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(xué)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(xué)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(yīng)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(zhì)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(xué)故事，更為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了重要的理論基礎(chǔ)。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(jì)末，那時的科學(xué)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(yīng)的反應(yīng)。

比如，當(dāng)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(yīng)的現(xiàn)象，在植物學(xué)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(xué)家們對此非常好奇。

說明植物因生長素效應(yīng)的向光性運動

（圖片來源：veer圖庫）

查爾斯·達(dá)爾文，這位因“進(jìn)化論”而聞名的科學(xué)家，也是植物“向光性”研究的先驅(qū)者。他和他的兒子弗朗西斯·達(dá)爾文在19世紀(jì)末進(jìn)行了一系列巧妙的實驗，為生長素的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

達(dá)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(dāng)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(shè)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(dá)爾文設(shè)計了一些有趣的實驗：

移除頂端實驗：當(dāng)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(jìn)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(guān)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(guān)。

通過這些實驗，達(dá)爾文推測胚芽鞘頂端產(chǎn)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(dāng)時他并不知道這種信號的本質(zhì)是什么。

揭開生長素的神秘面紗

在達(dá)爾文之后，科學(xué)家們對這種神秘的“信號”展開了進(jìn)一步的研究。1928年，荷蘭科學(xué)家溫特通過實驗成功地證明了這種信號物質(zhì)的存在。他將燕麥胚芽鞘的頂端切下，放在瓊脂塊上，經(jīng)過一段時間，瓊脂塊吸收了頂端產(chǎn)生的物質(zhì)。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(cè)，胚芽鞘竟然彎曲了！這個實驗表明，這種神秘物質(zhì)可以從瓊脂塊中擴(kuò)散，并引起胚芽鞘的彎曲生長。

溫特將這種物質(zhì)命名為“生長素”。通過進(jìn)一步的研究，科學(xué)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(diào)節(jié)作用，包括細(xì)胞的伸長、分裂、分化，器官形成和生長方向的調(diào)節(jié)等。

生長素的不均勻分布是導(dǎo)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(cè)移動，背光側(cè)的細(xì)胞因生長素濃度較高而伸長更快，從而導(dǎo)致植物彎向光源。

吲哚-3-乙酸的化學(xué)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(jìn)植物細(xì)胞的伸長。當(dāng)光線從一側(cè)照射植物時，生長素會向背光的一側(cè)移動，導(dǎo)致背光側(cè)的細(xì)胞比向光側(cè)的細(xì)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(dǎo)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(xì)胞的伸長、根與芽的生長和器官的形成。

細(xì)胞的伸長是指生長素促進(jìn)細(xì)胞壁的松弛和細(xì)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(cè)芽的生長，形成頂端優(yōu)勢，而在根部，生長素促進(jìn)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(xì)胞分裂素可以誘導(dǎo)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(guān)重要的，那么它在植物內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nóng)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。例如作為植物生長調(diào)節(jié)劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人工合成的生長素類似物，被用于調(diào)節(jié)植物生長，促進(jìn)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(diào)控生長素與細(xì)胞分裂素的配比可以誘導(dǎo)植物組織的分化與再生，培育出新的植株。

結(jié)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(nèi)扮演著“指揮家”的角色，調(diào)控著細(xì)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(xué)視野，還為現(xiàn)代農(nóng)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)著它們的生長。