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为何向日葵生长期追逐阳光,成熟后却执着东方?

时间: 2016年08月12日 | 作者: admin | 来源: Phys.org
科研人员发现昼夜节律调节了向日葵的生长方向。


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正值夏日时光,优洛郡的的田间立满了一排排的向日葵,尽忠职守地眺望着冉冉升起的太阳。在不远处的加州大学戴维斯分校,植物生物学家们已经发现,向日葵如何利用其内部的生物钟,作用于生长激素,以在生长期内追随太阳的轨迹。

 

“这是首个植物在自然环境下利用时钟调节生长、并对其本身有实际影响的例子”,Stacey Harmer 说,她是加州大学戴维斯分校的植物生物学教授,也是上周发表于《科学》杂志的论文主要作者。

 

Harmer 是一位研究生物钟的分子生物学家,平日在实验室培养拟南芥,它可比向日葵要小得多。此前,Harmer 的实验室发现了“时钟”基因与调控生长的植物生长素之间的联系。但 Harmer 和她的合作者,加州大学伯克利分校和弗吉尼亚大学的 Benjamin Blackman,仍然需要一个例子来证明他们的理论——最后他们在向日葵中找到了。

 

自东向西,再回来

 

生长中的向日葵面朝东方开始它们的一天,随着时间推移渐渐转向西方,并在夜间重新朝向东方。

 

“向日葵能预估黎明的时间和曙光的方向。我觉得,这可能是生物钟和生长路径具有联系的一个原因”,Harmer 说。早在1898年科学家们就已经描述过向日葵的这种行为,但以前从未有人认为它与昼夜节律有关系。

 

Hagop Atamian 是 Harmer 实验室的一位博士后研究员,与 Blackman 在弗吉尼亚大学(现在在加州大学伯克利分校)的实验室有合作,他在野外、室外花盆和室内生长室用向日葵进行了一系列的实验。

 

通过将植株系在桩上使其固定、或者每天将花盆调转方向使得花盘面向错误的方向,Atamian 证明他们能够破坏向日葵追踪太阳的能力。追踪太阳给植株带来了额外的生长推力。研究人员发现,被固定而无法运动的向日葵相较于其他个体,生物量下降、叶面积也更小。

 

当植物被移入安装有固定顶灯的室内生长室,它们会继续来回摆动几天。“只有受到内部生物钟驱动,它们才会表现出这类行为”,Harmer 说。

 

最后,他们在白天顺序开关室内生长室的相邻照明灯,创造出移动的光源,植物又开始追踪“太阳”了。当把这种人工周期设定为接近 24 小时,这些植物能够可靠地追踪光源运动、并在夜间调转回来;但当把周期设定为 30 小时,向日葵们就不会做相应的运动。

 

时钟和两种生长机制

 

那么,植物如何在一天中移动它们的茎呢?Atamian 在茎上点上多个墨水点,并用摄像机拍摄。他利用延时拍摄测量点之间距离的变化。

 

当植物追踪太阳的时候,茎的东侧比西侧生长得更快。在夜间,随着茎以相反方向运动,西侧则生长得更快。这个团队鉴定出了一些基因,白天在植株的向阳侧,而夜间在另一侧有更高表达。

 

Harmer 说,向日葵茎内似乎有两种生长机制在起作用。第一种机制基于可利用光源,设定了植株生长的基本速率。第二种机制则由生物钟控制,并受到光源方向的影响,这种机制使得茎的一侧比另一侧生长更快,因而在白天由东向西摆动。

 

随着向日葵渐渐成熟,花盘展开,整体生长变缓,植株白天不再向日运动,而是一直面向东方。这可能是因为,随着整体生长放缓,生物钟确保植株对早晨的光线比下午或傍晚有更强的反应,因此它逐渐停止了白天的向西运动。

 

为什么要面朝太阳?

 

为什么成熟的向日葵无论如何都面朝东方呢?研究人员们将向日葵种在野外的花盆里,并将其中的一些面朝西面。用红外摄影测量花朵,他们发现朝东的花朵在早晨升温更快,并且能够吸引五倍多的传粉昆虫。用便携式加热器给朝西的花朵升温,也能给花带回更多的传粉者。

 

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【图注】面朝东侧的花朵吸引来了更多的传粉者

 

“蜜蜂喜欢温暖的花朵”,Harmer 说。

 

“就像人一样,植物依赖于每天的日夜节律活动”,项目主席 Anne Sylvester 说,“向日葵,跟太阳能电池板一样,追随着太阳由东向西。这些研究人员挖掘出向日葵的基因组信息,以理解这些植物是如何、而又为何追随太阳运动。”

 

翻译 李昕骥

审校 谭坤

 

原文链接:http://phys.org/news/2016-08-sunflowers-clock.html


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