时差植物为第一个数字工厂铺平了道路

科学家们通过开发复杂的计算模型向建造世界上第一个数字植物迈出了重要的一步，该模型还解决了植物科学中最持久的谜团之一——生物钟的作用。

任何患有时差反应的人都可以识别生物钟被破坏的破坏性影响。现在一项新的研究表明，当植物的时钟不同步时，植物也会受到影响。

通过创造一种永久性时差植物——相当于每天从纽约飞往英国——研究人员发现，破坏植物的生物钟会影响它们的生长。该团队还创建了“时差”植物的计算机模型，该模型能够准确预测对生长的影响，并揭示哪些分子途径受到错误时钟基因的影响。

这一进展代表了在创造复杂的多细胞数字生物方面向前迈出的重要一步——这是在单细胞微生物之外很少能实现的壮举。

这种已经讨论了十多年的方法应该很快就会扩展到其他时钟调节的途径，并导致对更广泛的植物生物学的新见解，这可能有助于提高作物产量和适应力，以更好地应对气候变化。

所有植物都有一个生物钟，这是一个分子计时系统，可以检测环境的变化，让植物为从黄昏到黎明以及从季节到季节的变化做好准备。尽管每个植物细胞似乎都有自己的时钟，控制着大约30%的基因，但人们对它们在植物生长中的作用知之甚少。

为了解决这个问题，爱丁堡大学的研究人员调查了拟南芥时钟基因突变的影响，这是一种广泛研究的植物物种。时钟突变植物使研究小组能够研究时钟基因是否参与植物夜间释放储存在淀粉中的糖，从而促进它们的生长

植物需要仔细管理它们在白天通过光合作用捕获的能量。在一夜之间过快或过慢地从淀粉储存中释放糖分会阻碍它们的生长。科学家们研究了拟南芥植物的生长，这些植物的时钟基因发生突变，导致时钟运行得太慢——就好像一天是29小时而不是24小时一样长。

在这些突变体中，夜间从淀粉中释放糖的速度比正常植物慢，并且生长减少。

他们还创建了这些时钟突变体的计算模型，称为框架模型，它将时钟基因活动的数学模型与代谢和生理模型相结合。结果表明，框架模型准确地模拟了对植物生长的影响——正确地预测了时钟突变体在夜间从淀粉中缓慢释放糖分是减缓其生长的原因

这些发现与早期对其他时钟突变体的研究形成对比，后者表明生物钟被破坏通过影响光合作用的关键过程来中断植物生长。除了揭示植物24小时时钟的作用外，该框架模型还能够通过可测量的分子途径将基因与其对整个植物的影响联系起来——这是遗传学中的经典挑战。

这一成就相当于理解了一种由基因变化引起的人类健康综合症，这种基因变化会微妙地影响多种生理途径。

该团队的下一步是使用拟南芥框架模型来预测植物的基因组序列如何控制这些物理特征和性状，即其表型。如果成功，该方法可以得到更广泛的应用，并导致人们对生物学的“大统一”理解——揭示基因组与其创造的生命系统之间的相互作用。

使用这种旨在预测生命系统如何工作的方法，可以开发类似的模型来帮助理解基因组测序的进步产生的大量数据集。这种类型的进步还可以揭示分子结果的复杂性，以破译哪些是最重要的，并且对生物体的健康和疾病影响最大。

爱丁堡大学生物科学学院的AndrewMillar教授说，“框架模型的成功表明，我们可以理解整个植物水平的微妙影响，在这种情况下，仅仅通过改变基因表达的时间。”理解'我们的意思是'解释和预测'。并非该模型的所有细节都将转移到作物物种，但它扩展了'原理证明'以在分子水平上为作物改良提供信息。“