锦花沟酸浆的花瓣呈现出独特的图案。

　　图源：ANDRIA LO

　　撰文：KATHERINE J. WU

　　研究沟酸浆花的科学家有时会产生一种错觉：这些花仿佛也在凝视着他们。猴面花看上去就像顽皮的猴子的脸，并因此得名“猴面花”：中央区域有一个斑点，酷似张大的嘴，方便蜜蜂准确扑向花蜜。

　　加州大学伯克利分校的植物生物学家Benjamin Blackman说：“它仿佛在友好地笑着，俨然传粉者的避风港。”通过吸引这些传粉昆虫，长有斑点的花瓣可以确保植物未来继续开花。

　　康涅狄格大学的生物学家袁耀武说：“色彩对比可以带来更高效地传粉。”

　　各种各样的沟酸浆花。

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　　过去几十年，袁耀武一直在研究沟酸浆花；在他看来，这些长着斑点的花瓣可不仅仅是为了吸引昆虫。它们是生命之树进化出的一种植物学图案。从均匀排列的贝壳纹，到斑马身上的条纹，所有图案都源于同样的进化构件。

　　在最近的研究中，袁耀武和同事们发现，沟酸浆花花瓣上的圆点是两个基因交战后的结果。这些基因控制着每个植物细胞的色素，甚至能在单个物种中产生大量多样性。这一发现证实了英国数学家艾伦·图灵在几十年前提出的理论，自然界最神秘那些图案似乎有一个共同模型。

　　“自然界中的色素沉着模式很复杂，且普遍存在，”新研究的合著者Blackman说：“这项研究告诉我们，这种复杂性的背后是一个相对简单的系统。”

　　一种由铜色沟酸浆和多色沟酸浆杂交的花。

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　　深红沟酸浆。

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　　令人惊叹的自然多样性

　　自然界里有各种各样的图案，可以满足多种生物功能，从吸引配偶，到警告捕食者，再到辨别同类。研究人员早就发现，这些图案遵循着可预测的数学模型。20世纪50年代，图灵提出了“反应—扩散模型”，以解释生物界里的很多图案，其中包括在某种生物体内，具有相反效果的化学物质会互相竞争。

　　生物体似乎用相同的分子，打造了具有视觉效果的构件，但我们很难确切知道这背后丰富多彩的遗传机制。不过，沟酸浆花是个例外。宾汉姆顿大学是沟酸浆花研究员Irene Martinez告诉我们，这是一种生命力顽强、生长迅速的沟酸浆属植物，它们的基因相对简单，非常适合用来研究自然图案。

　　猴面花有很多种颜色、形状和图案，甚至同一个物种也会这样。近年来，几百位科学家在温室中培育猴面花，渴望发现这种多样性的遗传学来源，以及变异在猴面花生存中所起到的作用。这些花也是其他物种的绝佳代表，比如长着玫瑰斑纹的豹子，就很难在实验室里观察研究。

　　惠特曼学院的沟酸浆花生物学家Arielle Cooley没有参与此次新研究，她说：“猴面花是一个很强大、可测试的系统。”

　　铜色沟酸浆与多色沟酸浆杂交诞生的沟酸浆花。

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　　袁耀武利用这种植物的灵活性，在实验室里培育了大量带有基因突变的彩艳沟酸浆。有一些失去了典型的斑点图案，代之以深红色斑点，看上去就像黄色和粉色背景中伸出了一条舌头。

　　无独有偶，在美国的另一端，Blackman在位于加州的实验室里，也想到了类似的想法：他在野外发现了一些带有红色突变体的斑点沟酸浆花近亲。Blackman和袁耀武决定合作寻找华丽的猴面花背后的基因因素。

　　色素之战

　　他们的团队利用强大的基因编辑工具CRISPR，分析了带有红舌突变的猴面花，并在实验室里进行重新调整。最终，他们找到两种基因，野外猴面花典型的似舌头的红色斑点图案与两种基因有关。

　　猴面花细胞想要变红，必须分泌大量的色素：花青素，产生“激活因子”分子的基因负责开启这一程序。这些激活因子会促使花朵产生更多的激活因子，形成色素沉着。如果这一过程不加控制，花朵的整个舌头都会变成红色。

　　“看上去就像植物在对你做鬼脸，”Blackman谈到红舌突变时说。

　　为了控制自己，激活因子分子也会触发“抑制因子”的产生。这是另一种分子，会进入相邻的细胞，关闭激活因子，防止色素沉着。距离第一个细胞越远，抑制因子越少，远处的激活因子因此可以重启色素沉着，在花瓣上形成新的色斑。

　　沟酸浆花斑点背后的遗传机制源自微观分子的斗争，堪称“反应—扩散模型”的完美例子。50多年前，艾伦·图灵提出了这一理论。

　　仅两个基因就足以让这个看似简单的系统运转，而且两者都对色素沉着形成图案至关重要。如果猴面花的激活因子突变，整朵花就会平淡无奇、没有斑点；如果抑制因子突变，则会产生过饱和的红色斑点。对于猴面花来说，这两种情况都不太好，会让大黄蜂陷入混乱。正常情况下，大黄蜂会落在花上，吸食花蜜，同时给花朵授粉。

　　袁耀武、Blackman和Cooley都认为，至少在决定重复的视觉图案方面，反应—扩散起到了部分作用。“藤蔓每隔一段距离开出一朵花，或躯体上有不断重复的条纹，这些都是很好的印证，”Cooley说。有了这些发现后，其他类似问题的原理似乎呼之欲出。

　　沟酸浆花的秘密

　　有了模拟激活因子和抑制因子之间冲突的模型，袁耀武和Blackman可以重现猴面花的斑点。但故事还远未结束。“这是一个简单的模型，”袁耀武说：“但我知道，在生物学里……在真正的生物系统中，事情绝不会这么简单。细节方面总会有些差别。”

　　例如，沟酸浆花的斑点只出现在花瓣的某些部位，绝对不会狭路相逢。通过对无斑点区域的研究，Cooley和团队锁定了另一个系统，这个系统负责将斑点限制在特定区域。

　　“一直以来，我们总是看到一个现象，然后觉得这太疯狂了，太神奇了，无法解释，”Cooley说：“但随着不断的研究，我们总能找到基本原理。”

　　在康涅狄格大学生态学与进化生物学的温室里，生物学家袁耀武正站在满屋子变种彩艳沟酸浆花中。

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