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科学普及 | 基因如何让向日葵总是向着太阳


2021年05月21日

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向日葵为什么总是向着太阳?很多人从小就有这样的疑问。其实,这其中蕴含着丰富的生物学知识。说到底,这是由基因控制的。我们先来了解一下向日葵的“出身”。向日葵(学名Helianthus annuus L.;英文名:Sunflower)是桔梗目、菊科、向日葵属的一年生草本植物。向日葵起源于北美,是美洲原住民在史前种植的几种植物之一,是北美东部农业综合体的一部分。科学研究认为向日葵最早是在公元前2300年被如今美国田纳西州居住的印第安人驯化,但是也有研究发现公元前2600年在如今墨西哥的塔巴斯科的圣·安德列斯(San Andres)发现了印加人种植向日葵的痕迹。

向日葵最初作为观赏花卉被西班牙探险家从美洲带至欧洲并广泛种植。当时欧洲著名画家的名著中均大量出现了向日葵,尤其是梵高、莫奈及高更等绘制了一系列举世闻名的向日葵画作。由于向日葵油在俄罗斯备受欢迎,因此俄罗斯在18世纪初成功将其进行商业化生产。至此向日葵正式分为观赏向日葵和食用(包括直接食用和油用)向日葵两个大类。向日葵油富含维生素E、亚油酸等物质而逐渐受到人们喜爱,如今已成为世界四大油料作物之一。

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梵高和莫奈的向日葵作品(图片源自网络)

向日葵传入我国具体时间已不可考。较为一致的观点认为在16世纪末17世纪初由西班牙人或荷兰人把向日葵种子传到南洋一带,随后又从越南传至中国云南,最后逐渐从西南向北方传播。我国最早记载向日葵的文献是明末学者赵崡所著《植品》,其中明确写道:“又有向日菊者,万历间西番僧携种入中国。干高七八尺至丈余,上作大花如盘,随日所向。花大开则盘重,不能复转。”目前,我国向日葵主要种植于内蒙古、新疆、吉林、黑龙江、河北、甘肃和宁夏等省(自治区),随着近年美丽乡村建设,其种植区域逐渐向南发展。

向日葵因其生长前期的幼株顶端及中期的幼嫩花盘会明显跟着太阳转动而得名,对其向阳而动的原因主要有两个理论假说,即植物生长素假说和热力影响假说。生长素假说认为向日葵存在一种避光并且促进细胞生长的生长素。这种生长素在向日葵颈部的背阳面积累,使其生长更快从而导致向日葵总是面向太阳。热力影响假说认为是阳光中的热度把向日葵花盘中的管状小花晒热,基部的纤维发生收缩,导致花盘转换方向来接受阳光。但这两种假说都不能很好地解释为什么太阳下山后,向日葵的花盘又慢慢往回摆,在大约凌晨3点时,又朝向东方等待太阳升起。

因此 “向日葵为什么总是向着太阳”这一问题从达尔文时代开始就让人类感到好奇。最新研究发现向日葵的向阳性由几个小小的基因控制,尤其是IAA19-likeSAUR50-like基因。在白天,与生长素(auxin)合成相关的SAUR50-like基因在向日葵茎秆东侧大量表达,随着该基因的持续表达向日葵的花盘也逐渐由东方慢慢转向西方;在夜间,另一个与吲哚乙酸(IAA)合成通路相关的基因IAA19-like在向日葵茎秆西侧大量表达促使向日葵的花盘缓慢地由西面转向东面迎接太阳的再次升起。但这两个基因特异性表达的原因目前还未可知。

向日葵是当代最具经济重要性的植物,广泛种植于美洲、欧洲及亚洲的七十多个国家。由于其花型美丽,色彩鲜艳而受到人们的喜爱并培育了大量形态各异,色彩丰富具有不同利用价值的向日葵品种。向日葵是向往光明之花,给人带来美好希望之花。中国农业科学院油料作物研究所特色油料组保存丰富的向日葵种质资源3200余份,其中食葵占71%,油葵和观赏葵等占29%,拥有黄色、浅黄色、乳白、杂色和红色等不同色彩的向日葵资源材料。特色油料组的科研工作者们希望通过对这些资源的深入利用与发掘,培育出更美丽、更有价值的向日葵品种。

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特色油料课题组保存的各类向日葵资源


出品:科普中国

撰稿:汪魏、谭美莲(中国农业科学院油料作物研究所 副研究员)、严兴初(中国农业科学院油料作物研究所 研究员)

监制:下载彩民之家61888 光明网科普事业部

统筹:程维红 徐琴

策划:宋雅娟 赵清建