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Science:美加州大学科学家揭示向日葵向光生长

摘要 : 2016年8月5日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国加州大学戴维斯分校Stacey L. Harmer教授的一篇研究论文,论文揭示了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的机制。

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2016年8月5日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国加州大学戴维斯分校Stacey L. Harmer教授的一篇研究论文,论文揭示了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的机制。

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。“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。

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。

“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。”

【图注】面朝东侧的花朵吸引来了更多的传粉者

原文链接:

Circadian regulation of sunflower heliotropism, floral orientation, and pollinator visits

原文摘要:

Young sunflower plants track the Sun from east to west during the day and then reorient during the night to face east in anticipation of dawn. In contrast, mature plants cease movement with their flower heads facing east. We show that circadian regulation of directional growth pathways accounts for both phenomena and leads to increased vegetative biomass and enhanced pollinator visits to flowers. Solar tracking movements are driven by antiphasic patterns of elongation on the east and west sides of the stem. Genes implicated in control of phototropic growth, but not clock genes, are differentially expressed on the opposite sides of solar tracking stems. Thus, interactions between environmental response pathways and the internal circadian oscillator coordinate physiological processes with predictable changes in the environment to influence growth and reproduction.

来源: Science 浏览次数:0

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