盡管看起來(lái)很被動(dòng)，但植物之間為了生長(zhǎng)和吸收陽(yáng)光而相互爭(zhēng)斗。如果一種植物被另一種植物遮蔽，它就會(huì)與生存所必需的陽(yáng)光隔絕。

為了逃離這種致命的陰涼，植物有光傳感器，當(dāng)受到其他植物的陰涼的威脅時(shí)，可以觸發(fā)內(nèi)部警報(bào)。他們的傳感器可以探測(cè)到紅光和藍(lán)光(被植物吸收的波長(zhǎng))的損耗，從而區(qū)分附近的侵略性植物和路過(guò)的云。

索爾克研究所(Salk Institute)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以讓植物通過(guò)評(píng)估樹(shù)蔭的質(zhì)量來(lái)抵御鄰居的威脅，這一發(fā)現(xiàn)可能被用來(lái)提高作物的產(chǎn)量。這項(xiàng)發(fā)表在2015年12月24日《細(xì)胞》(Cell)雜志上的新研究，展示了分子傳感器在植物中檢測(cè)到的藍(lán)光損耗是如何促使植物加速生長(zhǎng)，從而戰(zhàn)勝競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的。

“有了這些知識(shí)和類似的發(fā)現(xiàn)，也許你最終可以教會(huì)一種植物忽略它在陰暗處的事實(shí)，不管怎樣釋放出大量的生物量，”索爾克植物分子和細(xì)胞生物學(xué)的高級(jí)作者兼主任喬安妮·喬里(Joanne Chory)說(shuō)。

這項(xiàng)新工作顛覆了該領(lǐng)域以前的觀念。人們知道，植物對(duì)紅光減弱的反應(yīng)是通過(guò)激活一種叫做生長(zhǎng)素的生長(zhǎng)激素，使其生長(zhǎng)速度超過(guò)鄰近植物。然而，這是研究人員首次證明，避蔭可以通過(guò)一種完全不同的機(jī)制發(fā)生:一種名為隱色素的細(xì)胞傳感器，不會(huì)改變生長(zhǎng)素的水平，而是通過(guò)啟動(dòng)促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的基因，對(duì)藍(lán)光減弱做出反應(yīng)。

這一發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員了解如何修改植物基因以優(yōu)化生長(zhǎng)，例如，強(qiáng)制大豆或西紅柿作物(這是出了名的善變)更積極地生長(zhǎng)，即使在擁擠、陰暗的田地里也能獲得更高的產(chǎn)量。

該小組的研究重點(diǎn)是隱花色素，一種藍(lán)色光敏傳感器，負(fù)責(zé)告訴植物何時(shí)生長(zhǎng)，何時(shí)開(kāi)花。隱花色素最初在植物中被發(fā)現(xiàn)，后來(lái)在動(dòng)物中也被發(fā)現(xiàn)。在這兩種生物中，隱花色素都與晝夜節(jié)律(人體的生物鐘)有關(guān)。這種蛋白質(zhì)在感知藍(lán)光損耗方面的作用已經(jīng)為人所知，但這項(xiàng)研究首次展示了隱色素如何在陰影環(huán)境中促進(jìn)生長(zhǎng)。

該研究小組將正常和突變的擬南芥植株放置在一個(gè)藍(lán)光受限的光控室內(nèi)。突變植株要么缺少隱花色素，要么缺少一種PIF轉(zhuǎn)錄因子。PIF轉(zhuǎn)錄因子是一種蛋白質(zhì)，與DNA結(jié)合以控制基因的開(kāi)啟或關(guān)閉。研究人員通過(guò)觀察隱花色素、PIFs和染色體之間的接觸，觀察突變體和正常植物在不同藍(lán)光條件下的反應(yīng)。

“我們發(fā)現(xiàn)隱花色素接觸DNA上的這些轉(zhuǎn)錄因子，激活的基因與其他光感受器激活的完全不同，”這項(xiàng)研究的第一作者、索爾克研究所的助理研究員烏拉斯·佩德馬勒(Ullas Pedmale)說(shuō)。“這也是一條非常短的路徑，因此植物可以對(duì)它們的光環(huán)境做出快速反應(yīng)。”

下一步的工作是了解如何操縱增長(zhǎng)反應(yīng)。“最終，我們可以通過(guò)改變植物長(zhǎng)葉子的方式、葉子生長(zhǎng)的速度以及葉子相對(duì)于彼此和莖的角度來(lái)幫助農(nóng)民緊密地種植作物。”這將有助于提高未來(lái)幾代作物的產(chǎn)量。

“避蔭和植物對(duì)溫度升高的反應(yīng)看起來(lái)很相似，事實(shí)上它們有很多共同的分子成分，”Pedmale補(bǔ)充說(shuō)。“因此，研究避蔭不僅會(huì)導(dǎo)致蔭蔽環(huán)境下產(chǎn)量的增加，還可能解釋如何在氣候變暖的情況下提高產(chǎn)量。”

這篇論文的其他作者是來(lái)自索爾克研究所的黃紹珊、馬克·贊德、本杰明·科爾、喬納森·赫策爾、佩德羅·里斯、卡祖馬薩·尼托、約瑟夫·奈利和約瑟夫·埃克爾;瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)Umea植物科學(xué)中心的Karin Ljung;還有加州大學(xué)圣地亞哥分校的Priya Sridevi。