在植物还是种子的时候，让它们接触某些化学物质来"激发"它们，会影响它们以后的生长。研究人员发现，用乙烯气体处理种子可以提高种子的生长和抗逆性。这一发现涉及增强植物的光合作用和碳水化合物生产，为提高作物产量和抵御环境压力带来了潜在的突破。
就像其他生物一样，植物也会受到压力。通常情况下，高温和干旱等条件会导致这种压力，而当它们受到压力时，植物可能长不大或产量不高。这对农民来说是个问题，因此许多科学家尝试对植物进行基因改造，使其具有更强的抗逆性。
然而，为提高作物产量而改造的植物往往抗逆性较低，因为它们将更多的能量用于生长，而不是用于抵御压力。同样，提高植物在压力下的生存能力往往会导致植物产量降低，因为它们将更多的能量用于保护而不是生长。这一难题使得提高作物产量变得十分困难。
我一直在研究植物激素乙烯如何调节植物的生长和胁迫反应。在 2023 年 7 月发表的一项研究中，我的实验室发现了一个意想不到且令人兴奋的现象。我们发现，当种子在黑暗中发芽时（通常是在地下发芽），添加乙烯可以提高种子的生长和抗逆性。
植物无法移动，因此无法避免高温和干旱等压力环境条件。它们从光照和温度等环境中接受各种信号，这些信号决定了它们的生长、发育和应对压力条件的方式。作为这种调节的一部分，植物会制造各种激素，这些激素是使它们能够适应环境条件的调节网络的一部分。
100 多年前，乙烯作为一种气态植物激素首次被发现。此后的研究表明，所有被研究过的陆生植物都会制造乙烯。除了控制生长和应对压力外，乙烯还参与其他过程，如使叶片在秋季变色和促进果实成熟。
我的实验室主要研究植物和细菌如何感知乙烯，以及乙烯如何与其他激素途径相互作用来调节植物的生长发育。在进行这项研究时，我的研究小组有了一个意外的发现。
我们一直在进行一项实验，让种子在暗室中发芽。种子萌发是植物一生中的关键时期，在有利条件下，种子将从休眠状态转变为幼苗。
在这个实验中，我们将种子暴露在乙烯气体中数天，观察其会有什么影响。然后我们移除乙烯。通常，实验到此为止。不过，在收集了这些幼苗的数据后，我们把它们转移到了轻型推车上。这不是我们通常会做的事情，但我们想让这些植物长大成人，这样我们就能为未来的实验获得种子。
将幼苗置于光照下数天后，一些实验室成员发现了一个出乎意料的惊人现象：短暂通入乙烯气体的植株要大得多。与未接触乙烯的植物相比，它们的叶子更大，根系更长、更复杂。这些植物在整个生命周期中都在以更快的速度生长。
左边的植物未使用乙烯，而右边的植物使用了乙烯。两株植物的年龄相同。图片来源：诺克斯维尔田纳西大学宾德实验室
我和我的同事们想知道，在种子萌发过程中接触乙烯是否会刺激不同植物物种的生长。我们发现答案是肯定的。我们测试了短期乙烯处理对番茄、黄瓜、小麦和芝麻菜种子萌发的影响--所有种子都长大了。
但让我们感到不同寻常和兴奋的是，短暂的乙烯处理还能增强对盐胁迫、高温和低氧等各种胁迫的耐受性。
短暂的刺激对生长和抗逆性的长期影响通常被称为引物效应。你可以把这想象成给泵打底，打底过程有助于让泵更容易、更快地启动。研究已经考察了植物在不同年龄和不同发育阶段接受启动后的生长情况。但用各种化学物质和压力给种子打底的研究可能是最多的，因为这种方法很容易实施，而且如果实验成功，农民也可以使用。
从第一次实验开始，我的实验小组就一直在试图找出是什么机制让这些暴露在乙烯环境下的植物长得更大并能承受更多胁迫。我们发现了几种可能的解释。
其一是乙烯引诱增加了光合作用，即植物利用光制造糖的过程。光合作用的一部分包括所谓的碳固定，即植物从大气中吸收二氧化碳，并利用二氧化碳分子作为制造糖的构件。
在光合作用和碳固定过程中，植物吸收阳光并将其转化为糖分，用于生长。实验小组发现，植物的碳固定量大幅增加，这意味着植物从大气中吸收了更多的 CO₂。
与光合作用的增加相关联的是整个植物体内碳水化合物含量的大幅增加。这包括淀粉（植物的储能分子）以及蔗糖和葡萄糖这两种为植物提供快速能量的糖类的大量增加。
植物中这些分子的增加与植物生长速度加快和更好地承受压力有关。
研究表明，发芽期间的环境条件会对植物产生深远而持久的影响，可以同时增加植物的体积和抗逆性。了解这一机制比以往任何时候都更加重要，它有助于提高作物产量，为世界人口提供食物。
作者：田纳西大学生物化学与细胞和分子生物学教授 Brad Binder 改编自最初发表在《对话》上的一篇文章。
编译来源：ScitechDaily