生物钟作为内源性的计时系统，使植物能预判昼夜更替，提前调整光合作用和生长发育等一系列生理活动，从而更高效地利用资源、抵御逆境。在拟南芥等双子叶植物中，研究者常通过追踪叶片运动或生物发光酶成像来监测节律。然而对水稻等单子叶作物而言，上述传统节律监测方法因叶片直立的特点而难以奏效。更为关键的是，作物生物钟研究长期受制于遗传材料匮乏、基因组结构复杂以及时程转录组测序和分析成本高昂等瓶颈，环境因子对其节律调控的影响及关键位点尚不明确。与此同时，公共数据库中积累的大量水稻转录组数据也因缺乏合适的分析工具而未能充分释放价值。这些因素共同制约了基于生物钟性状的水稻育种改良。
近日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心王伟研究团队、首都师范大学周冕研究团队联合中国科学院北京基因组研究所章张研究团队，在Science Advances在线发表了题为SPIRAL: A versatile online single time-point circadian analysis platform for rice的研究论文。该研究开发了名为SPIRAL（Single time-point circadian analysis）的在线单时间点生物钟分析平台，通过整合公共数据库中大量水稻转录组数据与优化的分子时刻表算法，实现了对水稻生物钟节律的高效、灵敏检测，为作物生物钟与环境互作研究提供了全新工具。
研究团队以公共数据库中水稻转录组数据最具代表性的实验条件为基础（日本晴V4期叶片），结合高时间分辨率的转录组测序和分子时刻表法，构建了水稻标准分子时刻表，为水稻生物钟的研究提供了统一的时间参照系。在此基础上，研究团队进一步通过实验推导与算法优化，以及对其普适性的原理验证，成功开发了基于水稻标准分子时刻表的单时间点生物钟节律在线分析平台SPIRAL。该平台采用交互式界面，支持对公共数据库中的数据以及用户自行提交的转录组数据进行跨平台分析（图1）。
图1 生物钟在线分析平台（SPIRAL）界面架构及功能示意
研究团队依托SPIRAL平台数据分析结果，发现水稻品种日本晴的内源生物钟节律周期约为28小时，并通过多重独立实验验证了这一结论（图2）。研究团队推测，该长周期特征可能与栽培稻在漫长驯化与选育过程中，为适应从北纬18°至53°的广阔种植区域而产生的遗传多样性有关。鉴于植物开花时间与生物钟的内在关联已被证实，水稻抽穗期的丰富遗传多样性很可能与不同品种间生物钟周期的变异密切相关。具有较长周期的植株往往更适应长日照环境，因此，后续通过测定其他水稻品种的生物钟周期，将有助于为具有不同内源节律特性的品种优化适宜的种植区域。
图2 水稻日本晴持续条件下叶片中生物钟节律参数分析
最后，研究团队还通过多个案例展示了SPIRAL的应用价值：一是可定量评估生物钟节律对非生物胁迫的敏感性；二是可精准定位缺氮等胁迫开始干扰生物钟节律的时间节点，且其时间分辨率优于现有方法；三是可通过双因素分析筛选生物钟与胁迫响应的关联候选基因。
综上所述，该研究通过生物信息学大数据挖掘与实验验证相结合的手段，完成了水稻生物钟标准分子时刻表的构建，搭建了界面友好的单时间点生物钟节律在线分析平台SPIRAL。同时，依托SPIRAL平台在大规模转录组数据整合与可视化分析方面的优势，初步解析了非生物胁迫信号对水稻生物钟的影响，为作物生物钟研究提供了有益的切入点，也为推动作物适应性研究与时间耕作学（Chronoculture）领域的科学发现提供有力支撑。
北京大学生命科学学院、基因功能研究与操控全国重点实验室、北大-清华生命科学联合中心王伟研究员为论文通讯作者。北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生师亚波（已毕业）为论文第一作者。中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）章张研究员、邹东高级工程师、韩镇先助理工程师、马英克高级工程师，首都师范大学周冕教授、徐羽丰博士，北京大学生命科学学院学院博士生姚力、王兴卫博士、姜兆雄博士、王姝瑜博士也为该研究做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金、基因功能研究与操控全国重点实验室、生命科学联合中心、首都师范大学、北京科技新星计划等项目的支持。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec9727
