董欣年院士Nature发表重要研究成果：双重生物时钟

　　

生物通报道  时间管理不只是对忙碌的人们才显得重要，对于植物也是如此。杜克大学的一项新研究揭示了两个生物时钟是如何协同发挥作用，在帮助植物应对诸如真菌感染等间接性需求的同时，遵守排的满满的日常生长活动时间表的。

研究人员还鉴别出了一种可感知一个时钟“滴答声”紊乱，由此使得另一个时钟排紧时间表的一个基因。他们的研究成果发表在6月22日的《自然》（Nature）杂志上。

领导这一研究的是杜克大学知名华人女科学家董欣年（Xinnian Dong）教授，其早年毕业于武汉大学, 在哈佛大学完成博士后研究，2012年当选为美国国家科学院院士。董欣年院士主要研究方向为水杨酸和茉莉酸介导的信号转导途径及其相互作用机制（延伸阅读：董欣年院士Nature文章揭示重要受体 ）。

从动物每日的睡眠/唤醒周期和体温的波动，到植物的生长和光合作用，所有生物都拥有一个内部时钟，使得它们能够按24小时昼夜周期来协调它们的行为和生理。

植物防御也不例外。在以往的一项研究中，董欣年和同事们发现许多的真菌有可能会在早上释放它们的孢子来发动攻击，而植物也会在早上增强它们的防御来抵抗潜在的真菌感染。

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这些以及其他的日常节律被认为是由一些“早晨基因”和“夜晚基因”振荡激活所驱动。在每天的伊始早晨基因生成的一些蛋白质会抑制夜晚基因，但当这些蛋白质开始在细胞内累积时它们最终会关闭自身。早晨蛋白的水平会在一天接近结束之时下降，转而激活夜晚基因，构建出一个连续不断的24小时环路。

从人类到藻类的生物体还有另一个不依赖于节律性基因表达来守时的时钟，它转而利用了作为代谢自然副产物的活性氧分子的升降。

研究人员早在数年前就知道了两种守时机制，但却不清楚两种时钟联系的机制，以及生物体拥有这样两种时钟的原因。

董欣年说：“最基本的问题是：为什么一个‘房间’中需要两个时钟？”

在她们的实验中，杜克大学的共同作者Mian Zhou和Wei Wang用水杨酸处理了拟南芥，植物利用这种阿司匹林样的化合物来对抗感染。

水杨酸处理扰乱了植物细胞中活性氧分子的正常日常波动。但研究人员惊讶地发现，拟南芥的生物钟基因只是以相同的规则的节奏生成了更多的蛋白。

论文的共同作者、杜克大学生物学和物理学助理教授Nicolas Buchler说：“它们几乎与以往一样守时。”

Buchler和他的研究生Sargis Karapetyan随后利用了一种数学模型来解释这一现象。他们发现既没有加快也没有减慢运转，用水杨酸处理的拟南芥只是更强有力地激活了它们的“早晨”时钟基因和“夜晚”时钟基因。

研究人员还发现一种叫做NPR1的基因连接了两个时钟，使得它们能够协同发挥作用。就像一个分子恒温箱，NPR1可以感知植物活性氧时钟“滴答声”的改变，做出响应上调另一时钟中的“早晨”和“夜晚”基因。

最终的结果就是，植物的免疫系统在早晨时更好地为真菌攻击做好了准备，但在夜晚对更易受到感染——这大概是为了减少在黎明前发生的病原体防御与生长之间的相互干扰。

董欣年说：“如果植物在错误的时间激活防御，植物的生长就会受损。”

她们的下一步将失活这一NPR1恒温器看看植物节律将作何反应。

董欣年说：“有时有一套太过严格的时间表并非好事。但当你越忙之时，遵守时间表，将竞争性任务协调至一天不同的时间段就越是重要。”

（生物通：何嫱）

作者简介：

董欣年

浙江宁波人，生于学术世家。父亲是有“一代经济学泰斗”之称的董辅礽。母亲刘蔼年，是中国著名眼科医生、教授。一家都是武汉大学校友。其中董辅礽1946年毕业于国立武汉大学，后来成为武大教授和经济系主任。母亲刘氏1949年毕业于武大，曾是解放军海军总医院眼科主任。有弟董欣中，美国约翰霍普金斯大学神经生物学教授。丈夫王小凡，是董欣年在武大的同学，与董欣年同为杜克大学教授，任教于药理系。

董欣年1978年考入武汉大学生物学系，1982年，获武大学士。参加首届“中美生物化学联合招生项目”（CUSBEA，发起人为吴瑞教授），获得留美资格。丈夫王小凡为在同届CUSBEA考试中获得第一名。夫妻双双留学美国。1983年至1988年，就读于美国西北大学（位于芝加哥），获得分子生物学哲学博士。1988年至1991年，在哈佛大学医学院从事博士后研究。自1992年起，历任杜克大学生物系助理教授、副教授、教授。

主要研究领域为植物分子生物学和生理学，特别是水杨酸和茉莉酸在植物细胞内和体内的信号转导途径，及其相互作用的机制。

生物通推荐原文摘要：

Redox rhythm reinforces the circadian clock to gate immune response

Recent studies have shown that in addition to the transcriptional circadian clock, many organisms, including Arabidopsis, have a circadian redox rhythm driven by the organism’s metabolic activities1, 2, 3. It has been hypothesized that the redox rhythm is linked to the circadian clock, but the mechanism and the biological significance of this link have only begun to be investigated4, 5, 6, 7. Here we report that the master immune regulator NPR1 (non-expressor of pathogenesis-related gene 1) of Arabidopsis is a sensor of the plant’s redox state and regulates transcription of core circadian clock genes even in the absence of pathogen challenge. Surprisingly, acute perturbation in the redox status triggered by the immune signal salicylic acid does not compromise the circadian clock but rather leads to its reinforcement. Mathematical modelling and subsequent experiments show that NPR1 reinforces the circadian clock without changing the period by regulating both the morning and the evening clock genes. This balanced network architecture helps plants gate their immune responses towards the morning and minimize costs on growth at night. Our study demonstrates how a sensitive redox rhythm interacts with a robust circadian clock to ensure proper responsiveness to environmental stimuli without compromising fitness of the organism.