植物昼夜节律研究进展
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植物光周期以及其基因调控机制研究植物生长和发育是与光周期紧密相关的,光周期可以改变植物进入花期或抑制花期的发生。
因此,对植物光周期及其基因调控机制的研究具有重要意义。
本文将从植物昼夜节律、光周期信号转导、研究进展和未来展望四个方面进行探讨。
植物昼夜节律植物是光合生物,通过光合作用产生能量,需要在特定的时间和空间内受到光信号的调控。
植物具有内生的时钟,被称为昼夜节律。
该昼夜节律以24小时为周期,能够精准地调控植物的生长和发育。
昼夜节律是叶绿体、细胞质和细胞核间复杂的交互作用,其中核内的生物钟基因是调控昼夜节律的关键。
光周期信号转导光周期被视为植物感知光信号的前沿,通常通过PHYA、PHYB、PHYC、PHYD等光感受器进行感知。
这些光感受器会感受到红光或远红外线光谱,然后将信号传递到细胞核中,继而调控植物生长和发育的过程。
光周期信号的转导所涉及的分子机制非常复杂,其中包括许多信号转导因子和基因的表达调控。
通过近年来的研究,已经确定了一些光周期信号调控的重要分子机制。
研究进展近年来,植物光周期调控的研究逐渐深入,特别是在植物光感受器的发现、基因表达调控等方面。
其中,拟南芥作为研究模型有助于我们更好地了解植物光周期调控的分子机制。
许多生物学家使用基因激活和基因敲除的技术来探索光周期调控的机制。
针对其基因调控机制,一些关键基因的调控网络逐渐被揭示,例如:CONSTANS(CO)和FLOWERING LOCUS T(FT)之间的网络调控。
此外,部分共表达基因(co-expressed genes)也是被考虑为进行植物光周期调控的研究的有力工具。
未来展望在未来的研究中,我们有望通过不断深入地分析植物基因调控的细胞过程和蛋白质相互作用,开发更精确、更有针对性的调控技术,从而实现对植物生长和发育的精确调控。
同时,新型检测技术的发展将有助于对植物光周期的研究,如经典的转录组学方法、甲基化分析以及新兴的Single Cell RNA-Seq等技术将更好地帮助我们了解植物基因调控网络的细节。
了解植物的昼夜节律植物是大自然中的生命之源,它们也像人类一样有着自己的生物钟,即昼夜节律。
植物的昼夜节律是指植物在白天和黑夜之间的生理活动和生长发育状态的周期性变化。
这种节律对植物的生长、开花、结果等生理过程起着至关重要的作用。
通过了解植物的昼夜节律,我们可以更好地照顾植物,促进其生长发育,提高产量和品质。
本文将深入探讨植物的昼夜节律,帮助读者更好地了解植物的生长规律。
植物的昼夜节律受光照的影响很大。
在白天,植物通过光合作用吸收阳光中的能量,将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气,释放出氧气。
这是植物生长的重要过程,也是植物与环境之间的互动。
而在黑夜,植物停止光合作用,转而进行呼吸作用,吸收氧气释放二氧化碳。
这种昼夜交替的生理活动,正是植物昼夜节律的表现。
除了光照,温度也是影响植物昼夜节律的重要因素。
一般来说,白天温度较高,有利于植物的光合作用和生长发育;而夜晚温度较低,有利于植物的休眠和营养物质的积累。
因此,合理控制温度,保持适宜的生长环境对植物的昼夜节律至关重要。
植物的昼夜节律还受到水分和营养物质的影响。
充足的水分和适当的营养物质是植物生长发育的基础,对维持植物的昼夜节律起着重要作用。
缺水或缺乏营养物质会影响植物的生长,导致昼夜节律紊乱,甚至影响植物的生长发育和产量。
了解植物的昼夜节律有助于我们更好地照料植物。
在日常养护中,我们可以根据植物的昼夜节律,合理安排浇水、施肥和光照时间,帮助植物保持良好的生长状态。
此外,定期观察植物的生长情况,及时调整养护措施,也是保持植物昼夜节律的重要方法。
总之,了解植物的昼夜节律对于植物的生长发育至关重要。
通过合理控制光照、温度、水分和营养物质等因素,我们可以帮助植物保持良好的昼夜节律,促进其生长发育,提高产量和品质。
希望本文能够帮助读者更好地了解植物的昼夜节律,为植物的健康生长提供参考。
植物与昼夜节律的关系在大自然中,植物与昼夜节律存在着密切的关系。
昼夜交替的变化对植物的生长发育、代谢活动、光合作用以及抗逆能力等方面都产生着深远的影响。
本文将从植物的睡眠状态、光合作用与光周期调控等方面来探讨植物与昼夜节律的关系。
植物的睡眠状态与动物类似,植物也存在着一种类似于睡眠的状态,被称为植物的“睡眠”。
研究发现,植物在夜晚会出现一系列与休眠相关的生理变化,例如茎叶垂直、叶片收缩、光合作用减弱等。
这种状态有助于植物节省能量、恢复生长力,并且有利于植物在白天更好地进行光合作用。
昼夜节律对植物的光合作用影响光合作用是植物生长发育的基础过程之一,而昼夜节律对植物的光合作用有着重要的调控作用。
白天阳光充足的时候,植物会吸收光能,通过光合作用将二氧化碳和水转化为养分和氧气。
而到了夜晚,植物则会停止光合作用,停止吸收光能,进入休眠状态,同时释放出二氧化碳。
这种昼夜交替的光合作用与休眠状态,维持了植物的正常生理节律,保证了植物的生长和发育。
光周期调控植物的生长发育除了昼夜节律对光合作用的调控外,植物的生长发育还受到光周期的影响。
光周期是指植物所处的白天和黑夜的时间比例。
不同植物对光周期的要求不同,有些植物对长日照敏感,有些则对短日照敏感。
通过光周期的变化,植物能够调控开花、开叶、休眠等生理过程,适应不同季节的环境变化。
与此同时,昼夜节律也会影响植物的抗逆能力。
研究发现,植物在不同时间段对环境胁迫的响应能力存在差异。
例如,一些研究表明,植物在晚上更容易受到低温胁迫的影响,而在白天则能更好地应对高温胁迫。
这种差异性响应与植物的昼夜节律密切相关,进一步证明了昼夜节律对植物生长发育的重要性。
总结植物与昼夜节律之间存在着紧密的关系。
昼夜节律通过调控植物的睡眠状态、光合作用与光周期,对植物的生长发育、代谢活动、抗逆能力等方面产生影响。
了解植物与昼夜节律的关系,有助于我们更好地理解和利用植物的生物学特性,促进农业生产和生态保护的可持续发展。
了解植物的昼夜节律植物的昼夜节律是指植物在24小时内对光照的变化做出的生理和行为反应。
这种节律是植物对环境的适应机制之一,对植物的生长和发育具有重要影响。
了解植物的昼夜节律对于合理管理植物生长环境、提高农作物产量以及保护生态环境都具有重要意义。
一、植物的昼夜节律的基本原理植物的昼夜节律是由光周期和内源节律两个因素共同调控的。
光周期是指植物对光照持续时间和光照强度的感知和响应能力,而内源节律则是指植物自身内部的生物钟系统。
这两个因素相互作用,使植物在昼夜交替的环境中表现出一系列的生理和行为变化。
二、植物的昼夜节律的生理和行为表现1. 光合作用:植物在白天进行光合作用,吸收光能并将其转化为化学能,用于植物的生长和发育。
而在夜晚,植物停止光合作用,转而进行呼吸作用,释放二氧化碳。
2. 叶片运动:一些植物的叶片会在白天打开,吸收光能进行光合作用,而在夜晚关闭,减少水分蒸发和光合作用的损失。
3. 花期控制:植物的开花时间受到昼夜节律的影响。
一些植物只在特定的季节或特定的时间段开花,这是由于植物对光周期的感知和响应能力。
4. 生长节律:植物的生长速度也受到昼夜节律的影响。
一些植物在白天生长迅速,而在夜晚停止生长。
5. 植物激素的合成和运输:植物激素的合成和运输也受到昼夜节律的调控。
植物激素对植物的生长和发育起着重要的调节作用。
三、植物昼夜节律的调控机制1. 光感受器:植物通过光感受器感知光照的变化。
光感受器包括光敏蛋白和色素,能够感知不同波长的光线。
2. 光信号转导:光信号转导是指植物对光信号的感知和传递过程。
光信号转导通过一系列的信号传递和调控,最终调控植物的生理和行为反应。
3. 生物钟系统:植物的生物钟系统是植物内部的节律调控系统,能够感知昼夜的变化。
生物钟系统通过调控植物的基因表达和蛋白合成,最终调控植物的昼夜节律。
四、应用价值和意义了解植物的昼夜节律对于合理管理植物生长环境具有重要意义。
通过合理调控光照时间和光照强度,可以提高农作物的产量和品质。
变温昼夜节律对植物生长的影响研究一、引言昼夜变温是指在24小时的周期内通过调节温度来模拟昼夜温度的变化。
夜间温度偏低,而日间温度相对较高。
在植物生长中,温度是一个非常重要的因素,显著影响着植物的生长发育和产量。
因此,对昼夜变温对植物生长的影响进行研究对于优化植物生长环境和提高生产效益具有重要意义。
二、温度对植物生长的影响温度是植物生长的重要环境因素之一,它对植物的生长发育、生理代谢和产量都有显著影响。
根据植物所适应的环境温度范围,可以将植物分为寒性植物、中温性植物和热性植物。
一般来说,当温度降低时,植物的生长速度也会趋缓,作物的生长发育受到影响,而当温度升高时,作物的生长速度、光合作用强度等生理活动增强,反之则减弱。
三、昼夜变温对植物的生长发育的影响近年来,越来越多的研究表明,昼夜变温对植物的生长有着显著的影响。
一个昼夜温度变化较大的环境下,植物的生长发育控制网络会发生调整,从而影响光合作用、生长素合成和分配、根系和叶片的生长等。
其中,昼夜温度差异大的条件下,植物的碳、氮代谢和调整作用产生较大变化,结果导致净光合速率和生物量产生颠簸。
相对较低的夜间温度可能会降低叶绿素含量和 PSII 光合复合物的热稳定性,导致光合作用的可逆性降低。
四、昼夜变温对植物的根系结构和生长的影响昼夜变温也会影响植物根系结构和生长发育。
近年研究表明,在昼夜温差较大的条件下,植物的根系生长速度被抑制,而夜晚较高的温度可能会促进根系吸收养分,从而促进植物生长。
此外,昼夜变温还会影响植物形态的发育,如某些冬性植物在低温下生长迅速,但在高温下生长缓慢。
五、昼夜变温对植物光合作用的影响昼夜变温也会影响植物的光合作用。
在昼夜温度变化较大的环境下,植物必须快速适应环境的变化,从而启动调节光合作用的机制。
昼夜温度变化对植物光合作用产生的影响包括:影响光保护机制效率,影响光合色素合成和光合复合物组成,以及影响光合酶活性等。
同时,一些植物在昼夜变温条件下会产生特定的光合生理响应,如增加系统发育、抗氧化剂的含量和逆境耐受性等。
植物生命力的激动存在着复杂的昼夜节律,这种昼夜节律与日常生活息息相关。
了解植物的昼夜节律对于农业生产、科学研究以及个人生活都具有重要意义。
本文将深入探讨植物的昼夜节律,从植物光合作用、生长发育、调控机制等多个方面加以剖析。
1. 植物的昼夜节律与光合作用光合作用是植物生命活动中最为关键的过程之一,其是通过吸收光能转换为化学能,促进植物体内的能量代谢和物质合成。
光合作用中最主要的反应是光合电子传递链中的光合呼吸反应和暗呼吸反应。
其中,暗呼吸反应只在黑暗中进行,而光合呼吸反应则需要受到光照的刺激。
植物的昼夜节律对于光合作用的进行有着重要影响。
一般来说,大多数植物在白天进行光合作用,在黑夜进行呼吸作用。
这是由于黑夜缺乏阳光刺激,无法提供足够的能量给予光合作用进行;而在白天,阳光中富含的蓝光和红光可以启动叶绿素颗粒和ATP生成系统,从而促进光合作用进行。
2. 植物的昼夜节律与生长发育除了直接影响光合作用外,植物的昼夜节律还对其生长发育产生影响。
研究表明,植物内部时钟系统与丰富多样的环境信号相互作用,调控着植物的生长发育。
在白天,由于受到阳光刺激和温度升高等因素的影响,植物处于生长期。
此时,促进细胞分裂和伸长增大的激素水平较高,发芽、幼苗生长迅速。
而在黑夜,阳光逐渐消失,温度降低,主要处于休眠期。
此时,激素水平下降,细胞分裂减缓,细胞间更多地进行修复和新陈代谢。
通过研究植物的昼夜节律与生长发育的关系,农业生产者可以科学安排灌溉、施肥、喷药等工作时间,以提高农作物叶片面积、增加干菇树体积等有利因素。
3. 植物昼夜节律调控机制解析了解植物昼夜节律调控机制对于深入理解植物生命活动具有重要意义。
目前研究表明,多个基因和信号通路参与了植物内部时钟系统的形成和运行。
外界环境信号通过激活感应器蛋白后进入环境检测网络(environmental sensing network),然后经过核心时钟复式负反馈调控模块(core clock-multi-loop negative feedback regulation module)进行处理。
昼夜节律与毛发的相关性研究进展作者:朱宇琪宋秀祖来源:《中国美容医学》2023年第12期[摘要]昼夜节律是生物体中以24 h为周期的活动变化,与毛发密切相关。
本文就昼夜节律的紊乱对毛发生物钟基因、生长周期及毛囊结构的影响,以及毛发生物钟基因和头发中的皮质醇含量的变化与昼夜节律的关联展开综述,以期深入研究昼夜节律与毛发的相关性,旨在为相关疾病的诊治提供参考。
[关键词]昼夜节律;毛发;生物钟;生物钟基因;毛囊[中图分类号]R758.71 [文献标志码]A [文章编号]1008-6455(2023)12-0200-03Research Progress of the Relationship between Circadian Rhythm and HairZHU Yuqi,SONG Xiuzu(Departmet of Dermatology,Hangzhou Third Hospital Affiliated to Zhejiang Chinese Medical University,Hangzhou 310009,Zhejiang,China)Abstract: Circadian rhythm is a 24-hour cycle of activity changes in organisms, which is closely related to hair. This paper reviews the effects of circadian rhythm disorder on hair biological clock gene, growth cycle and hair follicle structure, as well as the relationship between the circadian rhythm and the changes of hair clock gene and the content of cortisol in hair. The in-depth study of the relationship between circadian rhythm and hair will provide reference for the diagnosis and treatment of related diseases.Key words: circadian rhythm; hair; biological clock; biological clock gene; hair follicle昼夜节律是一种在生物体中广泛存在的内源性振荡的生物过程。
Botanical Research 植物学研究, 2018, 7(3), 331-336Published Online May 2018 in Hans. /journal/brhttps:///10.12677/br.2018.73042Research Progress on CircadianRhythms in PlantsYi Chen, Yu Xiang, Guanghui Yu*Hubei Provincial Key Laboratory for Protection and Application of Special Plants in Wuling Area of China,South-Central University for Nationalities, Wuhan HubeiReceived: May 4th, 2018; accepted: May 23rd, 2018; published: May 30th, 2018AbstractBiological clock is the innate rhythmic molecular mechanism in plants by which respond to com-plex environmental change. Via the transcriptional and translational feedback among the core components of clock, plants can integrate the environmental cues such as light and temperature to coordinate and involve the photoperiodic flowering, hormone signaling, growth, metabolism, and biotic/abiotic stress. Clock entrainment allows plants to achieve the best synchronization to the outside changing environment; and furthermore, the modulatory relationship between plant bio-logical clock and photosynthesis metabolites indicates the potential advantage of biological rhythm theory in agricultural applications.KeywordsBiological Clock, Circadian Rhythm, Core Oscillator, Arabidopsis thaliana植物昼夜节律研究进展陈意,向宇,余光辉*中南民族大学,武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室,湖北武汉收稿日期:2018年5月4日;录用日期:2018年5月23日;发布日期:2018年5月30日摘要生物钟是植物适应外界环境的一种内在分子机制。
通过生物钟核心元件基因组成的转录-翻译反馈调节环路,*通讯作者。
陈意等植物能够对环境中的信号如温度和光照进行整合,对光周期开花、激素信号传导、生长、代谢以及生物和非生物胁迫的响应等多种生理过程进行协调。
此外,通过驯化过程使得植物能够达到与外界环境最佳的匹配和同步化;植物生物钟和光合作用代谢产物之间的调控关系,预示着生物节律理论在农业生产上的潜在优势。
关键词生物钟,昼夜节律,核心振荡器,拟南芥Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言地球自转引起的昼夜循环导致了环境每日的重复波动。
生物随着环境的明暗交替和温度变化进化出内源性的近日性的节律变化[1],这种机制称为昼夜节律(Circadian rhythm)或生物钟(Biological clock)。
没有外部信号的情况下近日性表现为24 h的周期性振荡。
研究表明,在连续光照(或黑暗)和恒定温度条件下近日性节律的维持是由内源性生物过程驱动的[2]。
例如,人体生理和机理的变化受到内源性节律振荡的广泛调控。
在时差影响下,昼夜节律振荡器变化强烈,具体表现在内部振荡器时间的预测与外部环境的冲突和相互协调[3]。
几乎所有的有机体,从单细胞的蓝藻到复杂的哺乳动物,都具有一套预知环境变化的生物节律系统。
生物的内源生物节律控制着机体的行为、生理活动,使之更好的适应环境[4]。
时间生物学(Chronobiology)研究内源生物钟的分子机制、外界环境对生物钟的驯化或牵引(Entrainment)、生物钟对机体行为、生理活动的调节等时间依赖的生物学过程。
近年来,植物昼夜节律调控的分子机制成为研究的热点和难点。
环境中的信号如温度和光照被核心振荡器所整合,对多种生理过程进行协调。
光照和温度这些外界信号通过影响生物钟的速度,并作用于振荡器中不同的核心分子来导引时钟。
之后时钟会以相应的节律进行节律性输出,从而协调多种生理途径,包括光周期开花、激素信号传导、生长、代谢以及生物和非生物胁迫的响应(图1) [5]。
2. 植物生物钟2.1. 植物生物钟核心元件间的交互调节传统观点认为昼夜节律系统是一种线性路径,但越来越多的证据表明它是一个高度复杂的调控网络。
植物、动物、昆虫和真菌等生物的生物钟调控系统通常是基于转录和翻译的反馈环路(Transcriptional/Translational Feedback Loops, TTFLs)。
植物生物钟系统的研究主要是在模式生物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中进行的。
植物的昼夜节律主要包含了三个特征:1) 植物的昼夜节律是在没有外界环境刺激下由生物钟基因和蛋白协同控制下完成近日24 h的节律性振荡;2) 植物生物钟系统必须与环境保持同步,植物的生长发育阶段需要与环境相匹配,这种过程称为生物钟驯化(entrainment);3) 植物细胞的生物钟与植物的昼夜节律相偶联,植物细胞的时钟基因能够调控植物的昼夜节律的输出。
植物昼夜节律调控网络主要由输入途径(input pathway)、核心振荡器(core oscillator)和输出途径(output pathways)三部分组成。
模式生物拟南芥的生物钟的核心振荡器由CCA1 (CIRCADIAN CLOCK-ASSOCIATED 1)、LHY (LATE ELONGATED HYPOCOTYL)、TOC1 (TIMING OF CAB EXPRESSION 1)以及其它元件构成了复杂的交互反馈的调控网络(图2) [6] [7] [8] [9] [10]。
振荡器的核心由两个MYB转录因子,CCA1/LHY和TOC1组陈意等Figure 1. The integration of the biological clock to the internal and external environment in plants图1. 植物生物钟对内外环境的整合[5]Figure 2. The molecular model of the circadian oscillator in Arabidopsis图2. 拟南芥昼夜节律振荡器的分子模型[1]成。
通过对拟南芥昼夜节律的研究表明,振荡器核心基因在每个节律周期中不同的时刻表达,表现出时空的差异。
如CCA1的表达峰值出现在黎明时刻,而LUX ARRHYTHMO (LUX)的表达峰值在黎明后的12 h。
植物昼夜节律振荡器除转录-翻译反馈环路之外,还存在一些转录后调控机制来确保振荡器的精确运行,如乙酰化、磷酸化等[11]。
2.2. 生物节律的驯化(Entrainment)众所周知,植物生物钟并不是完全精确的24 h。
因此,植物需要通过驯化途径来与外界环境保持同步。
例如,外界环境中的红光和蓝光能够给植物光感受器提供强烈的信号重设生物钟,这就对植物生物钟起到了同步的作用。
光敏色素A (PhyA)能在低强度的红光下调节生物钟,光敏色素B (PhyB)则能在高陈意等强度的红光下起作用。
隐花色素1 (Cry1)能够在低强度和高强度的蓝光下调节生物钟。
已有的研究表明,温度的改变也能够影响植物的昼夜节律振荡器[12],然而,温度对植物生物钟的调控我们知之甚少。
2.3. 生物钟在植物生物学中的重要性高等植物的生物钟能够调控多种代谢通路[13]。
研究表明,植物生物钟控制光合作用活性、叶片的气体交换、细胞生长、激素应答、营养吸收和基因表达的日长变化[14] [15] [16] [17],生物钟几乎影响植物新陈代谢的方方面面。
植物内源性的生物振荡周期必须与外界生长环境达到最合适的匹配程度,生物钟的准确预测功能对植物细胞的生长和发育有着非常重要的影响。
植物昼夜节律经历多种不同的生活环境而独立的演变出来,这为植物适应环境提供了优势。
2.4. 植物昼夜节律的研究如上所述,植物昼夜节律的特征之一就是在没有外界环境信号的情况下,处于自我维持的节律状态。
因此,研究昼夜节律的方法是在恒定的条件(恒温、恒定光照或黑暗)下来监测植物节律调节的生理或生化情况。
在恒定的条件下,生物钟能够“自由运行”,实验条件被称为“自由运行条件(free running)”。
例如,为研究植物光合作用的昼夜节律,实验中将植物放置于正常光暗循环中培养一段时间,然后测量CO2含量的变化情况。
植物昼夜节律能够被量化的特征,可以作为昼夜节律的指标加以研究。
常见昼夜节律的研究方法就是测量植物组织样品中节律基因mRNA的表达变化。
一般用定量RT-PCR技术来测量节律基因的转录产物的合成量,以此来研究植物的昼夜节律。
类似地,收集组织样品也能够检测昼夜节律的变化,比如蛋白质数量、酶的活性或者代谢物的浓度。
植物昼夜节律的实验通常需要在相当长的时间内在固定时刻进行重复测量。
植物叶片节律性运动是生物钟调控下的外在表现形式,在一定程度上可以反映植物的昼夜节律。
因此,叶片运动分析(The plant leaf movement analyzer, PALMA)也是研究拟南芥昼夜节律的常用方法。
自动化相机的使用能够直接且无害的监测拟南芥幼苗的节律性生长。