科學家50年來首次解開植物生長之謎

植物細胞壁結構示意圖。(Shutterstock)

【大紀元2021年12月09日訊】（大紀元記者李少維編譯報導）科學家形容植物細胞的細胞壁猶如一層「鋼筋水泥」外殼一般堅固，但是50年来，一直不明白植物細胞怎樣才能撐開這樣的結構從而讓植物長大。一份新研究第一次展示了生長素（auxin）促進植物細胞生長的神奇過程。

植物的細胞被一層堅固的細胞壁包裹著。這層細胞壁主要由纖維素、半纖維素和果膠這三種物質構成。這項研究的負責人加利福尼亞大學河濱分校（University of California, Riverside，縮寫為UCR）的生物學教授楊振標（Zhenbiao Yang，音譯）說：「纖維素就像建築物所用的鋼筋一樣，提供支撐力，再由半纖維素鏈進行加固，最後由果膠封住。」

這些物質決定了植物體內各種細胞的形狀，有的相當令人震驚，比如葉子表皮細胞，有著像拼圖一樣的結構。這樣的形狀促使植物細胞緊密地結合在一起，才能抵擋強風這樣的外界因素。可是讓植物學家納悶的是，既然細胞壁把細胞包裹得如此緊密，那細胞如何長大、植物如何生長？

早在半個世紀前科學家提出的理論認為，植物要生長的時候，生長素分子將使植物細胞的酸性增大，鬆動細胞壁內這些成分之間的結合度，導致細胞壁軟化、細胞膨脹長大。楊振標引領的這份研究終於證實了這個理論、揭示了生長素促進細胞生長的具體過程。

研究描述說，生長素創造出酸性物質，能夠刺激質子進入細胞壁，降低細胞壁的酸鹼值（pH值）。酸性的環境拆解了纖維素和半纖維素之間的連接，使得細胞能夠膨脹。

細胞壁注入質子也會使更多的水分進入細胞，增大細胞內的壓力。當細胞壁鬆動到一定程度、細胞內的壓力累積到一定程度的時候，細胞就會長大。

「就像一個氣球，長得多大是由氣球皮的厚度和裡面吹進多少氣決定的。」楊振標說，「細胞壁酸鹼值的降低會導致水分進入細胞，導致細胞內部壓力增大，從而膨脹。」

除了這個機制，加利福尼亞大學聖地亞哥分校（University of California, San Diego）的細胞生物學教授馬克·埃斯特爾（Mark Estelle）帶領的研究者則在研究生長素促進生長的另一個機制：通過開啓植物細胞核內的基因表達，從而促進細胞的膨脹和其它控制因素。

埃斯特爾說：「楊振標近期的研究成果對於了解生長素如何控制細胞的長大有了重要的進展。長時間不明白的問題終於有了答案，這太令人高興了。」

研究稱，生長素遠不止起到「促進」植物生長的作用，植物生長的各個方面幾乎都離不開它，從播種、發芽、分支、長出葉子，到結出果實。甚至連植物怎樣應對引力的影響，能夠知道讓根部向下長、而嫩芽是向上長，都不離開生長素的控制。

楊振標說，了解生長素的作用機制不僅對農業有重要意義，可能對藥物研發也有幫助。「對基礎生物學的了解，可能對人類健康也有借鑒作用。隨著知識的增加，我們可能會發現人體也有類似的機制。」

這份研究10月27日發表於《自然》（Nature）期刊。

責任編輯：葉紫微