花朵的 “對稱密碼” 與植物進化傳奇

花朵，無疑是植物饋贈給人類的珍貴禮物。它們身兼植物繁衍后代的重任，憑借絢麗色彩、馥郁香氣，給我們帶來美妙的感官體驗，還為藝術(shù)創(chuàng)作源源不斷地輸送靈感。花朵備受喜愛，除了那迷人的模樣，對稱均衡的美感起著關(guān)鍵作用。大多數(shù)被子植物的花朵，如同精心搭建的小房子，由好幾輪器官組合而成，從外到里依次是萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊（單個或多個心皮構(gòu)成）。這些花器官依照特定的對稱方式生長排布，宛如大自然這位頂級設(shè)計師精心雕琢的藝術(shù)品，美得令人驚嘆。

怪物的故事

花朵的對稱性，曾經(jīng)讓植物學(xué)家們大傷腦筋。故事得從 1742 年夏天說起。有個熱愛文藝科學(xué)的青年（后來成為首席法官），回到故鄉(xiāng)瑞典東海岸的羅斯拉根群島度假時，收集了一些植物樣本。其中有一株，看似柳穿魚，卻又存在差異。平常的柳穿魚花朵是兩側(cè)對稱的，僅有一個對稱軸，可這株植物的花朵卻是輻射對稱，擁有好幾個對稱軸，花冠變成圓形，還像戴著顆五芒星，模樣怪異。后來，這個標本被瑞典烏普薩拉大學(xué)的一位植物學(xué)教授送到了大植物學(xué)家林奈手中。林奈起初以為有人惡作劇，懷疑是不是有人把柳穿魚的莖葉和別的植物的花用膠水粘在一起捉弄他。

但林奈十分較真，親自前往標本采集地考察，發(fā)現(xiàn)這植物確實在自然界中生長著。林奈瞬間被這個奇特的植物吸引。起初，他猜測這可能是遠緣雜交的后代，可很快便推翻了這個想法。接著他又覺得這是個新物種，畢竟它是由自身種子繁殖的。但后來又發(fā)現(xiàn)，這植物的后代性狀不穩(wěn)定。林奈無奈之下，給它命名為 Peloria，在拉丁文里意為 “怪物” 。他還無奈感慨：“這在植物學(xué)里太獨特了，光看花的特征，根本鑒別不出來。”

在我看來，林奈當(dāng)時必定極為糾結(jié)。面對這樣一個 “怪胎” 植物，傳統(tǒng)分類方法完全派不上用場，就如同在熟悉的地圖中突然出現(xiàn)一塊神秘未知區(qū)域，那種探索的渴望與困惑相互交織，肯定讓他既興奮又頭疼。這也表明，大自然常常給我們出難題，打破我們原有的認知，迫使我們?nèi)ヌ剿餍碌闹R領(lǐng)域。

基因的秘密

這個 “怪物” 的秘密，直到 1999 年才徹底被揭開。如今我們知道，植物的模樣由基因決定，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是要有正確的遺傳物質(zhì)，即 DNA 序列，這如同植物發(fā)育的 “設(shè)計藍圖”，要是控制長高的基因突變，原本能長成大樹的，可能就變成小灌木了；二是這些基因得在合適的時間、地點發(fā)揮作用。要是小芽剛冒頭就開花，或者果實上長出枝條，對植物來說，那可就亂套了。所以，植物進化出諸多精巧機制來保證正常生長，既能修復(fù) DNA 的小損傷，在控制基因表達方面更是有一套。DNA 甲基化就是個例子，它就像給 DNA 堿基戴上 “小枷鎖”，暫時不需要表達的基因就被鎖住，等需要的時候再解鎖。后來分子生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這個 Peloria 的環(huán)形基因（CYC 基因）被不正常地甲基化了，這一異常，就像電路短路，使得花朵的對稱性發(fā)生巨大改變，從兩側(cè)對稱變成了輻射對稱。

此外，植物基因組里還有許多轉(zhuǎn)座子序列，它們就像一群調(diào)皮的 “小搬家工”，能在染色體上復(fù)制、斷裂，然后整合到其他位置。要是它們不小心跳到有功能的基因序列里，就會破壞基因原本的結(jié)構(gòu)。金魚草里也有類似 Peloria 的 “怪物”，就是因為轉(zhuǎn)座子跳到了金魚草的環(huán)形基因（CYC 基因）里。由此可見，環(huán)形基因（CYC 基因）與兩側(cè)對稱花的發(fā)育關(guān)系緊密。

基因的這些復(fù)雜操作，實在神奇。就像一個精密的控制系統(tǒng)，每個環(huán)節(jié)都環(huán)環(huán)相扣，任何一點小差錯，都可能引發(fā)大變化。這也讓我們看到，生命的奧秘就藏在這些微小的基因世界里，每一次對基因的深入了解，都像是在破解生命的神秘密碼。

同類的功能

上述提到的柳穿魚和金魚草，都屬于車前科（按照被子植物種系發(fā)生學(xué)組提出的 APGIII 分類法）。環(huán)形基因（CYC 基因）在其他植物里也有 “親戚”，它們有著相似的序列和結(jié)構(gòu)。例如禾本科的水稻，當(dāng)水稻里一個類似 CYC 的基因 RETARDED PALEA1（REP1）發(fā)生突變后，水稻花的對稱性也隨之改變。水稻花的結(jié)構(gòu)在禾本科作物里具有代表性，最大的兩個器官是兩片綠色穎殼，大的叫外稃，有 5 個維管束，小的叫內(nèi)稃，有 3 個維管束。

內(nèi)外稃邊緣像鎖扣一樣扣在一起，為里面的雄蕊、心皮、漿片等器官打造了一個安全的小空間。正常情況下，水稻花只有一個對稱軸。但當(dāng)這個類環(huán)形基因（CYC 基因）突變后，內(nèi)稃就有了 5 個維管束，邊緣鎖扣結(jié)構(gòu)范圍也擴大了，變得像外稃一樣。不過，水稻花還沒像柳穿魚那樣，因為一個基因突變就變成輻射對稱，這說明禾本科植物花器官的發(fā)育調(diào)控，是個更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，涉及的基因更多。

環(huán)形基因（CYC 基因）不僅影響一朵花的發(fā)育，整個花序的結(jié)構(gòu)它也能調(diào)控。以非洲菊為例，非洲菊是典型的頭狀花序，花盤最外圍是舌狀花，兩側(cè)對稱，最中心是管狀花，輻射對稱。雖說植物各個部分細胞里的遺傳物質(zhì)都一樣，但葉片、花朵、果實能各自正常發(fā)育，這多虧了基因表達的時空特異性。非洲菊的類環(huán)形基因（CYC 基因）活動范圍是受限制的，在外圍舌狀花區(qū)域活躍，在內(nèi)部管狀花區(qū)域沉默，沿著花序的輻射軸方向，呈現(xiàn)出外面高里面低的梯度。這就導(dǎo)致在舌狀花和管狀花之間，出現(xiàn)了第三種花 —— 過渡花。過渡花也是兩側(cè)對稱，但花瓣沒舌狀花長，比較小，和舌狀花一樣，雄蕊幾乎不發(fā)育。

人們通過轉(zhuǎn)基因手段，讓非洲菊的一個類環(huán)形基因（CYC 基因）關(guān)閉，結(jié)果整個花序就像 “瘦了身”，過渡花的花舌變得很短，跟管狀花差不多，有的過渡花的花舌甚至變成五裂或八裂，有了輻射對稱花的特征。反過來，擴大這個類環(huán)形基因（CYC 基因）的活躍區(qū)域，中間管狀花的雄蕊發(fā)育就受到抑制，原本裂開的花瓣融合在一起，長度也增加了，有了舌狀花的一些特點。

在金魚草里，科學(xué)家們通過一系列分子生物學(xué)和遺傳學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)形基因（CYC 基因）不是 “單打獨斗” 的。它和另一個叫 DICHOTOMA（DICH）的基因能相互作用，它們都有一個相同的保守結(jié)構(gòu)，在不同物種里都很相似，屬于同一個叫 TCP 的基因家族，這個家族的基因能結(jié)合 DNA，調(diào)控其他基因的表達。TCP 類基因和一些特定的 MYB 類基因相互作用，共同構(gòu)成了調(diào)節(jié)花朵兩側(cè)對稱發(fā)育的基因網(wǎng)絡(luò)。

從這些不同植物里環(huán)形基因（CYC 基因）的作用來看，就像一個龐大的家族企業(yè)，各個成員在不同植物里承擔(dān)著類似但又有細微差別的工作，共同維持著花朵發(fā)育的 “秩序”。這也讓我們看到，大自然在進化過程中，用相似的基因機制，創(chuàng)造出了豐富多彩的花朵形態(tài)。

進化的傳奇

生物學(xué)研究，最終都繞不開進化這個大問題。那么，兩側(cè)對稱花在進化生物學(xué)上有什么意義呢？

現(xiàn)在大家普遍認為，兩側(cè)對稱花比輻射對稱花要高級一些。這可不只是因為花朵排列有序，更有利于自身采光，關(guān)鍵是這種結(jié)構(gòu)對昆蟲授粉特別有利。像蘭花、金魚草這些有典型唇形花瓣的花朵，就是和昆蟲協(xié)同進化的成功例子。昆蟲落在唇形花瓣上，重量會讓花朵下垂，這樣昆蟲就能更容易地鉆進花冠深處，取食花粉花蜜，同時也大大提高了授粉成功的幾率。有些大洋洲的蘭花品種更厲害，能模擬雌蟲的形態(tài)，吸引雄蟲來傳粉，簡直太聰明了。

近些年的分子進化研究，揭示了環(huán)形基因（CYC 基因）起源和兩側(cè)對稱花的關(guān)系。傳統(tǒng)進化學(xué)主要依靠化石證據(jù)和形態(tài)學(xué)觀察，而分子進化能從 DNA 層面分析。通過對比不同物種 DNA 序列的差異，就能梳理出某個基因在物種間的起源和進化關(guān)系。研究人員在豆科、車前科、菊科、苦苣苔科、罌粟科等代表物種里都做了分子進化分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩側(cè)對稱花里，CYC 類基因能相互結(jié)合在對方特定序列上，這段序列就像黑夜里的燈塔，在龐大的 DNA 海洋里，指引著彼此。

這使得 CYC 類基因成員相互促進表達，攜手合作。但在原始的輻射對稱花里，CYC 類基因就很孤單，因為沒有特定序列，它們就算在同一個小小的細胞核里，也沒法相互識別，形同陌路。慢慢地，環(huán)形基因（CYC 基因）家族成員越來越緊密地 “團結(jié)” 在一起，越來越頻繁地參與兩側(cè)對稱花的發(fā)育，就這樣，兩側(cè)對稱花從輻射對稱花里多次獨立起源，才有了我們現(xiàn)在看到的這個五彩斑斕、絢麗多姿的花朵世界。

環(huán)形基因的故事還遠沒結(jié)束，科學(xué)家們還有一堆疑問。到底是誰在 “上游” 維持它特定的活躍區(qū)域？誰又在 “下游” 聽它指揮活動？還有沒有更多的 “伙伴基因” 和它一起工作？科學(xué)就是這樣，一個新發(fā)現(xiàn)總會引出更多新問題，也正是這些未知，讓大自然變得愈發(fā)迷人，吸引著我們不斷去探索。每一次對植物基因和進化的深入研究，都像是在解讀大自然這部宏偉巨著里的新篇章，讓我們離生命的真相更近一步 。