■我们都知道向日葵会朝着太扬方向转动,但这机制是什么呢?
因为向日葵(Helianthus annauus)的花会朝着太阳的方向转动,所以它们才叫做向日葵;这种行为被称为“向日性”(heliotropism),与趋光性(phototropism)是不相同的;趋光性是朝向或背向光源的方向生长,而向日性则是跟着太阳的方向移动。
但是向日葵向日的机制是什么?而它又为什么要向日呢?
过去的观察发现:未成熟的向日葵,每天早上会呈现面(花朵)向东的状态;接着它便开始由东向西慢慢移动,到傍晚时成为面向西。晚上它会再由西向东移动,于是到了早晨又面向东了。
美国的研究团队想要了解向日葵向日的机制,由于只有未成熟的向日葵花会有向日性,显示或许向日性是一种生长反应。于是他们先做了两个简单的实验,以厘清向日葵向日是否是一种生长反应。
第一个实验是:在傍晚向日葵已经面向西时,将花盆转180度。如此一来,早上向日葵就变成面向西。第二个实验则是将向日葵的茎绑起来让它不能跟着太阳转。
结果不论是哪一种方法,实验组的植物不论是叶片的面积或是植物的干重,都比对照组要少10%。所以,向日葵的向日性的确跟生长有关;由于晚上没有光线还是会继续转动,显示向日反应可能也跟生物时钟有关。
为了要了解是否与生物时钟有关,研究团队进行了以下的几个实验:
一、记录植物在夏至(16小时日照:8小时黑夜)与秋分(12小时日照:12小时黑夜)花朵的移动情形。
二、把植物由14小时日照:10小时黑夜移到24小时光照,记录植物花朵的移动情形。
三、将植物移到一天的长度为30小时的环境下,记录植物花朵的移动情形。
实验结果发现
向日葵的向日反应,果然与生物时钟有关!在第一个实验里,向日葵在夏至夜晚移动的速度明显较秋分夜晚快,所以尽管夏至的夜晚少了四小时,但是它们到早上通通都面向东了;第二个实验,就如一般我们观察到的,向日的反应在24小时光照下变得愈来愈不明显;而最后一个实验,当植物移到30小时一天的环境下,不但向日反应不会出现,连晚上由西向东的移动都乱掉了。
有些有生物节律的植物具备了位于叶柄基部的叶枕(pulvini),让植物可以展现动的反应;但是向日葵不具有叶枕,是否是因为茎的两侧生长的速度不一致的关系呢?首先研究团队以无法产生吉贝素(gibberellin)的向日葵突变株 dwarf2(dw2)来进行向日反应的观察。结果发现,dw2突变株长得很矮又没有向日反应,但在喷洒吉贝素之后,dw2长高了、向日反应也出现了。
确定植物一定要生长才会出现向日反应后,研究团队接着观察向日反应是否是因为茎两侧的生长速度不一致的结果。结果发现:白天东侧的茎生长速度较快,而晚上西侧的茎生长速度较快;也就是因为这样,让我们看到白天是由东向西移动,而晚上是由西向东移动。
这些生长的差异,是否与基因表现有关呢?研究团队看了东侧与西侧的茎的基因表现,结果发现,与趋光性相关的基因在两侧的表现量不一样,但与生物节律相关的基因就看不出差别。也就是说,虽然向日葵的向日反应受到生物时钟调节,但基本上还是一种生长反应;因此, 随着向日葵花朵渐渐成熟,向日反应的幅度就愈来愈小,等到完全成熟后,因为也不会再生长,所以花朵就只会面向东了。
解决了向日反应的问题以后,第二个问题是:为什么向日葵要向日呢?研究团队认为,可能是因为阳光可以使花朵的温度上升,而采蜜的昆虫喜欢温暖的花朵。于是研究团队测量了东向与西向的花朵的温度,同时也观察采蜜的昆虫数量。结果发现,向日的花儿,采蜜的昆虫多了五倍;而且阳光的影响是无法以其他热源代替的:当研究团队用人工的方式帮背光的花朵加热,虽然采蜜的昆虫多了些,但还是不如向光的花朵多。
所以,向日葵的向日,不只是因为受到阳光的刺激,也与生物节律有关。至于为何向日呢?应该是跟传宗接代有关啰!