由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第73期演讲2026年8月22日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自西北农林科技大学 张余周教授出席，并以《植物也会“嗅”到危险？改写农业未来的根系隐秘智慧》为题发表演讲。

　　

　　演讲实录：

　　大家好，我是张余周，我来自西北农林科技大学。今天我想给大家讲一下，我近几年聚焦植物根系的相关研究，分享一个和植物根有关的故事。

　　在大家的固有认知当中，动物可以奔跑，可以逃避，还可以追逐猎物，动物依靠移动来趋利避害。

　　而对于植物来说，传统印象里植物是固着生长。一粒种子掉落到地上，它的一生似乎就被牢牢限定在一方天地之中。

　　但是今天我想告诉大家，植物并不是完全固定的，它其实可以运动。它的运动甚至十分优雅、充满智慧。早在 1880 年，达尔文就出版了著作《植物运动的本领》。

　　达尔文是著名的进化生物学家，到了晚年，他将大部分时间投入到植物运动的研究中。通过一系列实验证明：植物虽然没有神经系统，也没有肌肉系统，但依旧可以寻找有利环境、躲避不利因素，达尔文把这种现象称为植物的向性运动。

　　达尔文有一句广为流传的名言：“能够存活下来的从来不是最强壮的物种，也不是最聪明的物种，而是最能够适应环境变化的物种。植物正是进化出了向性运动，以此适应多变的环境，更好地生存繁衍。”

　　达尔文揭示了多种植物向性运动。比如向光性：把一盆花放在窗台，植株大多会朝着光照的方向生长；还有向地性，也叫向重力性：无论种子如何摆放，地上部分始终向上生长，地下根系永远向下；还有向水性：把河道边的树木挖出来，会发现植物根系大多精准朝着水分充足的方向生长；另外还有向触性，藤蔓会主动寻找可以依附的竹竿，接触之后顺着向上攀爬。

　　在我做博士后研究的时候，我一直很感兴趣一个问题：植物究竟是如何适应地球重力的？适应重力，是地球上所有生物生存的先决条件。就像我们在电视里看到，宇航员从太空站返回地面，出舱时需要被抬下来。因为长期缺少重力刺激，人体会出现骨质疏松、肌肉萎缩，在太空生活数月到一年之后，回到地球甚至无法正常行走。

　　所以我们就想搞清楚，植物和人类有什么不同，它究竟是怎样适应重力环境的。

　　借助显微镜观察后我们发现，植物根尖存在大量淀粉粒，淀粉粒会在重力作用下发生沉降，以此告知植物重力的方向。人类同样拥有感知重力的结构：我们内耳当中的耳石。耳石一旦脱落，就会患上耳石症，人会产生眩晕。我自己就曾经得过耳石症，有一段时间突然剧烈眩晕，去医院检查，医生告知身体没有其他问题，只是耳石脱落。

　　植物根尖的淀粉粒，就相当于人类的耳石，是植物的平衡石。当植物生长发生偏移，淀粉粒就会重新沉降，向植物传递重力方向的信号。随后生长素向重力的下侧流动，造成根部下侧生长素浓度高，上侧浓度低。生长素低浓度促进生长、高浓度抑制生长，根部上侧生长速度快于下侧，根就会向着下方弯曲生长。

　　2019 年我出国之后，接手了相关课题。国外的实验室主要研究生长素，导师问我打算开展什么方向的研究。一开始我并没有明确想法，后来我对进化生物学产生浓厚兴趣，就向导师提出想要做进化相关研究，导师十分认可这个想法，给予了我很多支持。开展植物进化生物学研究，首先要收集进化历程中具有代表性的各类植物物种。

　　于是我们写信联系世界各地，收集到一系列代表性物种。生命起源于海洋，最先出现的是没有根的绿藻；之后植物逐步登陆，诞生苔藓植物；再继续进化，出现蕨类植物，侏罗纪也就是恐龙时代，地球上大多都是蕨类植物，开花植物十分少见。

　　拿到这些代表性植物之后，我们想弄明白：刚刚登陆的早期植物，它们的根是否具备向重力性。经过测试我们发现：蕨类植物虽然已经长出根，但是向重力性应答十分迟缓，经过 36 小时的重力刺激，才会产生微弱弯曲。而后期进化出来的种子植物，像裸子植物银杏、松树，还有棉花、水稻这类开花植物，根系的向重力性应答十分迅速，仅一小时的刺激，就会发生明显的向重力弯曲。

　　由此我们揭示：植物登陆之后，向重力性并不是与生俱来，它经历了从慢到快的进化过程，这一关键飞跃发生在蕨类植物向种子植物演化的阶段。

　　我们进一步思考，为什么会出现这样的进化飞跃，背后的机制是什么。观察种子植物的根尖，正如前面所说，它含有淀粉粒。把种子翻转 180 度，淀粉粒可以快速沉降，迅速向植物传递重力信号，启动应答反应。

　　但是在蕨类植物的根中，淀粉粒随机分布，不会发生沉降。于是我们提出科学假设：在植物长出根的早期，淀粉粒仅仅作为储存能量的物质；随着植物演化出更多叶片，不再需要根承担大量储能功能，淀粉粒就特化聚集到根尖，转变成为感知重力的结构。

　　正是这一次进化，让种子植物拥有快速的向重力生长能力。这次进化有十分重要的现实意义：苔藓、蕨类这类早期植物只能依水而生，离不开水边，它们的根系很浅。而种子植物凭借快速的向重力应答，发育出深根系，可以深入干旱的深层土壤汲取水分，得以在更加广袤、干旱的陆地生存。这次进化推动种子植物向广阔的干旱陆地扩张，极大拓展了地球上绿色植被的覆盖范围，是一次意义重大的进化事件。

　　完成这部分课题之后，导师问我，课题做完了，还想尝试做什么研究。

　　当时我有点茫然，就冒出了一个天马行空的想法：重力是地球赋予的条件，如果把植物带到外太空，失去重力，向重力性就不复存在，植物的根又会如何生长？

　　于是我们开展相关实验，使用回转仪模拟太空的微重力环境，探究植物根系对水分的感知。实验设置水分集中在上方，正常条件下根系会向着水分充足的方向生长。结果发现在微重力环境下，植物感知水分的能力显著提升。这说明向重力性和向水性之间存在相互拮抗的关系。

　　当来到外太空，重力的束缚被解除，植物根系的向水性会被极大增强，根系吸水能力大幅提升。这个结果带来一个启发：在太空环境中，我们想要根系长成什么形态，只要布置好水分分布，根系就会顺着水分走向生长。

　　做这个实验的时候，我们收获了一项重大发现。研究向重力性时，植物都是培养在无菌培养基上。偶尔操作失误，培养基会被空气中的霉菌污染，被污染的培养基一般都会直接丢弃，不再用于实验。

　　但有一次，我仔细观察被污染培养基里的植物根系，发现根系虽然生长状态受损，但是偏转具备明确方向性。霉菌所在的区域，所有根系都会主动避开，远离霉菌。我们意识到，我们观察到了一种从未被定义的全新植物向性：植物识别出有害微生物之后，会启动 “逃跑程序”。

　　为了验证这个现象真实存在，我们刻意在培养基上培养菌落，将植物栽种在上方。植物根系向下生长时，会主动偏离菌落，对有害菌表现出强烈的规避、逃避应答。

　　我们又联想到自然界霉菌存在的场景：土壤中秸秆还田之后，秸秆会腐败分解。农业生产当中，秸秆还田操作不当，经常会造成烂根病、烧苗。这就可以用我们观察到的现象解释：植物厌恶腐败物质。我们把腐败物埋进土壤，根系确实会向左或者向右偏转，避开腐败物，就和人类本能避开腐败物质一样。

　　通过一系列研究，我们定义了一种全新的植物向性生长，命名为避腐性生长，也就是植物针对腐败有害微生物产生的逃跑式应答。我们还创造了新的英文词汇来描述这一现象，词汇的词根取自希腊语，一部分代表腐败，一部分代表向性生长。

　　这项研究投稿之后，遭到国际同行的大量质疑。同行提出，腐败物释放酸性物质，不足以支撑我们定义一种全新的向性。但我们坚持自己的观点：向光性、向重力性、向水性都是国外学者定义的，我们中国人也应该定义属于我们自己的植物向性。就算杂志不发表，我们也要保留这个全新的概念。最终期刊编辑认可了我们的想法，保留了避腐性生长这一概念。

　　很多重大科学发现都带有偶然性和运气。我们这项发现和青霉素的发现有相似之处。弗莱明研究金黄色葡萄球菌的时候，培养基意外被青霉污染，发现青霉周围细菌无法生长，由此分离得到青霉素。我们的发现同样源于培养基意外污染，只不过我们观察的对象是植物根系，由此发现全新的向性运动。我的学生还开玩笑问我，如果早生几百年研究微生物，是不是就可以拿到诺贝尔奖。我和学生说，这个机会已经没有了，未来要看你们年轻人。

　　曾经有美国记者线上采访我：向光性、向重力性、向水性早在数百年前就被发现，早在亚里士多德时代就有对向重力性的描述，为什么避腐性直到近年才被我们发现？

　　我给出两点解释：第一，光、重力、水在自然界普遍存在，作用方向稳定，很容易被人类观察；但腐败物质存在周期很短，二十多天就会消失，很难捕捉观察。第二，避腐性发生在地下，属于肉眼看不见的隐蔽过程，因此长期被人类忽略。

　　植物为什么要演化出避腐能力？人类不能食用腐败食物，食用后会生病，植物也是同理。如果根系直接扎进腐败区域，根无法穿过这片区域，会跟着一起腐烂，这就是秸秆还田过量时烂根病发生的主要原因。依靠避腐性，植物根系主动远离腐败物，才能够存活。

　　人类可以依靠视觉观察腐败的颜色、依靠鼻子闻到腐臭味，从而避开腐败物。埋在土壤里的植物，是感知到什么信号，才启动逃避应答？这是我们想要解答的关键问题。

　　经过大量化学、微环境观测，我们找到答案：腐败过程当中，微生物释放大量有机酸、酚酸，在土壤当中形成酸性 pH 梯度。植物正是感知到这个酸性 pH 梯度，启动逃跑应答。如果使用缓冲剂消除这个酸性 pH 梯度，植物就感知不到腐败物，根系会笔直向下，直接扎进腐败区域。

　　由此引出更多核心科学疑问：植物没有鼻子，如何感知酸性信号？植物没有肌肉，怎样把危险信号转化成逃跑的动作？我和团队经过多年攻关，完整解析出整套信号转导通路。

　　第一个问题，没有鼻子如何感知危险？我们在植物根部表皮细胞鉴定出一类受体分子 RGFRGFR，它相当于生物的嗅觉感受器。利用基因编辑敲除这个受体之后，植物就无法感知腐败物，根系直接扎向腐败区域，对腐败信号完全脱敏。

　　传统理论认为，植物所有向性运动，都是依靠生长素的不对称分布，这套理论是温特在 1926 年提出的，高中生物课本当中也有相关内容。我们检测避腐性生长，发现重力刺激确实会造成生长素不对称分布，但是避腐应答过程当中，完全没有检测到生长素的不对称分布。也就是说百年经典的生长素理论，不能解释我们新发现的避腐性。

　　我们遍历研究各类植物激素，最终发现避腐应答由脱落酸调控。说起脱落酸，越战时期美军就曾大量使用它，促使树林叶片脱落，以此暴露密林当中的游击人员。

　　在腐败物的刺激下，靠近腐败物一侧的根部表皮细胞，脱落酸大量积累，形成激素分布梯度。人类感知危险，肾上腺素激活，肌肉收缩实现逃跑；植物依靠脱落酸完成这一步。脱落酸浓度升高，会让根部细胞发生手性扭曲，大量细胞同步发生手性扭曲，就像绳子被拧转，产生物理扭曲张力，驱动根系偏转逃跑。

　　至此，我们完整解析整套避险分子通路：腐败物产生酸性 pH 梯度，也就是植物感知到的危险信号；根部表皮受体识别信号之后，触发脱落酸不对称分布，拉响植物体内的警报；继而根部细胞发生手性扭曲，完成逃跑的动作。

　　这项工作不仅发现了一种由中国人定义的全新向性生长，还对百年经典理论提出挑战。过去认为向性弯曲来源于生长素造成两侧细胞生长速度不同，而避腐性弯曲来自脱落酸介导的细胞扭曲应力。这也证明，植物向性生长的调控机制十分复杂，并非只有单一通路，充分体现了植物生命的复杂性。

　　2025 年，中国科学院植物生理生态研究所周峰研究员团队发表了一项很有启发性的研究：植物受伤之后，伤口渗漏谷氨酰胺这类氨基酸，会被有害微生物识别，微生物依靠鞭毛定向运动，主动趋向、侵染受伤的植物组织。

　　他们的研究展示了微生物追逐植物，而我们的研究展示植物主动逃跑规避微生物。地下的土壤世界从来不是一片宁静，植物和微生物之间追逐与躲避的博弈，一直在持续上演。

　　解析避腐性以及其他向性生长，不只是满足科学好奇心，还能够给农业生产、粮食安全带来划时代的新思路。

　　传统植保思路是植物生病之后，喷施农药杀虫治病。这样不仅成本高昂，还会带来土壤污染、农药残留等问题。如今我们破译了避腐性背后的基因密码，未来可以借助基因编辑、AI 设计，改造 RGF 嗅觉感受器，提升它的灵敏度。这样植物在很远的地方，就能够感知土壤病原微生物，提前启动避险程序，规避烂根病害。把农业从发病之后被动治疗，转变为发病之前主动防御。

　　同时这项研究也对秸秆还田有现实指导意义。秸秆还田时，秸秆需要粉碎得更细碎，还要控制还田的总量与密度，给根系留出足够空间，让植物的避腐机制发挥作用，根系得以避开腐败微生物，减少烂根病。

　　植物向性生长，还可以帮助我们应对气候变化。全球气候变暖背景下，极端干旱、洪涝灾害交替发生。传统作物干旱时枯死，洪涝时根部缺氧腐烂。我们希望利用根系向重力性、向水性，育种培育具备环境自适应能力的作物：干旱条件下，启动快速向重力应答，发育深根系，向下汲取深层土壤水分存活；遭遇洪涝，切换成浅根模式，根系贴近地表获取氧气。这种 “旱来深耕，水来浅耕” 的智能作物，能够为应对气候变化、保障粮食安全提供支撑。

　　把视野投向更远的太空，未来我们计划建设月球基地，也就是广寒宫计划，开展长期深空探测，就需要构建自给自足的太空温室。很多人会好奇，植物送到太空会长成什么样子？失去重力刺激，向重力性消失，植株茎秆软趴趴贴在载体表面，生物量很低。但我们研究发现，向光性、向水性可以在一定程度上弥补向重力性缺失带来的株型缺陷。未来太空种植，可以调控光源，强化向光性，让地上部分长得挺拔，实现 “以光塑形”；地下部分，利用微重力环境向水性增强的特点，排布水分引导根系向下生长，重塑根系构型，让植物在太空环境良好生长。

　　从 2015 年出国到 2026 年，我们花费整整十年持续研究植物根系向性。我的感悟是：植物扎根土壤，看似无法逃离生存环境，但并不代表被动接受命运。亿万年进化，把生存智慧镌刻在植物的器官之中。它们没有眼睛，却依靠向光性感知光芒；没有人类内耳的耳石，却可以感知重力；没有鼻子，也可以嗅出土层当中潜藏的危险。

　　而对于人类而言，如何读懂、利用植物的生存智慧，改造植物，服务人类社会，这属于我们人类的智慧，也是属于我们的故事。

　　谢谢大家。