實(shí)習(xí)記者 李詔宇
“玉峰疑菡萏，絳佩詎辛夷,。”進(jìn)入4月,，春回大地,、萬物復(fù)蘇,，五彩斑斕的花是不可或缺的主角。千百年來,，人們在驚嘆于花朵之美時,，也對其為何擁有如此多樣的色彩和圖案產(chǎn)生了深深的疑問。
而現(xiàn)在,，這個問題可能要有新的答案了,。
近日，中國科學(xué)院植物研究所研究員孔宏智團(tuán)隊（以下簡稱研究團(tuán)隊）系統(tǒng)研究了毛茛科東方黑種草花瓣上復(fù)雜著色模式的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ),、呈色物質(zhì),、光學(xué)屬性、發(fā)育過程和形成機(jī)制,，為更好理解花朵復(fù)雜著色模式的形成機(jī)制提供了新思路,。相關(guān)成果論文發(fā)表于《新植物學(xué)家》（New Phytologist）。
簡單,、復(fù)雜著色模式各有不同
要理解花朵復(fù)雜著色模式的形成機(jī)制,，首先應(yīng)該了解何為復(fù)雜著色模式，以及與之對應(yīng)的簡單著色模式,。
“所謂著色模式,，就是指顏色的類型及其分布式樣?！眻F(tuán)隊研究人員對記者說,，“純色，即均勻分布的單一顏色,，對應(yīng)簡單著色模式,；復(fù)雜著色模式則是指顏色的分布相對復(fù)雜，不僅具有多種不同顏色,，某些顏色還按照特定的分布式樣形成圖案,。”
在有花植物中,，花瓣不僅因其美麗的圖案和色彩而引人注目,、備受喜愛，還是花中著色模式最為豐富的器官,。一些植物的花瓣僅有同種顏色的細(xì)胞,，呈現(xiàn)出純色的視覺效果，而另一些植物的花瓣上包含多種顏色的細(xì)胞,，能夠產(chǎn)生條帶,、斑點(diǎn),、靶心、脈絡(luò)紋理或其他一些不規(guī)則的圖案,。這些顏色和圖案往往會以多種方式組合,、疊加，從而形成復(fù)雜著色模式,。“擁有復(fù)雜著色模式的植物并不罕見,，如康乃馨,、矮牽牛、報春花,、堇菜,、百合、牡丹以及許多蘭花,?！眻F(tuán)隊研究人員表示。
與具有簡單著色模式的花相比,，擁有復(fù)雜著色模式的花色彩紛呈,，頗具觀賞性、趣味性,，其周期性的圖案也能給人以協(xié)調(diào)有序的美感,。
從植物自身來看，花朵的復(fù)雜著色模式是植物提高繁殖效率的一大策略,，可以作為傳粉者尋找花粉或花蜜的“導(dǎo)向標(biāo)”,。例如，黑種草屬植物花上的色素條帶能夠形成類似“環(huán)形跑道”的圖案——這一“跑道”往往是引導(dǎo)傳粉者訪問的路徑,。
值得一提的是,，具有復(fù)雜著色模式的花還可以利用擬態(tài)吸引傳粉者。例如,，角蜂眉蘭的花在形狀和圖案上模擬雌性胡蜂,，可以有效引誘雄性傳粉者；非洲雛菊花瓣上的深色斑點(diǎn),，能夠吸引甲蟲授粉……
此外,，復(fù)雜著色模式還能幫助植物抵御強(qiáng)紫外線輻射等環(huán)境脅迫因素。比如,，位于高海拔和低緯度地區(qū)的萎陵菜的花朵能夠產(chǎn)生較大的靶心圖案以吸收紫外光,，從而使其花粉免受損傷。
或?yàn)橛^賞植物改良育種奠定基礎(chǔ)
此次研究中,，研究團(tuán)隊以毛茛科黑種草屬中的東方黑種草的花瓣為研究材料,，主要關(guān)注該物種花瓣上復(fù)雜著色模式的形成機(jī)制,。
“我們利用形態(tài)學(xué)、解剖學(xué),、生物化學(xué),、光學(xué)等多學(xué)科的研究方法，解析了東方黑種草著色模式的復(fù)雜性,，然后利用精細(xì)的時序和分區(qū)轉(zhuǎn)錄組—表達(dá)譜數(shù)據(jù)分析了色素代謝通路的時空動態(tài),。”團(tuán)隊研究人員表示,，“我們還通過這些組學(xué)數(shù)據(jù)鑒定了與不同顏色,、圖案相關(guān)的基因和共表達(dá)模塊，最后通過實(shí)時熒光定量PCR技術(shù)和病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù),，驗(yàn)證了關(guān)鍵基因的表達(dá)和功能,。”
基于形態(tài)學(xué)觀察,，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)綠,、黃、紅三種顏色細(xì)胞的數(shù)量和排列方式是復(fù)雜著色模式形成的關(guān)鍵,。豐富的葉綠素,、類胡蘿卜素和花青素類物質(zhì)分別是綠、黃,、紅三種顏色細(xì)胞呈色的物質(zhì)基礎(chǔ),，也是復(fù)雜著色模式形成的色素基礎(chǔ)。
通過追蹤著色模式形成的過程,，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)花瓣從均勻的黃綠色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂斴S出現(xiàn)黃綠分化的式樣,，隨后依次產(chǎn)生紅色的橫向條帶和濺射圖案。這表明不同類型色素細(xì)胞的出現(xiàn)有一定規(guī)律,，黃色細(xì)胞能夠疊加在綠色細(xì)胞之上,，而紅色細(xì)胞又疊加在黃色細(xì)胞之上，從而產(chǎn)生復(fù)雜的顏色和圖案,。
通過分析色素代謝通路中的基因在花瓣不同發(fā)育階段和不同區(qū)域的表達(dá)變化,，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這些基因的表達(dá)是高度動態(tài)的，與顏色和圖案形成的過程和空間位置相吻合：花瓣發(fā)育早期,，葉綠素相關(guān)基因在整個花瓣中表達(dá),，后期主要在花瓣基部表達(dá)；類胡蘿卜素相關(guān)的基因在花瓣發(fā)育的中后期集中在花瓣遠(yuǎn)端表達(dá),；而花青素代謝通路的基因在花瓣發(fā)育晚期才開始表達(dá),，在橫向條帶和濺射圖案區(qū)域特異高表達(dá)。這表明,，呈色物質(zhì)的合成過程也是有序而非隨機(jī)的,。
在上述研究的基礎(chǔ)上,，研究團(tuán)隊進(jìn)一步利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)驗(yàn)證了這些基因的功能。其中,，基因“NiorMYB113-1”的功能是在花瓣的黃綠色區(qū)域“繪制”一個較大的紅色濺射圖案,；基因“NiorMYB113-2”的功能則是抑制花青素的生物合成，從而形成一個橫向條帶,、一個較小的紅色濺射圖案和一個位于二者之間的區(qū)域,。
此次研究首次揭示了花瓣中橫向條帶形成的分子基礎(chǔ)，說明了顏色的疊加對于復(fù)雜著色模式形成的重要性,，為研究復(fù)雜著色模式提供了一個可參考的案例,，豐富和拓寬了研究人員對于花色復(fù)雜性的認(rèn)識。
“在此基礎(chǔ)上,，團(tuán)隊有望通過對色素代謝通路的精準(zhǔn)調(diào)控,，創(chuàng)制一些新型的著色模式,，為觀賞植物的花色改良和育種提供相關(guān)理論與技術(shù)支撐,。”團(tuán)隊研究成員表示,。
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