著名科学家Nature发文：解开了长达50年的植物生长之谜

　　

   

   

国际知名植物学专家、加州大学河滨分校教授杨贞标

由加州大学河滨分校领导的一个研究小组首次展示了一种小分子将单个细胞变成像树一样大的东西的方法。半个世纪以来，科学家们已经知道所有的植物都依赖这种分子生长素来生长。直到现在，他们还不清楚生长素是如何促进生长的。

生长素这个词来源于希腊语“auxein”，意思是“生长”。生长素调控植物生长的主要途径有两种，其中一种就在Nature杂志最新一篇文章中进行了描述。领导这一研究的是国际知名植物学专家、加州大学河滨分校教授杨贞标博士。

植物细胞被壳状细胞壁所包裹，壳状细胞壁的初级层有三种主要成分:纤维素、半纤维素和果胶。

“纤维素就像高层建筑中的钢筋，提供了广泛的强度基础。它被半纤维素链加强，并被果胶密封，”杨教授说。

这些成分决定了植物细胞的形状，从而产生了有时令人惊讶的形状，比如杨在过去20年里一直在研究的拼图形状的叶表皮细胞。这些形状有助于紧密地将细胞粘在一起，并为植物抵抗风等因素提供体力。所有的东西都被细胞壁锁得那么紧，运动和生长是怎么可能的呢?

有一种理论认为，当植物准备生长时，生长素会使它们的细胞变成酸性，从而松开各成分之间的结合，使细胞壁软化和膨胀。这一理论在半个世纪前就提出了，但生长素如何激活酸化至今仍是一个谜。

杨教授团队发现，生长素通过触发质子泵入细胞壁，降低其pH值，从而产生酸性。较低的pH值激活了一种叫做膨胀素的蛋白质，之所以这么叫是因为它打破了纤维素和半纤维素之间的连接，使细胞得以膨胀。

向细胞壁泵入质子也促使细胞吸收水分，形成内部压力。如果细胞壁足够松，细胞内部有足够的压力，它就会膨胀。

杨教授解释说:“就像气球一样，膨胀取决于外部的厚度，而不是你吸入了多少空气。”“降低细胞壁的pH值可以让细胞外的水进入，增加充盈压力和膨胀。”

生长素调节生长的已知机制有两种。一是杨的团队描述的pH值降低。另一个是生长素在植物细胞核中开启基因表达的能力，这反过来又增加了细胞中扩张和其他生长调节因子的数量。

后一种机制也降低了细胞的pH值，促进了生长。加州大学圣地亚哥分校的细胞生物学教授Mark Estelle是该领域的权威。他发现并研究了另一种机制。

“杨博士最近的工作代表着我们对生长素如何调节细胞扩张的理解取得了重大进展。众所周知，细胞外空间的酸化促进细胞膨胀，但不知道这是如何发生的，”Estelle说。“看到一个老问题得到解决真是令人兴奋。”

如果说生长素只是“促进”了植物的生长，这是轻描淡写的。它几乎对植物生长和发育的每一个方面都至关重要，包括对农业很重要的方面，如果实、种子和根的发育、芽的分枝和叶片的形成。即使植物对重力和光线的正确反应也依赖于生长素，以确保根向下，而芽则朝着光生长。

对生长素的深入了解不仅有利于农业和可再生能源的生产，而且有一天还会影响医学。杨教授说:“了解基本生物学原理最终可能会对人类健康产生影响。”“随着我们知识的扩展，我们可能会发现人类的过程是相似的。”

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TMK-based cell-surface auxin signalling activates cell-wall acidification