在植物還是種子的時候，讓它們接觸某些化學物質來”激發”它們，會影響它們以後的生長。研究人員發現，用乙烯氣體處理種子可以提高種子的生長和抗逆性。這項發現涉及增強植物的光合作用和碳水化合物生產，為提高作物產量和抵禦環境壓力帶來了潛在的突破。

就像其他生物一樣，植物也會受到壓力。通常情況下，高溫和乾旱等條件會導致這種壓力，而當它們受到壓力時，植物可能會長不大或產量不高。這對農民來說是個問題，因此許多科學家嘗試對植物進行基因改造，使其具有更強的抗逆性。

然而，為提高作物產量而改造的植物往往抗逆性較低，因為它們將更多的能量用於生長，而不是用於抵抗壓力。同樣，提高植物在壓力下的生存能力往往會導致植物產量降低，因為它們將更多的能量用於保護而不是生長。這個難題使得提高作物產量變得十分困難。

我一直在研究植物荷爾蒙乙烯如何調節植物的生長和壓力反應。在2023 年7 月發表的一項研究中，我的實驗室發現了一個意想不到且令人興奮的現象。我們發現，當種子在黑暗中發芽時（通常是在地下發芽），添加乙烯可以提高種子的生長和抗逆性。

植物無法移動，因此無法避免高溫和乾旱等壓力環境條件。它們從光照和溫度等環境中接受各種訊號，這些訊號決定了它們的生長、發育和應對壓力條件的方式。作為這種調節的一部分，植物會製造各種激素，這些激素是使它們能夠適應環境條件的調節網絡的一部分。

100 多年前，乙烯作為一種氣態植物激素首次被發現。此後的研究表明，所有被研究過的陸生植物都會製造乙烯。除了控制生長和應對壓力外，乙烯還參與其他過程，例如使葉片在秋季變色和促進果實成熟。

我的實驗室主要研究植物和細菌如何感知乙烯，以及乙烯如何與其他荷爾蒙途徑相互作用來調節植物的生長和發育。在進行這項研究時，我的研究小組有了一個意外的發現。

我們一直在進行一項實驗，讓種子在暗室中發芽。種子萌發是植物一生中關鍵的時期，在有利條件下，種子將從休眠狀態轉變為幼苗。

在這個實驗中，我們將種子暴露在乙烯氣體中數天，觀察其會有什麼影響。然後我們移除乙烯。通常，實驗到此為止。不過，在收集了這些幼苗的數據後，我們把它們轉移到了輕型推車上。這不是我們通常會做的事情，但我們想讓這些植物長大成人，這樣我們就能為未來的實驗獲得種子。

將幼苗置於光照下數天后，一些實驗室成員發現了一個出乎意料的驚人現象：短暫通入乙烯氣體的植株要大得多。與未接觸乙烯的植物相比，它們的葉子更大，根系更長、更複雜。這些植物在整個生命週期中都在以更快的速度生長。

左邊的植物未使用乙烯，而右邊的植物則使用了乙烯。兩株植物的年齡相同。圖片來源：諾克斯維爾田納西大學賓德實驗室

我和我的同事們想知道，在種子萌發過程中接觸乙烯是否會刺激不同植物物種的生長。我們發現答案是肯定的。我們測試了短期乙烯處理對番茄、黃瓜、小麥和芝麻菜種子萌發的影響–所有種子都長大了。

但讓我們感到不尋常和興奮的是，短暫的乙烯處理還能增強對鹽脅迫、高溫和低氧等各種脅迫的耐受性。

短暫的刺激對生長和抗逆性的長期影響通常被稱為引子效應。你可以把這想像成給幫浦打底，打底過程有助於讓幫浦更容易、更快啟動。研究已經考察了植物在不同年齡和不同發育階段接受啟動後的生長情況。但用各種化學物質和壓力給種子打底的研究可能是最多的，因為這種方法很容易實施，如果實驗成功，農民也可以使用。

從第一次實驗開始，我的實驗小組就一直在試圖找出是什麼機制讓這些暴露在乙烯環境中的植物長得更大並能承受更多壓力。我們發現了幾種可能的解釋。

其一是乙烯引誘增加了光合作用，也就是植物利用光製造糖的過程。光合作用的一部分包括所謂的碳固定，即植物從大氣中吸收二氧化碳，並利用二氧化碳分子作為製造糖的構件。

在光合作用和碳固定過程中，植物吸收陽光並將其轉化為糖分，用於生長。實驗小組發現，植物的碳固定量大幅增加，這意味著植物從大氣中吸收了更多的CO₂。

與光合作用的增加相關聯的是整個植物體內碳水化合物含量的大幅增加。這包括澱粉（植物的儲能分子）以及蔗糖和葡萄糖這兩種為植物提供快速能量的醣類的大量增加。

植物中這些分子的增加與植物生長速度加快和更好地承受壓力有關。

研究表明，發芽期間的環境條件會對植物產生深遠而持久的影響，可以同時增加植物的體積和抗逆性。了解這項機制比以往任何時候都更加重要，它有助於提高作物產量，並為世界人口提供食物。

作者：田納西大學生物化學與細胞和分子生物學教授Brad Binder 改編自最初發表在《對話》上的一篇文章。

編譯來源：ScitechDaily