莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardii）光向性的超日节律和昼夜节律

《Biochemistry and Biophysics Reports》：Ultradian and circadian rhythms of phototaxis in chlamydomonas reinhardii

　　研究探讨了光自养（HSM）和光异养（HSA）条件下绿藻Chlamydomonas reinhardii的光趋性行为及昼夜节律。通过光传输变化监测和叶绿素a定量分析发现，持续弱光下藻体能维持约24小时的自由运行节律，且光自养条件下节律更持久，温度补偿效应显著（Q10分别为1.01和1.07）。使用GaMoSEC分析框架检测到60-80分钟的次生节律，尤其在HSA条件下更明显。该分析有效捕捉了生物时间序列的多尺度动态特性。

　　这项研究聚焦于绿藻 *Chlamydomonas reinhardii* 在不同代谢条件下的光趋性（phototaxis）和昼夜节律（circadian rhythmicity）现象。研究人员在控制条件下培养了该藻类，以探讨其代谢状态如何影响其节律行为。通过自动化多通道系统，连续记录了光趋性过程中光传输变化，并同时测量了细胞密度和叶绿素 *a* 的含量。研究发现，当藻类在持续微弱光照下培养时，表现出一个稳健的自由运行的昼夜节律（约24小时），其响应依赖于先前的光暗周期（light-dark entrainment）的相位。光趋性的最大速率发生在主观白天（subjective day），而光趋性节律在光养（photoautotrophic）条件下更为持久，并且在温度范围内（17°C至28°C）表现出温度补偿特性（Q10值分别为1.01和1.07）。此外，波形分析还揭示了在昼夜节律基础上叠加的更快的振荡（60至80分钟），尤其是在光有机营养（photoorganotrophic）条件下更为明显。这些发现表明，*C. reinhardii* 的光趋性节律不仅受代谢条件影响，还与光照历史密切相关，而 GaMoSEC 分析框架能够有效地捕捉生物时间序列中的多尺度时间组织。

在介绍部分，研究者回顾了单细胞原生动物和藻类作为研究生物钟系统的广泛应用。这些生物体在实验研究中各有优势和局限性。例如，*Acetabularia mediterranea* 因其较大的细胞尺寸，便于单细胞测量；*Lingulodinium polyedra* 作为海洋光合鞭毛虫，其生物发光节律易于监测；而 *Euglena gracilis* 作为淡水微藻，为研究细胞周期的昼夜调控提供了理想的系统。值得注意的是，*E. gracilis* 的光趋性响应也表现出温度补偿特性，但其同步培养的准备过程较为困难。相比之下，*Chlamydomonas reinhardii* 具有多种优势，包括其在光暗周期下表现出的昼夜节律和超昼夜节律（ultradian rhythms），以及在光养条件下可通过轻柔离心法进行同步细胞分裂的监测。此外，*C. reinhardii* 还具有光趋性节律的特性，即使在完全缺乏外部时间线索的情况下也能维持节律。这些特性使其成为进行遗传分析的理想模型生物，因为可以分离出表现出不同昼夜节律周期长度的突变体。

近年来，生物节律研究领域逐渐认识到超昼夜节律的普遍性和重要性。这些节律通常比传统的昼夜节律更短，但其存在和功能尚未完全明确。为了检测和表征这些节律，研究者需要采用专门的分析方法，因为生物时间序列往往具有噪声和非平稳性。波形分析方法，尤其是基于小波的分析，被认为是处理这类数据的有效工具。小波变换能够识别不同时间尺度下的瞬态或演变节律，从而揭示生物系统中复杂的节律特征。最近的研究在这一领域取得了进展，例如 Kurz 等人（2017）提出的框架，已被应用于鸟类行为研究（Guzman 等人，2017），并进一步发展为五步“GaMoSEC 分析”（Flesia 等人，2022）。Kembro 等人（2023、2024）则进一步证明了 GaMoSEC 分析在检测时间变化的节律性方面的有效性，包括节律相位的变化和节律的巩固。

研究还提到，利用无透镜显微镜技术进行全息成像，为检测超昼夜节律提供了一种新颖的方法，其不受昼夜节律的影响。这种方法能够实时追踪数千个细胞的单细胞动态，从而避免了对细胞群体进行同步化的需要，以及标签带来的潜在干扰。因此，研究者认为，这种新型方法有助于解析复杂生物节律的功能方面，特别是在 *C. reinhardii* 的节律研究中。

在材料与方法部分，研究者详细描述了 *C. reinhardii* 的培养条件和实验设计。藻类在两种不同的培养基中生长：一种是光养高盐培养基（HSM），另一种是光有机营养培养基（HSA）。HSM 中含有较高的盐分，而 HSA 则含有 15 mM 的 Na 乙酸三水合物。实验中，藻类在 28°C 的条件下进行培养，光照强度为 13,000 lux。在光养条件下，每 4 至 5 天进行传代培养，而在光有机营养条件下，传代频率更高，每 1 至 2 天一次。研究还涉及了光趋性的测量方法，包括使用自动化多通道系统记录光传输变化，以及通过光导体和光敏元件检测光趋性速率。此外，还使用了 Fuchs-Rosenthal 血细胞计数板进行细胞计数，并采用光谱分析方法测定叶绿素 *a* 的浓度。所有数据均通过 MATLAB 进行分析，特别是 GaMoSEC 分析框架，用于识别和量化节律的周期和强度。

在结果部分，研究者展示了在不同光照条件下 *C. reinhardii* 的光趋性节律变化。在光养条件下，细胞数量在光相位中增加，而在暗相位中保持相对恒定，这表明细胞分裂和生长受到光照周期的调控。当藻类被转移到持续微弱光照条件下时，其光趋性节律仍然存在，并且其最大速率出现在主观白天。然而，在光有机营养条件下，持续光照导致的光趋性节律在两天后消失。此外，研究还发现，在光有机营养条件下，光趋性节律在不同温度下的持续时间不同，特别是在 17°C 时最为持久。进一步的分析表明，超昼夜节律（约 1 小时）在光有机营养条件下更为明显，而在光养条件下则难以观测到。这些快速的节律波动可能与细胞内的代谢活动和基因调控有关。

在讨论部分，研究者探讨了光趋性节律的生物学意义及其可能的调控机制。他们指出，昼夜节律的温度补偿特性使其可能作为细胞内部时间基准，用于同步各种生理过程。然而，目前尚未发现细胞分裂周期或糖酵解节律表现出类似的温度补偿特性，这表明光趋性节律可能涉及不同的调控机制。此外，研究者还提到，超昼夜节律可能与细胞内的“超昼夜时钟”有关，但更准确地应理解为一系列“节拍器”或“超昼夜时间保持器”。这些节律可能通过复杂的细胞内反馈回路和基因表达调控实现，例如涉及转录、翻译和蛋白质修饰的过程。同时，研究者指出，细胞内的代谢活动，如线粒体 ATP 生成和叶绿体光合作用，可能与这些节律相互关联，从而影响整个细胞的能量需求和供应。

研究还强调了系统生物学（Systems Biology）在理解生物节律和代谢调控中的重要性。系统生物学关注的是整个生物体层面的生物学现象，强调不同组件之间的相互作用和功能关系，而非孤立的分子或基因。通过这种方法，研究者可以更全面地理解细胞内的节律网络及其调控机制。此外，随着分子和遗传技术的发展，*C. reinhardii* 已成为研究生物节律分子机制的理想模型生物。然而，当前的研究尚未在该藻类中发现与昼夜节律相关的核心基因，这可能表明其节律机制与其它生物存在差异。

未来的研究方向包括进一步探索光趋性节律与细胞代谢之间的关系，特别是在光有机营养条件下。此外，研究者还提到，光趋性与鞭毛长度和摆动频率密切相关，因此未来的研究应考虑这些参数以更深入地理解节律现象。同时，研究者建议使用更高分辨率的设备，如飞点荧光计（flying-spot fluorimeter），以更精确地测量代谢过程中的快速反应。最后，研究者还表达了对已故 Dr. Alan J. Griffiths 的敬意，感谢他在本研究中的贡献和指导。