高山植物纺出自己的类黄酮羊毛

就像电影版的蜘蛛侠从手腕上的孔中射出蜘蛛网一样，人们发现一种高山植物会从叶子上特殊细胞的小孔中喷出蜘蛛网状的线。正是这些小洞让植物科学家们大吃一惊，因为刺穿植物细胞的表面通常会导致它像水气球一样爆炸。

具有亮黄色花朵的多年生垫形小植物酒神花属报春花科，自然生长于土库曼斯坦和伊朗东北部，并穿过阿富汗山区到达巴基斯坦边境。让它与众不同的是它的叶子，上面覆盖着长长的丝质纤维，类似于称为“羊毛粉”的细蜘蛛网。

它的相当多的报春花亲戚的叶子上涂有几乎完全由黄酮组成的细粉，黄酮是一类黄酮。黄酮类化合物是参与植物代谢的特殊小分子，因其抗炎和抗氧化特性而闻名。但是这种酒神花的叶子上没有黄酮粉，而是有非常细的羊毛，只有 1-2 微米厚——远比人的头发（大约 75 微米）还要细。

作为剑桥大学植物科学研究所剑桥大学塞恩斯伯里实验室 (SLCU) 和剑桥大学植物园 (CUBG) 之间持续合作的一部分，酒神是从植物园的 8,000 种栽培植物物种中挑选出来的，在 SLCU 进行分析显微镜核心设施。

植物园高山和林地主管保罗·阿斯顿 (Paul Aston) 说：“羊毛状的粉状线似乎用长线覆盖了整个叶子表面，甚至将叶子与叶子相连。” “没有人知道这种羊毛是什么或它是如何制成的，所以我们认为这将是一个值得研究的有趣标本。植物制造的许多东西我们还不知道——这对于我们在那里的高山植物尤其如此。看到他们生活在恶劣的高海拔环境中的许多不寻常的适应。”

使用先进的光学显微镜和电子显微镜分析样品，结果表明微米直径的羊毛沿其长度方向有明显的平行凹槽。但最令人惊讶的观察结果是羊毛是如何从叶子中长出来的。

“叶子被称为毛状体的细毛覆盖。每个毛状体的末端都有一个球形的腺细胞——就像一个在尖端有一个圆形细胞的茎——我们可以看到线直接从腺细胞中出来，”剑桥大学塞恩斯伯里实验室显微镜核心设施经理雷蒙德·怀特曼博士说。“但我们知道植物细胞被细胞壁包围，细胞壁保护并保持细胞内的压力。在细胞膜和细胞壁上戳洞会导致细胞破裂——就像刺破水气球一样。”

那么这些线是如何在不使细胞爆炸的情况下出来的呢？

使用剑桥高级成像中心 (CAIC) 的强大电子显微镜，他们对腺细胞进行了切片，当他们放大时，可以看到细胞中的微小间隙大到足以穿过一根羊毛状粉状纤维。

“植物在细胞内制造纤维，然后将其穿过刚好适合它的间隙，”SLCU 的研究员、发表在BMC Plant Biology上的报告的合著者 Matthieu Bourdon 博士说。“质膜、细胞壁和角质层上有一个明显的开口，形成一个孔，在纤维周围形成紧密的密封——我们甚至可以看到细胞表面上的蜡像塞子一样密封任何间隙。我们观察到多根纤维被“从单个腺细胞在其表面的特定位置挤出。植物必须将黄酮构建块集中在这些特定出口位置的细胞内，以便能够产生伸长的纤维。”

Wightman 博士还使用研究所的拉曼显微镜分析了纤维的化学成分，以找出它们是由什么制成的，但羊毛的复杂结构需要使用大学 Yusuf Hamied 化学系的专业设备和技能进行进一步分析。

剑桥大学化学系博士生 Josephine Gaynord 博士说：“由于样品体积小，而且组成的化学物质相似，因此对羊毛粉样品的分析具有挑战性。并使用先进的色谱、质谱和核磁共振 (NMR) 光谱技术进行了进一步分析。“这有助于我们知道大部分样品是黄酮，我们可以购买这种化学物质，并与羊毛粉样品进行比较。由于化学系 NMR 团队的大力支持，我们能够进行定制分析并为存在的改性黄酮提供可能的结构。将来跟进这项工作会非常有趣。”

怀特曼说，他们期望这些纤维由类黄酮组成，类似于其他一些报春花物种叶子上的粉末涂层，但对该物种如何能够将黄酮转化为如此稳定的羊毛状纤维很感兴趣。“我们发现Dionysia tapetodes生产的羊毛具有特殊的化学结构，它是黄酮和黄酮衍生物的混合物，可以利用分子之间的氢键形成细长的纤维。这意味着在细胞内这些黄酮需要在被精确混合的同时被添加到纤维的末端，这样它们就可以作为一条连续的线离开间隙——就像从管子中挤出一条连续的牙膏线一样。”

CUBG 的高山和林地助理 Simon Wallis 说：“虽然不知道羊毛粉有什么用途，但人们认为它可能是一种保护措施，可以抵御冰冻、干旱和/或阻挡高紫外线。” “后一种理论得到了我们从我们的高山收藏中所做的观察的支持，将生产羊毛的酒神缨子与没有羊毛粉且更容易受到阳光灼伤的酒神缨子的一个子集进行了比较。”