了解植物生物钟如何帮助改变食物的种植方式

你有过严重的时差反应吗?那种可怕的感觉，当你从长途航班下车时，你的身体告诉你该睡觉了，但外面的世界却告诉你该吃早餐了?这就是体内生物钟(也称为生物钟)的生物学效应。

植物、真菌甚至一些细菌也有昼夜节律。尽管植物不会跳上国际航班，但任何具有生物钟的生物体都有可能出现时差反应。这不仅仅是一个有趣的事实：我们可以利用这些信息提高农作物的产量并解决粮食安全问题。

关于植物内部生物钟的第一份报告可以追溯到古希腊，当时一位船长研究了罗望子树叶子每天的开合情况。1700年代，法国科学家Jean-Jacquesd'OrtousdeMairan对植物昼夜节律进行了首次系统观察，他研究了含羞草(一种豌豆科植物)叶子的开合节律。

DeMairan注意到，即使工厂处于持续黑暗中，这些循环也会持续存在。这表明叶子的运动不是对光照条件变化的反应，而是由植物本身控制的。这是昼夜节律的定义。

植物如何报时

我们现在知道这些节律是由每个植物细胞内的遗传网络控制的。大约有20个基因控制着植物的昼夜节律。这些基因在复杂的电路中相互开启和关闭，产生24小时的节律。

该控制电路还激活植物基因组中的其他基因。一些基因在黎明时被激活，随后是上午晚些时候需要的基因，但在下午被关闭。例如，与光合作用相关的基因通常在早晨被激活以充分利用日光，而与生长发育相关的基因通常在夜间活跃。

实验室实验表明，如果这些昼夜节律控制基因中的任何一个发生突变(这意味着它们的基因序列被改变，以至于它们不再正常发挥作用)，那么植物的时钟可能会加快以提供更短的节律，减慢以提供更长的周期，或完全停止运作。

具有突变昼夜节律基因的植物不仅时钟变快或变慢，而且它们的光合作用、生长和繁殖能力也受到损害。生物钟失调的植物在实验室条件下只能长到正常植物的一半大小。

科学家在植物中观察到的几乎每个过程都在某种程度上受到内部时钟的调节。它控制着叶子下面气孔的开合、光合作用中的气体交换、枝条和根的生长、季节性开花以及植物和食用它们的动物之间的“化学战”。这是当一些植物产生对动物有毒的化学物质时。

虽然大多数关于植物昼夜节律的研究都是在实验室进行的，但人们越来越关注如何将其应用于农业以应对全球粮食安全的挑战。

适合未来

全球变暖正在削弱土壤健康并杀死传粉者，而极端天气和战争是推高食品价格的因素之一。因此，这项研究可能对我们的生存至关重要。

更多地了解植物的生物钟可以显着提高作物产量并控制植物开花的时间以适应气候变化。例如，多项研究发现，植物对除草剂的敏感性取决于一天中使用除草剂的时间。由于许多植物具有相似的生物钟，我们可以将实验室发现应用于作物物种。

几项研究表明，时钟基因的自然改变与农业突破有关。例如，西红柿最初是在中美洲种植的，那里一年中的白昼长度变化不大。当人们开始在更北纬地区种植驯化番茄时，他们无意中选择了一个具有自然突变的品种，导致时钟变慢。这意味着番茄植物能够更好地利用更长的夏日并进行更长时间的光合作用。

此外，由于生物钟相关基因的遗传差异，春季(春季播种)和冬季(秋季播种)大麦在一年中的不同时间开花。因此，农民在特定季节播种同一作物的不同遗传品种，以最大限度地提高生产力。

随着室内垂直农业的发展，人们对了解植物对光的昼夜节律反应产生了浓厚的兴趣，以便设计照明系统以最大限度地提高生长速度，同时降低能耗。这是因为室内垂直农业可以完全控制照明，这与我们在室外或室内种植植物不同。了解植物的内部节律可能有助于优化植物生长，控制浇水的最佳时间，并指示何时使用肥料或其他农业化学品。

植物比许多人意识到的要复杂得多(也许更像我们)。在过去的25年里，对生物钟的遗传控制机制进行了大量研究。现在的挑战是将这些知识应用于农业。

确保我们以这种方式了解植物符合我们的利益，因为我们可以利用这些知识更好地种植我们的食物并使我们的作物更具弹性。