜角判断方位，这两种辨别方位的机制可能存在相互间的微调作用，或者以其中一种机制作为备份。帝王蝶的迁徙活动在白天进行，主要依赖太阳的位置决定飞行方向。帝王蝶的复眼可感知光信号，主要的视网膜区域感知太阳的方位，复眼背侧的边缘区域能够感知平面偏振的紫外线[44]。

一天中太阳的位置是持续移动的，生物钟为其提供了时间补偿，帝王蝶需要通过生物钟调整并判断太阳方位。帝王蝶的生物钟存在一个特有的调控机制，用于研究生物钟的模式生物果蝇有一种类型的CRY蛋白，而帝王蝶有CRY1和CRY2两种不同的隐花色素[25]。CRY1与果蝇CRY类似，可作为生物钟感受光的受体；CRY2与脊椎动物CRY类似，在生物钟转录－翻译反馈环路中作为关键的转录抑制因子发挥功能[45]。帝王蝶CRY2的发现更新了人们对动物细胞CRY在功能进化上的认知。帝王蝶通过地球磁场的倾斜角判定方向是需要处于蓝光或紫外光的照射下，这表明帝王蝶的磁感应是光依赖的化学反应，已有研究表明CRY在帝王蝶的磁感应中也发挥重要作用[46]。

4 总结与展望

在适宜的时间和地点完成生长发育和繁殖是生物有效适应环境季节性变化的一个基本特征。光周期响应是生物在漫长进化过程中为了更好地生存、更高效合理地利用环境资源产生的调控机制。对光周期现象的研究，有助于揭示生物在进化过程中与环境的相互关系，在生态保护和农业生产等方面也具有重要应用价值。近年来，全球变暖导致局部气候异常，冬季气温升高，并且冬季变暖的速度随着纬度的增加而增加，气候变暖可能导致适宜季节的长度发生改变，但由于日照长度的季节性变化规律是相对稳定的，光、温这两种与生物钟最为密切的环境因子失衡会通过生物钟影响到生物体的环境适应性，因此全球变暖可能给生物的光周期响应带来新的挑战[47-48]。揭示生物钟在生物光周期响应中的调控机制，会帮助我们利用生物钟和光周期响应机理去提高生物体的环境适应性。

农作物的生长发育和开花时间受光周期调控，光周期响应在农作物引种驯化等发面发挥重要作用。大豆是短日照植物，其开花时间对光周期十分敏感，将温带地区的大豆种植在低纬度地区会严重减产。通过大豆育种学家的工作，热带大豆产区已经很好地解决了这个问题。研究表明，育种筛选到的适合热带地区种植的大豆品种当中，生物钟核心基因ELF3发生了突变，这成为大豆适应低纬度地区环境的关键因素[49]。点蜂缘蝽(Riptortus pedestris)是亚洲和非洲地区豆类植物的主要害虫，其繁殖和滞育的发生是典型的光周期响应。在长日照条件下，雌性卵巢开始发育成熟并快速产卵；在短日照条件下，其卵巢的发育被抑制，处于滞育期的雌性中两个卵黄蛋白相关基因转录被抑制。同样，雄性的交配行为和滞育也出现在短日照条件下被促进、长日照条件下被抑制的现象[50]。在农业虫害防治领域，揭示并利用生物钟调控的光周期响应机制有良好的应用前景，防治虫害并减少农药对环境的污染。