出品:科普中国

作者:石雾遥(生物学博士)

监制:中国科普博览

我们生存的世界因为花草树木等各类植物的存在而变得五彩缤纷。与人一样,花草树木也是有生命的,而生命在于运动。

你能想到平时看到安静生长的植物也有它们自己的运动方式么?最近发表在《国家科学评论》(National Science Review)杂志上的研究表明植物也能自己运动,而它们的运动与它们自身内部的细胞组成有关。

植物

(图片来源:Veer图库)

收缩细胞:植物运动行为的新发现

细胞是生物体基本的结构和功能单位,是维持生命活动的最根本部分。植物细胞一般由细胞壁、细胞膜、细胞器、细胞核等组成。近期,我国科学家发现了一种全新的细胞类型,即充满水敏性粗面内质网的收缩细胞,它与常规的细胞不同,直接决定了植物能自己运动这一行为

植物细胞结构

(图片来源:Veer图库)

斑叶草是一种隶属于苦苣苔科的植物,其叶子上有斑纹形状,外观较奇特,它们的生长周期较短,植株矮小,能够自花授粉。此外,它也具有清热燥湿,解毒消肿等较强的药用价值。因此,斑叶草通常被植物学家们用来广泛研究。

斑叶草

(图片来源:Veer图库)

植物一般不能发生自主运动,但是植物学家在研究斑叶草的过程中,却发现斑叶草的柱头在接触水后具有自发运动的特性

为了探索原因,科学家将斑叶草的柱头进行了解剖分析。在显微镜下发现,斑叶草的柱头由乳头细胞、维管束、薄壁细胞和背面表皮组成。而它们的维管束上竟有高达10层的细胞,占了层板厚度的一半。

在柱头接触水呈现开放和闭合状态时,这些细胞的形态存在着明显差异。由此可见,这些细胞的本质是区别于薄壁细胞的,植物学家将其定义为收缩细胞

斑叶草柱头的开闭状态图

(A)柱头解剖图,(B)柱头正面,柱头的上部闭合,下部展开,向外侧开成60º角,(C)正面闭合柱头,(D)柱头背面,(E)柱头侧面,(F)开和(G)闭柱头的纵向解剖切片,(H)开和(I)闭的部分切片放大图)

(图片来源:参考文献[1])

借助冷冻电镜对收缩细胞进行表征,显示这些细胞内部呈现网状结构,与常规的细胞不同,细胞核在细胞的边缘而非中心

当柱头吸水时,收缩细胞的体积会加大,形态上与初始状态相比会拉长超过八倍,说明收缩细胞内部有对水敏感的物质,接触水后这种膨胀的行为使细胞体积扩大,这与柱头的伸长和收缩运动是紧密相关的。

同时,借助于电镜和荧光实验对细胞进一步分析,显示细胞的网状结构的本质是粗面的内质网,网状结构上嵌有核糖体。此外,实验观察到斑叶草的柱头在开合运动时,收缩细胞也会随着运动,由此可见,两者是紧密相关的。

收缩细胞结构

(A-H)冷冻与透射电镜下的(A-D)收缩细胞和(E-H)薄壁细胞,荧光实验表征(I、J)薄壁细胞和(K、L)收缩细胞,(M)细胞的荧光信号,(N-Q)柱头开合运动

(图片来源:参考文献[1])

会动的植物其实有很多!

会动的植物远不止上面所提到的斑叶草,实际上,很多我们生活中常见且无比熟悉的植物也是“运动员”。

向阳而生,是我们对向日葵的常规认识。由于太阳光照射会直接影响向日葵内部的生长素分布情况,进而影响细胞生长情况。因此,为了更好地接受到太阳辐照的光线,向日葵会随着太阳运动。

向日葵

(图片来源:Veer图库)

含羞草我们都不陌生,当我们触碰到它们的叶子时,由于受到外界的刺激,它们的叶柄会下垂,进而合并上叶子。过了一段时间后,它们的叶子又会自己打开,恢复原状。

之所以存在这样的运动,是和它们叶子上下部分的细胞结构有关,上部的细胞壁更厚且细胞更密,下部的更薄且细胞分布更疏。因此在外界刺激之下,下部的细胞透性快速加大,叶子便会下垂闭合了。

含羞草

(图片来源:Veer图库)

除了向日葵和含羞草之外,6、7月份公园随处可见盛开的合欢花也会运动。在白天时,合欢花会在草丛中肆意绽放,但一到夜间便会悄悄地闭拢,这与它们的感夜性有关。当它们感受到外界光线的变化时,便会随之发生运动。

合欢花

(图片来源:Veer图库)

结语

世界之大,不同的生命都有独特之处,会动的植物是不是让你的眼前一亮?

找一个宁静的午后,伴着和煦的阳光和轻柔的微风,观察这些绿意的悄然变化。或许在观察中,你就能渐渐走入生物变化的奇妙大门。

参考文献:

[1]Yin-Zheng Wang and others, A new type of cell related to organ movement for selfing in plants, National Science Review, Volume 10, Issue 9, September 2023, nwad208.

[2]刘柏玲.斑叶草(Chirita pumila)遗传转化体系的建立[D].中国科学院大学,2013.

[3]孙智敏.植物运动探因[J].化石, 1997(1):2.DOI:CNKI:SUN:HSZZ.0.1997-01-016.

来源: 中国科普博览