落叶中解读生物节律

俞潇潇，王俊杰，赵军营，芦娟，陈徵尼，王三英，魏恩东，张文秀

（甘肃省林业科学研究院，甘肃 兰州 730020）

2021年11月某日，兰州市。

甲：现在已是隆冬季节，市内很多树还没有落叶，为什么？

乙：哪些树？

甲：国槐Styphnolobium japonicum、刺槐Robinia pseudoacacia、法桐Platanus acerifolia、五角枫Acer pictumsubsp.mono、柳树Salix matsudana等。

乙：松柏、小叶黄杨Buxus sinica等树也没有落叶呀？

甲：是落叶树没有正常落叶。

乙：正常情况下，落叶树入冬前要落尽全部叶片，与动物换上厚实的冬毛正相反。对于那些没有正常落叶的树，你认为原因是什么？

甲：我说不上来。所以才来问你。

乙：叶片的作用是什么？

甲：光合作用。我明白了。冬季气温低，叶片无法进行正常的光合作用，所以落叶树脱去全部叶片，以免为保护叶片免受冻伤而消耗营养。现在那些没有正常脱落的叶片其实都冻死枯挂在枝头，完全丧失光合能力，与脱落的叶片一样。也就是说，寒冷天气已经帮助那些落叶树“落”了叶。

乙：是的，该落不落偏执拗，莫怪自然硬剔头。常绿树木冬季不落叶，其实叶片处于休眠状态，休眠前同样需要一个生理准备期，以避免休眠中受损。兰州城区小叶黄杨入冬休眠时因缺乏保护，导致叶绿素被光氧化破坏，因而枝梢叶片容易变成褐色[1]。那些该落的叶片是什么时候被冻死的？

甲：没有太注意。感觉不是最近才冻死的。记得上个月上中旬来过一次寒流，气温骤降，像到了冬天一样。想起来了，就是那次寒流，落叶树的叶片很快就枯死在枝头，甚至还保持着青绿色。

乙：保持青绿而干枯的现象称为青枯，有些病害的典型症状就是青枯[2]。不是病害也会造成青枯，树枝折断离体，叶片就青枯。这一次不是树木不落叶，而是寒流提前到来，叶片猝不及防，因而青枯。与青枯相比，正常落叶是一个怎样的过程？

甲：正常落叶是先变黄再脱落，青枯则是直接干枯。

乙：是的。变黄是怎样的一种生理过程？

甲：首先是叶绿素失去保护被破坏殆尽，剩下比较稳定的叶黄素使叶片呈黄色。教科书介绍，叶片变黄中还会回收氮、磷、钾等养分贮存在树体内供来年发芽展叶。这样看来，青枯就是叶绿素没有被破坏，同样叶片中养分也没有被正常回收，对来年发芽展叶有一定影响。是吗？

乙：会有影响。不过，养分回收问题偏离了我们的主题，不该再讨论。变黄叶片是如何脱落的？

甲：在重力或外力作用下脱落？

乙：的确如此。但是，重力、外力造成落叶，一般人都会想到，要从树木学专业解释黄叶的脱落。

甲：风力摇落。黄叶逐渐干枯，叶片与枝条的连接处细胞枯死，粘贴不牢，被风摇落。

乙：青枯叶片也是枯死的，至今仍然挂在枝头，为什么风摇不落？

甲：青枯叶片与枝条粘贴比较牢固，所以不落。

乙：黄叶、青枯叶都是枯死的，为什么一个粘贴不牢，一个粘贴牢靠呢？粘贴发生在叶柄与枝条相接的地方，就是叶柄基部。叶片变黄过程中叶柄基部发生什么现象？

甲：黄叶形成离层。青枯叶片没有来得及形成离层。黄叶叶柄基部的薄壁组织细胞分裂产生一群小型细胞，其外层细胞壁胶化，细胞变成游离状态，造成叶柄与枝条粘贴不牢。这个区域就是离层。

乙：冻死的青枯叶为什么没有来得及变黄而形成离层？

甲：寒潮来得急，叶绿素还没有被破坏。所以没有变黄。

乙：变黄的叶片怎么知道要冬季来临形成离层而主动脱落？

甲：气温降低造成叶黄素增多，叶绿素减少。

乙：秋季气温昼夜之间变化比较大，深秋和入冬时日温差相近。叶片被动地响应气温变化就会无所适从。那么，叶片通过什么途径主动感知冬季的到来呢？

甲：日照时间长短决定光合作用的时间，叶片因而感知冬季的到来。

乙：叶片能记录光合时间的长短吗？

甲：不能。因为光合作用是被动的响应过程，记录光照时间长短对光合作用没有意义。

乙：那么，叶片又是如何计量日照长短的？

甲：计时就像时钟那样一圈一圈地转吧？

乙：一圈一圈地转，用专业术语怎么说？

甲：周期。

乙：什么周期？

甲：日照周期。

乙：日照周期？专业术语怎么说？

甲：光周期。光周期指随季节轮替而周期性出现的日照长度，光周期现象则是植物对光周期的响应，决定着叶片脱落等一系列生理过程，从而响应季节轮替。

乙：光周期现象最早由加奈（Garner）和阿拉德（Allard）在1920年报道[3-5]。二人田间试验种植烟草Nicotiana tabacum新品种“马里兰巨象”（MarylandMammoth），生长茂盛却一直没有开花，越冬前移入温室，不久后意外观察到现蕾开花，经过一系列试验排除气温、光强、光质等因素，确认“马里兰巨象”开花需要短日照，认为开花的决定因素是光周期。1924年，二人又提出短日植物在日长变短时开花，长日植物在日长变长时开花，中性植物开花与日长无关[3]。意外往往意味着重大发现，落叶树未正常落叶也属意外，这才有了我们的讨论，对意外现象不宜熟视无睹。继续我们的讨论，光周期如何决定落叶？

甲：光周期使树木感知白昼时间变短，预判冬季来临，从而转入落叶生理期，开始形成离层。寒流来时白昼较长，树木没能预判到冬季来临，没能转入落叶生理期，叶片因而被冻死青枯在枝头。

乙：树木落叶在日长变短时开始，属于短日光周期现象。树木如何感知昼夜交替？或者说，光周期现象的生理基础是什么？

甲：书上好像没有讲？

乙：教科书没讲，就要查阅科研文献。查阅文献是科学研究的开始，从教科书的专业术语出发，可以极其便捷地在文献网站上搜索到全部相关成果，梳理出该领域研究历史，推进到科学前沿。1938年，哈姆纳（Hamner）和邦纳（Bonner）发现使用弱光打断暗夜期可以阻止短日植物开花[6]，说明短日植物开花的决定因素是黑夜长度，而不是以往所认为的白昼长度。1945年，博思威克（Borthwick）等人发现600～680 nm红光打断短日植物的暗期最有效；1952年，博思威克等人发现660 nm红光促进种子发芽的效应可被730 nm远红光抵消，并发现红光与远红光控制开花的效应类似，为此设想植物体内存在红光-远红光可逆转换色素，其红型无活性，吸收红光变为远红型，远红型有活性，吸收远红光变为红型[5,7]。1959年，巴特勒（Butler）从黄化玉米Zea mays苗中提取获得光敏色素（phytochrome），与博思威克等人设想的特征完全吻合[5]。光照条件下，远红型反馈抑制光敏色素的合成，黑暗中则被缓慢降解，或者缓慢转变为红型[5-6]。光敏色素广泛存在于植物中，在黄化植株中含量丰富，调控种子萌发、下胚轴形成、幼苗去黄化、节间伸长、根原基形成、叶的发端和生长、小叶运动、叶绿体运动、芽休眠、性别分化、根茎形成、鳞茎形成、坡根形成、膜透性、向光性、向地性、花青素合成、开花等过程。远红型光敏色素结合某些代谢产物形成复合体引发生理效应[5-6]。总之，植物通过光敏色素感知昼夜交替。

甲：我家对面住户喜欢多肉植物，晚上补光特别明亮，影响我们必须戴上眼罩才能入眠。这也是光周期现象吗？

乙：是另一种光周期现象，不同于光敏色素调节的过程。人脑松果体分泌褪黑素（melatonin）诱导镇静、降低体温等与睡眠有关的生理变化[8]。褪黑素也存在于植物体内[9]，能提高植物抗逆性[10]。褪黑素白昼分泌量少，夜晚分泌量多，夜间光照会抑制褪黑素分泌，其光信号受体为隐花色素（cryptochrome）[11]。隐花色素是蓝光受体[12]，在蓝光区有3个吸收高峰，在紫外光A区有1个吸收高峰[6]。早在1909年，布劳（Blaauw）就发现在引发生物向光反应中蓝光最有效，红光无效[13]。随着光敏色素研究的深入，1970年代蓝光调节隐花植物生长发育的研究积累起大量资料，1979年，在没有提取获得具体物质的情况下，格塞尔（Grssel）提出隐花色素概念[6,10]。1980年克尼富（Koornneef）获得一批丧失或削弱蓝光响应的拟南芥Arabidopsis thaliana突变体；1993年，艾哈迈德（Ahmad）和卡什莫尔（Cashmore）在拟南芥突变体中克隆出第一个隐花色素基因，此后又陆续获得2个隐花色素基因[14]。现在已知隐花色素广泛存在于从蓝藻、真菌到动植物中，而光敏色素则广泛存在于动植物中[11]，在植物中还发现一种紫外光B区光受体[15]。隐花色素调节植物茎伸长、叶片伸展、向光性、叶绿体发育、气孔开闭等过程。总之，动植物拥有相同的光受体，因而能够在秋末换毛或落叶，准备越冬。秋季白昼越来越短，要感知季节轮替必须计量昼夜的长短。那么动植物又是怎样计量时间的呢？

甲：生物钟。想起来了，书上讲过生物钟。动植物通过光受体感知昼夜交替，结合生物钟计时，就能感知昼夜长短，从而主动响应季节轮替。

乙：知识用来解释客观现象，解读信息，不用就会忘记。昼夜交替源自地球自转，四季轮替源自倾斜的地球环绕太阳公转，生物钟的发现确实与天文有关。从17世纪开始，利用古代观察资料，天文学家计算发现地球自转速率一直在减慢，日长增加，周年日数减少[16]。1960年，在《地球的自转》一书中，作者感叹：“日长在地质时代的变化没有任何化石证据。”1963年3月，威尔斯（Wells）报道，利用珊瑚化石表壁环隆和环脊数量证明，4.2亿年前的泥盆纪每年有396日，完全符合天文学推算。珊瑚表壁沉积碳酸钙白昼多，夜晚少，夏季多而冬季少，因此一日生成一个环脊，一年生成一个环隆[13]。

甲：就像树木的年轮？

乙：是的。但树木年轮不是生物钟本身，珊瑚环隆和环脊也不是，而是生物钟的记录。

甲：古生物学家就是从珊瑚环隆和环脊上发现生物钟的呀？

乙：照片不是人，心电图不是心电活动，记录不是事实本身。很多人把记录等同于事实，在论文中只会阅读数据比较数值大小，而没有解读数据揭示事实。例如，试验数据显示，果树施肥时产量比不施肥高，这是记录，事实则是施肥有效提升了果实生产性能。这类问题非常严重，以至于很多人分析数据时总感觉无从下手。继续讨论生物钟。树木年轮是细胞结构，不能反映珊瑚环脊那样的日生长量，只能记录季节性生长量。春季生成的木质粗疏，称为春材；秋季的木质致密，称为秋材。年际间的春材、秋材交界就是年轮线，肉眼可辨。心电图不是心脏电活动本身，是心脏电活动的记录，同理，树木的年轮、珊瑚的“日轮”都不是生物钟本身，而是生物钟的记录。1959年，哈尔伯格（Halberg）提出昼夜节律概念，指生长发育以24 h为周期的变化现象，动植物昼夜节律变化多达数十种[13]。年轮反映的就是年节律，海洋生物还有月、潮汐等节律，反映在形态、解剖、细胞、生理和分子等多个水平上。我国的二十四节气就是天文、季节、气候、物候的综合节律，能够有效指导农业生产。问题是生物节律是生物固有的，还是仅仅响应环境变化而表现出来的？是内在的还是外在的？

甲：固有的，内在的。

乙：理由？

甲：心电活动就是一种节律。毫无疑问，心电活动是固有的、内在的。

乙：人们曾经认为天鹅都是白的，结果被一只黑天鹅给否定了。心电活动只能说明有些生物节律是固有的、内在的，但不能类推出生物节律都是固有的、内在的，不能因此推定生物体内有一个嘀嗒作响的时钟。18世纪中叶林奈（Linnaeus）总结发现植物按一定时间间隔开花，提出“花钟”概念，19世纪达尔文等人又发现多种生物节律，20世纪人们发现生命活动普遍具有节律性，引发了一场关于生物节律成因的大讨论，内生论者认为成因是内在因素，外生论者认为是外界因素，调和论者认为既有内因又有外因[13]。

甲：这样的大讨论有什么意义？

乙：意义巨大。首先，这场大讨论有助于深化对生命本质的认识。内生论的本质是认为生物能够主动适应环境的节律性变化，生命运动是在预判变化基础上的主动适应过程；外生论的本质是认为生物只是被动响应环境的节律性变化，生命运动是环境变化的被动响应过程；调和论者其实在回避矛盾，在学术上和稀泥，有害无益。其次，大讨论促使辩论双方各自努力寻找新证据。外生论者认为除了光信号之外，温度、宇宙射线、引力、太阳黑子都可能作为授时信号驱动生命活动呈节律性[13]；内生论者需要寻找支配生物节律的内在因素，即基因。

甲：基因？生物节律、生物钟是基因决定的？

乙：是的。1971年，克那普卡（Konopka）等人利用甲基磺酸乙酯（Ethyl methane sulfonate，EMS）诱变果蝇，筛选出3个突变型，其中一个日节律周期长19 h，一个28 h，一个失去日节律。1984年，人们克隆出果蝇相应突变型的等位基因，并试验证明导入正常基因后突变型恢复正常日节律[18]。后来克隆出生物钟基因的3位科学家获得诺贝尔奖，而撬动瓶塞的克那普卡因为早逝未能获奖[19]，令人扼腕。

甲：这么简单，生物钟只有一个基因？

乙：是一系列基因。在模式植物拟南芥中发现其生物钟核心振荡器至少由13个基因构成，是一个复杂的多重反馈调控网络[20]。甲：核心振荡器？生物钟还有其他部分？

乙：是的。生物钟由三部分组成：一是输入途径，由光敏色素、隐花色素、未知受体和传入路径组成，受体接受光、温、养分等环境信号，调节相关基因的表达，矫正节律位相，传递给第二部分；二是核心振荡器，产生近24 h节律振荡信号，并反馈调节输入途径；三是输出途径，由信号输出相关基因组成，传递振荡信号到达效应器官，调节其生理、生化和行为，并反馈调节核心振荡器[16,21]。核心振荡器又由中心循环、早晨循环和傍晚循环组成，每个循环都是一组基因的转录-翻译反馈环路，其中一个基因小家族的5个成员从早晨开始依次表达，间隔2～3 h，如同音乐五重奏型时辰计量器[16,22]。

甲：真巧妙！动物和植物的生物钟一样吗？

乙：不一样。1）隐花色素是动物核心振荡器的组分，但尚未确定是否为植物生物钟的组分[11]；2）植物中有一个功能不明的紫外光B区信号受体，动物中尚无其存在证据；3）哺乳动物在下丘脑的视交叉上核有一个主时钟，主时钟协调其他组织或器官的时钟，植物则有两个主时钟，分别位于根尖和茎尖，两者周期长短不同，相位不同[23]；4）植物生物钟还会受温度、氮养分和铁离子等因素调控[16]，并参与植物体对生物胁迫和非生物胁迫应答的昼夜节律性调控[18]。

甲：看来植物的生物钟比人造钟表更复杂更精巧，完全可以计量昼夜长短，预判季节轮替，树木因此在冬季来临时落叶，常绿树木则调节叶片休眠，表现出对环境节律的主动适应现象。一个简单的末正常落叶现象，竟然引出这么深奥的科学原理，真没想到！

乙：细微之处见精神，每下愈况。庄子说要看猪的肥瘦，最好从猪的小腿上看起，小腿不易长肉，从小腿上能最明显地判断猪的肥瘦。因此，越是低微之处，解读到的道理越深奥。其实，树木落叶问题还没有圆满地彻底解决。

甲：还有什么没有解决？

乙：其一，五重奏型时辰计量只是一个大概轮廓，其精细的分子机制还需深入研究。其二，两天之间昼夜长短的变化量只有几分钟，生物钟要比较白昼变短或黑夜变长，其时间计量精度必须达到分钟级，时辰计量太粗略，不足以比较昼夜长短。其三，要比较昼夜长短变化，必须记忆昼夜长短，否则就没有比较基础，而这种分子水平上的昼夜长短的记忆就目前而言几乎无法想像。

甲：以前人们烧香计时。植物体内会不会也像烧香一样：在昼夜交替时开始降解一种大分子，到再次昼夜交替时，降解的长度就是昼或夜的长度？

乙：好想法！这种烧香模型容易实现，生理化学反应都由酶来调控速度，很容易实现烧香式计时。由秋入冬，黑夜变长，长到临界值，树木转入落叶期。植物体内如果“烧香”计时，就需要在“分子香”上刻下一个临界值标记，从而判断冬季来临。但是，这种亚分子水平的标准时刻，目前同样难以想像。与此类似，还有人提出过沙漏模型[4-5]。早晨，植物体内的红型光敏色素吸收红光转换为远红型；傍晚，被阳光加热的物体辐射远红光而降温，远红型光敏色素一部分吸收远红光逆转为红型，剩余部分在黑夜中自发转换为红型，或者被缓慢降解。黑夜中光敏色素的远红型与红型就像沙漏计量夜长，远红型/红型比值小到临界值就标示冬季来临。同样，沙漏模型也需要分子水平上的比值的标准刻度，还需要计量比值，机制更加复杂，更难想像。

甲：啊？还有这么多难题！

乙：知识是一个圆圈，圈内为已知，圈外为未知，圆周外侧邻近带为已经明确的未知，具体化以后就是各种难题，更远处则为完全无感的未知。圈越大，难题越多。不在已知的圈中游走一番，就不明白自己的未知，更触摸不到科学前沿。同样，我们不讨论落叶问题，就不知道生物钟研究尚待解决的难题。生物钟的作用机制是输入途径接受环境授时信号，核心振荡器响授时信号产生节律信号，输出途径传递节律信号调节目标器官行为[16,18]，由此可见，生物体并非用生物钟计时，而是用来开闭相关生理生化过程，调节相关节律性活动，以与自然节律合拍。日节律由日生物钟调节，可以合理推测年节律由年生物钟调节，烧香模型或沙漏模型中的标准刻度可能就是年生物钟的调节机制所在。

甲：年生物钟调节？这样的解释简洁明了，容易理解。

乙：简约而不简单。奥卡姆剔刀原理认为，一个理论或者猜想越简约越好。树木生长发育的年节律非常明显，春天发芽抽枝展叶，然后开花结果，秋天果实成熟，继而入冬休眠。其实还有看不到的年节律。树木春天发芽后生长非常迅速，其高、径年生长量中春天占了大部分，如此大的生长量必须以营养贮存为基础。“栈糖渠”模型认为，树木生长季后期，光合作用生产的糖分营养主要用于贮存以供应来年生长，贮存途径是形成新木质部，即秋材，把糖分营养贮存在秋材薄壁细胞组织中，后者即为糖栈，如同货栈一样在需要时释放营养[24]。初秋高温天气会灼伤叶片，导致同位腋芽发育不良而来年不能萌发[25]。也就是说，树木休眠准备其实早在夏末秋初就开始了。很多树木头一年进行花芽分化，以备来年开花结果，而花芽分化期也集中在夏末秋初，或有所提前。有些果树花芽分化时正值果实生长期，两期重叠，果实生长和花芽分化都属于生殖生长，营养竞争激烈，可能就是大小年乃至生理落果现象的原因。营养贮存、花芽贮备都是来年所需，缺少年生物钟的调节，这类年节律极可能陷入紊乱，连大小年和生理落果都可能失控。推测树木年生物钟输入途径主要由温度受体基因组成。2010年英国科学家发现一种组蛋白是植物的“温度计”，环境温度较低时，该蛋白会绑定DNA抑制一些基因表达；当温度升高时该蛋白松绑DNA，相关基因得以表达[26]，编码该蛋白的基因很可能就是植物年生物钟的组分之一。树木春季发芽之前，首先是根系感受到土温升高后开始活动，启动树液流动，根尖合成释放细胞分裂素向枝条运输，刺激后者发芽[27,28]。年生物钟还可能接受土壤氮养分信号。在树木育苗生产中，秋季追施氮肥会导致苗木贪青徒长而不利于越冬，可能就是氮肥干扰年生物钟的结果。还曾观察到刺槐行道树修枝后新生的萌蘖枝条同样贪青徒长，叶片不能正常脱落，最终被冻死青枯在枝头[29]。碳氮比是果树花芽分化研究中的一个重要假说，认为多碳少氮的体内环境有利于花芽分化[30]，其本质可能也是体内氮信号对年生物钟的反馈调节作用。

甲：啊？年生物钟能解释这么多树木学现象？

乙：年生物钟还只是猜想，但它至少统一了许多树木学现象和多种假说，具有更强更广泛的解释力。目前生物节律研究主要集中在拟南芥、水稻Oryza sativa等模式植物上，多属草本植物，开花结果后死亡。朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，要证明年生物钟需要寻找适宜模式树种开展基础研究，需要我们勤观察思考，尤其注意那些异常现象，为年生物钟模式树种的选择积累资料。进一步，还可以把年生物钟和日生物钟统一为生物钟，从而在更高层次上概括生物主动适应行为的本质，揭示生命的本质。

甲：生物主动适应的本质是什么？

乙：对表！生物向大自然的节律对表。万物生长靠太阳，更要靠太阳对表。生物必须识时务，应时而动即生存。