昼夜节律钟帮助生物体预测和应对日常环境变化，例如光照和温度。在植物中，这些时钟控制着光合作用、开花和应激反应等重要过程。当温度升高时，运转良好的时钟可以帮助植物调整生理机能，避免过热、节约用水或优化养分利用。最近发表在 New Phytologist 巴塔哥尼亚森林中两种树种的研究提供了关于 这些时钟如何影响树木的生存 并在气候变暖的情况下生长。
树木利用昼夜节律钟来识别每日和季节变化并调整重要功能，昼夜节律钟由传递有关外部时间（例如自然昼夜循环）的信息的线索精确调节。这种由周期性线索进行的每日调节，可作为让时钟保持正常运转的可靠信号。即使暴露在很宽的温度范围内的不同温度下，昼夜节律系统仍能保持同步和正常运转。然而，当暴露在超出这一温度范围的温度下时，时钟就会失灵，树木可能会失去在自然环境中生长的优势，这可能会降低其生产力。
这项研究集中于两种密切相关的南山毛榉属植物，这种树种生长在南美洲的巴塔哥尼亚森林中。这些物种为探索适应温度变化提供了独特的机会，因为人们生活在较冷的高海拔环境中（小黄花），而另一种则栖息在较温暖的低海拔地区（山毛榉).
马克西米利亚诺·埃斯特拉维斯-巴卡拉 (Maximiliano Estravis-Barcala) 和维罗妮卡·阿拉纳 (Verónica Arana) 领导的研究结合了生物信息学、分子生物学和生态生理学，探讨了气温升高如何影响这些物种的昼夜节律。在实验室中，他们分析了基因表达（基因如何开启和关闭）在温度升高时的变化。他们利用这座山作为天然实验室，进行了“海拔互换”实验，在原生和非原生环境中种植了每种树的幼苗。这种方法使他们能够研究树木的昼夜节律和整体表现在温暖或寒冷条件下的表现如何。
结果揭示了两个物种之间的有趣差异。 小黄花适应寒冷的生物钟在暴露于较高温度时会遇到麻烦。虽然生物钟在 20°C 时正常运行，但 34°C 的高温会导致关键基因的节律表达中断。这种中断延伸到时间敏感过程的调节，许多基因失去了昼夜模式并转向应激反应。海拔互换实验表明 普米利奥猪笼草，在温暖的低海拔环境中尝试同步其昼夜节律时遇到了困难，导致基因表达模式紊乱，生长和存活率下降。
相反， 斜生猪笼草这种原产于温暖栖息地的植物，在不同海拔高度下均能保持稳定的生物钟功能并表现良好。即使在较温暖的环境下，其生物钟也保持稳定，从而维持了生长和存活率。总体而言，这表明温度对生物钟功能影响的种间差异与幼苗在自然环境中的热适应性有关。
我们的研究结果表明 普米利奥猪笼草 （栖息在寒冷环境中的高海拔物种）在森林较温暖（低海拔）区域振荡器功能有限，而生存和生长的减少是将振荡器功能破坏与自然环境中对高温的耐受性较差联系起来的新证据。相比之下， 斜生猪笼草 （栖息在温暖环境中的低海拔物种）能够在比 普米利奥猪笼草，并且在温度/海拔变化实验的两种环境中，它们表现出相似的生存率和死亡率，这与以下事实相一致： 斜生猪笼草 幼苗在两种环境中都表现出同步振荡器。
这些发现凸显了气候变化对森林生态系统的重大影响，强调了耐寒物种的脆弱性，如 普米利奥猪笼草随着地球变暖，昼夜节律同步的中断可能会破坏这些物种的生理和生态平衡，限制其生长和生存。了解内部节律如何受到气温升高的影响对于预测和减轻对植物及其所维持的生态系统的更广泛影响至关重要，这强调了迫切需要采取适应性策略来保护这些脆弱的环境。
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Estravis-Barcala M.、Gaishuk S.、González-Polo M.、Martinez Meier A.、Gutiérrez RA、Yanovsky MJ、Bellora N. 和 Arana MV (2024) “全球变暖背景下温度对树木昼夜节律钟功能的影响” New Phytologist可在以下网址获取： https://doi.org/10.1111/nph.20342
小黄花 位于智利巴塔哥尼亚，蓬塔阿雷纳斯附近。照片： Canva.
