史軍

向光性和向重力性

我們在家種植物時，會發(fā)現(xiàn)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(zhì)營養(yǎng)，當(dāng)然也需要把自己固定在土壤當(dāng)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(xué)家達(dá)爾文提出過一個假說。他認(rèn)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(xué)家繼承并發(fā)展了達(dá)爾文的學(xué)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(xì)胞網(wǎng)絡(luò)骨架”假說。

“淀粉-平衡石”假說認(rèn)為，植物對重力的感受是通過體內(nèi)一類富含淀粉體的細(xì)胞，即平衡細(xì)胞來實現(xiàn)的。當(dāng)重力方向發(fā)生改變時，平衡細(xì)胞中的淀粉體就會沿著重力方向沉降，引起植物體內(nèi)一系列信號分子的改變，如通過影響生長素的運輸，導(dǎo)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(xì)胞網(wǎng)絡(luò)骨架”假說認(rèn)為，在植物的細(xì)胞里，所有的細(xì)胞器都是掛在這個細(xì)胞骨架上面的，包括線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞核等細(xì)胞器并不是隨意地分布在細(xì)胞質(zhì)里面，而是通過很多細(xì)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(xì)胞骨架上面掛著這么多細(xì)胞器，肯定也會有一定程度的彎曲。細(xì)胞骨架的彎曲讓細(xì)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(xì)胞網(wǎng)絡(luò)骨架”假說，核心都是植物細(xì)胞感受到了物理牽扯，從而調(diào)整生長的方向。

研究新發(fā)現(xiàn)：LAZY蛋白是關(guān)鍵

但是，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員陳浩東團隊的一項最新研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞感受到的其實是化學(xué)信號，并非壓力信號。淀粉體上結(jié)合的特殊蛋白質(zhì)，才是植物感受天、地的關(guān)鍵信號。

在這個研究中，LAZY蛋白是關(guān)鍵。實際上，科學(xué)家在10多年前就發(fā)現(xiàn)了這種蛋白質(zhì)及其功能。如果這個蛋白表達(dá)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(diào)節(jié)植物生長角度的關(guān)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(xì)胞的底部。在這里，它可以調(diào)節(jié)植物生長素的分泌，指導(dǎo)細(xì)胞的分裂，從而促使根尖向著地心的方向生長。

而當(dāng)我們把整棵植物平放至與重力垂直的方向上時，細(xì)胞中的淀粉體會隨著重力被搬運到或者說沉降到細(xì)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(xì)胞膜上。在這里，LAZY蛋白就開始指導(dǎo)說：“哎，告訴你，現(xiàn)在這里是朝下的位置。生長素，你們開始調(diào)整一下你們的工作地點吧！”于是，植物根系調(diào)整了細(xì)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(huán)境下，細(xì)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(xì)胞當(dāng)中，相關(guān)的LAZY蛋白在整個細(xì)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(huán)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(xì)胞對應(yīng)不同的資源和環(huán)境——根要吸水，葉子要曬太陽……而這個過程中，LAZY蛋白發(fā)揮了大作用，正是因為它的存在，植物才區(qū)分出了天和地。