為什么向日葵會(huì)跟著太陽(yáng)轉(zhuǎn)？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新機(jī)制→

編譯：公子欣

向日葵

以全天跟蹤太陽(yáng)的能力而聞名

但它是如何“看到”太陽(yáng)

并跟隨它的呢？

加州大學(xué)戴維斯分校的植物生物學(xué)家于10月31日發(fā)表在《公共科學(xué)圖書(shū)館·生物學(xué)》雜志上的新研究表明，它們使用了一種與之前認(rèn)為的不同的新穎機(jī)制。

“這完全是一個(gè)驚喜，”加州大學(xué)戴維斯分校植物生物學(xué)教授、該論文資深作者Stacey Harmer說(shuō)。

向日性·向光性

當(dāng)太陽(yáng)穿過(guò)天空時(shí)，向日葵會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)臉來(lái)跟隨太陽(yáng)，然后在晚上重新定位，第二天早上面向東方。這是通過(guò)不同的生長(zhǎng)模式發(fā)生的，莖的東側(cè)在白天生長(zhǎng)得更多，莖的西側(cè)在晚上生長(zhǎng)得更多。這一過(guò)程被稱為向日性，通常被認(rèn)為是向光性的一種特殊形式。

向光性——向光源生長(zhǎng)的能力，是植物最具特征的生長(zhǎng)反應(yīng)之一。植物科學(xué)家曾假設(shè)，向日葵的向日性是基于相同的基本機(jī)制，即由一種名為趨光素的分子控制，并對(duì)光譜的藍(lán)色末端的光做出反應(yīng)。然而，向日性的潛在機(jī)制尚不清楚。

為了更好地理解向日性，研究人員比較了在實(shí)驗(yàn)室受控環(huán)境下生長(zhǎng)的向日葵和在室外田間陽(yáng)光下生長(zhǎng)的向日葵的基因表達(dá)模式。

圖1 向日葵莖的向光性和自動(dòng)矯直響應(yīng)

在室內(nèi)，向日葵直接迎著光生長(zhǎng)，激活了與促光素相關(guān)的基因。但是在戶外生長(zhǎng)的向日葵，在陽(yáng)光下?lián)u擺著頭，表現(xiàn)出完全不同的基因表達(dá)模式。莖的一側(cè)與另一側(cè)的趨光性蛋白無(wú)明顯差異。

圖2 太陽(yáng)跟蹤向日葵莖的轉(zhuǎn)錄組分析

然而，一些在向光性過(guò)程中快速誘導(dǎo)的基因，以及與葉面遮蔭生長(zhǎng)反應(yīng)有關(guān)的基因，在向光性開(kāi)始時(shí)在莖的西側(cè)快速誘導(dǎo)，這表明紅光光感受器可能在太陽(yáng)跟蹤中起作用。

圖3 向光性和向日性期間基因表達(dá)的不同模式

為了測(cè)試不同的光感受器信號(hào)通路在向日性中的作用，研究人員調(diào)節(jié)了植物啟動(dòng)太陽(yáng)跟蹤的光環(huán)境。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用遮光盒遮擋藍(lán)光、紫外光、紅光或遠(yuǎn)紅光都對(duì)向日性反應(yīng)沒(méi)有影響，不會(huì)阻礙田間向日葵向日性的發(fā)生或維持。

圖4 向日性的啟動(dòng)顯示出獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄特征，且發(fā)生在不同的光照條件下

綜上所述，研究結(jié)果表明，趨光性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控與趨光素介導(dǎo)的趨光性不同。向日性的發(fā)生和維持都對(duì)光質(zhì)量的變化具有抵抗力，并表明多種光信號(hào)通路參與了太陽(yáng)跟蹤的調(diào)控。

“我們似乎已經(jīng)排除了促光素途徑的可能性，但還沒(méi)有找到明確的確鑿證據(jù)?！盚armer說(shuō)，接下來(lái)的研究將著眼于植物中的蛋白質(zhì)調(diào)控。

數(shù)據(jù)圖及參考來(lái)源：
https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002344