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第13章 神奇的植物(4)

20世纪初,德国植物学家哈勃伦脱在尝试培养植物细胞后,大胆提出,人们能够成功地用植物细胞培养出幼小的植物。这个科学的创见到1958年终于成为了现实。一个名叫斯蒂瓦特的研究者用胡萝卜的细胞进行人工离体培养,产生了愈伤组织,诱导分化成了完整的植株。现在,国内外专家通过植物组织培养,诱导分化形成完整小植物体的植物的种类已达几百种,其中木本植物就有几十种。

植物体内成熟的细胞怎么会变成一棵小植物呢?科学家对植物的这种“返老还童”现象作了长期而艰苦的研究,发现它同植物的激素关系很大,是植物的生长素、细胞分裂素在发挥作用。一般认为,生长素可以促使植物生长,细胞分裂素有利于植物生芽。这些植物激素虽然在植物体内含量极少,但它们在一定的条件下则神通广大,植物的生长发育都要受到它们的调节和控制。

在某些生产实践上,人们已经可以指挥植物“返老还童”了。例如,用花粉培养出完整的植株,为植物育种开辟了新途径;把不同种植物细胞的细胞壁去掉,通过杂交,产生出杂交植株等等。现在世界上已获得烟草种间杂交种和矮牵牛种间杂交种。我国也已用烟草和胡萝卜等作物的体细胞的原生质体,培育出了完整的植株。

植物舞蹈之谜

工作学习之余,人们喜欢沉醉于优美的乐曲和动人的舞姿之中,而在生机盎然的植物世界,也有不少的“舞蹈家”。

葵花的向阳舞、睡莲花朵在夜幕降临前的闭合舞都是大家所熟知的。含羞草就更有意思了,它不但在黑夜到来的时候会自动合上羽状的叶子,就是在白天,只要你碰它一下,它的叶子也会立即闭合。碰触它的力量大一些时,连茎都会下垂,就像一位含羞的少女。

在这批植物舞蹈家中,最出色的莫过于电信草(舞草)和舞树了。电信草是生长在印度和斯里兰卡的一种植物。它的每一片大叶的旁边都长着两片小叶。这两片小叶就像贪玩的孩子一样,从早到晚一刻不停地跳着舞。在我国西双版纳勐腊县尚勇乡附近的原始森林里,有一棵会跳舞的小树。在这棵小树的旁边播放音乐,小树便会随着音乐的节奏摇曳摆动,翩翩起舞。更令人惊奇的是,如果播放的音乐是轻音乐或抒情歌曲,小树的舞蹈动作便随着节拍变动,音乐越优美动听,小树的动作越婀娜多姿。如果播放的是雄壮的进行曲或嘈杂的音乐,小树反而不跳舞了。因此,当地人叫它“风流树”。

这些高等植物为什么会跳舞呢?植物学家一直在探索其中的奥妙。现在有两种说法:一种认为是植物体内的生长素的转移,引起植物细胞的生长速度的变化所致;另一种则认为是植物体内微弱的生物电流的强度与方向的变化所致。

植物听音乐之谜

有些植物不仅有表现音乐的才能,能够“唱”出不同旋律的“歌”,还是音乐爱好者,爱听和谐悦耳的“交响乐”。

科学家发现这个秘密后,便设想:能不能通过让农作物听音乐,来使农作物增产呢?试验证明是能的。法国一位园艺学家将耳机套在一个番茄上,让它每天“欣赏”3小时的音乐,结果这个番茄长到2.5公斤,创造了世界纪录。法国国家研究中心的科学家用超声波培植蔬菜。蔬菜在超声波的“乐曲”声中“闻歌起舞”,生长速度增加1倍以上。前苏联和英国的科学家也用超声波种出了25公斤重的大萝卜和27公斤重的卷心菜。在我国,科学家也曾用超声波处理桔梗等中草药种子,这些被处理过的种子的发芽率普遍提高了2~4倍。

为什么超声波会促进农作物生长?科学家初步认为,超声波能够加速植物的光合作用,促进细胞分裂,从而加快植物的生长速度。如果这个奥秘完全被揭开,人们就可以通过某种途径,满足农作物对“音乐”的需求,来达到增产的目的,甚至能在培育农作物优良品种方面,开辟一条“捷径”。

植物生长方向之谜

植物对周围环境的反应,最奇妙的莫过于它的生长方向。比如从一粒小小的植物种子萌发开始,它就知道根应该往地下生长,而茎干则伸向天空。这是一个极为普遍的现象,然而植物为什么会这样呢?它是怎样懂得“上”和“下”的概念的呢?又是什么力量促使它选择根朝下、茎朝上的生长方向呢?怎样解释这种生理机制呢?

科学家们首先想到的是重力。他们从物理学角度想到,地球的引力一定是影响植物生长方向的重要因素。当时,著名的英国生物学家、进化论的鼻祖达尔文曾观察到,植物的芽和根在改变生长方向时,各部分细胞的生长速度是不同的。但这又是由什么来决定的呢?达尔文无法作更进一步的解释。

到1926年,美国植物生理学家弗里茨·温特,作了一个颇能说明问题的实验。他使植物的胚芽鞘一面受光,另一面对着无光的黑暗处;结果胚芽鞘的生长发生了有趣的变化——渐渐地朝着有光的方向弯曲。后来,温特从胚芽鞘中提取出一种化合物——植物生长素,它具有促使植物生长的功能。胚牙鞘没有受光的部分生长加快,受光部分则由于缺少生长素而生长较慢,结果导致弯曲的发生。于是温特认为,植物的茎或叶片的弯曲是由于生长素在组织内的不对称分布造成的。当植物受到刺激时,植物组织下部的生长素含量会大大增加,于是就使植物的根朝下生长,而茎则朝上生长了。

自从温特发现植物生长素的秘密后,很多科学家都投入到这一研究领域。他们发现,植物的根总是朝着地心引力的方向生长,这同样是通过生长素在根细胞里不同的分布来实现的。于是,这些学者们提出,也许有一种被称为“平衡面”的感应物流向根细胞的底部,从而影响生长素在细胞中的分布。水平放置的根,其上面比下面生长快,致使根向下生长。可是这种“平衡面”究竟属于何物,又是如何起作用的呢?学者们一时无法知晓。

不久前,美国俄亥俄州立大学的植物学家迈克尔·埃文斯以及他的同事,提出了一个全新的理论。他们认为,无机钙对植物的生长方向起着举足轻重的作用。因为他们在研究中发现,在植物的弯曲生长的过程中,无论是根冠的下侧部位还是芽的上侧部位,都存在着高含量的无机钙。那么,无机钙又是如何使植物辨别方向的呢?埃文斯解释说,因为根冠有着极为丰富的含淀粉体的细胞,而淀粉体会把其内部的钙送到根冠下侧。这时,如果用特殊的实验手段去阻止钙的移动,植物马上就会不按正常的方式去生长。同样,植物的芽虽然没有冠部,但也含有丰富的淀粉体,淀粉体也能将其内部的无机钙送到上侧的细胞中。这显然说明,无机钙对植物的生长方向有着不可忽视的作用。

那么,既然淀粉体内有许多无机钙,而无机钙又能在植物体内来去自如,除了重力之外,又是哪一种力量使无机钙如此方便地上下移动呢?最近,美国德克萨斯州立大学的研究人员斯坦利·鲁在研究中发现,这是由于细胞的上端和下端之间的电荷不同,两端电荷的不一致引起细胞极化。结果,为数众多的被极化的细胞排列在一起,总电荷就强得足够吸引任何相反电荷的钙离子,驱使其在体内移动。于是斯坦利·鲁提出,细胞的极性带动钙的移动,从而导致植物茎干总是向上生长,而根则朝地下生长。

由谁控制植物生长方向的课题的研究已日趋深入,这种神奇的力量取决于什么,是植物生长素还是无机钙,是细胞的极性还是数者兼有之?目前,这依然有待于更进一步的探索。

远古开花植物横空出世之谜

约3.6亿年之前,开花植物的“祖先”进化之际,当时的世界由通过孢子繁殖的类似蕨类的土褐色植物统治。1.4亿年前左右,开花植物横空出世并最终“脱颖而出”。远古时代开花植物为什么能横空出世,至今仍是达尔文所称的“一个令人厌恶的谜”。

今天,孢子植物仅占所有陆地植物的3%,个中原因直到17世纪才被揭示。当时,诸如纳希米阿·格鲁(NehemiahGrew)等植物学家利用最新发明的显微镜对开花植物的整个结构进行了研究。结果发现,植物的根本在于性,即植物的有性繁殖。开花植物之所以能茁壮成长,原因就在于它们比孢子植物更善于有性繁殖。

宾夕法尼亚州立大学网站2006年5月10日报道,宾夕法尼亚州立大学植物基因组计划研究人员在与国际团队的共同努力下,为达尔文关于开花植物的“难解之谜”提供了答案。

通过新的统计方法,研究人员对13个精心挑选的植物种类的非完整DNA序列进行了分析,揭开了先前不为人知的“古多倍性”(paleopolyploidy,古代植物细胞中基因成倍复制)事件,即在开花植物的祖先出现之前存在的基因组整体复制的现象。研究人员宣称:“我们发现了一组基因复制集合,能够解释早期开花植物的整体基因复制事件。早期开花植物的基因成倍复制正好能解释它们快速进化的原因。”

在FireflyBooks出版社新近出版的一本名为《种子》的书中,英国克佑区皇家植物园的植物学家沃尔夫冈·斯塔佩(WolfgangStuppy)和视觉艺术家罗布·克塞勒(RobKesseler)对植物有性繁殖的复杂性进行了仔细地剖析。在大多数植物产籽之前,花粉必须控制花的专门入口,使位于末端的卵细胞受精。同之后发生的一切相比,这一过程相对而言容易理解:对生成的胚胎进行生产、养育、储存和分散。

开花植物随着胚胎的产生进化成受保护的“三组织”种子结构,即胚乳、保护层(硬硬的、保护种子的外层)以及胚胎本身。每个组成部分都是从受精植物的独特组织中产生的。

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