野生阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）的生物時鐘差異

 

阿拉伯芥。圖片來源：維基百科

阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana，又名擬南芥）因為植株小、種子多、基因體小、生命週期短、基因中內含子（intron）不長，在最近這幾十年來成為很受歡迎的模式植物（model plant）。這種原生於歐亞非三洲溫帶的野草，在野外也存在著不少的生態型（ecotype）。

收集阿拉伯芥在野外的生態型並進行研究，已成為瞭解基因功能的方法之一。最近英國的研究團隊研究在瑞典收集到的191個阿拉伯芥的生態型，找到一個對生物時鐘（circadian rhythm）影響相當大的基因。

研究團隊先在攝氏22度下將幼苗於12小時光照/12小時黑暗的循環下培育到14天大，接著便以24小時光照的狀況於攝氏22度下觀察植物的生物時鐘。結果發現不同生態型的阿拉伯芥的生物時鐘長度差異可達4.42小時：最長的為25.7小時、最短的為21.28小時。

綜合觀察發現，具有短週期的植物多半分布在北方，具有長週期的植物多半分布在南方。植物所在的海拔高度，對週期的長短沒有影響。南方的植物遺傳多樣性較高，基因體較小；北方的植物遺傳多樣性較低，基因體較大，且有較多的抗旱基因。研究團隊認為，遺傳多樣性的不同可能是因為過去冰河曾覆蓋北方較久的緣故。

進一步研究週期最長與最短的生態型發現，一個稱為COR28（cold-regulated gene 28）的基因在第58號胺基酸上的不同，對於週期的長度有很大的影響。由色胺酸（tryptophan，W）變為絲胺酸（serine，S）使得週期長了1.29個小時。這個基因在阿拉伯芥中過去曾發現與開花時間、抗凍以及生物時鐘有關。從色胺酸到絲胺酸的改變，不僅造成週期變長，開花時間也變晚了。

近年來的全球暖化，造成植物可在更高緯度的區域生長；但是更高緯度的區域其日照週期較長，對許多農作物的生長發育會造成影響。這個研究找到了單一基因可影響生物時鐘的長度，未來或許可進一步應用在作物的改良上，讓更多的作物可以在北方生長茁壯。

參考文獻：

Hannah Rees, Ryan Joynson, James K.M. Brown, Anthony Hall. Naturally occurring circadian rhythm variation associated with clock gene loci in Swedish Arabidopsis accessions. Plant, Cell & Environment, 2020; DOI: 10.1111/pce.13941