有時間嗎？ 薩米爾·米甚拉/Shutterstock
任何曾跨越多個時區並遭受過痛苦的人 時差 就會明白我們的力量有多麼強大 生物鐘是。 事實上，人體的每個細胞都有自己的分子鐘，能夠在 24 小時的周期內使人體產生的許多蛋白質的數量每天增加或減少。 大腦包含一個主時鐘，它通過使用 燈光信號 從眼睛與環境保持同步。
植物具有相似的晝夜節律，可以幫助它們辨別一天中的時間，為植物在黎明前進行光合作用做好準備， 打開熱保護機制 在一天中最熱的時候之前，並在授粉媒介最有可能到達時產生花蜜。 就像人類一樣，植物中的每個細胞似乎都有自己的時鐘。
我們的眼睛和大腦依靠陽光來根據一天中的時間協調身體的活動。 Yomogi1／Shutterstock
但與人類不同的是，植物沒有大腦來保持時鐘同步。 那麼植物如何協調它們的細胞節律呢？ 我們的 新的研究 表明植物中的所有細胞部分地通過稱為局部自組織的東西進行協調。 這實際上是植物細胞與鄰近細胞溝通時間的方式，類似於如何 魚群 和 成群的鳥 通過與鄰居互動來協調他們的行動。
以前的研究 發現植物不同部位的時鐘時間不同。 這些差異可以通過測量不同器官中時鐘蛋白產生的每日峰值時間來檢測。 這些時鐘蛋白在生物過程中產生 24 小時振盪。
例如，時鐘蛋白會在黎明前激活負責葉子光合作用的其他蛋白質的產生。 我們決定檢查植物所有主要器官的時鐘，以幫助我們了解植物如何協調它們的時間以保持整個植物的和諧運轉。
是什麼讓植物滴答作響
我們發現在擬南芥中（擬南芥（Arabidopsis thaliana）) 幼苗中，每個器官中時鐘蛋白的數量在不同時間達到峰值。 葉子、根和莖等器官從局部微環境（如光和溫度）接收不同的信號，並利用這些信息獨立設定自己的節奏。
如果不同器官的節律不同步，植物是否會遭受一種內部時差反應？ 雖然不同器官中的各個生物鐘在不同的時間達到峰值，但這並沒有導致完全混亂。 令人驚訝的是，細胞開始形成空間波模式，其中相鄰細胞在時間上稍微落後於彼此。 這有點像體育場或“墨西哥”球迷的浪潮，他們在旁邊的人後面站起來，在人群中形成波浪狀的運動。
植物細胞在它們的鄰居之間進行通信以協調時間。 詹姆斯·洛克，作者提供
我們的工作表明，當細胞開始交流時，這些波是由器官之間的差異產生的。 當一個細胞中的時鐘蛋白數量達到峰值時，該細胞會將其傳遞給速度較慢的鄰居，這些細胞會跟隨第一個細胞的引導並產生更多的時鐘蛋白。 然後這些細胞對其鄰居做同樣的事情，等等。 這種模式可以在自然界的其他地方觀察到。 一些螢火蟲物種在它們活動時會形成空間波圖案 同步他們的閃光燈 與他們的鄰居。
細胞的局部決策，再加上它們之間的信號傳遞，可能就是植物在沒有大腦的情況下做出決定的方式。 它允許植物不同部分的細胞就如何生長做出不同的決定。 芽和根中的細胞可以根據當地條件分別優化生長。 芽可以向光線無障礙的地方彎曲，根可以向水或更營養豐富的土壤生長。 它還可以讓植物 在器官喪失後倖存下來 通過損壞或被食草動物吃掉。
這或許可以解釋植物如何能夠不斷地適應自己的生長和發育，以應對環境的變化，科學家稱之為“可塑性”。 了解植物如何做出決定不僅有趣，還將幫助科學家培育新的植物品種，以應對氣候變化帶來的日益變化的環境。
關於作者
馬克·格林伍德，細胞生物學博士研究員， 劍橋大學 和詹姆斯·洛克（James Locke），系統生物學研究組組長， 劍橋大學
ING
