破解植物學(xué)百年之謎：古代植物如何從沼澤和河岸生長(zhǎng)到水源有限的新棲息地
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破解植物學(xué)百年之謎：古代植物如何從沼澤和河岸生長(zhǎng)到水源有限的新棲息地(CREDIT:© Julian Kiely, 2022 / Photo: Ludwig Luthardt, Museum für Naturkunde, Berlin.)
（神秘的地球uux.cn）據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》（辛雨）：最早的陸生植物個(gè)頭兒很小，最多只有幾厘米高，植物澤和主要生長(zhǎng)在溪流和池塘周圍潮濕的學(xué)百限的新棲息地沼澤地帶。然而，謎古大約在4億年前，代植到水植物發(fā)育出了維管系統(tǒng)，物何能從土壤中更有效地吸收水分，從沼并將其用于光合作用，河岸這一轉(zhuǎn)變永久改變了地球的生長(zhǎng)大氣和生態(tài)系統(tǒng)。古代植物如何從沼澤和河岸生長(zhǎng)到水源有限的破解新棲息地，一直是植物澤和科學(xué)家長(zhǎng)期探索的問(wèn)題。
近日，學(xué)百限的新棲息地美國(guó)耶魯大學(xué)植物生理生態(tài)學(xué)教授Craig Brodersen團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了植物維管系統(tǒng)的謎古一個(gè)簡(jiǎn)單變化，該變化能使它們更耐旱，代植到水為探索這個(gè)謎團(tuán)開辟了新前景。物何相關(guān)結(jié)果11月10日發(fā)表于《科學(xué)》。
這項(xiàng)研究由一場(chǎng)持續(xù)了一個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論所激發(fā)，而爭(zhēng)論的主題是為什么最早的陸生植物的簡(jiǎn)單圓柱形維管系統(tǒng)會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜?fù)雜的結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)20年代，科學(xué)家注意到化石記錄的復(fù)雜性在不斷增加，但他們無(wú)法確定進(jìn)化的原因。
在過(guò)去10年里，Brodersen團(tuán)隊(duì)探索了現(xiàn)代植物維管系統(tǒng)是如何構(gòu)建的，特別是在干旱環(huán)境下。當(dāng)植物開始變干時(shí)，氣泡就會(huì)卡在木質(zhì)部（專門負(fù)責(zé)從土壤中運(yùn)輸水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)到莖和葉），并阻礙水的流動(dòng)。如果不加以控制，擴(kuò)散的氣泡會(huì)使植物與土壤分離，最終導(dǎo)致植物死亡，避免這些氣泡的形成和擴(kuò)散對(duì)于植物耐旱至關(guān)重要。
研究團(tuán)隊(duì)以此解釋化石記錄中的維管組織模式。最早的陸地植物的圓柱形維管系統(tǒng)類似于一捆稻草，在早期的水棲環(huán)境中發(fā)揮了很好的作用。但當(dāng)遷移到水資源較少的土地上時(shí)，植物必須克服干旱引起的氣泡問(wèn)題。因此，圓柱形木質(zhì)部進(jìn)化出了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)防止氣泡擴(kuò)散。
歷史上，化石記錄中維管系統(tǒng)復(fù)雜性增加被認(rèn)為是偶然的，意義不大，是植物體積增長(zhǎng)和發(fā)展出更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的副產(chǎn)品。但這項(xiàng)新研究推翻了這一觀點(diǎn)。研究人員認(rèn)為，干旱的巨大壓力促成了這一切，這是一個(gè)很好的植物進(jìn)化的原因。
該研究第一作者、捷克科學(xué)院植物研究所Martin Bouda表示，他們發(fā)現(xiàn)了泥盆紀(jì)植物中出現(xiàn)復(fù)雜維管結(jié)構(gòu)的原因。
研究小組借助顯微鏡和解剖分析觀察植物標(biāo)本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中包括來(lái)自耶魯大學(xué)皮博迪自然歷史博物館的化石標(biāo)本，以及耶魯-邁爾斯森林、紐約植物園等地的活植物。利用這些信息，研究小組預(yù)測(cè)了耐旱的維管結(jié)構(gòu)，并闡明了其結(jié)構(gòu)變化如何導(dǎo)致植物耐旱性的顯著提高。
“每當(dāng)植物偏離圓柱形維管系統(tǒng)，每當(dāng)它發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)變化，植物就會(huì)在抗旱能力方面獲得獎(jiǎng)勵(lì)。如果這種獎(jiǎng)勵(lì)一直存在，那么它就會(huì)迫使植物從古老的圓柱形維管系統(tǒng)轉(zhuǎn)向這些更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。”Brodersen認(rèn)為，通過(guò)這些非常小的變化，植物解決了它們?cè)诘厍驓v史早期就必須解決的問(wèn)題，否則今天的森林就不會(huì)存在。
這一變化過(guò)程相當(dāng)迅速，大約用了2000萬(wàn)年到4000萬(wàn)年。植物維管結(jié)構(gòu)變化背后的驅(qū)動(dòng)力研究可以幫助培育抗旱植物，提升抵御氣候變化影響的能力，并解決與生產(chǎn)相關(guān)的糧食安全問(wèn)題。
Brodersen解釋：“現(xiàn)在我們對(duì)維管系統(tǒng)是如何組合在一起的，及其如何影響植物的耐旱能力有了更好了解，這些可以用作育種計(jì)劃的目標(biāo)。例如，培育更好的根系、更好的植物維管系統(tǒng)。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.add2910
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-11-18 第2版 國(guó)際)（原標(biāo)題：如何從溪邊生長(zhǎng)到干旱陸地？科學(xué)家破解植物學(xué)百年之謎）
相關(guān)：Science解答植物學(xué)上有百年歷史的謎團(tuán)
（神秘的地球uux.cn）據(jù)生物通：我們的綠色世界住在如果沒(méi)有過(guò)去4億年植物體的隱藏變化，這是不可能的。g劃的距離超過(guò)幾厘米在陸地上最潮濕的地方，植物必須重新排列它們的輸水組織讓他們遠(yuǎn)離干旱。一個(gè)捷克科學(xué)院植物研究所的馬丁·布達(dá)及其合著者的新研究發(fā)表在《華爾街日?qǐng)?bào)》科學(xué)，展示了植物學(xué)上一個(gè)百年?duì)幷摰慕鉀Q方案如何揭示了植物在干旱土地上殖民的關(guān)鍵適應(yīng)性。
背景:除了最小的植物外，所有的植物都需要維管組織為全身提供水分，避免從周圍空氣中吸收碳而干燥。如果植物遭受干旱，被拉到莖部的水分子鏈就會(huì)斷裂，形成栓子:一種氣泡狀的氣體，阻斷了水在整個(gè)血管導(dǎo)管中的運(yùn)輸。如果栓塞從這個(gè)管道擴(kuò)散到整個(gè)組織，植物的供水血管就會(huì)被有效地阻塞，植物就會(huì)干枯死亡。
這表明，血管組織的原始排列——莖中心的圓柱體——變得越來(lái)越容易受到隨著大小而擴(kuò)散的栓塞的影響。”如果所有的導(dǎo)管都纏繞在一起，植物可能面臨由此產(chǎn)生的血管網(wǎng)絡(luò)上的栓塞的指數(shù)擴(kuò)散。如果它們被串成細(xì)長(zhǎng)的形狀，栓塞就必須跨越許多連續(xù)的細(xì)胞壁才能走得很遠(yuǎn)，這可以在干旱時(shí)挽救植物的生命，”該研究的主要作者布達(dá)博士說(shuō)
第一批維管植物只有幾厘米高，只能生活在有水的地方。為了長(zhǎng)得更高，并開始探索這片土地，它們首先必須找到替代它們祖先的血管排列的方法?！绷钗覀凅@訝的是，只有極少數(shù)的植物能保持莖的原始布局，即維管組織置于正中央的圓柱體中。這個(gè)表面上的細(xì)節(jié)實(shí)際上是破譯整個(gè)進(jìn)化過(guò)程的關(guān)鍵，”Bouda補(bǔ)充道。
化石記錄顯示，莖的組合方式越來(lái)越多樣化，就像植物從水源向外輻射一樣。 維管組織排列多樣化，呈現(xiàn)出各種各樣的形狀 從橢圓帶到恒星環(huán)——在形式上是發(fā)散的，在功能上是收斂的。 在陸地上獲得成功的植物系系必須找到各自解決栓塞問(wèn)題的方法。這種進(jìn)化壓力的強(qiáng)度隨著植物的大小而增加。
這項(xiàng)研究解決了植物學(xué)上的一個(gè)百年難題。在較大的植物中，維管組織的形狀越來(lái)越復(fù)雜，這一發(fā)現(xiàn)最早是由f·o·鮑爾(愛丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng))和他的學(xué)生c·w·沃德洛(c.w. Wardlaw)發(fā)現(xiàn)的。鮑爾在1920年協(xié)會(huì)會(huì)議的開幕致辭中介紹了他們的研究結(jié)果，但無(wú)法解釋這一發(fā)現(xiàn)。一個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論最終達(dá)成了一個(gè)令人不安的共識(shí)，即木質(zhì)部排列的復(fù)雜性僅僅是在植物體生長(zhǎng)和分枝的過(guò)程中碰巧增加的。新的研究表明，植物通過(guò)限制組織的寬度來(lái)保持抗旱維管排列。隨著體積的增大，組織必須呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)、狹窄和越來(lái)越復(fù)雜的形狀，這為鮑爾和沃德勞的謎題提供了答案。
為了評(píng)估他們的假設(shè)，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)現(xiàn)存和滅絕的無(wú)籽維管植物的木質(zhì)部進(jìn)行了采樣，這些植物的進(jìn)化時(shí)間跨度超過(guò)4億年。他們檢查了不同維管束形狀的傳導(dǎo)細(xì)胞的排列，并分析了由此產(chǎn)生的導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)干旱誘導(dǎo)的栓塞如何通過(guò)真實(shí)和理想植物的血管網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散到致命的數(shù)值模擬證實(shí)了水力破壞應(yīng)該選擇更窄、越來(lái)越復(fù)雜的形狀。”通過(guò)開發(fā)新的方法來(lái)量化導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何影響栓塞擴(kuò)散，并將這些方法應(yīng)用于早期化石記錄和現(xiàn)存植物，我們最終能夠以正確的方式提出這個(gè)問(wèn)題布達(dá)博士總結(jié)道。
這一根本性的進(jìn)步包括為應(yīng)對(duì)氣候變化而在作物育種項(xiàng)目中確保抗旱性的潛力?！爆F(xiàn)在我們對(duì)維管系統(tǒng)是如何組合在一起以及它如何影響植物的耐旱能力有了更好的了解，這就是可以作為育種計(jì)劃目標(biāo)的東西了布羅德森教授說(shuō)。
后續(xù)研究將探討植物如何避開新發(fā)現(xiàn)的限制，以實(shí)現(xiàn)木本生長(zhǎng)形式。