植物如何分清天與地

史軍

向光性和向重力性

我們在家種植物時，會發現光從窗戶射進來，總有植物會努力地朝著光的方向生長，莖彎向光的方向，而且越長越彎。這就是植物的向光性，沖著天空生長，因為植物需要光進行光合作用。

另一方面，植物需要從土壤中汲取水分和礦質營養，當然也需要把自己固定在土壤當中。所以，植物的根系生長的時候，就會拼命地向下生長，或者說向著地心的方向生長。于是，就形成了植物根系向地性（向重力性）的特征。

兩種假說

1880年，著名的生物學家達爾文提出過一個假說。他認為，植物的根尖是植物感受重力的核心點，生長旺盛的根尖知道這重力的方向在什么地方。后來，一些植物學家繼承并發展了達爾文的學說，提出了其他假說，主要有兩種：一個是“淀粉-平衡石”假說，另一個是“細胞網絡骨架”假說。

“淀粉-平衡石”假說認為，植物對重力的感受是通過體內一類富含淀粉體的細胞，即平衡細胞來實現的。當重力方向發生改變時，平衡細胞中的淀粉體就會沿著重力方向沉降，引起植物體內一系列信號分子的改變，如通過影響生長素的運輸，導致生長素沿著重力刺激的方向不對稱分布，從而造成重力對植物生長的影響。

“細胞網絡骨架”假說認為，在植物的細胞里，所有的細胞器都是掛在這個細胞骨架上面的，包括線粒體、葉綠體、內質網、細胞核等細胞器并不是隨意地分布在細胞質里面，而是通過很多細胞骨架（微管和微絲），精確地固定在特定的位置上。這就像晾衣繩掛上衣服會彎曲一樣，細胞骨架上面掛著這么多細胞器，肯定也會有一定程度的彎曲。細胞骨架的彎曲讓細胞知道哪兒是朝下，或者說哪兒是向著地心的方向。

注意了：不管是“淀粉-平衡石”假說還是“細胞網絡骨架”假說，核心都是植物細胞感受到了物理牽扯，從而調整生長的方向。

研究新發現：LAZY蛋白是關鍵

但是，清華大學生命科學學院研究員陳浩東團隊的一項最新研究發現，細胞感受到的其實是化學信號，并非壓力信號。淀粉體上結合的特殊蛋白質，才是植物感受天、地的關鍵信號。

在這個研究中，LAZY蛋白是關鍵。實際上，科學家在10多年前就發現了這種蛋白質及其功能。如果這個蛋白表達出問題，那植物就會癱軟在地上，變成軟塌塌的一大叢。因為LAZY蛋白是調節植物生長角度的關鍵蛋白。

在正常的情況下，LAZY蛋白就聚集在淀粉體沉降的位置，也就是細胞的底部。在這里，它可以調節植物生長素的分泌，指導細胞的分裂，從而促使根尖向著地心的方向生長。

而當我們把整棵植物平放至與重力垂直的方向上時，細胞中的淀粉體會隨著重力被搬運到或者說沉降到細胞的其他部位。淀粉體的表面就會吸附很多LAZY蛋白，然后將其運送到新的細胞膜上。在這里，LAZY蛋白就開始指導說：“哎，告訴你，現在這里是朝下的位置。生長素，你們開始調整一下你們的工作地點吧！”于是，植物根系調整了細胞的分裂和生長的方向。

最終，我們看到了下面的根就是朝著重力的方向去生長了。

在微重力環境下，細胞中的淀粉體沒有明顯的沉落方向，反而會均勻地分布在這個細胞當中，相關的LAZY蛋白在整個細胞膜上的分布也變得很均勻。于是，植物體就會朝著四面八方生長。

我們在海洋里或者淡水水體里看到的沉水植物，很多情況下，它們都是沒有一個特定的生長方向，包括很多藻類生物，也沒有明確的根、莖、葉的分化。因為它們的整體生活環境都是一模一樣的，所以也不需要有什么樣的分化。但是，在陸地上就必須有這樣一個分化，不同的細胞對應不同的資源和環境——根要吸水，葉子要曬太陽……而這個過程中，LAZY蛋白發揮了大作用，正是因為它的存在，植物才區分出了天和地。