植物贸易的科学秘密

2020年初，美国和世界上最大的园艺种植者之一Costa Farms宣布，他们将为大众带来新的引人注目的植物:一种瑞士奶酪植物，其巨大的裂片叶子上有不规则的白色斑点和斑点，类似星空。

植物迷们兴奋不已。的蓬莱蕉deliciosa“泰国星座”刚刚在一个行业展览上被加冕为最受欢迎的新叶类植物，在许多收藏家的愿望清单上。成熟标本的价格在400英镑到1000英镑之间。Costa Farms承诺让它们变得更实惠。

这种植物原本应该在2022年初在美国的超市和DIY商店出售。但是这个发布日期一直被推迟。然后，在2022年3月，植物爱好者失望地获悉种植者在生产这种植物时遇到了问题蓬莱蕉在规模。研究大规模生产背后的体外方法比预期的要困难得多。Costa农场决定无限期推迟该项目。

虽然公司以外的人都不知道到底是哪里出了问题，但这一事件让人们注意到了植物贸易所植根于的科学。种植者有整个实验室致力于工业规模的植物生产，生物化学已经成为满足买家对新花朵颜色和叶子图案需求的关键。但这也为利用人们对下一种时尚植物的渴望的骗局和令人讨厌的策略敞开了大门。

美丽的痴迷

我们对美丽植物的爱可能看起来微不足道，但它却驱使我们490亿美元的产业．“观赏植物触动了我们进化的按钮，”他说Jeffrey Adelberg他是美国克莱姆森大学的园艺教授。“花是用来激发我们的想象力，吸引我们，让我们着迷的——尤其是水果，所以我们传播了种子。”

即使是大流行也没有对园艺业的增长造成太大影响，预计未来几年每年将增长近7%。而托儿所不得不关闭数百万应季花卉2020年初，封锁意味着室内植物迎来了它们的时刻。一家英国网上植物商店报道销售额增长了500%。

有些植物，比如兰花，曾经是收藏家的珍品，大多数人买不起。像飞蛾兰这样的物种蝴蝶兰属在超市只卖几英镑。泰国是超过1000种兰花的自然栖息地，是最大的兰花生产国之一，每年种植数千万株兰花。这些植物需要数年才能开花，只有通过微繁殖才能大规模生产。

1902年，奥地利植物学家戈特利布·哈伯兰特(Gottlieb Haberlandt)首次意识到植物细胞可能是全能的:一个细胞可以分裂并产生有机体中所有分化的细胞。这与胚胎干细胞等多能细胞不同，后者可以分裂成大多数细胞类型，但不能自行发育成一个完整的有机体。它们需要围绕发育中的胚胎的特定组织来完成这一过程。

因此，克隆植物比克隆动物容易得多，因为从理论上讲，只需一个全能细胞就可以创造出一株全新的植物。植物的分生组织中有全能细胞，在茎部、根尖和叶与茎接触的节处有器官。这就是为什么许多普通的室内植物可以从插枝中重新生长，从节点中长出根和芽。

但只要方法正确，即使一片叶子也能长出一整株新植物。植物细胞可以被反编程，其遗传命运的记忆被抹去，并被重新编程为任何其他类型的细胞，包括胚胎细胞。

1946年，美国植物学家欧内斯特·鲍尔(Ernest Ball)在一个无菌的、营养丰富的琼脂果冻中培育出了一株完整的露苹。这种培养基含有糖作为能量来源，因此在开始光合作用之前，幼苗就可以生长，以及宏观和微量营养素和植物激素。因为这也是细菌、病毒和真菌的理想环境，插枝在被引入培养之前要彻底消毒，所有操作都在无菌层流罩中完成。

任何植物都可以在一年中的任何时候种植

一种文化创造的不是一种而是许多新芽，这些新芽被分离出来，放在自己的文化中。一旦幼苗长得足够大，它们就会被转移到土壤中，在精心控制的条件下慢慢适应试管外的生活。

到20世纪70年代，微繁殖——通常被称为组织培养——已经成为园艺业的一项重大技术进步。几乎所有常见的盆栽植物物种，从一品红和蕨类植物到仙人掌和食肉植物，都是微繁殖的。热带观赏叶植物占了这些物种的很大一部分，每年生产超过5亿种。

“微繁殖意味着你可以在特定的培养基中从植物的任何部位培养出任何植物，”他说Viswambharan Sarasan他是英国皇家植物园(Kew)试管实验室的负责人。“即使你没有种子，你也可以完全复制出这种植物。该系统的美妙之处在于，无论是冬天还是盛夏，你都可以有这样的设定，这意味着任何植物都可以在一年中的任何时候种植。”

微繁殖允许种植者压缩时间和空间。萨拉桑解释说，与从种子开始生长相比，随着时间的推移，增长率提高了50%至100%，因此生产可销售产品所需的时间更短。阿德尔伯格补充说，种植者通常会在组织培养中永久保存优质核心材料，而不是保持完整的库存植物。小型化的母株比全尺寸的砧木占用的空间更小，而且实验室环境使它们免受病虫害的侵害。核心定期繁殖，首先在组织培养中产生一批成熟的标本，然后通过传统扦插进一步繁殖。将这些技术与自动化机器人系统相结合，种植者甚至可以将一株植物克隆数十万次。

培养组织

组织培养规程是园艺业中被严格保护的秘密。他说，这是因为弄清楚如何让不同的植物物种在体外繁殖是一个漫长的过程，既是一门艺术，也是一门科学玛格丽特年轻她是美国伊丽莎白城州立大学的生物学教授和组织培养专家。她解释说:“如果我得到了一种新植物，我会首先搜索文献，看看是否有与之相似的物种或属，然后我会找到组织培养基，并解决这个问题。”“如果什么都没有，那就得玩很多游戏来弄清楚。”She estimates that it may take a year or two to figure out what exactly works.

“植物组织生长的很多介质都是通用的，”他解释道塞巴斯蒂安Cocioba，谁跑生物技术咨询和植物组织培养实验室在美国纽约。“这就像买一种尺码适合所有人的衣服，不是每个人都穿它好看。”

有些植物在组织培养中不会产生根或芽。其他的，尤其是木本植物，产生的苯酚会毒害生长介质。某些物种喜欢在培养基中加入少量椰子汁，其他物种则更喜欢番茄汁。一些物种——玉米和很多草类——对促进细胞分裂的激素根本没有反应。Cocioba说:“如果你把它们放在错误的培养基上，它们就会变成棕色并死亡。”“如果激素浓度不对，它们就会变成棕色并死亡。这是一项令人沮丧、非常费力的实证工作。”

Young说，即使是文献中描述的组织培养方案也往往难以再现，因为细节很重要。“你必须告诉人们你的激素是从哪里来的，甚至还有培养皿的大小。”

植物组织培养的一个关键因素是植物激素。合适的激素可以让植物长叶、芽、根、花——“你想让它做什么都行”，杨说。科乔巴回忆说:“家得宝会把还没开花的兰花扔掉。”“我会去垃圾桶把它们捡起来，在家里进行组织培养，把它们放在蓝光下，添加激素，让它们开花。”

在许多物种中，诱导开花的激素是赤霉素(一类四环或五环二萜化合物)和乙烯(通常以(2-氯乙基)膦酸(又名乙烯利)的形式存在，植物将其代谢成乙烯。它们在园艺业中被广泛用于价值与花有关的植物，比如凤梨，花烛属植物火烈鸟花或Spathiphyllum和平百合。

赤霉素和乙烯是五大植物激素类中的两种，其他三种是脱落酸、生长素和细胞分裂素。脱落酸调节生长、发育和应激反应。生长素和细胞分裂素具有相反的作用:以吲哚为基础的生长素刺激生长和根的形成，而嘌呤衍生的细胞分裂素负责细胞分裂和芽的发育。在微繁殖的第一步，富含细胞分裂素的培养基刺激芽的增殖。这些嫩枝最初是无根的。根只有在芽被分离并单独放置在富含生长素的培养基中才会发育。

阿德尔伯格解释说，植物之所以可以用少数几种化合物来控制，是因为植物不像动物那样有一个中央指挥单元。“植物体更像是一个共和国，这些半自治的区域彼此几乎不说话。它们所做的就是通过网络传递化学物质。”

植物激素也可能是2019年进入市场的粉红色植物“骗局”背后的原因。一种喜林芋这是一种热带植物，叶子呈泡泡糖粉色，很多都是很受欢迎的室内植物。但热衷者很快发现，他们的“粉色刚果”的鲜艳颜色并没有持续下去，仅仅几个月后就消失了。他们留下的绿色植物和他们在当地园艺中心花10英镑就能买到的一样。那些花了三位数的价格买了一个粉色小标本的人觉得被骗了。

虽然现在很清楚粉红色是人为诱导的，但究竟是如何形成的仍然是一个谜。有些人认为这是秋水仙碱，一种在秋番红花中发现的有毒天然产物。它也是引起有丝分裂停止的突变原。它允许细胞将染色体加倍，但随后又阻止进一步分裂，从而产生具有多个染色体组的细胞。这些多倍体植物往往较高，茎宽，果实大。

Cocioba说，诱变化合物或辐射诱变甚至可能是许多品种背后的驱动因素。“如果你看到在表型上有明显差异的变异，如果花瓣突然扭曲，而传统的表型没有这种变化，那很可能是诱变。“例如，通常是红色或粉色仙客来的黄色开花版本是通过离子束照射产生的．但是突变是随机的和永久的——粉红色刚果的情况并非如此。

Cocioba认为，强烈的紫外线可能是罪魁祸首，它迫使嫩叶产生过多的紫粉色花青素，许多植物都会产生这种花青素作为防晒霜。Adelberg认为这可能是一种与白化病基因相关的发育启动子，它能在一定时间内关闭叶绿素的产生。

有人声称，乙烯或高浓度的生长素刺激植物产生乙烯，是造成这种效果的原因。印度尼西亚的一位卖家——少数仍在储存这种植物的卖家之一——写道，通过连续使用生长素、赤霉素、秋水仙碱和其他一些微量成分的混合处理，粉红色叶子中的叶绿素产生被阻断了。虽然没有任何证据表明任何一种植物激素会以这种方式抑制叶绿素的产生，但所有这些化合物的组合可能会起到很好的作用。

同样不清楚的是，“粉红刚果”是一个蓄意的骗局，还是只是一种无伤大亚的方式，用来创造一种临时装饰的产品，写英国独立研究员和紫鸭跖草艾弗里·罗。类似的事情也会发生在染过色的兰花、用假花装饰的仙人掌或撒了闪光粉的小冷杉上。一些卖家已经开始提供不同的价格喜林芋这些物种似乎也有同样的粉红色效应，尽管只有一些物种公开了其无常的性质。

荷尔蒙与园艺

尽管大多数植物激素是在近一个世纪前被发现的，但它们的生化机制是如此复杂，以至于科学家们仍在研究它们——新的激素仍在被发现。2014年，一个团队发现一种植物在氮饥饿时产生的肽，2019年，β-环柠檬醛被发现描述作为根生长调节剂。

有时，一种化合物需要几十年才能被识别为植物激素。独脚金内酯就是这种情况，这是一类五环分子，1966年首次从棉花植物的根部分离出来。这种化合物的唯一功能似乎是为寄生种子敲响警钟。当寄生植物发芽时，它们将自己固定在寄主植物上，吸取寄主植物的营养和水分。这会严重损害农作物。

直到2005年，人们才明白独脚金内酯实际上是一种植物激素。它们是植物与根系中共生的真菌交流的一种方式。它们还负责抑制枝条的分枝。

由于最轻微的独脚金内酯气味会激活寄生种子，在种植任何其他作物之前向田地喷洒这种激素会让寄生虫在没有宿主的情况下死亡这个概念叫做自杀萌发．但是提取独脚金内酯是不可能的，因为植物产生的这种物质太少了。把它做成实验室也很困难。有机化学家解释说，它需要大约20个合成步骤，其中立体化学(对它们的活性至关重要)特别难以再现丹尼尔Blanco-Ania来自荷兰内梅亨大学

但是只有一个环-呋喃酮-是真正活跃的部分，Blanco-Ania说。“分子的其余部分就像一个载体。它确实需要[整个]分子穿过生物体的所有膜，[并]到达正确的位置。2019年，他是一个团队的成员，该团队创造了一种简化的独脚金内酯将呋喃酮环与生长素耦合．这不仅大大减少了合成的工作量，而且还意味着有益的植物激素作为代谢物被释放出来。但Blanco-Ania说，由于大流行和资金运行造成的延误使所有计划中的实地试验都结束了。

他补充说:“我认为基因解决方案可能更好。”让工厂从一开始就不生产独脚金内酯可能会更容易吸引农民。“你不需要喷任何东西，不需要特殊设备，也不需要担心潜在的污染。”

把克隆派进来

繁殖的植物是彼此的克隆体。任何突变都将延续下来，而不是迷失在有性繁殖的基因组合混乱中。Cocioba说:“杂交植物往往产生的表型总和大于各部分本身。”但如果你交叉了，后勤就会一团糟。”

无论是新发现的物种，通过育种产生的新杂交品种，还是自发突变的单株植物，微繁殖都可以迅速产生数千个。一种新植物通常需要5到7年才能商业化，但微繁殖可以将这一时间缩短到2到3年。

与此同时，组织培养首先增加了突变的发生率。最可能的原因是体细胞无性系变异就是氧化应激。在培养准备过程中，植物被切割、消毒，经受极端的环境变化，如果细胞经历去编程步骤，所有的表观遗传开关都将重置。这些压力会增加活性氧的水平，活性氧可以改变DNA甲基化，删除或替换DNA碱基，改变染色体数量，重新排列或破坏染色体链。

当你迅速提高产量将其推向市场时，你正在失去白色

Costa Farm失败了蓬莱蕉“泰国星座”最初是在泰国的一个组织培养实验室中发现的。它的白色斑点是一种由分生组织中常规和突变的白化病细胞混合引起的杂色。这使得这种植物成为一种嵌合体，携带着具有不同DNA组的不同细胞群。但是，如果叶绿素细胞的分裂速度比含叶绿素的细胞慢一点，植物最终就会恢复到全绿色的状态。

阿德尔伯格认为，这就是Costa农场可能遇到的问题。他说，随着你迅速提高产量以将其推向市场，你正在失去白色。假设(细胞)分裂的速度有0.2%的差异，而有10亿次分裂才能产生100万个分生组织——这0.2%就成了一场灾难。”

嵌合杂色是不可遗传的，所以传统育种不能繁殖它。它只能通过克隆植物来忠实地重现。这使得出售大多数杂色物种的种子，并承诺它们将产生杂色后代的策略成为一个值得怀疑的策略。然而，仍有大量的杂色种子在网上出售。通常情况下，这些种子甚至不是正确的物种。相反，它们可能是草籽，甚至是鸟籽的混合物。

从瓶子里取出的基因

人们对色彩鲜艳的花朵和有图案的叶子的需求促使植物生产商争相创新。阿德尔伯格说:“这是一个古老的行业，我们总是竭尽所能。”“自然界中几乎没有什么新鲜事物，因为我们一直在大力探索我们的星球。下一个新事物从何而来?”

答案可能是基因工程。基因操作不必依赖于随机突变或开始一个结果不确定的漫长育种过程，而是可以针对一个特定的性状，而不改变植物的其他属性。它还能创造出自然界从未见过的特性——比如在一天中会改变颜色的花朵。这就是合成生物学家凯拉天堂他是现已解散的Revolution Bio公司的联合创始人，也是一位同事在2014年梦想出来的。

当时，另一个基因工程项目在众筹平台Kickstarter上获得了巨大成功:发光植物。该项目筹集了近50万美元(约40万英镑)。但由于研究小组在从概念到实践的过程中遇到了问题，这种生物发光植物从未成为现实。尽管该项目获得了广泛的关注——包括围绕生物技术的适当使用的讨论——但它表明，人们对稀奇古怪的基因改造有兴趣。

海文斯回忆起她第一次推销变色矮牵牛花的时候。“我们给美国的大型花卉育种商打了个电话，说‘嘿，我们有个奇怪的想法。你想听吗?“我们的想法是将植物的生物钟从基因上与质子转运蛋白联系起来，随着pH值的变化，色素的颜色也会改变。

种植者同意见面，但认为这种植物太明显是转基因生物(GMO)。相反，他们希望哈文斯的团队设计一种最畅销的红色花朵。但就连这个项目在提案阶段也被叫停了。哈文斯说，真正让公司倒闭的是公司高层的担忧程度。“这是对转基因概念的社会和文化抵制，因为它们与坏的或不自然的观念密不可分。”

然而已经有了市场上有一些转基因植物满足了人们对某些花色的世俗需求。一个项目制作一朵蓝色玫瑰自1990年以来一直在运行，尽管到目前为止只成功地制造了一个银紫色的。同样的团队工程紫康乃馨自上世纪90年代中期以来，这些产品一直在日本和美国销售。2015年，以色列花卉培育公司Danziger申请专利为粉红色满天星有圆锥花序的又名婴儿的呼吸，它的花是天然的白色。

2015年，芬兰的一位植物生物学家惊讶地看到橙色牵牛花在当地火车站外的一个种植园里。矮牵牛本身不会产生这种颜色所需的花青素。原来，这些植物是大约30年前进行的一项基因工程实验．一家荷兰种子公司已经获得了这项技术的许可，并与一家美国公司合作进行了实地试验。但据大家所知，尽管橙色牵牛花销往世界各地，但它从未被商业化。随着监管机构在2017年发现不受监管的转基因生物，他们命令卖家销毁库存。

但是公众对转基因生物的看法可能会慢慢改变。2021年初，美国农业部批准了橙色牵牛花的销售。2020年年中，俄罗斯初创企业Planta创建了强烈的生物荧光植物利用发光蘑菇的基因。就在去年，奥地利和德国的科学家们使用Crispr基因编辑的橙色一品红．

Cocioba目前正在与初创企业Neoplants合作设计空气净化器。他说:“合成生物学出现了很多失误。”但我认为，在未来五年内，我们将看到真正具有美感的装饰性转基因作物进入市场。

卡特里娜Krämer是高级科学记者必威体育 红利账户