植物的神秘指揮家，揭秘生長素的魔法

出品：科普中國

作者：張璐，程佑發(fā)（中國科學院植物研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為解碼生命科學最新奧秘，科普中國前沿科技項目推出“生命新知”系列文章，從獨特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。

在我們身邊，植物總是靜靜地生長著，它們不說話，卻能以自己的方式感知并適應周圍的環(huán)境，例如向日葵的向日現(xiàn)象、植物根系向地或是朝向有水分的地方生長，這背后的奧秘之一就藏在一種叫“生長素”的神奇物質里。

對生長素的發(fā)現(xiàn)與研究不僅揭開了植物生命活動的部分神秘面紗，還帶給我們許多有趣的科學故事，更為現(xiàn)代農業(yè)提供了重要的理論基礎。今天，我們就一起來了解一下神奇的生長素。

蔬菜種植從播種到開花再到收獲的階段

（圖片來源：veer圖庫）

生長素的發(fā)現(xiàn)之旅

讓我們把時間倒回到19世紀末，那時的科學家們對植物的行為充滿了好奇。他們注意到植物似乎有某種神奇的“能力”，能夠感知光線、重力等環(huán)境因子，并作出相應的反應。

比如，當你把一株植物放在窗邊，幾天后你會發(fā)現(xiàn)它的莖總是朝向光源生長。而不論種子在土壤中以哪種姿勢躺著，植物的根最終都會深深地扎下去，**這種植物對光線、重力等做出反應的現(xiàn)象，在植物學中被稱為“向性”，其中向光性和向地性最為典型。**然而，為什么植物會有這種“向性”呢？科學家們對此非常好奇。

說明植物因生長素效應的向光性運動

（圖片來源：veer圖庫）

查爾斯·達爾文，這位因“進化論”而聞名的科學家，也是植物“向光性”研究的先驅者。他和他的兒子弗朗西斯·達爾文在19世紀末進行了一系列巧妙的實驗，為生長素的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎。

達爾文父子使用了金絲雀虉（yì）草的胚芽鞘，這是一種幼苗的頂端，對光非常敏感。他們發(fā)現(xiàn)，當光從某個方向照射到胚芽鞘時，胚芽鞘會彎向光源生長。他們設想，可能是胚芽鞘的頂端感知到光線，然后向下傳遞某種信號，使胚芽鞘向光彎曲。那么，這個信號到底是什么呢？為了找到答案，達爾文設計了一些有趣的實驗：

**移除頂端實驗：**當移除胚芽鞘的頂端時，胚芽鞘也失去了向光彎曲的能力。這進一步證明了頂端的重要性。

**遮光實驗：**用不透光的小帽子覆蓋住胚芽鞘的頂端，發(fā)現(xiàn)胚芽鞘不再向光彎曲；但如果僅僅遮蓋胚芽鞘的中部或基部，頂端暴露在光下，胚芽鞘仍然會彎向光源。這表明，感知光線的關鍵部位在胚芽鞘的頂端。

**透明帽子實驗：**如果使用透明的帽子覆蓋胚芽鞘的頂端，胚芽鞘仍然能向光彎曲。這說明，頂端對光線非常敏感，而這種感知能力與光本身有關。

通過這些實驗，達爾文推測胚芽鞘頂端產生了某種信號，這種信號會向下傳遞，控制植物的彎曲生長。但在當時他并不知道這種信號的本質是什么。

揭開生長素的神秘面紗

在達爾文之后，科學家們對這種神秘的“信號”展開了進一步的研究。1928年，荷蘭科學家溫特通過實驗成功地證明了這種信號物質的存在。他將燕麥胚芽鞘的頂端切下，放在瓊脂塊上，經過一段時間，瓊脂塊吸收了頂端產生的物質。然后，他將這些瓊脂塊放在切除了頂端的胚芽鞘上截面的一側，胚芽鞘竟然彎曲了！這個實驗表明，這種神秘物質可以從瓊脂塊中擴散，并引起胚芽鞘的彎曲生長。

**溫特將這種物質命名為“生長素”。**通過進一步的研究，科學家們發(fā)現(xiàn)生長素是一類吲哚乙酸化合物，生長素成為第一個被發(fā)現(xiàn)的植物激素。在植物中生長素起著多種調節(jié)作用，包括細胞的伸長、分裂、分化，器官形成和生長方向的調節(jié)等。

生長素的不均勻分布是導致植物向光彎曲的原因，光照使生長素在植物頂端向背光側移動，背光側的細胞因生長素濃度較高而伸長更快，從而導致植物彎向光源。

吲哚-3-乙酸的化學式、骨架式和三維球棍模型，最常見的植物生長素

（圖片來源：veer圖庫）

生長素的作用

那么，生長素到底是如何讓植物彎曲生長的呢？簡單來說，生長素能夠促進植物細胞的伸長。當光線從一側照射植物時，生長素會向背光的一側移動，導致背光側的細胞比向光側的細胞伸長得更快，于是植物就朝向光的方向彎曲生長。

生長素不僅僅引導植物向光彎曲，它還在植物的其他生長過程中發(fā)揮重要作用，其中包括細胞的伸長、根與芽的生長和器官的形成。

細胞的伸長是指生長素促進細胞壁的松弛和細胞的伸長，使植物能夠在光照、水分等資源有限的環(huán)境中快速生長。

生長素在根和芽的生長中也扮演著重要角色，在植物頂端，生長素濃度高，抑制了側芽的生長，形成頂端優(yōu)勢，而在根部，生長素促進根的生長和分化。

生長素還參與了葉片、花朵、果實、種子等植物器官的形成。在組織培養(yǎng)中，不同濃度的生長素與細胞分裂素可以誘導植物組織分化出植物的不同器官。

生長素對于所有植物形態(tài)發(fā)生過程都是至關重要的，那么它在植物內部又是如何發(fā)揮作用的呢？生長素的局部積累刺激植物器官的起始，并且在植物器官內生長素的動態(tài)合成、不平均的分布及濃度梯度，如同植物體內的“指示燈”為植物提供了決定組織模式建立的主要空間信息。

因此，生長素在農業(yè)中有著廣泛的應用。例如作為植物生長調節(jié)劑，在農業(yè)生產中，人工合成的生長素類似物，被用于調節(jié)植物生長，促進插條生根、果實發(fā)育等。而某些生長素類似物在高濃度下可以作為選擇性除草劑，專門針對闊葉雜草，而對禾本科作物影響較小。此外，在植物組織培養(yǎng)中，調控生長素與細胞分裂素的配比可以誘導植物組織的分化與再生，培育出新的植株。

結語

生長素的發(fā)現(xiàn)不僅解開了植物向光彎曲的秘密，也讓我們更深入地理解了植物生長發(fā)育的奧秘。它在植物體內扮演著“指揮家”的角色，調控著細胞的分裂與伸長、根和芽的發(fā)育、器官的形成等過程。生長素的研究不僅拓寬了我們的科學視野，還為現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展提供了重要的理論和實踐依據(jù)。

在自然界中，植物以其獨特的方式感知和適應著環(huán)境，而生長素就是它們與外界交流的一個“信使”。下次當你看到窗臺上一株向陽而生的植物時，不妨想一想，正是這神奇的生長素在默默地引導著它們的生長。