原文出自 Biology 期刊

Xu, H.; Zuo, Y.; Wei, J.; Wang, L. The Circadian Clock Coordinates the Tradeoff between Adaptation to Abiotic Stresses and Yield in Crops. Biology 2023, 12, 1364.https://www.mdpi.com/2079-7737/12/11/1364

研究介绍

极端的温度、盐胁迫和干旱胁迫对粮食安全造成严重威胁。面对不断变化的外界环境，固着生长的植物进化出了内源的生物钟系统。生物钟系统使植物能够利用内部的生理生化网络来预测外部的环境变化进而提高植物对环境的适应性。

近期，来自中国科学院植物研究所的王雷团队在 Biology 期刊上重点总结了作物的生物钟系统如何协调对非生物胁迫的响应和作物产量，并展望今后如何利用生物钟系统精准的“支出” (应对非生物胁迫所需的能量) 和“回报” (作物产量) 机制以实现更高的作物产量 (图 1)。

图 1. 作物生物钟系统平衡非生物胁迫响应和产量

主要内容

1、作物生物钟系统参与调控高温和低温胁迫

目前发现植物约 50% 的热响应基因和 40% 的冷响应基因受到生物钟的控制，表明生物钟广泛参与温度胁迫响应【1】。水稻生物钟基因 OsLUX 被证明在低温胁迫中发挥正调控作用。油菜和甘薯中的生物钟基因 GI 对多种非生物胁迫，包括盐胁迫和冷胁迫起作用。其他生物钟基因如 CCA1、PRRs、ELF3 等也会参与作物的温度胁迫响应过程【2】。

2、作物生物钟系统参与协调盐胁迫响应和开花时间控制

不断扩增的盐碱地面积加剧了粮食危机。水稻生物钟核心组分 OsPRR73 被证明是盐胁迫的正调控因子，此外 OsPRR73 还具有水稻开花抑制的作用【3】。由 OsELF4a、OsELF3-1 和 OsLUX 组成的水稻生物钟晚间复合体 OsEC1 被证实在耐盐性和开花时间调控中发挥重要作用【4】。另一核心生物钟组分 OsCCA1 也被确定为盐胁迫信号响应的核心枢纽，此外 OsCCA1 也是开花促进因子【5】。上述生物钟组分在平衡非生物胁迫和决定开花时间中均发挥重要作用，二者共同决定水稻产量形成 (图 2)。

图 2. 水稻生物钟系统参与调控盐胁迫响应和抽穗期的工作模型

3、作物生物钟系统参与干旱胁迫响应

水稻生物钟成分 OsCCA1 通过 ABA 信号通路赋予抗旱性，累积的 ABA 也会影响生物钟调控的开花进程。大豆中，干旱胁迫抑制了生物钟基因的表达，包括 LCL1s、GmELF4 以及 PRRs。大豆生物钟基因 GmPRR3 可以与 GmPRR7 和 GmTOC1 协同作用，实现干旱胁迫响应。另一生物钟基因 GmLHY 则会通过 ABA 信号通路负调控大豆的干旱胁迫响应【6】。干旱胁迫还会诱导玉米生物钟基因 ZmCCA1 的表达，以增加对干旱胁迫的耐受性【7】。

研究总结

植物的生物钟扮演着类似于“聪明的商人”的角色，精确地分配有限的资源，协调植物完成全生命周期。然而，关于生物钟信号与胁迫反应之间信号互作的许多细节仍有待解决。本文为作物生物钟系统在平衡非生物胁迫适应和产量之间提供了新的视角并有助于未来的分子设计育种工作。

本综述的通讯作者是中国科学院植物研究所王雷研究员，第一作者为中国科学院植物研究所在读博士生徐航，该论文的发表受到了国家盐碱地创新中心院士工作站专项经费的资助。

参考文献

【1】Covington, M.F.; Maloof, J.N.; Straume, M.; Kay, S.A.; Harmer, S.L. Global transcriptome analysis reveals circadian regulation of key pathways in plant growth and development. Genome Biol. 2008, 9, R130.

【2】Huang, P.; Ding, Z.; Duan, M.; Xiong, Y.; Li, X.; Yuan, X.; Huang, J. OsLUX Confers Rice Cold Tolerance as a Positive Regulatory Factor. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 6727. 

【3】Wei, H.; Wang, X.; He, Y.; Xu, H.; Wang, L. Clock component OsPRR73 positively regulates rice salt tolerance by modulating OsHKT2;1-mediated sodium homeostasis. EMBO J. 2021, 40, e105086.

【4】Wang, X.L.; He, Y.Q.; Wei, H.; Wang, L. A clock regulatory module is required for salt tolerance and control of heading date in rice. Plant Cell Environ. 2021, 44, 3283–3301.

【5】Wei, H.; Xu, H.; Su, C.; Wang, X.; Wang, L. Rice CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 transcriptionally regulates ABA signaling to confer multiple abiotic stress tolerance. Plant Physiol. 2022, 190, 1057–1073.

【6】Li, M.; Cao, L.; Mwimba, M.; Zhou, Y.; Li, L.; Zhou, M.; Schnable, P.S.; O’Rourke, J.A.; Dong, X.; Wang, W. Comprehensive mapping of abiotic stress inputs into the soybean circadian clock. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 23840–23849.

【7】Tian, L.; Zhao, X.; Liu, H.; Ku, L.; Wang, S.; Han, Z.; Wu, L.; Shi, Y.; Song, X.; Chen, Y. Alternative splicing of ZmCCA1 mediates drought response in tropical maize. PLoS ONE 2019, 14, e0211623.

Biology 期刊介绍 

主编：Jukka Finne, University of Helsinki, Finland;Andrés Moya, University of Valencia and CSIC, Spain

期刊主要涵盖细胞生物学、发育生物学、进化生物学、生物化学与分子生物学、微生物学等所有生物领域。

2022 Impact Factor：4.2

2022 CiteScore：4.0

Time to First Decision：18.7 Days

Time to Publication：37 Days