核心概念:向觸性
- 定義: 向觸性是指植物器官(如根、莖、卷須)對單側接觸刺激產生的定向生長反應。這種生長通常表現為彎曲。
- 目的: 對于攀援植物(如常春藤)的卷須來說,向觸性的核心目的是感知并纏繞住支撐物(如樹干、墻壁、棚架),從而使植物能夠向上攀爬,獲得更多光照和空間。
常春藤卷須的向觸性反應過程
感知接觸:
- 常春藤卷須的尖端或特定區域非常敏感。當卷須在空中伸展、探索環境時,一旦其一側接觸到固體物體(支撐物),該接觸點的細胞就會感知到這種機械刺激(壓力、觸摸)。
信號傳導:
- 接觸點的細胞將機械刺激轉化為生化信號(如鈣離子流、活性氧爆發、激素信號)。
- 這個信號會沿著卷須或局部區域快速傳遞(可能涉及電信號或化學信號),通知組織“這里接觸到了東西”。
生長素的不對稱再分布:
- 這是向觸性彎曲的關鍵步驟!
- 在感知到單側接觸刺激后,卷須會主動改變生長素(主要是吲哚-3-乙酸,IAA)在橫截面上的分布。
- 具體分布變化:
- 接觸側: 生長素濃度降低。這可能是通過抑制生長素向接觸側的運輸、促進接觸側的生長素外排或降解來實現的。
- 非接觸側: 生長素濃度相對升高。由于接觸側濃度降低,或者生長素主動向非接觸側運輸(通過PIN等生長素轉運蛋白),導致非接觸側積累了更多的生長素。
差異生長與彎曲:
- 基本原理: 生長素在較低濃度時促進細胞伸長,但過高濃度反而可能抑制。在向觸性反應中,非接觸側積累的生長素濃度通常處于促進細胞伸長的最佳范圍。
- 結果:
- 非接觸側(生長素濃度較高)的細胞伸長更快。
- 接觸側(生長素濃度較低)的細胞伸長較慢甚至停滯。
- 這種兩側細胞伸長的速度差異,導致卷須向接觸刺激源(支撐物)的方向彎曲。卷須開始纏繞支撐物。
纏繞與固定:
- 一旦開始彎曲,卷須會繼續生長,并通過多次接觸感知和進一步的彎曲調整,最終緊密地纏繞住支撐物。同時,卷須可能變硬木質化,或者產生粘附結構(常春藤有氣生根),從而牢固地附著在支撐物上。
生長素不對稱分布的關鍵證據和機制
- 實驗證據: 使用放射性標記的生長素或熒光標記的生長素報告基因(如DR5::GFP)可以直觀地觀察到,在接觸刺激后,接觸側的生長素信號顯著減弱,而非接觸側增強。
- 轉運蛋白的作用: PIN家族的生長素外排轉運蛋白在調節這種不對稱分布中扮演核心角色。接觸刺激可能改變了這些轉運蛋白在細胞膜上的定位或活性,使其將生長素更多地泵向非接觸側,或者減少從非接觸側泵出。
- 信號通路: 機械刺激感知后,可能激活了特定的激酶或磷酸酶,它們磷酸化或去磷酸化PIN蛋白,改變其定位和活性,從而改變生長素的極性運輸方向。
- 與其他激素的協作: 乙烯等激素也可能參與接觸信號的傳導或放大生長素的作用,共同調節彎曲反應。
總結:常春藤卷須向觸性的核心機制流程圖
卷須一側接觸支撐物 (機械刺激)
↓
接觸點細胞感知刺激 → 信號傳導 (鈣離子、ROS、激素)
↓
激活生長素轉運調控網絡 (主要是PIN蛋白)
↓
生長素不對稱再分布:
* 接觸側:生長素 ↓ (外排增加/輸入減少/降解)
* 非接觸側:生長素 ↑ (積累)
↓
細胞伸長差異:
* 非接觸側 (高生長素):伸長快
* 接觸側 (低生長素):伸長慢
↓
卷須向接觸側(支撐物)彎曲
↓
繼續生長、纏繞、固定
簡而言之: 常春藤卷須通過感知單側接觸,觸發生長素在接觸側和非接觸側的差異分布(接觸側低,非接觸側高),導致非接觸側細胞伸長更快,從而使卷須向接觸到的支撐物彎曲并最終纏繞固定。生長素的不對稱運輸和分布是這一精妙適應行為背后的核心驅動力。