2026年第三期 向日葵：植物界的“追光者”

向日葵根系发达，茎秆挺拔，花盘灿烂，被誉为“最富魅力的植物”之一。你知道吗？世界上最高的向日葵名叫“三叶草”，长到了10.90米‌，大约有三层楼高，花盘直径堪比自行车车轮。由于茎秆支撑不住花盘，主人专门搭了三层支架。“三叶草”是美国印第安纳州园艺专家亚历克斯·巴比奇的杰作，它刷新了德国农民汉斯·彼得·希弗于2014年培育出9.17米高的向日葵的纪录‌‌。

向日葵在人类文明中承载着独特的精神意义，无论是田野间金黄的花海，还是凡·高画布上炽烈的色彩，总是给人们以生命力与希望的象征。

2025年4月3日，国际知名科学期刊《自然》刊发了一项突破性研究：我国的一个研究团队首次在向日葵的生长过程中，发现了单倍体卵细胞孤雌生殖现象。研究表明，部分向日葵品系在无授粉条件下，卵细胞能自主发育形成单倍体种子，经染色体加倍后具备可育性。这项历时9年的研究，不仅改写了植物生殖发育理论，也能为提升全球向日葵育种率提供技术支撑。

2016年，研究团队试图通过脂肪酸类化合物处理向日葵花粉和玉米花粉，以诱导远缘杂交。然而，在对照实验中，他们发现未经授粉的细胞质雄性不育系向日葵竟结出了种子。这个异常信号让研究人员警觉——传统双受精理论无法解释这一现象。为验证猜想，研究团队开展了一场自我否定的马拉松式的科学探索。

他们尝试用菠菜、水稻甚至灭活花粉处理花朵。最终，通过严格隔绝授粉的实验设计证实：部分向日葵品系具备卵细胞自主发育成单倍体种子的能力。经过全球多地重复试验和显微胚胎学验证，研究团队筛选出10个具有稳定孤雌生殖能力的向日葵自交系。实验数据表明，这些品系在无授粉条件下可以诱导产生单倍体种子，且经染色体加倍后具有可育性。

研究团队指出，这可能是植物应对双受精失败的进化“备胎方案”。传统理论认为，被子植物必须通过精子与卵细胞结合（形成胚胎）和精子与中央细胞结合（形成胚乳）完成繁殖。该项研究首次证实，在特定遗传背景下，向日葵卵细胞可绕过受精直接启动胚胎发育，且无须胚乳支持（实验中未观察到胚乳自主发育）。这一发现突破了学术界对植物生殖的认知框架，为发育生物学开辟了崭新的研究方向。

这是单倍体技术领域近十年来最具原创性的发现，为解析植物生殖开关机制提供了关键材料。此前，《自然》仅发表过3篇单倍体技术的相关研究，但都集中于玉米、小麦等主粮作物。作为全球第四大油料作物（2024年全球种植面积2700多万公顷），向日葵的首个孤雌生殖模型，其理论突破更具产业指向性。

目前，研究团队已构建完整技术链条：从诱导单倍体种子、优化萌发技术到染色体加倍方案，初步实现双单倍体植株规模化生产。这项研究成果对全球种业竞争格局影响深远。目前，全球向日葵油市场规模达405.9亿美元，且需求持续增长。双单倍体技术可加速抗病、耐旱品种选育，据测算可使品种更新周期缩短40%，帮助种植者应对气候变化。

真正的挑战在于技术普适性，当前仅10个品系表现稳定，不同品种诱导率差异高达20倍。下一步，研究团队将联合全球育种网络，重点攻关向日葵双单倍体技术。若能定位关键基因，设计出适应不同作物的生殖开关，则将是育种技术的范式革命。在世界粮食安全挑战加剧的今天，这项揭示向日葵生殖机制的研究，或许正孕育着一场绿色革命。

仔细观察向日葵花盘，不难发现其中的种子以两组螺旋线排列，分别是顺时针旋转的蓝色螺旋线和逆时针旋转的绿色螺旋线，恰好对应了斐波那契数列中的连续项。斐波那契数列就是1，1，2，3，5，8，13，21，34，55，89，144……一直排下去，从第3项开始，每个数等于前两个数之和。在向日葵花盘上，你可以数出34条顺时针螺旋线和55条逆时针螺旋线。再大一点的花盘上，可能是55条顺时针螺旋线和89条逆时针螺旋线，或者89条顺时针螺旋线和144条逆时针螺旋线，这些数都是邻近的斐波那契数列。例如：144-89=55；89-55=34。

此外，每一颗新长出来的位于花盘正中的种子与前一颗的偏转角度，不多不少是137.5度，这个角度被称为“黄金角”（误差非常小，只有0.1 度）。这个角度让花盘上的葵花子排得很紧密。

换句话说，数学帮向日葵找到了最优解。角度小了或者大了，花盘上就会有空缺，只有等于黄金角时，葵花子才能排列紧密。这么排列通常有三大好处：一是保证每颗葵花子都能晒到阳光，不被遮挡。二是空间利用率高，有限的地方长最多的葵花子，繁殖效率高。三是排列均匀，花盘结构最为稳定，养分也能均匀分配。英国数学家H.伏格尔利用计算机模拟向日葵花盘的排列方式，发现只有发散角是黄金角时，圆点才能无缝排列，没有空缺，形成完美的螺旋图案。

向日葵对土质要求较低，从肥沃土壤到旱地或盐碱地均可种植。它不仅具有较强的耐盐碱能力，还兼具吸盐性能。在土壤含盐量高达4‰的环境下，许多作物都难以萌发，而向日葵却能从容应对。为了抵抗盐害，适应盐碱环境，它发展出了多种生理生化机制，例如，通过根系吸收调节减少体内盐分积累；利用抗氧化系统清除过量自由基，以减轻氧化损伤；加大渗透调节物质（如脯氨酸、甜菜碱等）的合成来维持细胞内外水分平衡；等等。

向日葵是一种超积累植物，深入土壤的根系能够有效地将土壤中的重金属污染物以远高于环境浓度的水平储存在茎、叶和花盘中，从而降低土壤中重金属的含量。这种由下到上的重金属转移方式，使得向日葵成为一种高效的土壤修复植物。

值得一提的是，向日葵还被称为“核废料植物”，因为它能吸附土壤中的铯（化学性质与钾相似）和锶（化学性质与钙相似），并在其根部形成独特的固定结构，避免污染物进入食物链。向日葵的根系细胞膜上有一种特殊的钾离子通道，会将放射性铯和锶吸收到根系，其根系积累的放射物浓度可达自然水体的5000~10000倍，这种特性使其成为核污染清理的一个潜在解决方案。

1986年4月26日，苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆连续爆炸引发大火，散发出大量高能辐射物质到大气层中，辐射尘涵盖了大面积区域，释放出的辐射线剂量是“二战”时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上。由于土壤和水源遭受严重放射性污染，周边30千米区域内大量的居民被疏散，曾经的欧洲粮仓一夜之间变成了令人谈之色变的死亡区。

正当人们束手无策，只能选择封锁和遗忘时，一些科学家将目光投向了向日葵这种看似普通的植物。由美国罗格斯大学伊利亚·拉斯金博士领导的团队，率先在切尔诺贝利附近一个受污染的池塘进行了实验。他们建造了漂浮着向日葵的筏子，让它的根系垂入水中。结果令人震惊：仅仅12天，向日葵根系就吸附了池塘中高达95%的铯-137和锶-90。随后，当地启动了“向日葵工程”，通过向日葵吸附土壤中的放射性物质，以减少核污染对环境的长期影响。

文 | 李忠东

来源 | 《科学24小时》2026年第3期

未经允许，禁止纸刊转载刊内文章
如需转载请联系《科学24小时》编辑部

sciencein24hours@163.com