植物学与我们的生活
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为植物学请命
谁都知道，民以食为天。因此，说到植物，人们很自然地会想到粮食作物和蔬菜、水果等植物。作为农业大国，中国对植物学、遗传学等基础学科无疑是重视的。这种重视很大程度上是因为这些学科和农业有关，和粮食生产有关。2011年10月31日，地球上的人口已经达到了70亿，解决吃饭问题无疑是地球人的头等大事。最近的好消息是，水稻专家袁隆平主持的超级杂交水稻第三期攻关，在湖南省隆回县羊古坳乡百亩水稻田上取得重大突破，平均亩产926.6千克。如果这一成果获大面积推广，我国水稻平均亩产可提高至700千克，成为全球水稻平均亩产最高的国家。
美国科学家呼吁加强对植物学基础研究的投入。他们计划对小麦、玉米、番茄、拟南芥、苔藓和藻类等植物品种进行深入研究。他们准备探索的课题包括：如何令光合作用更有效率?如何有效进行植物的无性繁殖?植物是如何感知温度和昼夜长短的?植物又是如何利用这些信息来决定何时开花的?植物如何控制根系的形态和功能?是什么使某些细菌能够诱导植物产生疾病?植物如何识别有益菌和致病菌?激素如何控制植物从胚胎到衰老的生命周期?他们相信，植物学基础研究带来的一些新发现，将对人类社会所面临的包括粮食生产、人类健康、环境保护和可再生能源等一系列问题产生深远的影响。
来自植物世界的灵感
植物世界一直是无数基础科学发现的灵感所在，奥地利遗传学家孟德尔，从对豌豆的研究观察中发现了遗传的基本规律。法国地球物理学家麦兰，从向日葵的朝向现象发现了生物的昼夜节律。诺贝尔奖获得者萨姆纳从刀豆中首次获得了尿素酶的结晶，另一位诺贝尔奖得主麦克林托克通过对玉米的研究意外地发现了玉米中的可移动基因……
揭开遗传奥秘的孟德尔，从小就在父亲的指导下学会了各种农活，并对植物的遗传现象产生了浓厚的兴趣。大学毕业后不久，孟德尔就开始了他的豌豆实验。他从34个豌豆品种中，挑选出22个品种用于实验。这些品种都具有某种可以相互区分的稳定性状。例如，高茎和矮茎、灰色种皮和白色种皮等等。孟德尔通过人工培植这些豌豆，对不同代的豌豆的性状和数目进行细致入微的观察、计数和分析。经过整整8年的辛勤劳作，发现了生物遗传的基本规律，并得到了相应的数学关系式。后人称之为“孟德尔遗传定律”。
孟德尔进行豌豆实验的初衷是希望获得优良品种，只是在试验的过程中才逐步把重点转向了探索遗传规律。除了豌豆，他还对玉米、紫罗兰和紫茉莉等其他植物作了大量的类似研究，以期证明他发现的遗传规律对大多数植物都是适用的。孟德尔清楚自己的发现所具有的划时代意义。为此，他慎重地重复实验了多年，直到1865年才向科学界公布了自己的发现；可惜时人不能与之共识，一直被埋没了35年之久!孟德尔晚年曾经充满信心地对他的好友说：
“看吧。我的时代来到了。”直到他逝世16年后，这一预言才变成了现实。
植物能告诉我们很多事情
在科学界，从事植物叶柄的研究一直以来都不如从事黑猩猩大脑的研究那么诱人。但植物世界里却有着众多诱人的奥秘等待着人们去揭示和发现。例如，红杉树是如何将数吨重的水传送到高耸的顶部的?橡树强壮的树枝又是如何承受地球引力和强劲飓风的?植物结构的复杂性显然远远超出了工程师们的想象，如果我们能理解这些机制，工程学必将翻开崭新的一页。
自从法国地球物理学家麦兰从向日葵的朝向现象发现了昼夜节律，人类对它的认识已经越来越深入。简单地说，昼夜节律即生命活动以24小时为周期的变动。发光菌的发光，植物的光合作用，动物的摄食，睡眠和觉醒等行为都显示出明显的昼夜节律。亿万年来地球昼来夜往，永不停息。正因为人体的与之相适应，人类才得以生存下来。生理节律遭扰乱，会导致食欲下降、学习和工作效率降低、事故增多；施用药物的时间不同，疗效也不相同；肿瘤细胞对X射线的敏感性也有昼夜差别。一般来说，人类的生命力在午夜最低。
航天飞行的昼夜节律与地球上的大不相同。它的周期与航天器的轨道有关，近地轨道的载人航天器，轨道周期约为90分钟：航天器在地球的向阳区域飞行时是白天，在地球的阴影区域飞行时则是黑夜。因此，24小时内有16个昼夜变化。在载人航天初期。航天员不适应这种昼夜节律，不仅在天上睡眠不好，返回地面后还会有睡眠失调现象。如今，借助于航天器的灯光布置模拟地球上的昼夜亮度变化，保证了航天员的正常工作和生活。
光合作用的魅力
作为基础学科的植物学研究，不仅在深化人类对生命现象的认识方面具有重大价值，而且其成果更是众多实际应用的源泉。科学家知道，通过生物化学途径实现的看似微小的变化，会产生巨大的差异。以植物最基本的功能光合作用为例，这一过程的核心是一种能吸收二氧化碳，并将其结合进生物质中的酶。这种酶可能是地球上最丰富的蛋白质，约占植物叶片总蛋白的30％，但同时它也是一种非常低效的酶，它使植物只能捕获阳光照射中大约2.5％的能量。如果我们能通过基因调整来提高这种酶对阳光能量的吸收率，比方说达到3％，人类就可以解决世界粮食问题了。即使无法提高这种酶的效率，通过对整个光合作用过程进行基因工程的重新设计，也能提高效率。例如，如果能通过基因改造，将玉米和甘蔗的光合固碳途径加入水稻中，不仅可以大大提高水稻的生长速度和抗旱能力，而且能提高产量50％。
前不久，美国科学家向世人展示了一种能够复制光合作用的“人造树叶”。这是一张由硅、镍、钴和催化剂制成的纸牌大小的“树叶”，放人水中后，可以在太阳光的照射下发生化学反应，分别生成氧气和氢气。把这两种气体收集并储存在燃料电池里，可供发电使用。这个设备由储量丰富的廉价材料制成，而且很轻，是完全便携的，不需要线缆，除了收集气体的装置外不需要任何其他设备。如果使用更大的约一平方米的“树叶”，就可以为一个中等家庭提供所需的电力。而且其安装和维护成本远低于现在的太阳能光伏板，科学家希望它能为发展中国家提供一种廉价的可再生能源。
幻想成真并非不可能
植物世界里有太多的奥秘值得人类去探索。科学家相信，在植物的基因组里存在着数百种基因编码的受体。目前已经了解了一些植物的激素的受体。例如，植物中的某种光受体能感知附近植物的荫蔽，这意味着它能感知与其争夺阳光的竞争对手；当这种情况发生时，植物就会调整生长激素，加快其生长速度。当然，这需要付出一定的代价，那就是在取得长得最高的优势的同时，对病虫害的防御能力降低了。如果人类能掌握激素的复杂机制，就能用来控制植物的生长，让植物获得更强的抗病虫害能力和抗干旱能力。
如果我们能够对玉米基因的汇编指令进行调整，是否能使其根系发展与土壤中的固氮微生物的关系更为密切，并以此减少其对肥料的需求?因为确实有一些植物知道它们该怎么做，例如，甘蔗就和土壤拥有这种密切的关系，所以对氮肥的要求远远低于玉米。我们还可以想象如何通过植物生长出大量的生物质原料。包括是否有可能对草原上的牧草进行一些生物学上的改变，即通过“生物学精炼”途径，将牧草细胞壁上的纤维素改造成乙醇等化学物质。尽管目前这些还都只是科幻小说般的想象，但它们有可能会成为现实。
据估计，到2050年左右，地球上的人口将超过90亿；但土地资源不会增加，淡水资源也不会增多。土地在生产粮食的同时，还要种植生物燃料作物，这无疑给农业带来了巨大的压力。如何使农作物在气候显著变暖后仍然可以正常种植，在较少灌溉水和较少使用化肥的情况下仍然能够高产?受到应有重视的植物学基础研究，必将为此作出重大贡献。