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天津市民族中学开展学校科普日活动,旨在大力弘扬教育家精神,实施“双驱引领”下的科学教育。通过广泛传播科学知识、弘扬科学精神,激发学生崇尚科学、探索未知的兴趣,营造讲科学、爱科学、学科学、用科学的氛围。
学校将在科普日面向全校师生推广科普知识。学生和家长通过关注学校微信公众号,可以了解学校在每期科普日推送的科普内容或活动。在后续的科普日活动中,学校还将组织学生开展现场活动,助力学生科学思维的发展和科学探究能力的提升。
本期科普日由学校生物学科教师郑斌讲述根的向地性。
将一颗豆子种在花盆里,无论种子最初朝向哪个方向,萌发后长出的根总会向下扎入土壤,而芽则向上生长;即使将花盆倾斜,根也会逐渐弯曲,重新朝着地心方向生长——植物的根为何总能“找到”土壤深处?这并非根有“感知方向”的能力,而是“根的向地性”作用的结果,即植物根在重力影响下,向重力方向生长的特性。这一现象背后,是重力对植物体内“生长素”分布的调控,以及生长素对根细胞生长的差异化影响,体现了植物对环境的精准适应。要理解这一过程,需从生长素的作用、重力对生长素分布的影响以及根细胞的生长响应入手,揭开根“向下生长”的生命奥秘。
(油菜幼苗向重力方向弯转:展示了油菜幼苗平放后,根向重力方向弯曲生长的情况,直观地体现了根的向地性。)
首先,我们需要明确“生长素”的基本作用。生长素是植物体内最重要的激素之一,主要产生于植物的顶端(如根尖、芽尖),能调节细胞的伸长生长——低浓度的生长素能促进细胞伸长,使细胞体积增大;高浓度的生长素则会抑制细胞伸长,甚至导致细胞生长停滞。生长素对不同器官的作用存在差异:对芽和茎来说,较高浓度的生长素仍能促进生长;但对根来说,生长素的促进浓度范围极窄,稍高的浓度就会产生抑制效果,这是根向地性形成的关键前提。
根的向地性形成,核心在于“重力导致生长素在根内分布不均”。植物的根尖(根的顶端)存在一种能感知重力的细胞,称为“平衡石细胞”,这类细胞内含有密度较大的淀粉粒(平衡石)。当根处于垂直状态时,平衡石均匀分布在细胞底部,生长素在根的近地侧(靠近地心的一侧)和远地侧(远离地心的一侧)分布较为均匀,根会垂直向下生长;当根受到重力作用(如花盆倾斜、种子萌发时方向改变)时,平衡石会因重力作用向细胞的近地侧移动,挤压细胞内的细胞器和细胞膜,触发一系列信号传递过程,最终导致生长素向根的近地侧运输。
生长素分布不均后,会对根的近地侧和远地侧细胞产生差异化影响:根的远地侧生长素浓度较低,处于促进生长的范围内,细胞会在生长素的作用下正常伸长,生长速度较快;而根的近地侧由于生长素大量聚集,浓度过高,超过了根细胞生长的适宜浓度,对细胞伸长产生抑制作用,细胞生长速度缓慢甚至停止。此时,远地侧细胞生长快、近地侧细胞生长慢,根就会向生长慢的近地侧弯曲,最终呈现向重力方向生长的趋势,即根的向地性。例如,当花盆倾斜时,根的一侧成为近地侧,生长素浓度升高抑制生长,另一侧远地侧生长素浓度适宜促进生长,根会逐渐弯曲,重新朝向土壤深处生长。
根的向地性对植物的生存具有重要意义,是植物适应陆地环境的关键特性之一。从吸收养分和水分来看,土壤深处通常含有更丰富的水分和矿物质(如氮、磷、钾),根向地生长能深入土壤,更高效地吸收这些必需物质,为植物的生长发育提供保障;从固定植株来看,根向地生长能使根系在土壤中扎得更深、更牢固,增强植株的抗倒伏能力,避免植株被风吹倒或被雨水冲倒——尤其是高大的树木,发达且向地生长的根系能牢牢固定树干,抵御恶劣天气的影响。
除了向地性,植物还具有其他向性运动,如茎的背地性(茎向远离地心的方向生长)、向光性(茎向光生长)等,这些向性运动的本质都是生长素分布不均导致的生长差异,但作用机制略有不同。例如,茎的背地性中,重力同样导致生长素向近地侧运输,但茎对生长素的耐受性较高,近地侧较高浓度的生长素会促进细胞更快伸长,远地侧生长素浓度较低生长较慢,因此茎会向远地侧弯曲,呈现背地生长的趋势;而向光性中,单侧光导致生长素向茎的背光侧运输,背光侧细胞生长快于向光侧,使茎向光弯曲。
植物的向性运动并非不可改变,通过人工调控生长素的分布,可改变植物的生长方向。例如,农业生产中使用的“植物生长调节剂”(如萘乙酸、吲哚丁酸),本质是人工合成的生长素类似物,将其涂抹在扦插枝条的基部,能促进根系生长;在果树栽培中,通过调整枝条的角度,改变生长素在枝条内的分布,可促进或抑制枝条生长,实现果树整形修剪,提高果实产量。
(2022年7月中国空间站问天实验室在太空无重力影响下根向多个方向生长,重力定向生长的特点消失。)
从种子萌发时根的向下生长,到花盆倾斜后根的重新弯曲,根的向地性是生长素调节与重力感知共同作用的结果,也是植物对环境精准适应的体现。深入理解根向地性的生物学原理,能让我们更好地认识植物的生长规律,在农业生产和园艺种植中采取科学措施,促进植物健康生长——生命的适应智慧,就藏在这每一次根对重力的响应之中。
加强科学教育 提升科学素养
科普知识问答
根的向地生长主要是由于哪种植物激素的作用?
01
02
植物的根尖存在一种能感知重力的细胞是什么细胞?
当花盆倾斜时,根的一侧成为近地侧,生长素浓度如何变化,促进还是阻碍生长?
03
04
有哪些改变根向地生长特性的方法?

撰稿人:郑斌
核稿人:沈建伟 关雪岩 周海燕
排版制作:魏佳
领导审核:刘芃 刘和葵












