在我们身边，植物总是静静地生长着，它们不说话，却能以自己的方式感知并适应周围的环境，例如向日葵的向日现象、植物根系向地或是朝向有水分的地方生长，这背后的奥秘之一就藏在一种叫“生长素”的神奇物质里。
对生长素的发现与研究不仅揭开了植物生命活动的部分神秘面纱，还带给我们许多有趣的科学故事，更为现代农业提供了重要的理论基础。今天，我们就一起来了解一下神奇的生长素。
蔬菜种植从播种到开花再到收获的阶段
（图片来源：veer图库）
生长素的发现之旅
让我们把时间倒回到19世纪末，那时的科学家们对植物的行为充满了好奇。他们注意到植物似乎有某种神奇的“能力”，能够感知光线、重力等环境因子，并作出相应的反应。
比如，当你把一株植物放在窗边，几天后你会发现它的茎总是朝向光源生长。而不论种子在土壤中以哪种姿势躺着，植物的根最终都会深深地扎下去，这种植物对光线、重力等做出反应的现象，在植物学中被称为“向性”，其中向光性和向地性最为典型。然而，为什么植物会有这种“向性”呢？科学家们对此非常好奇。
说明植物因生长素效应的向光性运动
（图片来源：veer图库）
查尔斯·达尔文，这位因“进化论”而闻名的科学家，也是植物“向光性”研究的先驱者。他和他的儿子弗朗西斯·达尔文在19世纪末进行了一系列巧妙的实验，为生长素的发现奠定了基础。
达尔文父子使用了金丝雀虉（yì）草的胚芽鞘，这是一种幼苗的顶端，对光非常敏感。他们发现，当光从某个方向照射到胚芽鞘时，胚芽鞘会弯向光源生长。他们设想，可能是胚芽鞘的顶端感知到光线，然后向下传递某种信号，使胚芽鞘向光弯曲。那么，这个信号到底是什么呢？为了找到答案，达尔文设计了一些有趣的实验：
移除顶端实验：当移除胚芽鞘的顶端时，胚芽鞘也失去了向光弯曲的能力。这进一步证明了顶端的重要性。
遮光实验：用不透光的小帽子覆盖住胚芽鞘的顶端，发现胚芽鞘不再向光弯曲；但如果仅仅遮盖胚芽鞘的中部或基部，顶端暴露在光下，胚芽鞘仍然会弯向光源。这表明，感知光线的关键部位在胚芽鞘的顶端。
透明帽子实验：如果使用透明的帽子覆盖胚芽鞘的顶端，胚芽鞘仍然能向光弯曲。这说明，顶端对光线非常敏感，而这种感知能力与光本身有关。
通过这些实验，达尔文推测胚芽鞘顶端产生了某种信号，这种信号会向下传递，控制植物的弯曲生长。但在当时他并不知道这种信号的本质是什么。
揭开生长素的神秘面纱
在达尔文之后，科学家们对这种神秘的“信号”展开了进一步的研究。1928年，荷兰科学家温特通过实验成功地证明了这种信号物质的存在。他将燕麦胚芽鞘的顶端切下，放在琼脂块上，经过一段时间，琼脂块吸收了顶端产生的物质。然后，他将这些琼脂块放在切除了顶端的胚芽鞘上截面的一侧，胚芽鞘竟然弯曲了！这个实验表明，这种神秘物质可以从琼脂块中扩散，并引起胚芽鞘的弯曲生长。
温特将这种物质命名为“生长素”。通过进一步的研究，科学家们发现生长素是一类吲哚乙酸化合物，生长素成为第一个被发现的植物激素。在植物中生长素起着多种调节作用，包括细胞的伸长、分裂、分化，器官形成和生长方向的调节等。
生长素的不均匀分布是导致植物向光弯曲的原因，光照使生长素在植物顶端向背光侧移动，背光侧的细胞因生长素浓度较高而伸长更快，从而导致植物弯向光源。
吲哚-3-乙酸的化学式、骨架式和三维球棍模型，最常见的植物生长素
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生长素的作用
那么，生长素到底是如何让植物弯曲生长的呢？简单来说，生长素能够促进植物细胞的伸长。当光线从一侧照射植物时，生长素会向背光的一侧移动，导致背光侧的细胞比向光侧的细胞伸长得更快，于是植物就朝向光的方向弯曲生长。
生长素不仅仅引导植物向光弯曲，它还在植物的其他生长过程中发挥重要作用，其中包括细胞的伸长、根与芽的生长和器官的形成。
细胞的伸长是指生长素促进细胞壁的松弛和细胞的伸长，使植物能够在光照、水分等资源有限的环境中快速生长。
生长素在根和芽的生长中也扮演着重要角色，在植物顶端，生长素浓度高，抑制了侧芽的生长，形成顶端优势，而在根部，生长素促进根的生长和分化。
生长素还参与了叶片、花朵、果实、种子等植物器官的形成。在组织培养中，不同浓度的生长素与细胞分裂素可以诱导植物组织分化出植物的不同器官。
生长素对于所有植物形态发生过程都是至关重要的，那么它在植物内部又是如何发挥作用的呢？生长素的局部积累刺激植物器官的起始，并且在植物器官内生长素的动态合成、不平均的分布及浓度梯度，如同植物体内的“指示灯”为植物提供了决定组织模式建立的主要空间信息。
因此，生长素在农业中有着广泛的应用。例如作为植物生长调节剂，在农业生产中，人工合成的生长素类似物，被用于调节植物生长，促进插条生根、果实发育等。而某些生长素类似物在高浓度下可以作为选择性除草剂，专门针对阔叶杂草，而对禾本科作物影响较小。此外，在植物组织培养中，调控生长素与细胞分裂素的配比可以诱导植物组织的分化与再生，培育出新的植株。
结语
生长素的发现不仅解开了植物向光弯曲的秘密，也让我们更深入地理解了植物生长发育的奥秘。它在植物体内扮演着“指挥家”的角色，调控着细胞的分裂与伸长、根和芽的发育、器官的形成等过程。生长素的研究不仅拓宽了我们的科学视野，还为现代农业的发展提供了重要的理论和实践依据。
在自然界中，植物以其独特的方式感知和适应着环境，而生长素就是它们与外界交流的一个“信使”。下次当你看到窗台上一株向阳而生的植物时，不妨想一想，正是这神奇的生长素在默默地引导着它们的生长。
出品：科普中国
作者：张璐，程佑发（中国科学院植物研究所）
监制：中国科普博览