大自然的隐藏艺术：揭示花卉图案的秘密蓝图
发表于《科学进展》杂志的一项开创性研究中，剑桥大学桑斯伯里实验室（University of Cambridge’s Sainsbury Laboratory）的科学家们在植物生物学领域取得了一项重大发现。由艾德维格·莫伊鲁德博士（Dr. Edwige Moyroud）领导的研究团队发现了一种不可见的”预模式”，这种模式塑造了芙蓉花瓣上标志性的靶心设计。这一发现揭示了自然界中相当于”数字填色”系统的存在，该系统在任何可见颜色出现之前就已经开始活跃，为我们深入了解复杂的花卉图案形成过程提供了新的见解。
研究表明，这些早期发育蓝图在吸引授粉者，特别是蜜蜂方面起着至关重要的作用。令人惊讶的是，蜜蜂明显偏好较大的靶心图案，它们在具有更大图案的花朵间移动的速度快25%。这一发现凸显了植物进化与授粉者行为之间微妙的相互作用。通过比较不同的芙蓉花种类，包括濒危的小靶心芙蓉（芙蓉理查森尼）（Hibiscus richardsonii）和更常见的中等大小靶心芙蓉（三裂叶芙蓉）（Hibiscus trionum），科学家们揭示了这些早期微妙的图案如何能产生深远的生态影响。
这项研究不仅推进了我们对花卉如何发展其复杂图案的理解，还为探索生物多样性和植物-授粉者关系开辟了新的途径。从这项研究中获得的见解可能对保护工作产生巨大价值，潜在地为保护濒危植物物种及其授粉者提供新的策略。随着我们深入探讨莫伊鲁德博士的研究工作，我们将探索这些大自然的微观杰作如何塑造了丰富多彩的花卉世界以及依赖它们的生物。
问：你最近的研究突出了芙蓉花中存在一种不可见的预模式。你能详细说明这种预模式是如何形成，以及你在早期花瓣发育过程中使用了什么工具来检测它吗？
答：我们之所以称之为”预模式”，是因为它是一种潜在的蓝图，在花朵开放时并不能立即看到。这种预模式对于创造花瓣两个部分在颜色、细胞形状和质地上的明显差异扮演著重要角色。
研究人员长期以来一直试图理解这些模式是如何形成，因为它们在调节植物与授粉者之间的交流中起着至关重要的作用。开花植物今天主宰了地球，主要是因为花朵是一种创新的进化，提高了生殖效率。虽然存在非开花植物，如针叶树（例如圣诞树），但开花植物由于这些优势而在很大程度上超越了它们。
历史记录显示，随着昆虫的多样化，开花植物也随之多样化。花瓣通常是花朵中视觉上最突出的部分——让一个孩子画一朵花，他们通常会画花瓣，忽略其他不太明显的重要部分。
最近的研究表明，这些模式还有其他功能。例如，它们帮助花朵在干燥环境中抵抗脱水，并像防晒霜一样保护高水平的紫外线辐射。认识到它们的重要性，我们开始研究这些模式是如何形成。然而，进展一直很缓慢，因为研究人员关注的发育阶段不对。
我们的研究发现，这些模式在发育很早期就形成了，在这个阶段，花瓣对肉眼来说看起来是均匀的绿色。传统上，科学家们通过检查不同生长阶段的花蕾来研究花瓣发育——想象一下植物上形成和生长的微小花蕾。他们会收集这些花蕾，检查花瓣，最终看到模式出现在表面。但到那时，建立模式的关键过程已经发生了。
为了真正理解模式形成，我们需要研究这些更早期的阶段，当时还没有明显的可见差异。我们使用高倍显微镜对每个细胞的轮廓进行成像，分析它们的几何形状和大小。虽然细胞表面上看起来相同，但我们检测到了对称性和大小的微妙差异，特别是在分隔花瓣两个部分的边界周围，那里是模式出现的地方。
我喜欢用”数字填色”画布的类比。小时候，我喜欢给这些画布上色，它们一开始是黑白轮廓，分成编号的部分，每个部分对应一种特定的颜色。尽管画布最初看起来是均匀的，但潜在的分区指导了最终的图像。同样，在早期花瓣发育过程中，细胞被分配了位置和身份，这决定了它们之后将如何分化——即使我们还看不到表面上的任何差异。
通过检查这个早期阶段细胞的几何形状和行为，我们发现花瓣分为不同区域的过程发生得比之前认为的要早得多。虽然这些差异对肉眼不可见，但我们的显微镜分析揭示了预模式，为我们看到花朵盛开时的显著模式奠定了基础。
问：花瓣发育的”数字填色”系统的概念很有趣。你是如何识别出花瓣的特定区域是预先决定发展成靶心图案？
答：我们的发现在很大程度上得益于先进的成像技术。我们首先解剖了处于不同发育阶段的花蕾，从已开放的花朵逐步往回研究到越来越小的花蕾。我们的目标是找到最早的阶段，即花瓣仍然完全是绿色且没有可见图案的阶段。
我们使用了一种能够突出细胞轮廓的荧光蛋白，使我们能够在荧光显微镜下可视化细胞结构。这种技术给了我们一个类似于数字填色画布轮廓的视图。
突破性发现出现在我们检查这些早期、表面上没有图案的花瓣时。尽管没有可见的色素，我们注意到细胞的大小并不均匀。关键的是，我们观察到在靶心图案边界之后将出现的位置正好有较大的细胞。
这种细胞分化对肉眼是不可见，但我们的成像技术揭示了这种图案实际上已经在细胞水平上”绘制”好了。这就像发现大自然在施加任何”颜料”之前早就勾勒出了设计。
这一发现只有借助技术进步才成为可能，这些进步使我们能够看到以前无法观察到的细胞细节。它展示了新工具如何揭示自然界中的隐藏过程，即使是在我们认为已经理解的现象中。
问：你能描述一下如何比较不同的芙蓉花种类，例如三裂叶芙蓉（Hibiscus trionum）和理查森芙蓉（Hibiscus richardsonii），来探索靶心大小在吸引授粉者方面的作用的过程吗？
答：比较已开放的花朵相对简单——我们分离花瓣，扫描它们，然后使用自动化软件检测不同区域并测量色素水平，从而有效地量化靶心大小。
挑战在于对预模式进行成像，这些预模式对肉眼不可见，存在于极小的花瓣中（约2毫米长）。我们小心地解剖这些微小的花瓣，通常使用解剖显微镜以确保精确性。解剖后，我们将花瓣置于使用激光和荧光来检测细胞轮廓的先进显微镜下。
我们使用化学染料使细胞壁在显微镜下发光，揭示预模式的”数字填色”设计。由于存在数千个细胞，手动测量是不切实际的，所以我们使用复杂软件自动识别细胞轮廓并测量长度、几何形状和大小等维度。虽然软件需要一些校正，但它显著加快了处理速度。
通过结合这些方法，我们有效地比较了不同芙蓉花种类之间的预模式，使我们能够探索靶心大小的变化如何影响授粉者的吸引力。
问：你的研究发现蜜蜂更喜欢较大的靶心，并且在具有更大图案的花朵之间飞行速度快25%。这些发现如何增进我们对植物-授粉者互动的理解，以及对植物的繁殖和生存有什么影响？
答：我们的发现揭示了植物和授粉者之间复杂的关系。尽管蜜蜂更喜欢较大的靶心，但我们观察到芙蓉植物在进化过程中趋向于形成较小的靶心。这种矛盾表明了几种可能性：
1. 不同的授粉者可能更喜欢较小的靶心，这可能导致物种形成。
2. 具有较小靶心的植物可能通过其他方式进行补偿：
*一些花朵保持开放的时间更长，增加授粉的机会。
*其他花朵产生更多的花蜜，尽管视觉吸引力较低，但仍能吸引蜜蜂。
这些策略突显了植物确保繁殖和生存的多样化方式。从保护的角度来看，理解这些偏好可以帮助我们支持受威胁的授粉者种群。例如，引入具有大靶心的植物可以通过提高觅食效率来帮助数量下降的熊蜂群体。
总的来说，这些发现强调了植物-授粉者关系的复杂性及其在维持生物多样性中的重要性。
问：鉴于理查森芙蓉（Hibiscus richardsonii）已经极度濒危，你认为它较小的靶心图案可能是导致其种群数量下降的一个因素吗？这一发现如何能够为濒危物种的保护工作做出贡献？
答：是的，如果授粉者更喜欢具有较大靶心的花朵，那么理查森芙蓉较小的靶心图案可能确实会导致其数量下降。如果引入一种具有较大靶心的竞争物种，它可能会吸引更多的授粉者，从而导致理查森芙蓉的繁殖减少。
我们进行了人工授粉实验，结果表明理查森芙蓉可以与具有较大靶心的物种杂交授粉，这表明不存在生理障碍。这两种物种在新西兰的一些地方共存，所以研究它们是否自然杂交或是否被不同的授粉者访问很是重要。
为了最小化人类干扰，我们计划使用GoPro相机记录授粉者与这些花朵的互动。了解什么吸引不同的授粉者对于保护工作至关重要。
通过识别负责靶心大小的基因，我们可能可以改造理查森芙蓉使其具有更大的靶心，从而使其对授粉者更具吸引力并帮助其生存。虽然这种方法是推测性，并且受到法规的约束，但它提供了一种可能的保护策略。
除此之外，我们的研究增进了对细胞如何做出发育决策的理解，这可能对生物学和医学产生更广泛的影响。
问：你是否已经绘制出这些花卉的全基因组图谱？
答：我们已经开始识别一些重要的基因，尽管我们没有在最近的论文中包含这些信息。我们正在撰写的另一篇论文识别了一些控制理查森芙蓉（Hibiscus richardsonii）色素大小的基因。在我们的实验中，我们要么在三裂叶芙蓉（Hibiscus trionum）中破坏这些基因，导致靶心图案变小，要么将它们重新引入理查森芙蓉中，导致靶心变大。这意味着我们开始理解如何操纵这些特征。虽然可能涉及许多基因和网络，但我们很兴奋能在确定负责这些特征的特定基因方面取得进展。
问：预模式可能给植物带来进化优势的想法很有趣。你认为这些机制是如何进化，这种预模式过程是否可能在其他花卉物种甚至叶子等植物器官中发现？
答：这是一种现象，一旦你注意到它，你就会开始随处看到它。开花植物大约在1.5亿年前出现，虽然我们还不完全理解预模式的原理，但有一种理论认为花的所有部分都是改良的叶子。由于叶子在花之前就已存在，花瓣可能是通过获得变色和改变形状的能力从叶子进化而来。
我们认为花瓣用于图案形成的一些过程是从叶子中已有的过程回收或修改而来。如果你仔细观察一片叶子，你可能会注意到微妙的图案——尽管它们不那么明显，因为大多数叶子缺乏显著的色素。叶子的形状从基部到尖端各不相同，在显微镜下，你可以观察到不同的细胞行为。
所以，我们认为我们研究的预模式不仅限于花瓣，也适用于所有侧生器官，如叶子和雄蕊。虽然这些过程可能不完全相同，但可能存在一个共享的核心机制，每个器官都会发展出自己的特定功能。我们需要进行进一步的研究来确定这一点的真实程度，但这是一个令人兴奋的可能性，可能会扩展我们对不同物种和器官的植物发育的理解。
问：你提到预模式在花瓣显示任何可见颜色之前就开始形成了。你能否解释一下这些早期发育过程与出现明显模式的生长后期阶段有何关系？
答：要在花瓣上创造一个图案，想象一下表皮——一层相互毗邻的细胞。尽管这些细胞是邻居并且是同一组织的一部分，但它们在发育过程中需要变得非常不同。
以芙蓉花瓣为例，顶部的细胞形成从花瓣表面向外生长的微小圆锥体。这些细胞保持白色并且完全光滑。相比之下，花瓣基部的细胞产生紫色色素。它们以长方形来生长，不像圆锥体那样突出，并发展出可以散射光线的细小条纹。
尽管这些细胞彼此相邻，但它们遵循非常不同的发育路径。我们认为这种分歧是由预模式边界所引导——一种像墙一样却看不见的线。细胞根据自身相对于这个边界的位置来识别自己：如果它们在线的上方，就会遵循一种发育轨迹；如果在线的下方，就会遵循另一种轨迹。这种划分允许相邻细胞表现出明显不同的行为。
把它想象成把一个蛋糕分成两半，这样每一半都可以有不同的味道。没有这种分割，两半都会是一样。同样，预模式边界很重要，因为它使细胞在任何可见图案出现之前就能够专门化。尽管我们看不到这个边界，但它对花瓣的最终外观至关重要。
将预模式比作在幕后工作的安静个体很有意思——他们可能不引人注目，但他们的贡献至关重要。同样，预模式静默地运作，但对花朵的发育有深远的影响。
问：你的研究使用人造花盘来模拟不同的靶心尺寸。你是如何设计这些实验，对蜜蜂偏好较大靶心的结果感到惊讶吗？
答：作为一名遗传学家和细胞生物学家，我想确保我们的实验能够将靶心大小的效果与其他变量隔离开来。自然花朵在气味、形状或其他未考虑到的因素上可能有所不同，这使得很难将蜜蜂的偏好仅仅归因于靶心大小。
为了控制这些变量，我们创建了3D打印的花盘，它们模仿开放花朵的大小，但仅在靶心比例上有所不同。我们基于三裂叶芙蓉（大靶心）和理查森芙蓉（小靶心）之间的真实差异来设计这些花盘。
我对蜜蜂能够区分这些人工图案感到印象深刻。然而，我们后来用真实的花朵重复了这个测试，预期可能会出现一些补偿因素。令人惊讶的是，对较大靶心的偏好在真实花朵中更为明显，10只蜜蜂中有8-9只选择了三裂叶芙蓉。
我们的研究表明，可能存在一个跨物种的最佳靶心与花瓣比例，这可能是由进化选择所造成。然而，植物可以轻易改变靶心大小，这就引发了一个问题：为什么有些植物会产生较小的靶心？
这可能是一种复杂权衡的一部分。花卉图案不仅吸引授粉者，还引导它们的行为以实现有效授粉。例如，如果没有适当的图案，蜜蜂可能会获取花蜜而不促进授粉。
这些图案具有双重作用：吸引授粉者来到花朵，并确保它们与花朵正确交互以成功授粉。这种平衡突显了植物与其授粉者之间的复杂关系。
我们现在正在探索这种偏好的限度，测试靶心大小的较小差异和不同的对比度水平。有趣的是，我们对植物园中各种物种的靶心大小的调查表明，可能存在一个最佳的靶心与花瓣比例，这可能是进化选择的结果。
问：你能解释一下计算机建模在你的研究中所扮演的角色，以及它如何帮助模拟花瓣图案的发展？
答：计算机建模在我们的研究中起到了至关重要的作用，它使我们能够模拟和可视化那些超出人类大脑心理计算能力的复杂发育过程。虽然我们可以凭直觉想象几个细胞如何分裂或延长，但一片花瓣由数千个细胞组成，如果没有辅助，就不可能准确预测结果。
使用计算机模型，我们创建了虚拟花瓣，在其中我们可以快速运行各种细胞行为和遗传条件的模拟。这种方法类似于飞行员使用飞行模拟器来练习飞行——这是一种安全有效的方式来测试不同的场景。计算机可以轻松处理数千个变量和条件，使我们能够快速探索大量假设。
通过模拟这些实验，我们确定了哪些因素对花瓣图案发展有最显著的影响。这个过程帮助我们找出了最有潜力的的途径，为我们节省了大量时间和资源。我们可以专注于那些最有可能产生有价值见解的实验，而不是进行大量冗长且可能无资讯的实验。总之，计算机建模使我们能够可视化复杂过程，有效地测试各种条件，并优先考虑对我们研究最有信息价值的实验。
问：在研究如此微小尺度的花瓣发育时，特别是在处理小于0.2毫米的非常年轻的花瓣时，你遇到了哪些挑战？
答：在研究如此微小的花瓣的精细尺度发育时，我们面临了几个重大挑战。
第一个挑战是需要一个合适的模式生物。传统上，植物发育研究使用一种小型杂草，拟南芥（Arabidopsis thaliana）作为模式植物，已经使用了40多年。全球的实验室已为拟南芥开发了广泛的资源，包括完全测序的基因组和基因操作协议。然而，拟南芥产生非常小的花朵，自我授粉，并且缺乏吸引授粉者的花瓣图案——它的花瓣上没有图案。因此，它不适合研究花瓣图案如何吸引授粉者。
我们不得不开发一个新的模式系统，所以我们寻找一种具有所需花瓣图案且适合实验室工作的物种。理想的植物需要生长迅速，健壮，产生大量种子，并允许异花授粉。此外，我们必须开发方法来操纵这种新植物中的基因表达，这对于使其成为良好的模式生物至关重要。寻找和优化新的模式植物的过程是我们的第一个主要挑战。
第二个挑战涉及花瓣发育的成像。发现预模式的关键是使用强大的显微镜技术来成像细胞行为。之前没有人对花瓣做过这样的实验，因为花瓣发育发生在封闭的花蕾内，被绿色萼片包围，使它们不容易接触。我们必须设计新的方法来接触这些发育中的花瓣，并建立成像流程来有效地研究它们。
最后的挑战是管理生成的大量数据。尽管花瓣很小，但它们包含数千个细胞。对这些细胞进行成像产生了大量数据集，需要大量的计算资源来处理。我们必须花费大量的计算时间来识别所有细胞并提取有意义的数据。虽然处理如此大的数据集增加了我们对结果的信心，但它使图像分析变得耗时。为了解决这个问题，我们开发了计算流程来有效地管理和分析数据。
这些挑战突出了为什么这种类型的研究之前没有被进行过——我们需要同时开发使用芙蓉的新模式系统和用于成像和计算分析的新方法。
展望未来，使用人工智能将是一个有价值的下一步。人工智能可以帮助更有效地从成像数据集中识别细胞行为。此外，我们有兴趣使用人工智能来更好地理解动物行为。例如，当我们记录蜜蜂访问花朵并放慢视频时，我们注意到在实时中不明显的行为。人工智能可以帮助分析这些记录，揭示我们可能错过的有关蜜蜂行为的见解。
问：这项关于花卉预模式的研究可能如何影响生物学的其他领域，比如农业科学或生态网络研究？
答：我们对花卉预模式的研究可能对生物学的几个领域产生潜在影响：
1. 基础生物学：理解细胞如何做出决策是生物学中的一个普遍问题。这项研究可能为各个领域提供见解，包括人类生物学和癌症研究，在这些领域中细胞决策至关重要。
2. 人类健康：我们研究的色素，即类黄酮，以其抗氧化特性和健康益处而闻名。通过了解这些分子如何影响植物细胞，我们可能会从它们对人类健康的影响获得洞见。
3. 农业科学： a) 作物改良：我们的研究可能导致开发出更富含有益化合物的作物。例如，”紫色番茄”就是使用类似原理所设计。 b) 授粉效率：理解花卉图案可能有助于改善作物授粉。例如，在英国，为了获得更高产量而培育的田豆品种失去了吸引授粉者的黑斑图案。我们的研究可能有助于重新引入这些图案，尽管授粉者数量在下降，但仍能提高授粉效率。
4. 生态网络：通过提高我们对植物-授粉者相互作用的理解，我们可以更好地支持和管理这些关键的生态关系。
5. 植物育种：我们的工作识别了对创造花卉图案重要的基因。这些知识可以用于育种计划，开发更多对授粉者友好的作物品种。
6. 保护：对于濒危植物物种，了解花卉图案的遗传学可能通过确保植物对其授粉者保持吸引力来帮助保护工作。
本质上，这项研究连接了基础生物学、应用农业科学和生态学，提供了从改善人类健康到提高作物产量和支持生物多样性的潜在益处。
问：你提到下一步是探索负责生成早期花瓣图案的信号。你正在寻找识别哪些特定信号，你认为它们如何在其他植物物种或器官中运作？
答：在这个阶段，我们正在广泛搜索负责早期花瓣图案的信号。这是一个令人兴奋但充满挑战的过程，因为这个信号几乎可能是任何东西。我们最初关注了植物激素，特别是生长素，它在植物发育的许多方面发挥著至关重要的作用。虽然我们发现生长素对控制生长很重要，但我们不认为它是我们在图案形成中寻找的主要信号。
有趣的是，我们最近在花瓣中发现了类似于动物神经递质的分子。这是一个令人著迷的可能性，进化可能已经重新利用这些类神经递质分子来”绘制”花卉图案。我们目前正在研究这个有趣的线索。
不过，我们的搜索并不限于这些可能性。我们还在探索可以在细胞之间移动的小蛋白质或肽，类固醇等脂质分子，甚至钙等离子。实际上，我们正在研究每一种已知的信号分子类型。
这无疑是一项艰巨的工作，但我们相信这值得付出努力。花朵如何创造它们的图案这个问题长期以来一直困扰着科学家，我们怀疑我们发现的机制可能在植物物种中普遍存在，甚至可能适用于叶子等其他植物器官。这种广泛影响的潜力使这项研究究特别令人兴奋和有价值。如果这只是芙蓉特有的现象，可能不需要进行如此广泛的调查。然而，鉴于我们相信我们正在揭示植物发育的普遍原理，这项努力是完全合理。
问：这个发现最让你兴奋的是什么，你认为在接下来的几年里，你的研究会朝着什么潜在的方向发展？
答：最让我兴奋的是我们意识到我们还有很多领域要学习，特别是在植物生物学方面。我记得有一位资深教授曾经说过所有重要的发现都已经有了，当时我觉得这相当令人沮丧。然而，随着我的研究进展，我开始理解这种观点是多么错误。我们还有很多不了解的地方，特别是在植物中，相对于动物来说，植物的研究相对较少。
我不断被大自然的创造力所折服。当我们开始这项研究时，我以为我可以想象出靶心图案可能形成的所有可能方式，但大自然却以完全意想不到的方式让我们感到惊讶。现在有了工具来揭开这些谜团并获得长期困扰科学家问题的真正答案，真是令人兴奋。
展望未来，我对识别负责这些图案的信号尤为感到特别兴奋。我也热衷于了解我们研究的色素分子不仅仅是被动的着色剂，而是在细胞行为中发挥积极作用。这可能远远超出植物生物学的范畴，可能会提供与人类健康相关的见解。
另一个有趣的方向是探索为什么靶心图案在自然界中持续存在。这是由于不同的授粉者，还是有其他因素在起作用？这些问题为未来的研究开辟了有趣的途径。
最后，当我们的研究得到大众更广泛的关注时，我总是感到高兴。作为主要从事基础研究的科学家，我们的主要产品是知识。分享这些知识至关重要；否则，我们的工作就失去了目的。看到我们的发现能激发人们的兴趣兴趣并可能导致应用，这是令人难以置信的回报，并激励我们继续突破我们的理解界限。
莫伊鲁德博士及其团队对芙蓉花预模式的开创性研究，标志着我们对植物生物学和进化理解的一次重大飞跃。通过揭示指导花瓣发育的无形蓝图，并证明蜜蜂偏好更大的靶心，这项研究凸显了植物与授粉者之间复杂的互动。这些发现不仅阐明了自然设计的复杂性，还对保护、农业和我们对生物多样性的广泛理解产生了深远的影响。
随着我们揭开这些微观奥秘，我们获得了宝贵的洞见，这些洞见可能有助于保护濒危物种、增强作物授粉，并加深我们对自然世界相互联系的认识。这项研究有力地提醒我们，仍有无穷的奇迹等待发现，挑战我们超越表面，欣赏生命隐藏的艺术。