

随着地球的旋转,太阳在天空中从东向西移动,向日葵会转动它们明亮的黄色花盘来追随它。这种被称为向日葵向性的过程的机制,对植物生物学家来说仍然是个谜。一项于10月31日发表在《PLOS Biology》杂志上的研究,很可能排除了向日葵追随太阳的能力与所有植物都会遵循的、更为人熟知的对光反应有关的可能性。向日葵可能依赖于几种更复杂的过程来追踪太阳。
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由于植物固定在原地,如果它们制造食物所需的光被邻近植物阻挡,或者它们处于阴暗的位置,它们就无法移动。它们依赖生长或伸长来向光移动,这背后有几种分子系统。最广为人知的反应是向光性反应。称为向光素的蛋白质感知到不均匀地照射到幼苗上的蓝光,然后植物的生长激素会被重新分配。这最终导致它向着光源弯曲。
植物生物学家长期以来一直认为,向日葵追随太阳的能力会基于与向光性相同的机制。为了追踪太阳,向日葵的花盘会稍微更多地偏向其茎的东侧。这使其花盘朝向太阳升起的方向。然后,随着太阳在天空中移动,它会向西转移。一项早期研究表明,向日葵具有内部生物钟,可以预测日出,并协调其小花开放的时间,以便授粉昆虫在早上到达。
为了调查这种追日能力是否与此有关,新研究的团队使用了在实验室种植的向日葵和在阳光下户外种植的向日葵。他们观察了当两组植物暴露于各自的光源时,哪些基因被激活。室内向日葵在实验室中直直地朝着蓝光源生长,并激活了与向光素相关的基因。在户外种植并随着太阳转动花盘的向日葵,则表现出不同的基因表达模式。这些向日葵在茎的一侧和另一侧的向光素分子之间也没有任何明显的差异。

“当我们研究向日葵每天如何追随太阳时,我们不断地对我们的发现感到惊讶,”该研究的合著者、加州大学戴维斯分校的植物生物学家Stacey Harmer在声明中表示。“在这篇论文中,我们报告说它们使用不同的分子通路来启动和维持追踪运动,而那些最常用于引起植物弯曲的光感受器,似乎在这个惊人的过程中起着次要作用。”
该团队还用遮光罩阻挡了蓝色、紫外线、红色或远红色光。这些遮挡物对向日葵向性反应没有任何影响。据该团队称,这表明可能存在多种通路,对不同波长的光作出反应,以实现追随太阳的相同目标。
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参与向日葵向性的基因尚未确定。“我们似乎排除了向光素通路,但我们没有发现明确的证据,”Harmer说。
当在实验室生长的向日葵被移到户外时,它们在第一天就开始追随太阳。它们最初在植物的阴影侧表现出大量的基因表达,这在接下来的几天里没有发生。Harmer说,这表明植物内部正在发生某种“重新布线”。
除了排除向日葵追踪太阳过程中的一些机制外,这项工作对于设计未来的植物机制研究实验也具有相关性。
“你在生长室等可控环境中定义的行为,在现实世界中可能行不通,”Harmer说。