為何向日葵生長期追逐陽光，成熟后卻執著東方？ | Science

　　為何向日葵生長期追逐陽光，成熟后卻執著東方？ | Science 論文推薦

　　2016-08-09科研圈

　　年幼的向日葵植株白天跟隨太陽由東向西移動，然後在夜間重新轉向東方等待拂曉的來臨。成熟植株卻停止了這種定向運動，始終面朝東方。科研人員發現定向生長通路的晝夜節律調控導致了以上兩種現象，讓生長期的向日葵生長得更好，而花盤展開后吸引更多的傳粉昆蟲。

　　來源  UC Davis

　　推薦&翻譯 李昕驥

　　審校 譚坤

　　

　　加州北部優洛郡，加州大學戴維斯分校校園附近的向日葵花田。向日葵在清晨面向東方的曙光，隨後在一天中漸漸向西。那些追隨太陽的向日葵有更大的葉面積和生物量。來自加州大學戴維斯分校、加州大學伯克利分校和弗吉尼亞大學的研究人員現在證實植物內部的生物鐘促成了這種向日性。（圖片來源：Chris Nicolini, UC Davis）

　　正值夏日時光，優洛郡的的田間立滿了一排排的向日葵，盡忠職守地眺望著冉冉升起的太陽。在不遠處的加州大學戴維斯分校，植物生物學家們已經發現，向日葵如何利用其內部的生物鐘，作用於生長激素，以在生長期內追隨太陽的軌跡。

　　「這是首個植物在自然環境下利用時鐘調節生長、並對其本身有實際影響的例子」，Stacey Harmer 說，她是加州大學戴維斯分校的植物生物學教授，也是上周發表於《科學》雜誌的論文主要作者。

　　Harmer 是一位研究生物鐘的分子生物學家，平日在實驗室培養擬南芥，它可比向日葵要小得多。此前，Harmer 的實驗室發現了「時鐘」基因與調控生長的植物生長素之間的聯繫。但 Harmer 和她的合作者，加州大學伯克利分校和弗吉尼亞大學的 Benjamin Blackman，仍然需要一個例子來證明他們的理論——最後他們在向日葵中找到了。

　　自東向西，再回來

　　生長中的向日葵面朝東方開始它們的一天，隨著時間推移漸漸轉向西方，並在夜間重新朝向東方。

　　「向日葵能預估黎明的時間和曙光的方向。我覺得，這可能是生物鐘和生長路徑具有聯繫的一個原因」，Harmer 說。早在1898年科學家們就已經描述過向日葵的這種行為，但以前從未有人認為它與晝夜節律有關係。

　　Hagop Atamian 是 Harmer 實驗室的一位博士后研究員，與 Blackman 在弗吉尼亞大學（現在在加州大學伯克利分校）的實驗室有合作，他在野外、室外花盆和室內生長室用向日葵進行了一系列的實驗。

　　通過將植株系在樁上使其固定、或者每天將花盆調轉方向使得花盤面向錯誤的方向，Atamian 證明他們能夠破壞向日葵追蹤太陽的能力。追蹤太陽給植株帶來了額外的生長推力。研究人員發現，被固定而無法運動的向日葵相較於其他個體，生物量下降、葉面積也更小。

　　當植物被移入安裝有固定頂燈的室內生長室，它們會繼續來回擺動幾天。「只有受到內部生物鐘驅動，它們才會表現出這類行為」，Harmer 說。

　　最後，他們在白天順序開關室內生長室的相鄰照明燈，創造出移動的光源，植物又開始追蹤「太陽」了。當把這種人工周期設定為接近 24 小時，這些植物能夠可靠地追蹤光源運動、並在夜間調轉回來；但當把周期設定為 30 小時，向日葵們就不會做相應的運動。

　　時鐘和兩種生長機制

　　那麼，植物如何在一天中移動它們的莖呢？Atamian 在莖上點上多個墨水點，並用攝像機拍攝。他利用延時拍攝測量點之間距離的變化。

　　當植物追蹤太陽的時候，莖的東側比西側生長得更快。在夜間，隨著莖以相反方向運動，西側則生長得更快。這個團隊鑒定出了一些基因，白天在植株的向陽側，而夜間在另一側有更高表達。

　　Harmer 說，向日葵莖內似乎有兩種生長機制在起作用。第一種機制基於可利用光源，設定了植株生長的基本速率。第二種機制則由生物鐘控制，並受到光源方向的影響，這種機制使得莖的一側比另一側生長更快，因而在白天由東向西擺動。

　　隨著向日葵漸漸成熟，花盤展開，整體生長變緩，植株白天不再向日運動，而是一直面向東方。這可能是因為，隨著整體生長放緩，生物鐘確保植株對早晨的光線比下午或傍晚有更強的反應，因此它逐漸停止了白天的向西運動。

　　為什麼要面朝太陽？

　　為什麼成熟的向日葵無論如何都面朝東方呢？研究人員們將向日葵種在野外的花盆裡，並將其中的一些面朝西面。用紅外攝影測量花朵，他們發現朝東的花朵在早晨升溫更快，並且能夠吸引五倍多的傳粉昆蟲。用攜帶型加熱器給朝西的花朵升溫，也能給花帶回更多的傳粉者。

　　

　　面朝東側的花朵吸引來了更多的傳粉者

　　「蜜蜂喜歡溫暖的花朵」，Harmer 說。

　　「就像人一樣，植物依賴於每天的日夜節律活動」，項目主席 Anne Sylvester 說，「向日葵，跟太陽能電池板一樣，追隨著太陽由東向西。這些研究人員挖掘出向日葵的基因組信息，以理解這些植物是如何、而又為何追隨太陽運動。」