Science封面故事：增補教科書關於向日葵為什麼會向陽

美國加州大學戴維斯分校的植物學家以及發現了向日葵如何利用內部的生物鐘，通過生長激素起作用，在白天跟隨太陽生長。相關文章以封面故事形式發表在8月5日的Science上。文章的資深作者Stacey Harmer教授介紹：「這是第一個植物生物鐘在自然環境調節生長並對植物有真實反應的例子。」

Harmer是一個研究生物鐘的分子生物學家。他通常在實驗室研究擬南芥，比向日葵小得多。之前，Harmer的實驗室發現了鍾基因和植物激素生長素的關係。但是Harmer和他的合作者伯克利的Benjamin Blackman需要一個例子來研究，他們找到了向日葵。

從東到西，再回來

生長中的向日葵每一天都開始頭部向東、跟隨太陽向西擺動的日子，晚上再回到東面。這個現象早在1898年就被科學家描述了。隨著科學水平的發展，人們發現植物體內的生長素會使向日葵莖背光一側長得快，而葉黃氧化素與生長素相反，它會抑制細胞伸長並且在向陽的一側累積，從而造成莖的兩側生長速度不同。但是沒有人曾認為向日葵向陽生長會與晝夜節律相關。

Harmer實驗室的博士後研究員HagopAtamian進行了一系列向日葵的野外種植、室外盆栽和室內培養的實驗。

研究發現通過限制植物讓它們不能移動，或者轉動盆栽的植物讓它們朝向錯誤的方向，都會擾亂它們跟蹤太陽的能力。太陽提供了一個對植物生長促進的能力，當向日葵無法這樣做時會出現生物量降低和葉片面積減少。

當向日葵被移到帶有固定的頂部光源的室內培養室中去的時候，它們會繼續來回擺動幾天。Harmer說這說明這種行為是被內部時鐘所驅動的。

最後研究人員在白天通過開關培養室相鄰頂燈來移動光源的位置，室內的向日葵開始再次跟蹤「太陽」。當人工的晝夜節律接近24小時一個周期時，向日葵能夠跟上光源的運動，但當晝夜節律接近30小時時就跟不上了。

生物鐘和兩個生長機制

那麼向日葵如何在白天移動它們的莖呢，Atamian將墨水點標記在莖上並用攝像機拍攝。在視頻中，他可以測量點之間的距離變化。

他發現當植物追蹤太陽時，莖的東側比西側生長的快。在夜間，當莖擺動回來時，西側的增長更快了。該小組在白天植物的向陽面或是在夜晚的另一邊，確定了一批高水平表達的基因。

Harmer說在向日葵的莖，似乎是有兩種生長機制起作用：第一種根據可獲得的光設置植物的基本生長率。第二種由生物鐘控制和光的方向影響，使莖在一個方向比另一個增長更多，因此在白天從東向西擺動。

隨著向日葵的成熟和花朵的開放，整體的生長減緩。植物在白天停止移動，面朝東方固定。這是因為整體生長速率放緩，生物鐘確認相比下午或晚上植物對清晨的陽光反應更強烈，所以白天就逐漸停止向西移動。

為什麼面對太陽？

為什麼成熟的向日葵面向東方？研究人員將種植在花盆中的向日葵扭向西方後，通過用紅外相機檢測向日葵的花盤，他們發現在早上向東的向日葵升溫更迅速，吸引了五倍的傳粉的昆蟲。用一個攜帶型的加熱器加熱朝西的花盤也會給花帶來更多的傳粉者。

Harmer說：「蜜蜂喜歡溫暖的花。」

該研究由美國國家科學基金會的植物基因組研究計劃資助。

該研究計劃的主持人Anne Sylvester說：「就像人一樣，植物也依靠白天和黑夜的晝夜節律來開展其功能。向日葵像太陽能電池板陣列一樣跟著太陽從東到西。現在研究人員進一步利用向日葵基因組的信息來了解為什麼向日葵跟隨著太陽。」

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