花的自然多样性

大自然充满着各种模式-可见的特征,具有各种生物学功能,从吸引配偶到警告掠食者再到识别同一物种的成员。研究人员早就了解到,这些模式遵循可预测的数学模型。在1950年代,图灵提出了一种“反应扩散”模型来解释生物世界中的许多模式,其中具有相反作用的化学物质在同一生物中会相互影响。

生物似乎使用相同的分子构件来产生生命的视觉图案,但事实证明,这些色彩丰富的安排的遗传原理难以确定。宾厄姆顿大学(Binghamton University)的Mimulus研究人员Irene Martinez说,猴花是Mimulus属中一种耐寒且快速生长的植物,其基因组相对简单,是研究自然模式的理想生物。

即使在一个物种内,猴花也以令人难以置信的颜色,形状和图案出现。近年来,数百名科学家在温室中种植了这种植物,渴望发现其多样性的遗传来源以及变异在物种生存中的作用。对于在实验室中更难缠结的其他物种,这些花朵也是很好的代理,例如豹子和玫瑰花结的皮毛。Yuan利用他的植物的灵活性,在他的实验室中产生了完整的Mimulus lewisii基因突变体。他们中的一些人失去了典型的斑驳图案,取而代之的是显示均匀的深红色斑点,类似舌头,挂在黄色和粉红色的背景上。

一次偶然的机会,布莱克曼和他的实验室位于加利福尼亚州,与康涅狄格州的袁州相反,位于加利福尼亚的对面。他们在野外发现了一些密切相关的物种Mimulus guttatus的红舌突变体后,结成了相似的想法。布莱克曼和袁决定联手寻找这些花的奢华展示的遗传驱动力。为了使猴花细胞变红,它必须搅出一种叫做花青素的色素小球-这是一个由产生“激活剂”分子的基因启动的过程。这些活化剂促使花中产生更多的活化剂,从而促进色素沉着。如果不进行此选择,则花朵的整个舌头将变成红色。

布莱克曼谈到红舌的突变体时说:“基本上看起来就像是植物在骚扰你。”为了控制自己,激活分子还触发了“阻遏物”的产生-另一种分子可能泄漏到相邻细胞中并关闭其激活物,从而防止了变色。距第一个细胞较远的地方,阻遏物变得不那么丰富,从而允许远处的细胞中的激活剂再次翻转色素沉着开关,并在花瓣上形成新的色斑。仅两个基因就足以使这个看似简单的系统起作用,并且两个基因对于产生色素沉着模式都至关重要。如果Mimulus中的激活剂分子发生突变,则可能导致植物淡淡,无斑点。如果阻遏物分子发生突变,则可以产生带有过饱和红色瑕疵的花朵。对植物来说,这要么是坏消息,要么是使大黄蜂飞散,否则它们将着陆以吸食花的花蜜并在此过程中对其授粉。

Yuan,Blackman和Cooley都认为反应扩散至少在确定在自然界重复的每种视觉模式中起着部分作用。“如果您看的是藤蔓,每隔一段时间就会开花一次,或者在整个身体上重复出现条纹,那么这些藤蔓确实是不错的选择,”库利说。有了团队的猴花发现,解决这些其他生活方程式的可能性似乎比以往任何时候都大。研究猴花的科学家有时会觉得植物在回望它们。据说它们的花朵像顽皮的猴子(因此得名)的面孔一样,中央有斑点的斑点,看起来像张大了嘴巴,使蜜蜂零落在花蜜丰富的目标上。加州大学伯克利分校的植物生物学家本杰明·布莱克曼(Benjamin Blackman)说:“这就像是一个友好的微笑,表明传粉媒介有安全的庇护所。” 通过吸引这些授粉昆虫,斑点的花瓣有助于确保植物在第二天继续开花。