落葉中解讀生物節律

俞瀟瀟，王俊杰，趙軍營，蘆娟，陳徵尼，王三英，魏恩東，張文秀

（甘肅省林業科學研究院，甘肅 蘭州 730020）

2021年11月某日，蘭州市。

甲：現在已是隆冬季節，市內很多樹還沒有落葉，為什么？

乙：哪些樹？

甲：國槐Styphnolobium japonicum、刺槐Robinia pseudoacacia、法桐Platanus acerifolia、五角楓Acer pictumsubsp.mono、柳樹Salix matsudana等。

乙：松柏、小葉黃楊Buxus sinica等樹也沒有落葉呀？

甲：是落葉樹沒有正常落葉。

乙：正常情況下，落葉樹入冬前要落盡全部葉片，與動物換上厚實的冬毛正相反。對于那些沒有正常落葉的樹，你認為原因是什么？

甲：我說不上來。所以才來問你。

乙：葉片的作用是什么？

甲：光合作用。我明白了。冬季氣溫低，葉片無法進行正常的光合作用，所以落葉樹脫去全部葉片，以免為保護葉片免受凍傷而消耗營養?，F在那些沒有正常脫落的葉片其實都凍死枯掛在枝頭，完全喪失光合能力，與脫落的葉片一樣。也就是說，寒冷天氣已經幫助那些落葉樹“落”了葉。

乙：是的，該落不落偏執拗，莫怪自然硬剔頭。常綠樹木冬季不落葉，其實葉片處于休眠狀態，休眠前同樣需要一個生理準備期，以避免休眠中受損。蘭州城區小葉黃楊入冬休眠時因缺乏保護，導致葉綠素被光氧化破壞，因而枝梢葉片容易變成褐色[1]。那些該落的葉片是什么時候被凍死的？

甲：沒有太注意。感覺不是最近才凍死的。記得上個月上中旬來過一次寒流，氣溫驟降，像到了冬天一樣。想起來了，就是那次寒流，落葉樹的葉片很快就枯死在枝頭，甚至還保持著青綠色。

乙：保持青綠而干枯的現象稱為青枯，有些病害的典型癥狀就是青枯[2]。不是病害也會造成青枯，樹枝折斷離體，葉片就青枯。這一次不是樹木不落葉，而是寒流提前到來，葉片猝不及防，因而青枯。與青枯相比，正常落葉是一個怎樣的過程？

甲：正常落葉是先變黃再脫落，青枯則是直接干枯。

乙：是的。變黃是怎樣的一種生理過程？

甲：首先是葉綠素失去保護被破壞殆盡，剩下比較穩定的葉黃素使葉片呈黃色。教科書介紹，葉片變黃中還會回收氮、磷、鉀等養分貯存在樹體內供來年發芽展葉。這樣看來，青枯就是葉綠素沒有被破壞，同樣葉片中養分也沒有被正?；厥?，對來年發芽展葉有一定影響。是嗎？

乙：會有影響。不過，養分回收問題偏離了我們的主題，不該再討論。變黃葉片是如何脫落的？

甲：在重力或外力作用下脫落？

乙：的確如此。但是，重力、外力造成落葉，一般人都會想到，要從樹木學專業解釋黃葉的脫落。

甲：風力搖落。黃葉逐漸干枯，葉片與枝條的連接處細胞枯死，粘貼不牢，被風搖落。

乙：青枯葉片也是枯死的，至今仍然掛在枝頭，為什么風搖不落？

甲：青枯葉片與枝條粘貼比較牢固，所以不落。

乙：黃葉、青枯葉都是枯死的，為什么一個粘貼不牢，一個粘貼牢靠呢？粘貼發生在葉柄與枝條相接的地方，就是葉柄基部。葉片變黃過程中葉柄基部發生什么現象？

甲：黃葉形成離層。青枯葉片沒有來得及形成離層。黃葉葉柄基部的薄壁組織細胞分裂產生一群小型細胞，其外層細胞壁膠化，細胞變成游離狀態，造成葉柄與枝條粘貼不牢。這個區域就是離層。

乙：凍死的青枯葉為什么沒有來得及變黃而形成離層？

甲：寒潮來得急，葉綠素還沒有被破壞。所以沒有變黃。

乙：變黃的葉片怎么知道要冬季來臨形成離層而主動脫落？

甲：氣溫降低造成葉黃素增多，葉綠素減少。

乙：秋季氣溫晝夜之間變化比較大，深秋和入冬時日溫差相近。葉片被動地響應氣溫變化就會無所適從。那么，葉片通過什么途徑主動感知冬季的到來呢？

甲：日照時間長短決定光合作用的時間，葉片因而感知冬季的到來。

乙：葉片能記錄光合時間的長短嗎？

甲：不能。因為光合作用是被動的響應過程，記錄光照時間長短對光合作用沒有意義。

乙：那么，葉片又是如何計量日照長短的？

甲：計時就像時鐘那樣一圈一圈地轉吧？

乙：一圈一圈地轉，用專業術語怎么說？

甲：周期。

乙：什么周期？

甲：日照周期。

乙：日照周期？專業術語怎么說？

甲：光周期。光周期指隨季節輪替而周期性出現的日照長度，光周期現象則是植物對光周期的響應，決定著葉片脫落等一系列生理過程，從而響應季節輪替。

乙：光周期現象最早由加奈（Garner）和阿拉德（Allard）在1920年報道[3-5]。二人田間試驗種植煙草Nicotiana tabacum新品種“馬里蘭巨象”（MarylandMammoth），生長茂盛卻一直沒有開花，越冬前移入溫室，不久后意外觀察到現蕾開花，經過一系列試驗排除氣溫、光強、光質等因素，確認“馬里蘭巨象”開花需要短日照，認為開花的決定因素是光周期。1924年，二人又提出短日植物在日長變短時開花，長日植物在日長變長時開花，中性植物開花與日長無關[3]。意外往往意味著重大發現，落葉樹未正常落葉也屬意外，這才有了我們的討論，對意外現象不宜熟視無睹。繼續我們的討論，光周期如何決定落葉？

甲：光周期使樹木感知白晝時間變短，預判冬季來臨，從而轉入落葉生理期，開始形成離層。寒流來時白晝較長，樹木沒能預判到冬季來臨，沒能轉入落葉生理期，葉片因而被凍死青枯在枝頭。

乙：樹木落葉在日長變短時開始，屬于短日光周期現象。樹木如何感知晝夜交替？或者說，光周期現象的生理基礎是什么？

甲：書上好像沒有講？

乙：教科書沒講，就要查閱科研文獻。查閱文獻是科學研究的開始，從教科書的專業術語出發，可以極其便捷地在文獻網站上搜索到全部相關成果，梳理出該領域研究歷史，推進到科學前沿。1938年，哈姆納（Hamner）和邦納（Bonner）發現使用弱光打斷暗夜期可以阻止短日植物開花[6]，說明短日植物開花的決定因素是黑夜長度，而不是以往所認為的白晝長度。1945年，博思威克（Borthwick）等人發現600～680 nm紅光打斷短日植物的暗期最有效；1952年，博思威克等人發現660 nm紅光促進種子發芽的效應可被730 nm遠紅光抵消，并發現紅光與遠紅光控制開花的效應類似，為此設想植物體內存在紅光-遠紅光可逆轉換色素，其紅型無活性，吸收紅光變為遠紅型，遠紅型有活性，吸收遠紅光變為紅型[5,7]。1959年，巴特勒（Butler）從黃化玉米Zea mays苗中提取獲得光敏色素（phytochrome），與博思威克等人設想的特征完全吻合[5]。光照條件下，遠紅型反饋抑制光敏色素的合成，黑暗中則被緩慢降解，或者緩慢轉變為紅型[5-6]。光敏色素廣泛存在于植物中，在黃化植株中含量豐富，調控種子萌發、下胚軸形成、幼苗去黃化、節間伸長、根原基形成、葉的發端和生長、小葉運動、葉綠體運動、芽休眠、性別分化、根莖形成、鱗莖形成、坡根形成、膜透性、向光性、向地性、花青素合成、開花等過程。遠紅型光敏色素結合某些代謝產物形成復合體引發生理效應[5-6]?？傊?，植物通過光敏色素感知晝夜交替。

甲：我家對面住戶喜歡多肉植物，晚上補光特別明亮，影響我們必須戴上眼罩才能入眠。這也是光周期現象嗎？

乙：是另一種光周期現象，不同于光敏色素調節的過程。人腦松果體分泌褪黑素（melatonin）誘導鎮靜、降低體溫等與睡眠有關的生理變化[8]。褪黑素也存在于植物體內[9]，能提高植物抗逆性[10]。褪黑素白晝分泌量少，夜晚分泌量多，夜間光照會抑制褪黑素分泌，其光信號受體為隱花色素（cryptochrome）[11]。隱花色素是藍光受體[12]，在藍光區有3個吸收高峰，在紫外光A區有1個吸收高峰[6]。早在1909年，布勞（Blaauw）就發現在引發生物向光反應中藍光最有效，紅光無效[13]。隨著光敏色素研究的深入，1970年代藍光調節隱花植物生長發育的研究積累起大量資料，1979年，在沒有提取獲得具體物質的情況下，格塞爾（Grssel）提出隱花色素概念[6,10]。1980年克尼富（Koornneef）獲得一批喪失或削弱藍光響應的擬南芥Arabidopsis thaliana突變體；1993年，艾哈邁德（Ahmad）和卡什莫爾（Cashmore）在擬南芥突變體中克隆出第一個隱花色素基因，此后又陸續獲得2個隱花色素基因[14]?，F在已知隱花色素廣泛存在于從藍藻、真菌到動植物中，而光敏色素則廣泛存在于動植物中[11]，在植物中還發現一種紫外光B區光受體[15]。隱花色素調節植物莖伸長、葉片伸展、向光性、葉綠體發育、氣孔開閉等過程?？傊?，動植物擁有相同的光受體，因而能夠在秋末換毛或落葉，準備越冬。秋季白晝越來越短，要感知季節輪替必須計量晝夜的長短。那么動植物又是怎樣計量時間的呢？

甲：生物鐘。想起來了，書上講過生物鐘。動植物通過光受體感知晝夜交替，結合生物鐘計時，就能感知晝夜長短，從而主動響應季節輪替。

乙：知識用來解釋客觀現象，解讀信息，不用就會忘記。晝夜交替源自地球自轉，四季輪替源自傾斜的地球環繞太陽公轉，生物鐘的發現確實與天文有關。從17世紀開始，利用古代觀察資料，天文學家計算發現地球自轉速率一直在減慢，日長增加，周年日數減少[16]。1960年，在《地球的自轉》一書中，作者感嘆：“日長在地質時代的變化沒有任何化石證據?！?963年3月，威爾斯（Wells）報道，利用珊瑚化石表壁環隆和環脊數量證明，4.2億年前的泥盆紀每年有396日，完全符合天文學推算。珊瑚表壁沉積碳酸鈣白晝多，夜晚少，夏季多而冬季少，因此一日生成一個環脊，一年生成一個環隆[13]。

甲：就像樹木的年輪？

乙：是的。但樹木年輪不是生物鐘本身，珊瑚環隆和環脊也不是，而是生物鐘的記錄。

甲：古生物學家就是從珊瑚環隆和環脊上發現生物鐘的呀？

乙：照片不是人，心電圖不是心電活動，記錄不是事實本身。很多人把記錄等同于事實，在論文中只會閱讀數據比較數值大小，而沒有解讀數據揭示事實。例如，試驗數據顯示，果樹施肥時產量比不施肥高，這是記錄，事實則是施肥有效提升了果實生產性能。這類問題非常嚴重，以至于很多人分析數據時總感覺無從下手。繼續討論生物鐘。樹木年輪是細胞結構，不能反映珊瑚環脊那樣的日生長量，只能記錄季節性生長量。春季生成的木質粗疏，稱為春材；秋季的木質致密，稱為秋材。年際間的春材、秋材交界就是年輪線，肉眼可辨。心電圖不是心臟電活動本身，是心臟電活動的記錄，同理，樹木的年輪、珊瑚的“日輪”都不是生物鐘本身，而是生物鐘的記錄。1959年，哈爾伯格（Halberg）提出晝夜節律概念，指生長發育以24 h為周期的變化現象，動植物晝夜節律變化多達數十種[13]。年輪反映的就是年節律，海洋生物還有月、潮汐等節律，反映在形態、解剖、細胞、生理和分子等多個水平上。我國的二十四節氣就是天文、季節、氣候、物候的綜合節律，能夠有效指導農業生產。問題是生物節律是生物固有的，還是僅僅響應環境變化而表現出來的？是內在的還是外在的？

甲：固有的，內在的。

乙：理由？

甲：心電活動就是一種節律。毫無疑問，心電活動是固有的、內在的。

乙：人們曾經認為天鵝都是白的，結果被一只黑天鵝給否定了。心電活動只能說明有些生物節律是固有的、內在的，但不能類推出生物節律都是固有的、內在的，不能因此推定生物體內有一個嘀嗒作響的時鐘。18世紀中葉林奈（Linnaeus）總結發現植物按一定時間間隔開花，提出“花鐘”概念，19世紀達爾文等人又發現多種生物節律，20世紀人們發現生命活動普遍具有節律性，引發了一場關于生物節律成因的大討論，內生論者認為成因是內在因素，外生論者認為是外界因素，調和論者認為既有內因又有外因[13]。

甲：這樣的大討論有什么意義？

乙：意義巨大。首先，這場大討論有助于深化對生命本質的認識。內生論的本質是認為生物能夠主動適應環境的節律性變化，生命運動是在預判變化基礎上的主動適應過程；外生論的本質是認為生物只是被動響應環境的節律性變化，生命運動是環境變化的被動響應過程；調和論者其實在回避矛盾，在學術上和稀泥，有害無益。其次，大討論促使辯論雙方各自努力尋找新證據。外生論者認為除了光信號之外，溫度、宇宙射線、引力、太陽黑子都可能作為授時信號驅動生命活動呈節律性[13]；內生論者需要尋找支配生物節律的內在因素，即基因。

甲：基因？生物節律、生物鐘是基因決定的？

乙：是的。1971年，克那普卡（Konopka）等人利用甲基磺酸乙酯（Ethyl methane sulfonate，EMS）誘變果蠅，篩選出3個突變型，其中一個日節律周期長19 h，一個28 h，一個失去日節律。1984年，人們克隆出果蠅相應突變型的等位基因，并試驗證明導入正?；蚝笸蛔冃突謴驼Ｈ展澛蒣18]。后來克隆出生物鐘基因的3位科學家獲得諾貝爾獎，而撬動瓶塞的克那普卡因為早逝未能獲獎[19]，令人扼腕。

甲：這么簡單，生物鐘只有一個基因？

乙：是一系列基因。在模式植物擬南芥中發現其生物鐘核心振蕩器至少由13個基因構成，是一個復雜的多重反饋調控網絡[20]。甲：核心振蕩器？生物鐘還有其他部分？

乙：是的。生物鐘由三部分組成：一是輸入途徑，由光敏色素、隱花色素、未知受體和傳入路徑組成，受體接受光、溫、養分等環境信號，調節相關基因的表達，矯正節律位相，傳遞給第二部分；二是核心振蕩器，產生近24 h節律振蕩信號，并反饋調節輸入途徑；三是輸出途徑，由信號輸出相關基因組成，傳遞振蕩信號到達效應器官，調節其生理、生化和行為，并反饋調節核心振蕩器[16,21]。核心振蕩器又由中心循環、早晨循環和傍晚循環組成，每個循環都是一組基因的轉錄-翻譯反饋環路，其中一個基因小家族的5個成員從早晨開始依次表達，間隔2～3 h，如同音樂五重奏型時辰計量器[16,22]。

甲：真巧妙！動物和植物的生物鐘一樣嗎？

乙：不一樣。1）隱花色素是動物核心振蕩器的組分，但尚未確定是否為植物生物鐘的組分[11]；2）植物中有一個功能不明的紫外光B區信號受體，動物中尚無其存在證據；3）哺乳動物在下丘腦的視交叉上核有一個主時鐘，主時鐘協調其他組織或器官的時鐘，植物則有兩個主時鐘，分別位于根尖和莖尖，兩者周期長短不同，相位不同[23]；4）植物生物鐘還會受溫度、氮養分和鐵離子等因素調控[16]，并參與植物體對生物脅迫和非生物脅迫應答的晝夜節律性調控[18]。

甲：看來植物的生物鐘比人造鐘表更復雜更精巧，完全可以計量晝夜長短，預判季節輪替，樹木因此在冬季來臨時落葉，常綠樹木則調節葉片休眠，表現出對環境節律的主動適應現象。一個簡單的末正常落葉現象，竟然引出這么深奧的科學原理，真沒想到！

乙：細微之處見精神，每下愈況。莊子說要看豬的肥瘦，最好從豬的小腿上看起，小腿不易長肉，從小腿上能最明顯地判斷豬的肥瘦。因此，越是低微之處，解讀到的道理越深奧。其實，樹木落葉問題還沒有圓滿地徹底解決。

甲：還有什么沒有解決？

乙：其一，五重奏型時辰計量只是一個大概輪廓，其精細的分子機制還需深入研究。其二，兩天之間晝夜長短的變化量只有幾分鐘，生物鐘要比較白晝變短或黑夜變長，其時間計量精度必須達到分鐘級，時辰計量太粗略，不足以比較晝夜長短。其三，要比較晝夜長短變化，必須記憶晝夜長短，否則就沒有比較基礎，而這種分子水平上的晝夜長短的記憶就目前而言幾乎無法想像。

甲：以前人們燒香計時。植物體內會不會也像燒香一樣：在晝夜交替時開始降解一種大分子，到再次晝夜交替時，降解的長度就是晝或夜的長度？

乙：好想法！這種燒香模型容易實現，生理化學反應都由酶來調控速度，很容易實現燒香式計時。由秋入冬，黑夜變長，長到臨界值，樹木轉入落葉期。植物體內如果“燒香”計時，就需要在“分子香”上刻下一個臨界值標記，從而判斷冬季來臨。但是，這種亞分子水平的標準時刻，目前同樣難以想像。與此類似，還有人提出過沙漏模型[4-5]。早晨，植物體內的紅型光敏色素吸收紅光轉換為遠紅型；傍晚，被陽光加熱的物體輻射遠紅光而降溫，遠紅型光敏色素一部分吸收遠紅光逆轉為紅型，剩余部分在黑夜中自發轉換為紅型，或者被緩慢降解。黑夜中光敏色素的遠紅型與紅型就像沙漏計量夜長，遠紅型/紅型比值小到臨界值就標示冬季來臨。同樣，沙漏模型也需要分子水平上的比值的標準刻度，還需要計量比值，機制更加復雜，更難想像。

甲：??？還有這么多難題！

乙：知識是一個圓圈，圈內為已知，圈外為未知，圓周外側鄰近帶為已經明確的未知，具體化以后就是各種難題，更遠處則為完全無感的未知。圈越大，難題越多。不在已知的圈中游走一番，就不明白自己的未知，更觸摸不到科學前沿。同樣，我們不討論落葉問題，就不知道生物鐘研究尚待解決的難題。生物鐘的作用機制是輸入途徑接受環境授時信號，核心振蕩器響授時信號產生節律信號，輸出途徑傳遞節律信號調節目標器官行為[16,18]，由此可見，生物體并非用生物鐘計時，而是用來開閉相關生理生化過程，調節相關節律性活動，以與自然節律合拍。日節律由日生物鐘調節，可以合理推測年節律由年生物鐘調節，燒香模型或沙漏模型中的標準刻度可能就是年生物鐘的調節機制所在。

甲：年生物鐘調節？這樣的解釋簡潔明了，容易理解。

乙：簡約而不簡單。奧卡姆剔刀原理認為，一個理論或者猜想越簡約越好。樹木生長發育的年節律非常明顯，春天發芽抽枝展葉，然后開花結果，秋天果實成熟，繼而入冬休眠。其實還有看不到的年節律。樹木春天發芽后生長非常迅速，其高、徑年生長量中春天占了大部分，如此大的生長量必須以營養貯存為基礎?！皸Ｌ乔蹦Ｐ驼J為，樹木生長季后期，光合作用生產的糖分營養主要用于貯存以供應來年生長，貯存途徑是形成新木質部，即秋材，把糖分營養貯存在秋材薄壁細胞組織中，后者即為糖棧，如同貨棧一樣在需要時釋放營養[24]。初秋高溫天氣會灼傷葉片，導致同位腋芽發育不良而來年不能萌發[25]。也就是說，樹木休眠準備其實早在夏末秋初就開始了。很多樹木頭一年進行花芽分化，以備來年開花結果，而花芽分化期也集中在夏末秋初，或有所提前。有些果樹花芽分化時正值果實生長期，兩期重疊，果實生長和花芽分化都屬于生殖生長，營養競爭激烈，可能就是大小年乃至生理落果現象的原因。營養貯存、花芽貯備都是來年所需，缺少年生物鐘的調節，這類年節律極可能陷入紊亂，連大小年和生理落果都可能失控。推測樹木年生物鐘輸入途徑主要由溫度受體基因組成。2010年英國科學家發現一種組蛋白是植物的“溫度計”，環境溫度較低時，該蛋白會綁定DNA抑制一些基因表達；當溫度升高時該蛋白松綁DNA，相關基因得以表達[26]，編碼該蛋白的基因很可能就是植物年生物鐘的組分之一。樹木春季發芽之前，首先是根系感受到土溫升高后開始活動，啟動樹液流動，根尖合成釋放細胞分裂素向枝條運輸，刺激后者發芽[27,28]。年生物鐘還可能接受土壤氮養分信號。在樹木育苗生產中，秋季追施氮肥會導致苗木貪青徒長而不利于越冬，可能就是氮肥干擾年生物鐘的結果。還曾觀察到刺槐行道樹修枝后新生的萌蘗枝條同樣貪青徒長，葉片不能正常脫落，最終被凍死青枯在枝頭[29]。碳氮比是果樹花芽分化研究中的一個重要假說，認為多碳少氮的體內環境有利于花芽分化[30]，其本質可能也是體內氮信號對年生物鐘的反饋調節作用。

甲：??？年生物鐘能解釋這么多樹木學現象？

乙：年生物鐘還只是猜想，但它至少統一了許多樹木學現象和多種假說，具有更強更廣泛的解釋力。目前生物節律研究主要集中在擬南芥、水稻Oryza sativa等模式植物上，多屬草本植物，開花結果后死亡。朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，要證明年生物鐘需要尋找適宜模式樹種開展基礎研究，需要我們勤觀察思考，尤其注意那些異?，F象，為年生物鐘模式樹種的選擇積累資料。進一步，還可以把年生物鐘和日生物鐘統一為生物鐘，從而在更高層次上概括生物主動適應行為的本質，揭示生命的本質。

甲：生物主動適應的本質是什么？

乙：對表！生物向大自然的節律對表。萬物生長靠太陽，更要靠太陽對表。生物必須識時務，應時而動即生存。