从光中制造食物已经令人印象深刻，现在可能是时候在植物的技能清单上再添一项高级技能了：执行——至少在分子水平上——算术除法的能力。
发表在期刊eLife上的计算机生成模型展示了植物如何利用分子数学来调节夜间（当太阳无法提供能量时）消耗淀粉储备以提供能量的速度。作者表示，如果情况确实如此，这将是生物学中算术除法的首个例证。
但这可能不是唯一的例子：许多动物都会经历禁食期——例如冬眠或迁徙期间——并且必须仔细分配体内能量储存才能生存。理解算术除法如何在分子水平上发生，对于新兴的合成生物学领域也可能很有用，在这个领域，基因工程师寻求标准化的方法来改造分子通路，以创造新的生物设备。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
智利天主教大学（位于圣地亚哥）的植物系统生物学家罗德里戈·古铁雷斯说：“这是一个理解代谢过程控制的新框架，我可以立即想到将其应用于其他问题。”他没有参与这项工作。
除法求生存
植物使其在白天产生的淀粉储备几乎精确地持续到黎明。研究人员曾经认为植物在夜间以固定的速率分解淀粉。但是，他们后来观察到，常用于实验室研究的矮小杂草拟南芥，可以在受到异常提前或延迟的夜晚时，动态重新计算该速率。
对于英国诺里奇约翰·英纳斯中心的艾莉森·史密斯和马丁·霍华德及其同事来说，这表明更复杂的分子计算正在发挥作用。该团队假设存在两种分子：一种是 S，它告诉植物剩余多少淀粉；另一种是 T，它告知植物距离黎明还有多少时间。
研究人员构建了数学模型来展示，原则上，这些分子的相互作用确实可以驱动淀粉分解的速率，使其反映剩余淀粉量除以到黎明的时间量的连续计算。
例如，模型预测，如果夜晚被一段光照期中断，植物将调整淀粉分解的速率。在光照期间，植物可以再次产生淀粉。模型预测，当光线再次熄灭时，淀粉分解的速率应根据储存淀粉的增加进行调整——研究人员在拟南芥植物中证实了这一结果。
然后，该团队查阅了文献，寻找在淀粉降解途径的不同步骤中已知存在缺陷的拟南芥突变体。这些结果表明，这些模型与这些突变体的行为相符，这些突变体导致在夜晚结束时剩余的淀粉量高于正常水平。
简单原理
为了找到可能直接与其假设的 S/T 计算系统相互作用的蛋白质，研究人员还将这些突变体置于意外提前的夜晚——这种情况通常会导致植物减缓淀粉降解。他们发现一种突变体无法改变其响应这种情况而消耗淀粉的速率。这表明突变基因PWD通常调节这种反应，并且可能是植物分子计算中的重要参与者。
古铁雷斯表示，生物算术除法的概念提供了一个简单的建模原理，可以激发看待新陈代谢的新方法，尽管他尚不确信植物是否以模型建议的方式执行除法。“植物是否真的在这样做，我不确定，”他说。“但这是一种引人入胜的方法。”
霍华德指出，此类过程背后的系列反应并非不寻常，人们很容易想象化学反应有助于细胞执行更简单的数学运算的其他情景，例如加法、减法或乘法。但霍华德表示，将这些反应概念性地跃升为执行算术函数是其模型制作中的重要一步，并帮助团队确定了可测试的预测。
霍华德说：“我们正在处理细胞中一个基本生物过程，它正在进行复杂的算术计算。以前没有人真正考虑过以这种方式进行。”