为了掌控植物的生长，人类付出了什么努力？

在史前时代，人类就开始认识并利用身边的植物资源，比如食用野生植物的果实、根茎，或用植物制作工具、衣物和简单的住所，会根据观察和经验辨别哪些植物是有益的，哪些是有害的。在公元前1万年左右，人类开始尝试种植作物，获取粮食的需求，或许是激发人类对植物发育奥秘产生兴趣的初始原因。随着对作物生长规律的深入理解，人类不仅获得了食物供应的稳定，还为自身的发展壮大奠定了的基础，逐渐步入文明。

如今，尽管人类在植物发育的研究上取得了巨大的进步，形成了植物生理学、植物分子生物学、植物生态学等多个专门的学科，但对于植物如何调控生长这一科学问题，仍然有许多未知的领域，对这个问题的探寻也从未停止。

植物发育调控的核心：适应环境变化

同种动物的发育过程、生长周期基本是一致和有限的，而同种植物在不同环境条件下能表现出极大的多样性，它们会改变形态来适应环境，比如通过调整叶片的方向来最大化光合作用，或者通过根系的扩展来获取水分和营养，甚至可以通过调整开花时间来适应变化的外界条件。植物的这种生物学特性，允许植物在不同的环境条件下调整其形态，变化的是外观，而不变的，是植物发育调控的核心——如何适应环境的变化。

植物能改变形态，原因之一是其胚胎发育过程中只产生少数的组织和器官原基，胚后发育的过程中，新生的器官均来自顶端分生组织的分裂和分化[1]，这种发育过程是植物特有的，而这种现象背后的分子层面的机制尚未明确。有研究揭示了父本起源基因在调控胚根干细胞发育中的分子机制，有助于我们理解受精过程中雌雄配子在分子层面上的互作途径，以及这些途径如何靶向调控胚胎器官的形成[2]，但植物器官发育过程中哪些基因的表达模式发生了变化，以及这些变化如何影响植物的形态建成和器官发育，都需要进一步研究。

植物能直接与环境互动而改变形态的能力十分奇妙，虽然调控植物生长的影响因素是已知的，但我们只能根据观察到的现象来描述生长的结果，而植物如何在发育阶段感知和响应光照、温度、水分和营养条件，仍是无法从微观层面上解析的过程。这些过程在分子水平上是非常精细和动态的，理论上，使用分子生物学技术、基因编辑技术、代谢组学分析等，能在分子水平上探索植物生长的具体调控机制，可以精确地了解哪些基因和信号通路参与了植物的生长发育过程，但目前的研究成果尚未对植物的发育调控给出系统的解释。

研究突破口——应对环境变化的分子机制

植物的发育调控是一个极其复杂的过程，涉及到多个层面的相互作用，科学家们已经取得了一些重要的研究成果，并找到了很多有价值的研究方向。植物激素如生长素、赤霉素、细胞分裂素等在植物发育中发挥重要作用，且已有研究表面，植物激素在植物响应干旱、盐胁迫和热胁迫等环境胁迫中起着关键作用，例如在干旱胁迫下，ABA的积累可以触发植物的防御反应，如气孔关闭，减少水分蒸发[3]。通过研究植物如何响应和适应环境胁迫，可帮助揭示控制植物生长和发育的复杂分子调控网络，这些网络包括信号转导途径、基因表达调控、蛋白质互作等。在环境胁迫下，某些基因可能会被诱导表达或抑制，这有助于我们理解这些基因在植物发育中的功能。在研究植物对环境胁迫的响应时，可能会发现新的转录因子、蛋白质激酶和其他调控元件，这些元件在植物发育的不同阶段发挥关键作用。因此，研究植物适应环境胁迫的分子机制对于解释植物发育调控具有重要意义。虽然我们找到了研究的一些突破口，但植物的表型可塑性，使得在不同环境条件下，同一基因型可能表现出不同的表型，这给研究带来了额外的变量，而植物基因型与环境互作的复杂性使得研究更为困难。

从适应出发的解题新思路

如果能解决上文提到的这些复杂问题，我们将不再是用统计学的方法分析植物生长发育的现象，像种植作物、栽培苗木等对植物生长进行控制的活动，也不会只是靠经验来指导，而是能应用关于植物发育调控的理论和方法来调配资源，精准控制植物的生长。例如在粮食安全问题上，可通过分子设计育种培育出高产品种，或增强植物对高盐或干旱条件的耐受性，在不利环境条件下保障粮食生产。在环境保护方面，我们可以更好地理解入侵植物的生态学特性和成功机制，从而为入侵植物的管理和控制提供科学依据。我们知道植物对环境的改善改善作用非常明显，如果植物的发育成为一个明确可控的程序，还将有助于研究植物如何在恶劣环境中生存，以及如何通过植物的选育和种植来改善土壤质量，防止土地荒漠化。另外，通过研究植物性状形成的遗传基础及进化规律，可以揭示植物多样性及复杂性状形成的遗传调控机制，这对于保护和开发植物种质资源至关重要。

随着植物生长发育过程中越来越多的基因及其生物学功能的揭示, 以及植物发育对外界环境响应机制的发现, 我们对植物如何调控生长这一科学问题的研究和突破，将成为生命科学的重要里程碑。

参考文献：

[1] Weigel D, Jürgens G. Stem cells that make stems[J]. Nature, 2002, 415(6873): 751-754.

[2] Cheng T, Liu Z, Li H, et al. Sperm-origin paternal effects on root stem cell niche differentiation[J]. Nature, 2024: 1-8.

[3] Sun Z, Feng Z, Ding Y, et al. RAF22, ABI1 and OST1 form a dynamic interactive network that optimizes plant growth and responses to drought stress in Arabidopsis[J]. Molecular Plant, 2022, 15(7): 1192-1210.

作者：邹慧娟 科普作者

审核：王康国家植物园北园科普馆馆长、教授级高工王康

编辑：王子 审编：益申合