从小分子变大树 半世纪未解的植物生长素之谜 有新发现

生长素是如何促进生长？科学家解开了长达半世纪的植物生长之谜。(示意图/Shutterstock)

由加州大学河滨分校领导的研究小组首次证明了植物是如何从一个小分子将一个单细胞变成像树一样大的生长运作机制。半个世纪以来，科学家们已经知道所有植物生长都依赖于生长素这一激素分子，然而却一直不清楚生长素是如何促进生长的，现在由来自科学家首次解开了生长素如何将单个细胞长成参天大树的秘密，而他们的研究成果近日发表在最近一期的Nature期刊上。

●生长素是如何促进生长？

植物细胞被包裹在壳状细胞壁中，其初级层具有三种主要成分：纤维素、半纤维素和果胶。其中，纤维素就像高层中的钢筋，提供了广泛的强度基础，它由半纤维素链增强并由果胶密封，这些成分确定了植物细胞的形状，而这些形状有助于将细胞紧密地黏合在一起并为植物提供抵抗风等因素的物理强度。

接着当植物准备好生长时，生长素会使它们的细胞壁变成酸性，从而松开组件之间的结合并使细胞壁软化和膨胀，这个理论首次是在半个世纪前被提出的，但直到现在，生长素如何激活酸化过程的谜题才被揭开。

生长素通过其介导的信号通路中定位于质膜上的跨膜激酶 (trans-membrane kinase，TMK) ，催化质膜上的P型质子泵一个苏氨酸残基发生磷酸化而使其激活，从而触发质子被泵入细胞壁，降低它们的 pH 值来产生这种酸度。

●激活膨胀蛋白（expansin)

较低的 pH 值又会激活一种名为膨胀蛋白（expansin)的蛋白质，该蛋白会破坏纤维素和半纤维素之间的联系，进而使细胞膨胀，不仅会将质子泵入细胞壁还会促使水吸收到细胞中，从而建立内部压力，因此若细胞壁足够松散且细胞内部有足够的压力，它就会膨胀。

这些成分定义了植物细胞的形状，导致有些植物是以令人惊讶方式形成，如专家在过去20年当中一直在研究的拼图式叶表皮细胞，它有助于将细胞紧紧地黏在一起，并为植物提供物理强度，以抵御风等元素。

●农业和可再生能源生产受益

简单地说，生长素「助于」植物生长，而它对植物生长和发育的每个方面都至关重要，对于果实、种子和根的发育、枝条分枝和叶子的形成也是不可或缺的因素，更不用说植物对重力和光的正确反应也取决于生长素，以确保根部向下，而芽向光生长。因此更深入地了解生长素不仅可以使农业和可再生能源生产受益，有朝一日也可以因了解基础生物学的工作原理进一步对人类健康产生影响。