山花迎春为谁开?

    在人类看来,植物开花首先是带来令人愉悦的观感。把人与植物之间所发生的这种非常独特的相互作用放在进化论的范畴上来看的话,或许,我们可以认为,当清晨的一抹阳光投射到山洞外的一束鲜花,立刻给早起外出的一个直立人莫名的欢乐,这个时刻,大概也正是地球上呈现人类心灵最初的一刻吧。

    除了人类,还有什么动物对于植物花能够产生如此纯美的感动呢?当人类学会用科学的方式来体验这个世界之后,确实,我们骄傲地发现,具有如此深厚内涵的美感的动物只有人类;不过,我们也尴尬地发现,至少对于植物花,我们自古继承下来的美感里面,包含了不少虚妄而不真实的意念,例如从植物学的角度来看的话,鲜花并非为人而怒放,那些缤纷的色彩也与人是不是觉得其为美毫无关系,而最近分子生物学家所揭示的植物对于开花时间的精细控制的机制,更是清晰地告诉我们,开花过程里面所包含的精巧控制机制,很单纯地只是具有植物增强自身的生存和繁衍能力的作用。

生命之中心-鲜花

    我们知道,植物的一生可以分为两大阶段:第一个阶段就是从种子的发育开始,生长为成熟的植物体;第二个阶段则是植物体的性器官发育成熟,进入开花和种子成熟期。从细胞学的角度看,这两个阶段具有本质的不同,即第一个阶段的植物体细胞所包含的染色体数目是第二个阶段出现的生殖细胞所含染色体数目的一倍。那么植物怎么决定自己在什么时候进入第二个阶段呢?粗看起来这个问题并不重要,但是如果考虑到植物并不具备自主运动的能力,也就无法自主地选择生存环境;同时植物的生命活动完全依赖太阳辐射,因此某种植物应该在什么季节开花结果,是受到非常多的因素制约的。

    植物从开花、授粉,到种子成熟,然后是种子脱离母体,在一定的土壤和气候条件下发育为新的植株,这其中每个环节都对其环境因素有一定的要求,例如光照、降水、气温、土壤等,而一旦某个条件没有被满足,就会极大地降低植物繁衍的成功率。而在自然界,我们能够看到的是,每种植物对于自己在所处环境里面最适宜于何时开花,具有非常合理的安排,能够做到在每个环节都能够比较好地以自身的生理形态来适应环境。显然,植物的整套繁衍战略当中,最重要的一个决定,就是选择什么时候开花,而只要启动了这个程序,相对固定的植物自身的生长程序和生理条件,就必须面对各种可能的环境变迁的考验。

我们在描述生物的行为和特征时,总是喜欢赋予其主动的意识,例如我们一不小心,就会说某种植物为了赶上夏天的充足光照,而选择在春末开花结实。显然植物本身并不具备意识,也就无从根据某个目的而安排自己的行为。但是,当我们全面而仔细地观察植物界时,会发现处处表现出对于其所处环境的适应,而正是这种适应性使得我们即使使用目的性的描述,也不至于显得过分荒谬。因此我们不妨问一个带有目的性色彩的问题,植物依据什么在特定的时候来启动自己的开花程序呢?

决定开花的开关

最近,植物学家们针对一种模式植物-阿拉伯Arabidopsis),发现了它启动开花程序的精细机制。在1777年,英国植物学家柯提斯认为阿拉伯半点用处也没有,但在今天,这种植物和动物学家所喜欢的果蝇一样,是一种非常适合于进行分子生物学研究的模式植物。遗传学家通过研究它,已经学会了如何使番茄提早成熟、如何增加油菜产量,以及如何对付小麦疾病等。它的基因组是植物界里面最小的,在5个染色体里面只有1.19个碱基对,大约是人类的30分之一。而最令植物学家垂青于它的原因,是它的基因组具有高度的重复性,只有不到一半的基因是唯一的,其他基因都可以在其他物种的基因组里面找到类似基因,这样只要在阿拉伯这里研究清楚了其某个基因的功能,就可以启发我们对其他物种的类似基因的研究,而阿拉伯所具有的生长周期短、易于繁殖的特点,又使其非常适宜于用作遗传学研究。

正是在阿拉伯的基因组里面,分子生物学家在遗传的分子层次上找到了控制开花时间的机制。研究人员确定了两种和开花紧密相关的蛋白质,分别简称为FLDFLC。其中FLD的功能主要就是能够切除包含了编码FLC的基因的染色质里面的组蛋白的乙酰基,从而改变其中组蛋白的活性,间接影响FLC被它的基因生产出来。而FLC蛋白能够强有力地抑止开花,所以FLD能够通过抑止FLC的生产而启动植物开花。实际上,通过对生产FLD的基因进行突变,使得FLD的生产受到干扰,就发现植物的开花时间被显著地延缓;而如果有目的地删除编码FLC的基因的某些特定片断,同样也出现了类似于对FLD基因进行突变的延缓开花时间的效应,这些都说明了FLD通过作用于FLC而决定植物的开花时间的机制。

 如果说FLD是决定植物开花的开关,那么植物如何决定自己启动这个开关的呢?现在已经发现,来自植物发育程度和植物对环境的反应的各种信息,例如通过对植物激素的识别,对光照度和光照持续时间的反应,都可能以巧妙的形式最终作用到FLD上面来。而除了FLD之外,目前也已经发现了一些具有其他功能的蛋白质,例如作用于RNA的蛋白质,也能够抑止FLC,因此下一个非常富于挑战性的研究任务,就是要发现所有这些机制是如何综合起来,从而使得植物对于自己何时开花有一个恰当的决定。

鲜花与人类的额外姻缘

    阿拉伯还有一个引人入胜的特点是,能够在它身上找到不少跟动物类似的基因。由于进化论告诉我们,现有植物和动物的共同祖先在16亿年前登陆后,再分支演化为植物与动物两大类生命形式,所以植物与动物拥有类似的“零件”并非不可思议,而阿拉伯就正好为我们提供了一个在植物和动物之间相互印证的好机会。

研究人员因此进一步发现,FLD和人类的一种名为KIAA060的蛋白质具有同源性,而这种蛋白质在人体内是属于去组蛋白乙酰基酶(HDAC)复合体的一个组分蛋白,HDAC复合体则专门用来通过切除组蛋白尾端的赖氨酸残基的乙酰基,而使得该组蛋白所处的染色质发生重构,从而有效调控特定基因的活性。因此KIAA060蛋白和FLD的功能是完全类似的,这就启发了研究人员去寻找植物是不是也具有类似的HDAC复合体。

    于是研究人员就到阿拉伯的基因组里面去寻找,看是不是也存在和属于人的HDAC复合体的另外四种蛋白质的基因类似的基因,结果确实是找到了,不过遗憾的是,如果对这四种基因进行人为突变的话,却没有发现显著的对开花时间的影响。由于在阿拉伯体内还发现了其他一些类似FLD的蛋白质,所以研究人员猜测,也许是另外某种类似FLD的蛋白质充当了阿拉伯HDAC复合体的有效组分,而阿拉伯HDAC复合体也另有其用。这就激发了另外一个引人入胜的研究课题,就是既然FLD不属于阿拉伯HDAC复合体,而它自己在行使功能时肯定不是单干,那么它所属的功能复合体是怎样的呢?由于未知的FLD复合体能够有效地调控基因,所以研究它能够极大地增进我们对于植物的理解,特别是通过和动物作比较,可以让我们对于进化的精妙有更深的体会。

 

    确实,进化才是最奇妙的造物主,它似乎只是用一些有限的零件,就组装出了无数神奇的机构,这其中,就包括了让植物定时开花的机构。而一旦山花烂漫时,植物的生命固然是在按部就班地获得延续,连人类的心情也能够因此获得更新,不知道这是不是也在造物主的意料和设计之中。