为什么植物的根会向下长，茎会向上长

在自然进化的过程中，大多数的植物发育出了能够向上生长的茎和向下生长的根，这是大自然的杰作。

因为生长在地球上的植物，总是受到无处不在、大小和方向基本恒定的地心引力（重力）的作用，进化出了向重性的特性。早在1806年，科学家就已初步揭示了植物器官利用重力指导生长。植物的根总是朝向重力方向在土壤中生长，而芽则会向上穿透土壤使茎叶有空间展开。通过这一过程，植物在地上和地下争取生存空间，以获得赖以生存的阳光、养分和水等资源。正是由于茎的负向重性生长，植物的果实、种子才能摆脱地面潮湿环境的伤害，避免了腐烂。植物在经受狂风暴雨后，能够依靠负向重性生长而抗倒伏。

植物要完成向重性生长，就要经过4个阶段：植物感受重力作用方向刺激；将生物物理信号转化为生物化学信号；将信号从感受部位传导到发生向重性弯曲部位；不对称生长导致生长方向改变的响应行为等。

破土而出的花生植株

关于解释植物感受重力方向机制，虽有多种假说，但是早在100多年前提出的淀粉体——平衡石假说在很多植物中不断被实验所支持。植物器官是由感受敏感区来感受重力，比如在根的最前端有几层细胞组成的根冠，在茎的幼嫩组织以及其他尚未失去生长功能的节间、胚轴、花轴等。

组成根冠的柱状细胞中的淀粉体在重力作用下发生沉降，从而引导根的生长方向。这些淀粉体被命名为“平衡石”，含平衡石的细胞被称作平衡细胞。在植物茎中也有平衡细胞，它们是内皮层细胞。该假说虽然引起人们的广泛争议，但现在依然有大量新的证据支持该假说。

比如根冠切除实验，当根冠被人为切除，即使有重力刺激，根却不能向下弯曲生长。再比如，有的拟南芥突变体茎中的内皮层细胞若不能正常发育，茎的向重性弯曲也就被抑制了。

感受到重力信号以后，第二步就是将生物物理信号转化为生物化学信号。有人提出，细胞内质网参与了这一过程。内质网是内膜上封闭的网状管道系统，也是钙离子的一个贮存库。当植物受到重力刺激后，淀粉体发生位移，改变了淀粉粒对内质网的压力，诱导了钙离子从内质网流向细胞质，这样，重力的刺激就转化成钙离子的浓度变化。

第三个步骤是信号传输，将信号从感受部位传送到发生向重性弯曲部位，这个过程涉及了植物生长素的参与。生长素主要是在幼嫩茎尖部位合成的，随之被送到根尖特定的部位并富集起来。然后生长素侧向地被重新分配到其他区域并在那里调节细胞的伸长。但当植物的根受到重力刺激（改变生长方向90°）时，生长素被优先运输到根的下侧伸长区，形成一个生长素分配上的浓度梯度，并在此部位起作用，促使根尖向下弯曲。

同样有实验证明，在植物发生向重性反应部位的赤霉素也出现了不对称分布，有人用带有放射性标记的赤霉素的前体处理玉米，然后将萌发了3星期的玉米放平，12小时后，在节间和叶鞘基部等区段的下半部积累了较多的活性赤霉素，而上半部只有较少的活性赤霉素。用燕麦做的实验也发现，仅放平1小时之后，赤霉素在茎的上下两部分就发生了不均衡的分布。

植物激素的浓度差异，势必会造成细胞生长速度的不同。植物根发生向重弯曲的部位在伸长区，水平根的上部生长比下部快，从而导致根向下生长。平放茎的上半部的生长比下半部的生长慢，所以造成了茎向上弯曲生长。（蔡伟明）