南京农业大学最新成果:氢气生物学效应与白天/黑夜的生物钟节律
地球的自转赋予了生命日夜交替的规律。为了适应这种规律，几乎所有生物——从单细胞微生物到复杂的哺乳动物与高等植物——都进化出了内在的计时机制，即“生物钟”。生物钟不仅主导着人类的睡眠与机体代谢，也调控着植物的光合作用、生长速率以及开花繁育等关键生命历程。另一方面，氢气（H2）在很长一段时间内被视为一种生理学上的“惰性气体”。近年来大量的生物学和医学研究颠覆了这一认知，证实H2不仅在人体抗氧化、缺血灌注损伤等领域表现出医疗潜力，同时也是植物抵御逆境和调节生长发育的重要信号分子。H2的这些神奇生物学效应，是否与生命体基础的生物钟系统存在深层关联？近期的南京农业大学氢气生物学团队的科研成果揭示了这一谜底：植物内源H2的生成具有高度的昼夜节律性，并且它能够作为的上游信号分子，参与并调控生物钟的运行机制。植物内源性氢气合成与昼夜节律特征
在传统科学认知中，仅有部分绿藻和微生物拥有能够催化质子（H+）和电子生成氢气的酶——氢酶（Hydrogenase）。高等植物由于长期进化并生存在有氧环境，此前被认为并不具备功能性的氢酶基因。近来的研究发现，以拟南芥和番茄为代表的高等植物研究打破了这一局限。鉴定出一种名为NAR1（Nuclear Architecture Related 1）的核骨架相关蛋白，证实该蛋白能够在体内和体外催化电子与质子生成H2，这标志着高等植物中新型氢酶的实验确证。更为奇特的是，植物体内NAR1蛋白的表达及其催化生成的氢气产量，绝非处于一种恒定或随机波动的状态，而是展现出了极其显著的昼夜节律性。在常规的“16小时光照/8小时黑暗”周期下，植物体内NAR1的转录水平、蛋白丰度及其催化产生的H2含量，均在白昼光照期间逐渐下降，进入黑暗期后开始显著攀升。这种周期性的丰度变化，说明植物内源氢气的生成并非单纯的代谢副产物，而是受控于内源生物钟系统的精细节律信号。从植物到哺乳动物的延伸思考
在植物生命周期中，“开花转换”——即从营养生长转向生殖生长——是决定物种繁衍与作物产量的关键节点。这一发育过程高度依赖于生物钟对光周期的精准感知。依赖于NAR1催化生成的内源H2在促进植物开花转换中发挥着核心驱动作用。通过基因编辑敲除或抑制NAR1表达的突变体植物，其内源H2含量显著下降，并表现出极其明显的延迟开花表型；相反，通过基因工程过表达该蛋白，或直接为植物根部施加富氢水（HRW），均能有效逆转迟滞，促使植物提前抽薹开花。虽然上述氢气与生物钟的机理网络主要在植物体系中被证实，但它为理解整个生命界中氢气的广泛生物学效应提供了极具启发性的通用范式。在人体与哺乳动物系统中，肠道菌群在代谢膳食纤维时，是否同样会规律性地产生大量H2，并被机体血液吸收？近年来临床与转化研究初步发现，人体免疫系统的调节以及宿主的睡眠/觉醒周期，同样具有高度的昼夜节律特征，且受微生态气体代谢产物的影响。根据植物体内的相关实证，我们有理由推断：在更为动物的生命体系中，H2可能参与修正生物钟核心基因的振荡幅度，发挥诸如改善睡眠、缓解疲劳等生物学效能。生命科学对氢气生物学效应的探索正逐步走向深水区。发现“氢气能够调控并整合入生物钟节律系统”这一进展，具有不可估量的科学价值与应用转化前景。在农业应用与粮食安全领域，开花时间的精准控制直接决定了农作物的产量与地域适应性。面对全球气候变化，依托于调控植物内源氢气生成途径，或在农业生产中科学引入新型富氢水灌溉与喷施技术，将有望赋予现代农作物突破不利环境与光周期限制的更强能力。在医学与大健康层面，氢气的生物学效应将为治疗因现代生活方式引起的生物钟紊乱、睡眠障碍以及相关代谢综合征，提供更具安全性的气体医学干预策略。随着科学界对氢气生理受体及其全景下游传导网络的进一步阐释，大自然赋予我们的这种“精简与古老的气体智慧”，必将转化为造福人类健康与地球生态的有力工具。
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