山姜属植物花柱运动的秘密

罗银玲 文/图

俗话说:“生命在于运动”,相信很多人都很认同这是个真理。但是,如果我说植物的生命也在于运动,你会相信吗? ?别急,先把惊讶的嘴巴合上,让我来告诉你,其实植物并不是你想象中的那般“逆来顺受”,它们会对外界的环境作出反应,有它们自己独特的运动方式。

 

简单的举个例子吧!你或许被父母称作他们的命“根”子,以表明你在他们心目中的重要性,这个“根”的引申意义就是从植物的根演化而来。根在所有的器官当中,因为直接担当吸收养分和水分的大任而显得异常重要。根之所以能从土壤中吸收这些物质,是因为根具有向重力性运动的能力,能“钻”到土壤中去。想象一下,如果根不能进行这种向重力性的运动,它的生命是不是很快就消失殆尽了?从这点上看,植物的生命也在于运动。

当你接受了植物也会运动的观点后,再来观察植物,你会发现植物的运动方式是千奇百怪的。它不仅可以向着重力运动,还可以向着光、水、触动等因素运动。除此之外,它们还可以做“害羞”运动(如含羞草),捕捉动物运动(如捕蝇草)等等。在神秘的热带雨林里,有一类植物大家族称作姜科植物,它们有艳丽的花,可供使用的块茎,更奇特的是,其中有一些植物,它们的花柱具有很奇妙的运动方式——花柱卷曲性运动。

这些植物的花柱(有2种表型,即下垂型花柱和上举型花柱)在一天开花过程中会进行2次方向相反的弯曲运动,如下垂型花在凌晨开花时花柱相对于花药向上卷曲,此时它的花粉囊开裂,花粉散出,且柱头在花药的上方,这样同一朵花的花粉一般不会接触到柱头,从而避免了自花授粉;到了中午,它的花柱又开始向下卷曲,此时它的花粉大多已被传粉昆虫带走,柱头虽然运动到花药下方,自花授粉的几率也非常低。上举型则与下垂型相反, 凌晨开花时花柱先向下卷曲,此时花粉囊不开裂,柱头虽然在花药正下方,不会发生自花授粉;中午花柱开始向上卷曲,然后花粉囊开裂,花粉散出,同样也避免了因自交而带来的衰退。

我们知道生物有什么样的结构决定了它有什么样的功能,比如耳朵特殊的构造是用来听到声音的,眼睛的构造呢就是用来看事物的。那么山姜属植物花柱的这种设计精妙的运动,它的结构基础是什么呢?带着这个问题,我们对搜集到的5种山姜属植物(马来良姜、云南草蔻、宽唇山姜、花叶山姜、红豆蔻)的花柱进行了观察和显微结构的研究,并对其中一种进行了超微结构的观察。我们发现两种表型的花柱运动,都只发生在它的靠近柱头的一端,靠近子房的一端没有运动能力。与此相对应的是,花柱两端的显微结构不同。能运动的一端,它的花柱以花柱道(花柱中间的一个管道)为界,两侧的结构存在显著的差异,这种差异表现在细胞层数一侧多,一侧少;细胞形状也不一样。而不能运动的一端,它的细胞层数和形状在花柱道两侧大致都相同。下面以马来良姜为例来看花柱的结构。

在马来良姜花柱的运动部分(图3),花柱道的下侧只有9-12层细胞,细胞直径5-10µm,长度60-90µm,比较狭长;花柱道上侧的细胞层数比较多(图4),除靠近花柱道的狭长细胞外,还有8-10层形状不规则的细胞,直径8-20µm,长度20-40µm,近卵形。另外,在花柱的运动部位,花柱道上、下两侧的细胞壁的厚度也有差异。上侧靠近表皮的细胞壁较薄,而下侧的所有细胞以及上侧中靠近花柱道的细胞,它们的细胞壁较厚(图),约比上侧靠近表皮的细胞厚2-3倍(图5)。细胞壁的这种差异可能使得两侧组织的伸缩难易程度不同, 从而导致花柱的卷曲运动。

通过我们观察,5种山姜属植物的花柱结构都是相似的:花柱无运动能力的一端, 其细胞类型在上侧和下侧是一样的,而花柱具运动能力的一端,其细胞类型在两侧存在不对称性。这种不对称性导致了花柱两侧在卷曲运动中生长速率产生差异, 我们预测这可能是花柱卷曲运动的结构原因。

    植物运动对植物的生存和繁殖来说都是非常重要的,这里我们只是介绍了姜科中植物的花柱卷曲运动,在自然界中,其他家族的植物也存在花柱卷曲,只是表现形式不同。除了花柱的运动之外,植物的花部还存在其他类型的运动,比如花丝的卷曲,柱头的卷曲,花朵的开放等。而除了花之外,植物的所有营养器官——根、茎、叶都具有运动的能力。正是这些运动,植物得以深入土壤获得养料和水分,得以更好的获得阳光进行光合作用,得以更好的繁殖后代,所以,植物的生命在于运动,生命不息,运动不止。

作者简介:
      罗银玲,女,河南周口人,博士,主要从事种子脱水耐性和植物运动的相关研究。

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