誰(shuí)操縱著植物的生長(zhǎng)方向

劉　怡

很少有人去思考，植物的枝干為什么往上長(zhǎng)，根卻往地下扎。人很容易分辨方位，因?yàn)槿擞幸惶追浅?fù)雜的感覺(jué)系統(tǒng)，那么，植物怎樣分清方向呢？植物也有感覺(jué)器官嗎？

達(dá)爾文無(wú)法解釋

很久以前，有人就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)花盆中的植物長(zhǎng)到一定高度后，把花盆傾斜，植株仍會(huì)朝上生長(zhǎng)。這一現(xiàn)象非常奇特，許多科學(xué)家對(duì)之產(chǎn)生興趣，這當(dāng)中也包括進(jìn)化論的鼻祖——達(dá)爾文。

像許多同時(shí)代的科學(xué)家一樣，達(dá)爾文首先想到的原因是重力。他認(rèn)為，地球的引力一定是影響植物生長(zhǎng)方向的重要因素。達(dá)爾文進(jìn)一步觀察到，植物的芽和根在改變生長(zhǎng)方向時(shí)，各部分細(xì)胞的生長(zhǎng)速度是不同的，但這一切又是由什么因素來(lái)決定的呢？限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，達(dá)爾文無(wú)法做出更進(jìn)一步的解釋。

1926年，美國(guó)植物生理學(xué)家弗里茨·溫特做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他使植物的胚芽鞘一面受光，另一面對(duì)著黑暗處。結(jié)果胚芽鞘的生長(zhǎng)發(fā)生了有趣的變化，它漸漸朝著有光的方向彎曲。后來(lái)，溫特從胚芽鞘中分離出一種植物生長(zhǎng)素，它具有促使植物生長(zhǎng)的功能。當(dāng)胚芽鞘受到光照時(shí)，生長(zhǎng)素就聚集到遮蔭的一側(cè)，而生長(zhǎng)素的積累使遮蔭部分生長(zhǎng)加快，受光部分則由于缺少生長(zhǎng)素而生長(zhǎng)較慢，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)彎曲。于是溫特認(rèn)為，植物莖或葉片的彎曲是由于生長(zhǎng)素在組織內(nèi)的不對(duì)稱分布造成的,而光照方向會(huì)影響植物內(nèi)部生長(zhǎng)素的分布。

可惜溫特的發(fā)現(xiàn)也不能完全讓人信服。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，在北半球許多森林中的樹(shù)木，其主干都是筆直朝上生長(zhǎng)的，但太陽(yáng)卻從來(lái)沒(méi)有在它們的正上方光顧過(guò)，況且有些樹(shù)木生長(zhǎng)的地方還見(jiàn)不到陽(yáng)光。

是重力的緣故嗎

植株向上生長(zhǎng)已經(jīng)難以解釋了，細(xì)心的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)植物根總是朝著地心引力的方向生長(zhǎng)。

研究發(fā)現(xiàn)，植物根朝著地心引力的方向生長(zhǎng)，也是通過(guò)植物生長(zhǎng)素在根細(xì)胞里的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的。于是科學(xué)家猜測(cè)，也許有一種可以稱之為“平衡面”的“重力感應(yīng)物”流向根細(xì)胞的底部，從而影響生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在細(xì)胞中的分布。可是這種“平衡面”究竟屬于何物？又是如何起作用的呢？科學(xué)家們至今無(wú)法知曉。

不過(guò)許多科學(xué)家相信，重力在植物的方向感知方面充當(dāng)了某種重要角色，并且影響著植物的諸多表現(xiàn)行為，但植物究竟以何種方式回應(yīng)重力的牽引尚不清楚。重力的牽引是如何導(dǎo)致植物在生長(zhǎng)過(guò)程中的生化反應(yīng)變化，又成為科學(xué)家感興趣的研究?jī)?nèi)容。

新的發(fā)現(xiàn)——無(wú)機(jī)鈣

如今，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的植物學(xué)家邁克爾·埃文斯及其同事提出了新的理論：無(wú)機(jī)鈣對(duì)植物的生長(zhǎng)方向起著舉足輕重的作用。他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，植物的彎曲生長(zhǎng)過(guò)程中，無(wú)論是根冠的下側(cè)部位還是芽的上側(cè)部位，都存在著高含量的無(wú)機(jī)鈣。

那么，無(wú)機(jī)鈣又是如何使植物辨別方向的呢？埃文斯解釋說(shuō)，因?yàn)楦谟兄鴺O為豐富的含淀粉體的細(xì)胞，在重力的作用下，淀粉體就會(huì)把內(nèi)部的鈣送到根冠下側(cè)。這時(shí)，如果用特殊的實(shí)驗(yàn)手段去阻止鈣的移動(dòng)，植物就不會(huì)按正常的方式去生長(zhǎng)。同樣，植物的芽雖然沒(méi)有冠部，但也含有豐富的淀粉體，淀粉體也能將其內(nèi)部的無(wú)機(jī)鈣送到上側(cè)的細(xì)胞中，這說(shuō)明，無(wú)機(jī)鈣對(duì)植物生長(zhǎng)方向起著不可忽視的重要作用。

航天技術(shù)或可揭謎

更有甚者，一些科學(xué)家推測(cè)，當(dāng)植物細(xì)胞中的流動(dòng)物質(zhì)（原生質(zhì)）在重力的作用下向下流動(dòng)的時(shí)候，細(xì)胞壁上的壓力會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化并產(chǎn)生某種信號(hào)，來(lái)幫助植物辨別哪是“上”，哪是“下”。

據(jù)悉，美國(guó)宇航局已經(jīng)用航天飛機(jī)把植物種子送上天，希望揭開(kāi)植物生長(zhǎng)的奧秘。美國(guó)宇航局“生命／磁場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)的主要負(fù)責(zé)人卡爾·哈森斯坦說(shuō)：“航天飛機(jī)把亞麻種子送上地球軌道，并由計(jì)算機(jī)控制種子萌發(fā)時(shí)所需要的水與溫度。種子在這種環(huán)境中，重力已經(jīng)變得微乎其微了，同時(shí)，植物細(xì)胞中的原生質(zhì)，以及淀粉顆粒的運(yùn)動(dòng)也將發(fā)生變化。”科學(xué)家指出，研究淀粉顆粒在不同環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可能有助于揭開(kāi)種子萌發(fā)方向的秘密。

不管怎樣，影響植物生長(zhǎng)方向的因素有很多，科學(xué)家們正在一步一步地揭開(kāi)其中的奧秘，相信在不久的將來(lái)，我們能夠找到?jīng)Q定植物生長(zhǎng)方向的終極答案。

小資料

生長(zhǎng)素是一類含有一個(gè)不飽和芳香族環(huán)和一個(gè)乙酸側(cè)鏈的內(nèi)源激素，英文簡(jiǎn)稱IAA。生長(zhǎng)素在擴(kuò)展的幼嫩葉片和頂端分生組織中合成，通過(guò)韌皮部的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，自上而下地向基部積累。根部也能生產(chǎn)生長(zhǎng)素，自下而上運(yùn)輸。

生長(zhǎng)素有多方面的生理效應(yīng)，這與其濃度有關(guān)。低濃度時(shí)可以促進(jìn)生長(zhǎng)，高濃度時(shí)則會(huì)抑制生長(zhǎng)，甚至使植物死亡。生長(zhǎng)素的生理效應(yīng)表現(xiàn)在兩個(gè)層次上。在細(xì)胞水平上，生長(zhǎng)素可刺激形成層細(xì)胞分裂；刺激枝的細(xì)胞伸長(zhǎng)，抑制根細(xì)胞生長(zhǎng)；促進(jìn)木質(zhì)部、韌皮部細(xì)胞分化，促進(jìn)插條發(fā)根、調(diào)節(jié)愈傷組織的形態(tài)建成。生長(zhǎng)素能夠促進(jìn)果實(shí)的發(fā)育和扦插的枝條生根的原因是：生長(zhǎng)素能夠改變植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分配，在生長(zhǎng)素分布較豐富的部分，得到的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就多，形成分配中心。例如，生長(zhǎng)素能夠誘導(dǎo)無(wú)籽番茄的形成就是因?yàn)橛蒙L(zhǎng)素處理沒(méi)有授粉的番茄花蕾后，番茄花蕾的子房就成了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配中心，葉片進(jìn)行光合作用制造的養(yǎng)料就源源不斷地運(yùn)到子房中，子房就發(fā)育了。

植物莖的頂芽是產(chǎn)生生長(zhǎng)素最活躍的部位，但頂芽處產(chǎn)生的生長(zhǎng)素濃度通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸而不斷地運(yùn)到莖中，所以頂芽本身的生長(zhǎng)素濃度是不高的，而在幼莖中的濃度則較高，最適宜于莖的生長(zhǎng)，對(duì)芽卻有抑制作用。越靠近頂芽的位置生長(zhǎng)素濃度越高，對(duì)側(cè)芽的抑制作用就越強(qiáng)，這就是許多高大植物的樹(shù)形成寶塔形的原因。但也不是所有的植物都具有強(qiáng)烈的頂端優(yōu)勢(shì)，有些灌木類植物頂芽發(fā)育了一段時(shí)間后就開(kāi)始退化，甚至萎縮，失去原有的頂端優(yōu)勢(shì)，所以灌木的樹(shù)形是不成寶塔形的。由于高濃度的生長(zhǎng)素具有抑制植物生長(zhǎng)的作用，所以生產(chǎn)上也可用高濃度的生長(zhǎng)素的類似物作除草劑。