为何向日葵成熟后执着东方？

（原标题：为何向日葵生长期追逐阳光，成熟后却执着东方？）

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。在不远处的加州大学戴维斯分校，植物生物学家们已经发现，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。

“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，她是加州大学戴维斯分校的植物生物学教授，也是上周发表于《科学》杂志的论文主要作者。

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。”