Science封面文章解开重要生物学谜题：向日葵为何向太阳

　　

生物通报道：向日葵是太阳的忠实粉丝，每天守望着太阳升起的地方。早在1898年科学家就已经描述过向日葵追随太阳的行为，但其中的机制一直不为人知。加州大学的植物学家们首次将向日葵成长过程中的“追星”行为与生物钟联系起来，解开了这个重要的生物学谜题。这项研究发表在八月五日的Science杂志上。

“这是首次在自然环境下展示生物钟调控的植物生长，”文章资深作者Stacey Harmer教授说。Harmer实验室此前发现，生物钟基因与调控植物生长的重要激素（生长素auxin）有关联。

转过去，再转回来

生长中的向日葵在日出时面向东方，随后跟随太阳从东向西转动，并且在夜晚转回东方。“向日葵能够把握黎明到来的时间和清晨光照的方向。在我看来，这意味着生物钟和生长通路有关联，”Harmer说。于是，Harmer实验室的博士后Hagop Atamian在室内和室外进行了一系列实验。

研究显示，将向日葵固定起来使其无法移动，或者转动花盆让向日葵面朝错误的方向，都会干扰向日葵追随太阳的能力。追随太阳转动能够促进向日葵的生长，无法转动的向日葵会出现生物量（biomass）降低和叶面积减少。

研究人员把向日葵转移到装有固定顶灯的生长箱中，发现它们会继续来回转动。这是一种受到内部生物钟驱动的行为，Harmer指出。随后，研究人员通过开关相邻顶灯慢慢改变光源的位置。研究显示，如果生长箱的人为昼夜节律接近24小时，向日葵就能跟着光源转动，并在“夜间”转回来。但如果人为昼夜节律接近30小时，向日葵就无法跟上这种节奏。

生物钟与生长素

进一步研究表明，向日葵跟随太阳向西转动的时候，茎部朝东的一面生长得更快。在夜间，向日葵茎部朝西的一面生长得更快，使其转回东方。研究人员在这两个过程中鉴定了一些表达水平升高的基因。

研究人员指出，向日葵茎部有两个生长机制在起作用。其中一个机制为向日葵设定基本的生长速度。另一个机制使茎部的某一面生长更快，帮助向日葵来回转动。值得注意的是，这个机制由生物钟控制，而且受光照方向的影响。

向日葵完全成熟和开花的时候，它的总体生长速度会放缓，花盘面向东方不再转动。研究人员认为，成熟向日葵的生物钟使其对早晨的阳光做出更强烈的应答，不再需要一直追逐阳光。那么，为何成熟向日葵选择面朝东方呢？研究人员发现，面向东方的向日葵早上升温更快，能吸引五倍的昆虫前来授粉。人为加热面朝西方的向日葵，的确会带来更多的授粉者。“蜜蜂们喜欢温暖的向日葵，”Harmer解释道。

生长素Auxin是人们鉴定的首个植物激素，也是最重要的植物激素之一。生长素调节着植物生长和发育的方方面面，例如胚胎发育、器官生成、以及植物对环境的应答。这种激素主要通过在组织或器官间不对称分布，来发挥自己的作用。不过人们一直不清楚生长素是否也参与了气孔的发育调控。上海交通大学的研究团队解决了这个问题。他们通过研究证实，生长素能够抑制气孔的发育。（更多信息请参见：上海交大杨洪全教授新发PNAS文章）

生长素能与大量控制基因表达的蛋白相互作用，由此施加自己的影响。近年来，人们发现了越来越多这样的蛋白，生长素的信号传导机制也越发复杂起来。华盛顿大学的研究团队对生长素信号网络进行研究，找到了理解整个网络的关键所在。他们发现生长素就像有着正负两面的磁铁，可以相互吸引形成长链。植物通过这些链的长度变化，精密调节不同细胞对生长素的应答。（更多信息请参见：PNAS：找到生长素作用的玄机）

植物通过大型蛋白复合体、叶绿素和其他辅因子将光能转化为化学能量。捕光复合物LHC I包围着光系统I（PSI）并为其捕获阳光，在高等植物的光合作用中起到了关键性作用。LHC I会将自己吸收的能量传递给PSI核心，在那里以接近100%的效率转换为化学能量。中国科学院和日本冈山大学的研究人员对豌豆PSI-LHC1进行了结构分析，获得了分辨率高达2.8 Å的晶体结构，为人们提供了大量的宝贵信息。文章的通讯作者是中科院植物研究所的匡廷云（Tingyun Kuang）院士和冈山大学的Jian-Ren Shen教授。（更多详细信息参见：中科院院士发表Science封面文章）

生物通编辑：叶予

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