Hortic Res | 南京农业大学游雄教授和熊爱生教授团队通过数学计算模型解析低光强控制的生物钟推迟番茄光合作用的周期和相位

番茄（Solanum lycopersicum L.）是全球栽培的主要蔬菜作物之一。番茄是喜光作物，在最适宜生长条件下，较高的光照能提高番茄的光合速率。在低光照强度下，光合作用受到限制。生物钟是植物体内的计时器，能够使植物的生物过程与光照和温度等环境因素的周期性同步，以便在一天中最有利的时间分配资源。

2023年4月，Horticulture Research 上线了（Advance Access）南京农业大学理学院游雄教授团队和园艺学院熊爱生教授团队题为Low light intensity elongates period and defers peak time of photosynthesis: a computational approach for the circadian-clock-controlled photosynthesis in tomato 的研究论文。论文构建了番茄时钟基因调控光合基因表达的计算模型，解释了光合作用的节律特性，并分析了光照强度通过生物钟影响光合作用的机制。

生物钟主要通过控制光合基因的转录和蛋白质功能来调节植物的光合作用。通过光诱导的生物钟感知不同的光强输入，导致番茄内源节律的变化，并最终影响光合作用相关基因的表达和光合参数的积累（图1）。光合作用是捕获光能并将其转化为化学能的过程，涉及光收集、电子传递、光合碳固定和ATP合成，这些过程涉及大量基因的表达，如Lhcb1、psbA、RbcL/RbcS和atpA。这些基因产物受到核心时钟蛋白CCA1的抑制，从中午到晚上逐步增强（图2）。计算模型捕获了低光照强度下光合作用相关基因表达的昼夜变化，所预测的光合相关基因的动态行为和特性：当光照强度较低（~62.5 μmol m⁻²s⁻¹）时，生物钟和光合相关基因的峰值时间后移1~2 h，周期延长约1~2 h，实验结果验证了上述结论（图2）。

为了探索光照强度利用生物钟通路对光合参数的影响，构建了核心生物钟元件和光合基因产物与光合参数（Pₙ：净光合速率；Gₛ：气孔导度；Cᵢ：胞内CO₂浓度；Tᵣ：蒸腾速率）的非线性模型，模型模拟和实验结果表明低光强会减少光合参数（除了Cᵢ）的积累，延迟光合参数峰值时间（图3）。

该研究由南京农业大学理学院游雄教授和园艺学院蔬菜学国家重点学科、作物遗传与种质创新利用全国重点实验室熊爱生教授团队合作完成，蔬菜学博士研究生黄婷、刘慧博士和博士研究生陶建平为论文共同第一作者，游雄教授和熊爱生教授是论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（11171155、11871268）项目、江苏省自然科学基金（BK20171370、BK20221009）项目、江苏省农业科技创新基金（CX(21) 3025）、中国博士后科学基金项目（2021M701742）、江苏省高校优势学科（PAPD）的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhad077

转自：“园艺研究”微信公众号

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