在大多数人印象中，生物钟似乎更多与动物甚至人类的作息相关，却鲜少知晓植物必须依靠内源的时间感知系统，预测日出日落、温度变化等周期性环境信号，从而提前调整自身的生理与发育节奏。

中国科学院植物研究所研究员王雷、特别研究助理苏晨与英国约克大学教授Seth Davis团队合作，首次提出植物生物钟早晨复合体概念并揭示复合体的组成内容，发现该复合体在黎明时分对光信号感受器的精准调控机制。研究成果近日在线发表于《自然-通讯》。

超大“咖啡基因”引发的科学探索

植物作为固着生物，演化出一套精密的内源计时系统——生物钟。它不仅调控植物的开花时间、代谢节律、免疫应答，甚至影响其对逆境的适应能力。

所有环境信号中，黎明和傍晚是最关键的授时节点。所谓授时因子，就是将外界时间信息传递给植物的“信使”，光信号便是其中最重要的一种。黎明时分，远红光作为晨光的重要组成部分，会迅速激活植物体内的黎明感受器，告诉植物“天亮了，该‘起床’了”。生物钟系统正是协调这些变化的“指挥者”。

“动物可主动迁徙躲避恶劣环境，植物没有脚不能跑，更依赖生物钟对时间的感知。”王雷介绍，植物的“苏醒”过程需要精准调控，如果生长过于迅猛，植物茎秆会变得纤细脆弱，抗风抗倒伏能力下降；若调控不足，则会错失最佳生长时机。

虽然植物生物钟研究起步较早，但其在黎明时分如何精准“启动”一天的生命活动，仍是未解之谜。

这项研究的起点源于Davis在20多年前发现的TIC（TIME FOR COFFEE）蛋白。“从‘该喝咖啡了’的命名就能猜到，这是一个主要在黎明工作的生物钟调节子。”王雷表示，该蛋白异常庞大，由1550个氨基酸编码组成，且没有任何已知的功能保守结构域。自发现以来，它在生物钟系统中的功能始终是个谜。

王雷在工作中。受访者 供图

保守结构域好比蛋白的“功能身份证”，有了它，就能大致猜出这个蛋白是干什么的。“TIC蛋白几乎没有这类功能标识，我们研究它的出发点，就是想弄清这个庞大而神秘的蛋白究竟是如何在黎明时分发挥作用的。”王雷说。这个看似朴素的科学问题，最终牵引着团队走上了一条长达7年的探索之路。

“同道中人”组建成的“分子刹车”

研究的第一步是明确TIC蛋白的作用靶点。已有研究表明，TIC蛋白主要的工作时间在黎明，这为实验提供了方向。基于此，团队很快在茫茫大数据中“钓”到关键线索——远红光受体光敏色素phyA。

这一受体在黎明时被迅速激活，直接诱导大量基因表达，引发植物代谢与生长的显著转变，因此又被称为“黎明感受器”。有研究表明，phyA的表达和活性等在时间维度上受到生物钟的严格调控，但其背后的分子机制始终未明晰。

“当我们发现TIC的下游靶基因竟然是PHYA时，所有线索瞬间连成一条清晰的链条。”苏晨回忆这一发现时仍难掩兴奋，一个在黎明活跃的生物钟调节子，恰好抑制黎明时被激活的光感受器——这不仅能解析TIC的生物学功能，更是首次发现生物钟直接调控PHYA的证据。“那一刻，我们都觉得这就是答案。”

然而，兴奋之后，真正的挑战才刚开始。随着研究的深入，团队逐渐意识到揭示TIC作用机制并非易事。利用AlphaFold进行结构预测时，他们发现该蛋白的可信建模区域不足20%，几乎没有任何已知结构域。“这意味着我们无法通过结构预测来推测它的功能位点，就像面对一个没有任何标识的‘黑盒子’。”苏晨说。

苏晨在做拟南芥遗传杂交实验。受访者 供图

这个难题一度让研究陷入停滞。如果无法明确TIC的作用方式，即便知道它与phyA存在调控关系，也无法完整阐明其分子机制。

“结合以往研究，我们推测TIC在抑制PHYA过程中可能不是‘单兵作战’，而是有某个‘助手’。”苏晨说，经过系统互作筛选与验证，研究发现，生物钟早晨工作的核心蛋白CCA1和LHY极有可能是TIC招募的关键伙伴。

王雷补充说，早在10多年前，就有研究发现CCA1和LHY作为转录因子在植物体内往往不是“单兵作战”，而是以复合体的形式参与转录调控，这与团队的发现高度契合。

基于系列线索，团队最终解开了植物生物钟在黎明时的“秘密”。生物钟调节子TIC作为桥梁，将生物钟核心组合CCA1和LHY以及转录共抑制子TPL组合在一起，形成早晨复合体，在黎明阶段抑制PHYA及其下游关键组分的表达，充当黎明感受器phyA的“分子刹车”，精准把控基因表达丰度，精细调节植物的形态发育，避免植物在清晨远红光条件下过度伸长，从而赋予植物更好的环境适应性。

想象一下，每天黎明植物体内都会上演这样一幕：“闹钟蛋白”TIC先醒来，立刻召集两位“时间总监”CCA1和LHY，以及一位“开关高手”TPL，组成“黎明行动组”，直奔光信号受体phyA而去，其任务不是启动它，而是轻轻踩一脚刹车，告诉它“别太急，慢慢来”。“这个精妙的刹车机制，确保植物不会在清晨过度消耗能量，从而能在多变的大自然中生存下去。”王雷表示。

解锁更多生物钟奥秘

据介绍，早晨复合体的发现不仅阐明了TIC在黎明时分的分子功能，还揭示了生物钟核心组分CCA1和LHY转录活性调控的多样性，进一步完善了植物生物钟与光信号互作调控的分子网络。这项研究为全面解析生物钟如何反馈精准“驾驭”光信号提供了研究范例。

科研之路从来不是一帆风顺的。初次投稿后，有审稿人认为“TIC缺乏明确的蛋白结构，相关蛋白互作的结果可靠性无法保证”。这一评语几乎否定了团队所有的努力，也提出了一个在短期内难以攻克的难题。

面对压力，团队没有气馁。“问题不止有一种解法。”苏晨回忆，“即使正面无法突破，我们也可以从侧面印证，这好过一无所有。”

他们重新梳理实验逻辑，决定通过体内验证来强化结论的可信度。研究团队最终进一步加强了在拟南芥体内的TIC与CCA1和LHY蛋白互作验证，这让论文的逻辑更加严谨，证据链也更为完整 。最终审稿人一致认为，“这个实验设计严格、证据充分，在生物钟影响光信号方面揭示了全新的重要机制”。

“生物钟如何感知时间、传递时间信息，是该领域的核心科学问题之一。”王雷表示，团队的研究发现，黎明时分的“分子刹车”机制，正是生物钟实现精准计时的重要环节，为后续研究提供了可借鉴的技术路线和研究思路。

“如果说光是指令，生物钟就是时间表，两者配合得当、协调一致，植物才能在合适的时间对环境信号变化作出正确反应。”王雷表示，团队将继续探索这一早晨复合体在不同作物中的进化保守性，解析该复合体在胁迫环境下的功能，为揭示生物钟如何在特定时间帮助作物适应复杂环境提供理论基础和遗传资源。他们表示，未来有望通过调控早晨复合体相关基因的表达，培育出更具优势的作物品种。

相关论文信息：

https://www.doi.org/10.1038/s41467-025-65242-9