分子譜寫的花朵之美

花有形狀之美，婀娜容姿依風(fēng)飛；花有顏色之美，姹紫嫣紅映流水；花有氣味之美，招蜂舞蝶十街醉……如今，科學(xué)家在分子層面重新解構(gòu)了那些詩(shī)意聯(lián)翩的花之印象，有關(guān)花開之種種奧秘有了新的解讀。

“美麗”的初衷

花朵意味著永恒的主題：誘惑、召喚、沉醉、生育。和口紅與蕾絲襪不同，花朵是用生動(dòng)花瓣和絢爛條紋來(lái)打動(dòng)觀賞者的。有些植物花卉提供一個(gè)合情合理的交換條件——它們以富含蛋白質(zhì)的花粉或香甜花蜜酬謝遠(yuǎn)道而來(lái)的客人，如人類、蜜蜂、螞蟻，一切以花為生的昆蟲都可以成為花朵受精的媒介生物。而另外一些花卉則以欺騙招徠臭味相投的生物們，它們模仿腐爛尸體的氣味、顏色和觸覺，以吸引尋找那些蠅營(yíng)狗茍的動(dòng)物們，比如對(duì)以腐爛肉體為樂土的蒼蠅來(lái)說(shuō)，這樣的花卉無(wú)疑是最佳的去處。還有一些花朵迎風(fēng)招搖著輕佻的身段，在空中飄舞起豐富而輕盈的花粉，有時(shí)候空氣也可以成功充當(dāng)授粉的媒介。

在所有華麗的花瓣或醉人的香味表面魅力之下，是精子和卵子的復(fù)制，持續(xù)的傳宗接代。在成熟的季節(jié)，開花植物往往繁殖出累累碩果。

花卉植物又名被子植物，相對(duì)它們的非開花植物親屬來(lái)說(shuō)，雖然進(jìn)化的年代遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及，卻已經(jīng)成功地征服了地球上各個(gè)大洲，品種已逾25萬(wàn)。

人們用鮮花表達(dá)慰問和祝福，有時(shí)還表示抱歉；當(dāng)然，有時(shí)候人們也以花朵為食物。當(dāng)鮮花孕育出成熟的果實(shí)，將為人類提供近70％的食物。大米、小麥、大豆和玉米技術(shù)上都是果實(shí)的種子，歸根結(jié)底都是開花植物的功勞。花卉植物的確無(wú)處不在，否則科學(xué)家們就不會(huì)煞費(fèi)苦心地試圖解讀花朵本身的構(gòu)造細(xì)節(jié)。對(duì)花朵結(jié)構(gòu)的研究將有助于改善農(nóng)作物品種，提供調(diào)配香水和開發(fā)新藥物的材料。

最近的遺傳和分子生物學(xué)研究表明。在花朵的結(jié)構(gòu)中有一種奇妙的簡(jiǎn)化單元——雖然持續(xù)的生長(zhǎng)會(huì)增加花瓣的扭曲，但是簡(jiǎn)化單元會(huì)時(shí)刻起到以最簡(jiǎn)單的方式完成最復(fù)雜定型的作用。花朵豐富的花瓣造型、芬芳的氣味和多彩的顏色可能部分源于一種主宰性的遺傳工具，它為花卉植物發(fā)育的多樣化提供了足夠的空間。許多花卉植物利用相同的主宰基因直接發(fā)育出特定形狀的花瓣，對(duì)芳香化合物的詳細(xì)研究也表明，不同花朵的氣味也蘊(yùn)涵著的多個(gè)相同或密切相關(guān)的基因組合，針對(duì)玫瑰花的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)揭示了玫瑰香味的決定基因，證實(shí)了以上結(jié)論。此外，復(fù)雜的顏色基因也被科學(xué)家確定了，科學(xué)家們超越了色素研究方法的藩籬，通過(guò)細(xì)胞形狀、金屬元素含量以及酸堿度等因素來(lái)揭示花朵呈現(xiàn)藍(lán)色的奧秘。

植物的生長(zhǎng)往往極具生命力——把綠色枝條上摘下的花瓣掩埋在土壤里就可以抽根發(fā)芽。根部生長(zhǎng)得很快，如果光線充裕，它就能結(jié)出美麗的花朵，就好像種植一個(gè)尾巴就可以得到一只松鼠一樣神奇。“植物抽條開花的能力反映了植物適應(yīng)環(huán)境的強(qiáng)大的靈活性，這也正是植物和動(dòng)物相區(qū)別的關(guān)鍵之處。”英國(guó)劍橋大學(xué)的貝沃萊·格勞教授這樣說(shuō)。

生物學(xué)家認(rèn)為植物必須具備這樣的適應(yīng)性，以應(yīng)付自然設(shè)計(jì)的缺陷——比如固著一處不能隨時(shí)遷移的問題。

植物的適應(yīng)性似乎起源于其自身具有的豐富異常的基因?qū)毑亍Ｓ行┲参锏幕蚪M數(shù)目十分龐大：遺傳指令為人類基因組的近40倍。而許多不同的植物分享相同或密切相關(guān)的多個(gè)基因副本。

在花瓣的形成過(guò)程中。“同一種類的決定基因以稍微不同的運(yùn)作方式完成同樣的事情，”格勞說(shuō)道， “也許是因?yàn)槲覜]見過(guò)世面，但是這些蘊(yùn)含在其中的神奇實(shí)在令人驚訝!”

花朵由4個(gè)同心圓螺紋部分組成：萼片在外面，然后是花瓣、雄蕊和心皮(雌蕊)被包含在中心部位。在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家研究突變植物獲得了豐碩的成就，亨瑞克·科恩利用金魚草以及艾里奧·梅耶若偉茲利用鼠耳芥作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別獨(dú)立地描述了三類基因(A、B和C)如何像譜曲一般譜寫了植物每個(gè)部位發(fā)育的完整過(guò)程，尤其是花朵的形成過(guò)程。言及植物發(fā)育的ABC模型，我們可以追溯到德國(guó)偉大的詩(shī)人歌德關(guān)于植物生長(zhǎng)的名言：“花朵詮釋了一切。”其實(shí)，歌德在植物學(xué)方面所取得的成就不亞于其在文學(xué)方面的成就，可以說(shuō)，歌德的“花朵”理論和《浮士德》一樣著名。

200年后，在詩(shī)意和傳統(tǒng)觀念中形成的關(guān)于萼片、花瓣、雄蕊和心皮的概念已經(jīng)被徹底修改，人們開始從分子的層面上重新認(rèn)識(shí)曾經(jīng)富有倫理、審美意義的花朵。

身段初長(zhǎng)成

科恩和梅耶若偉茲都注意到，如果植物中的特定基因片段被破壞，植物相應(yīng)器官則會(huì)發(fā)育錯(cuò)位或不能發(fā)育。并且在某些情況下，花瓣會(huì)以完全不同的樣式生長(zhǎng)出來(lái)。

如果植物缺失A類基因，就會(huì)不長(zhǎng)花瓣。如果B類基因發(fā)生突變，并不會(huì)導(dǎo)致如A類基因缺失產(chǎn)生的問題，比如長(zhǎng)不出花瓣或花蕊，而是另一種情況——花朵會(huì)發(fā)育出兩個(gè)萼片和兩個(gè)心皮。關(guān)于花朵發(fā)育的以上模型，當(dāng)擴(kuò)展到包括D、E類基因的決定狀況時(shí)，在其它條件不變的情況下，突變植物會(huì)產(chǎn)生特定的變異性狀。在研究鼠耳芥草和金魚草的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為以上模型的結(jié)論提供了有力的支持。盡管鼠耳芥草和金魚草僅僅是成千上萬(wàn)花卉植物中的兩個(gè)品種而已，實(shí)驗(yàn)結(jié)果至少告訴我們一些基因?qū)ǘ浒l(fā)育的基本影響。所以對(duì)于花卉生長(zhǎng)的ABC基因模型來(lái)說(shuō)，研究者仍舊在不懈地努力探尋著。

“新的研究成果顛覆了長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)植物科類中有關(guān)花卉多姿形狀的某些固有成見，基于對(duì)毛莨科的研究，為B類基因在花瓣生長(zhǎng)中至關(guān)重要的作用再次正名。”哈佛大學(xué)的艾里納·克拉美稱。

毛茛科包括飛燕草、烏頭、銀蓮花和耬斗菜等花卉植物。從毛茛科譜系的演變狀況可以看出，這個(gè)植物家族在多次的進(jìn)化過(guò)程中似乎已經(jīng)逐漸喪失了花瓣。屬于這個(gè)譜系的許多植物都有第二內(nèi)層螺紋形花瓣，看起來(lái)似乎是改良后的花的雄蕊。此外，毛茛科植物所具有的萼片和其它植物有些不同，后者往往泛綠而且矮小。毛茛科植物的萼片中往往充滿顏色細(xì)胞和花蜜汁液。

克拉美在《美國(guó)植物》雜志2009年1月刊中稱：“不論大小、形狀和顏色有何差別。毛茛科譜系的植物們都分享相同的基因，這些基因決定它們花瓣發(fā)育的主要特征。”

威斯康星州麥迪遜大學(xué)的大衛(wèi)-巴姆說(shuō)，“目前尚不清楚到底是哪種基因?qū)е铝恕愋廴铩ò甑陌l(fā)育。”有關(guān)外層螺紋形萼片的形成仍然是一個(gè)謎。當(dāng)這個(gè)外螺紋形萼片變得色彩豐富且形似花瓣，比如飛燕草那樣的類花瓣情況，那么它也就獲得了正常花瓣的基因。但在其他的植物中卻不是這樣，比如文竹。這暗示著ABC的基因模型還需要繼續(xù)修正。“萼片將會(huì)怎樣發(fā)育，誰(shuí)也說(shuō)不準(zhǔn)，”克拉美說(shuō)。

聞香識(shí)花朵

科學(xué)家認(rèn)為是基因和某種酶共同作用產(chǎn)生了數(shù)以百計(jì)的化合物，賦予玫瑰花獨(dú)特的香氣。花瓣和萼片富麗堂皇的外表只是花朵實(shí)現(xiàn)其誘惑目的的資本而已，正如動(dòng)物以華麗的外表吸引異性配偶一樣。當(dāng)空氣中充滿紫丁香、茉莉花或百合花的味道，花朵的召喚無(wú)處不在地彌漫。 “植物會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)目巨大的化學(xué)物質(zhì)鏈，接近5萬(wàn)種植物的化學(xué)產(chǎn)生物的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被揭示清楚，”亞利桑那州立大學(xué)的大衛(wèi)·格昂說(shuō)。

除了吸引傳粉者，代謝化合物也可以抵御食草動(dòng)物，保護(hù)植物防御真菌以及抑制鄰近其他植物的生長(zhǎng)。

“和動(dòng)物不同。植物在遇到威脅時(shí)不能轉(zhuǎn)移位置，”格昂說(shuō)。“所以它們可以生長(zhǎng)出像刺一樣的武器來(lái)保護(hù)自己，或者產(chǎn)生毒素。”格昂的這個(gè)判斷，讓人們想起有關(guān)植物用“警惕的雙眼”提防著外在環(huán)境中不良物質(zhì)的圖景一毛發(fā)、有毒物質(zhì)都可能成為植物警惕的對(duì)象。

植物的生物化學(xué)反應(yīng)路徑可以追溯到很久以前。在花的香味形成過(guò)程中所產(chǎn)生的大量的萜類化合物(芳香的化學(xué)物質(zhì))也存在于動(dòng)物和真菌的體內(nèi)。格昂認(rèn)為動(dòng)物的生物化學(xué)路徑與植物王國(guó)非常相似，比如大多數(shù)酶一蛋白質(zhì)在生化過(guò)程中是作為分子(加糖、脫甲基集團(tuán))起作用的。且這個(gè)路徑上的生物酶比植物中的更加多樣，繁殖得也更加迅猛。

科學(xué)家認(rèn)為，一個(gè)基因復(fù)制后的突變能累積成為一個(gè)和原來(lái)基因稍有不同功能的基因。在去年的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上，科學(xué)家指出，這個(gè)說(shuō)法似乎已經(jīng)發(fā)生在玫瑰科植物中了。

有三四百種化合物讓玫瑰產(chǎn)生特有的香味，這是長(zhǎng)期以來(lái)公認(rèn)的。現(xiàn)代玫瑰花有兩個(gè)大類：一個(gè)是歐洲品種，它可以更好地耐寒和防御害蟲，另一個(gè)是中國(guó)的品種，其特殊之處是可以重復(fù)開花，而兩個(gè)品種都有特征性的香味。

格昂說(shuō)：“當(dāng)我們?cè)诩依锓N植玫瑰的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在花園的芳香氣味中只有很少花瓣的味道，還會(huì)混合著別的氣味。”

在歐洲，紅色玫瑰一個(gè)是最常見的品種。他們的香味由玫瑰氧化物產(chǎn)生，這種化合物質(zhì)一度成為香水和香料香精工業(yè)的寵兒。與此同時(shí)，占據(jù)花店柜臺(tái)并橫掃美國(guó)市場(chǎng)的現(xiàn)代茶玫瑰，是歐洲和中國(guó)玫瑰的雜交品種，它們聞起來(lái)更像茶的味道而非玫瑰。

茶葉香氣得歸功于一種被稱為幣形含氧基甲苯的化合物(或稱為DMT)。DMT主要由兩種相關(guān)的生物酶生成——OOMT1和OOMT2。在基因反復(fù)復(fù)制的過(guò)程中，中國(guó)的玫瑰同時(shí)有OOMT1和OOMT2兩種生物酶，而歐洲品種卻只有OOMT2這一種生物酶，而且這一種OOMT2在花瓣中對(duì)氣味的作用并不明顯。因此，這意味著歐洲玫瑰的氣味聞起來(lái)更像玫瑰；雜交的物種繼承了從其相近品種和中國(guó)品種中兩個(gè)種類的OOMT酶，從而產(chǎn)生茶的氣味。

“這個(gè)研究在解釋一個(gè)簡(jiǎn)單的復(fù)制如何會(huì)導(dǎo)致香味巨大變化的問題上，是一個(gè)相當(dāng)成功的例子。而且弄明白復(fù)制的細(xì)節(jié)對(duì)新品種的產(chǎn)生極富意義，有可能會(huì)由此創(chuàng)造出新的香氣宜人的玫瑰品種，”格昂這樣說(shuō)，“我們正在培育花瓣能散發(fā)出不同香氣的各種玫瑰。”

解讀色彩的誘惑

誘人的香味和姹紫嫣紅的花瓣履行其天生的職責(zé)一吸引從遠(yuǎn)處而來(lái)的傳粉媒介。研究表明，往往視覺的顏色最能吸引傳粉者。三種主要的天然色素是大部分顏色形成的基礎(chǔ)：貝塔林素、胡蘿卜素，花青素。這三種有機(jī)色素正如三原色一樣，構(gòu)成了花朵豐富色彩的基本色素。

當(dāng)橙色、紅色、藍(lán)色和紫色的花吸引你的目光之時(shí)，最可能是花青素起了作用。這些色素經(jīng)常還有其他功能，比如防曬。“所以花朵的顏色會(huì)受到植物生長(zhǎng)環(huán)境的強(qiáng)烈影響，在一片樹林中，生長(zhǎng)在不同地方的同一種植物開出的花朵顏色也可能不一樣，”杜克大學(xué)的馬克Ｗ·羅什爾說(shuō)。

在2008年5月的《進(jìn)化》雜志中，專家羅什爾和凱特琳·克貝利報(bào)道說(shuō)，在最常見的牽牛花譜系中，基因以編碼的形式發(fā)育出人們喜歡的白色花瓣，然而白色牽牛花卻從來(lái)不是主導(dǎo)的品種。原因何在呢?研究表明，如果限制了牽牛花色素的紫色素基因表達(dá)，那也就意味著限制了該生物的其它功能表達(dá)的途徑。紫色素和牽牛花其它方面的功能密切相關(guān)。“這樣就有可能阻礙由花色素提供的重要功能的表達(dá)，包括保護(hù)植物免受紫外線照射以及與土壤相互作用等重要功能。”羅什爾在2008年植物科學(xué)研究的論文中對(duì)植物色彩變化趨勢(shì)進(jìn)行了初步探索。證據(jù)顯示，鮮花所處的天然色素環(huán)境——色素細(xì)胞構(gòu)造以及色素細(xì)胞DH值都會(huì)影響外界對(duì)花朵顏色的感受。例如，玫瑰園種植的藍(lán)色玫瑰品種是從紫紅品種再到藍(lán)紫品種一步步培育而來(lái)的。這種色調(diào)的轉(zhuǎn)變是花瓣中花青素細(xì)胞積累的結(jié)果。相似地，在2007年，格勞和她的同事在一篇論文中指出，一個(gè)基因突變就能改變金魚草花瓣的表層細(xì)胞，從而進(jìn)一步改變光線在花瓣色素細(xì)胞內(nèi)的路徑，最后使它們看起來(lái)呈粉色而不是紫色。天然色素在堿性條件下也會(huì)變色，紅色或粉紅色的花朵會(huì)變成藍(lán)色。

科學(xué)家們最近的研究也揭示出金屬元素使得花瓣呈現(xiàn)藍(lán)色的奧秘所在。在2005年，日本科學(xué)家稱，鐵、鎂、鈣在植物中可以形成化合物——黃酮和花青素，它們是矢車菊呈現(xiàn)藍(lán)色的基本元素。日本的另一科學(xué)小組已經(jīng)證實(shí)喜馬拉雅罌粟的天藍(lán)色是鐵和鎂混合了黃酮和花青索的結(jié)果。鴨拓草天藍(lán)色的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它是由黃酮，鎂、花青素這幾種物質(zhì)共同合成的。八仙花屬萼片呈現(xiàn)藍(lán)色，涉及到其中所含鋁元素的濃度。而金屬在堿性條件下不起作用，所以如果想培育粉色花朵，園丁可以添加石灰，它可以提高土壤的堿性。

市場(chǎng)對(duì)觀賞植物和鮮花的需求每年價(jià)值高達(dá)700億美元以上，因此人們對(duì)于培育新品種、新色彩的鮮花熱情不減。同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)新顏色的花卉需求也不斷擴(kuò)大，如何改變花卉色彩的研究隨之而繁榮。來(lái)自鮮花以及各種樹葉(如新品種紫花羅勒的香氣)的新氣味也正在研究和實(shí)驗(yàn)之中，而且它們擁有成為新化合物藥品的潛在可能。

當(dāng)科學(xué)家關(guān)注并試圖解析和重新建構(gòu)花朵時(shí)，花朵也在此過(guò)程中完美地重塑。但是自然有其自身的法則，這是靠科學(xué)家的力量所難以企及的。因此，我們可以將花朵的氣味、顏色，形狀作分子層面的認(rèn)識(shí)，我們可以因此創(chuàng)造出新的氣味，新的顏色、新的形狀的花朵，但是除此之外，我們并不能改變什么。