Current Biology | 捕蝇草如何在火灾中自我保护？黄寿光博士发现捕蝇草热感应器
责编 | 王一
查尔斯·达尔文曾发现这种植物以捕食小动物而闻名，并将其描述为“世界上最奇妙的植物”。食肉植物，像捕蝇草一样，已经在生物进化中取得了特殊的地位，其角色从被捕食者转变为捕食者。达尔文在他的研究中证明，当猎物触碰捕蝇草的刺毛（trigger hair）时，捕虫夹（trap）会迅速关闭，将猎物俘获。这个事实引发了科学家的兴趣，也在某种程度上令人们感到惊奇，例如，在电影《小商店的奇遇（Little Shop of Horrors）》中的绿色食肉植物。
捕蝇草原生于美国北卡罗来纳和南卡罗来纳的沼泽地，这些地方缺乏氮、磷和矿物质。然而，捕蝇草通过一种独特的策略来满足其养分需求——捕捉和消化昆虫。它依赖装备有刺毛的捕虫夹来进行捕猎，只有当昆虫连续触碰这些刺毛两次时，捕虫夹才会迅速关闭，并开始分解猎物。在捕蝇草生长的沼泽地，茂密的野草和小灌木会与这种食肉植物竞争生存资源。有趣的是，人们早就注意到野火或者有计划的火灾可以帮助捕蝇草繁荣，因为火可以消除其他竞争者。然而，火灾对捕蝇草而言同样也是一种危险，那么，在火灾中捕蝇草是如何保护其关键的捕虫夹和刺毛？
近日，来自德国维尔茨堡大学的生物物理学家Rainer Hedrich教授和Shouguang Huang（黄寿光）博士找到了答案。原来，捕蝇草在其刺毛中装有一种特殊的热感应器，可以探测到火灾中快速变化的温度，并立即关闭捕虫夹。这一研究成果以Trigger hair thermoreceptors provide for heat-induced calcium-electrical excitability in Venus flytrap为题发表在Current Biology期刊上。
为了研究捕蝇草在火灾中的行为，研究人员在维尔茨堡大学植物园的露天场地模拟了火灾情景。他们将干草覆盖在已打开捕虫夹的捕蝇草上，并点燃了一端，然后使用风扇将火传播到另一端。火灾后，所有的捕虫夹都关闭了。几天后，一些捕虫夹死亡，但仍有一些捕虫夹坚强地存活下来，尽管它们的边缘被部分烧焦。这些幸存的捕虫夹重新打开，并保持着高度灵敏性---只要触碰到刺毛，就会立即关闭。现在的问题是，捕虫夹是否在火灾前的升温阶段就已经做出了反应？
为了验证这一假设，研究人员使用精密的温度控制仪器对捕蝇草进行测试。他们发现，当温度以极快的速度（每秒升2摄氏度）上升到55摄氏度，就像火灾中产生的热浪一样，会引起捕虫夹关闭。然而，如果温度上升得很慢（每秒升0.2摄氏度），就像在炎热夏日一样，捕虫夹不会做出关闭反应。与人类不同，这种食肉植物的热感应器不是在达到某一固定温度时触发，而是对温度变化的速度敏感。因此，在面对火灾时，捕蝇草通过监测捕虫夹表面温度的急剧变化，瞬间关闭捕虫夹，从而保护刺毛免受损伤。此外，沼泽的湿润环境进一步保护它们免受过度的热和烧伤，使得捕蝇草能够在火灾后继续捕猎食物。
那么，捕虫夹是如何感知温度变化的呢？为了研究这个问题，科学家们采用了钙离子指示蛋白GCaMP6f的转基因捕蝇草。当细胞内的钙离子水平升高时，GCaMP6f会发出荧光信号。令人惊讶的是，研究人员发现在受到热刺激时，刺毛的基部首先发出荧光。这意味着刺毛同时具有感知触碰和温度变化的能力。研究人员推测，位于捕蝇草刺毛中、属于OSCA家族的钙通道蛋白可能是热感应的一部分，甚至可能是热感应器本身。如果这一推测成立，那么这将是一种膜结合的温度传感器，目前在植物领域还是一项完全未知的发现。未来，研究人员将进一步深入研究捕蝇草刺毛中的OSCA钙通道蛋白，以测试它们是否对机械刺激和温度变化都能做出响应。
图：捕蝇草的刺毛中有一个热传感器，它能对丛林大火前夕的热浪做出反应。 如果温度迅速超过 37 °C，就会发出钙依赖性动作电位 (AP) 作为警告信号。 如果温度上升到 55 °C的阈值，就会激发第二个动作电位，引起捕虫夹关闭，从而保护刺毛不会被烧掉。 （图片来源：黄寿光/维尔茨堡大学）
总之，这项研究揭示了捕蝇草的一种令人惊奇的适应能力，即它们利用位于刺毛内的专门热感受器来感知和应对高温情况，以适应频繁发生火灾的生长环境。值得一提的是，这一发现备受关注，被《Nature》选为研究亮点（research highlight），并被翻译成多种语言，包括德语、法语、瑞典语等，广泛报道。
参考文献
1. Hedrich R, Neher E (2018) Venus Flytrap: How an Excitable, Carnivorous Plant Works. Trends in Plant Science
2. Huang S, Hedrich R (2023) Trigger hair thermoreceptors provide for heat-induced calcium-electrical excitability in Venus flytrap. Current Biology. DOI: 10.1016/j.cub.2023.07.069.
3. Venus flytraps shut their traps when flames approach.
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02654-x
论文链接：
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(23)01041-2
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