Science：没有视觉器官，植物怎么知道光从哪里来呢?

植物没有视觉器官，那么它们怎么知道光从哪里来呢?在一项结合生物学和工程学专业知识的原创研究中，由UNIL的Christian Fankhauser教授领导的团队与EPFL的同事合作，发现了一种光敏植物组织利用空气和水之间界面的光学特性来产生对植物“可见”的光梯度。这些研究结果发表在《科学》杂志上。

大多数生物(微生物、植物和动物)即使没有像眼睛这样的视觉器官，也有能力确定光源的来源。这些信息对于自我定位或在环境中进行最佳定位是非常宝贵的。感知光的来源对植物来说尤其重要，植物利用这些信息来定位它们的器官，这种现象被称为向光性。这使它们能够捕获更多的太阳光线，然后通过光合作用将其转化为化学能，这是一个至关重要的过程，几乎是生产我们所吃的所有食物所必需的。

虽然人们早就知道启动向光性的光感受器，但光敏植物组织的光学特性直到现在仍然是一个谜。发表在《科学》杂志上的一项多学科研究，结合了博士团队的专业知识。Christian Fankhauser (UNIL生物与医学系整合基因组学中心正教授兼主任)博士等人发现了一个令人惊讶的组织特征，使植物能够探测到定向光的线索。

“这一切都始于对模式物种拟南芥(Arabidopsis thaliana)的一种突变体的观察，它的茎部出奇地透明，”领导这项研究的Christian Fankhauser解释说。这些植物不能正确地对光作出反应。这位UNIL的生物学家随后决定求助于他的同事：来自EPFL的Andreas Schüler，以便进一步比较突变型和野生型样品的特定光学特性。

“我们发现年轻野生植物茎的天然乳白色外观实际上是由于精确位于各种组织的细胞间通道中存在空气。在突变的标本中，空气被含水液体所取代，使它们具有半透明的外观。”

但是这些充满空气的通道有什么用呢?它们使光敏茎建立一个可以被植物“读取”的光梯度。然后植物可以确定光源的来源。这种现象是由于空气和水的不同光学特性造成的，而空气和水构成了大部分的活组织。“更具体地说，空气和水有不同的折射率。这导致光在穿过幼苗时散射。我们在欣赏彩虹时都观察到了这种现象，”范克豪泽教授小组的博士后、该研究的第一作者之一Martina Legris解释道。

通过他们的研究，科学家们揭示了一种新的机制，使生物体能够感知光从哪里来，使它们能够以一种优化光合作用光捕获的方式定位它们的器官，如叶子。该研究还提供了一个更好的理解充满空气的细胞间通道的形成，这在植物中有一系列的功能，除了形成光梯度。在其他用途中，这些通道促进气体交换，并使其在发生洪水时抵抗缺氧(氧气量减少)成为可能。它们从胚胎到成年的发育过程，我们仍然知之甚少。本研究利用的遗传资源将有助于更好地了解这些有趣结构的形成和维持。