作者:Craig Brodersen 来源:《科学》 发布时间:2022/11/18 9:57:30
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百年植物之谜破解:如何从溪边生长到干旱陆地

 

最早的陆生植物个头很小,最多只有几厘米高,主要生长在溪流和池塘周围潮湿的沼泽地带。然而,大约在4亿年前,植物发育出了维管系统,能更有效地从土壤中提取水分,并将其用于光合作用,这一转变永久性改变了地球的大气和生态系统。古代植物是如何从沼泽和河岸生长到水源有限的新栖息地的?

近日,耶鲁大学植物生理生态学教授Craig Brodersen团队发现了植物维管系统的一个简单变化,该变化能使它们更耐旱,为探索这个古生物学谜团开辟了新前景。相关结果发表于《科学》。

这项研究是由一场持续了一个世纪的争论所激发的,争论的主题是为什么最早的陆地植物的简单圆柱形维管系统会迅速转变成更复杂的形状。上世纪20年代,科学家注意到化石记录的复杂性在不断增加,但他们也无法确定进化变化的原因。

在过去的十年里,Brodersen团队探索了现代植物维管系统是如何构建的,特别是在干旱环境下。当植物开始变干时,气泡就会卡在木质部(专门负责从土壤中运输水分和营养物质到茎和叶),并阻碍水的流动。如果不加以控制,扩散的气泡会使植物与土壤分离,最终导致植物死亡,避免这些气泡的形成和扩散对于植物忍受干旱至关重要。

研究团队也用此想法解释了化石记录中的维管组织模式。最早的陆地植物的圆柱形维管系统,类似于一捆稻草,在早期的水栖环境中发挥了很好的作用。但当迁移到水资源较少的土地上时,植物必须克服干旱引起的气泡。因此,圆柱形木质部进化成了更复杂的形状来防止气泡扩散。

历史上,化石记录中维管系统复杂性增加被认为是偶然的,意义不大,是植物体积增长和发展出更复杂结构的副产品。但这项新研究推翻了这一观点。研究人员认为,干旱的巨大压力促成了这一切这,这是植物一个很好的进化原因。

该研究第一作者、捷克科学院植物研究所Martin Bouda表示,他们发现了泥盆纪植物中出现的复杂维管结构的原因。

研究小组使用显微镜和解剖分析来观察植物标本的内部结构,其中包括来自耶鲁大学皮博迪自然历史博物馆的化石标本,以及来自耶鲁-迈尔斯森林、纽约植物园等地方的活植物。利用这些信息,研究小组预测了能够忍受干旱的血管结构,并说明了看起来简单的形状变化如何导致耐旱性的显著提高。

“每当植物偏离圆柱形维管系统,每当它发生一点点变化,植物就会在抗旱能力方面获得奖励。如果这种奖赏一直存在,那么它就会迫使植物从古老的圆柱形维管系统转向这些更复杂的形式。”Brodersen认为,通过这些非常小的变化,植物解决了它们在地球历史早期就必须解决的问题,否则今天的森林就不会存在。

这些变化发生得相当迅速——在古生物学的时间框架内,也就是说——大约在2000 - 4000万年之间。植物维管结构变化背后的驱动力可以帮助培育抗旱植物的研究,帮助建立抵御气候变化影响的能力,并解决与生产相关的粮食不安全问题。

Brodersen解释:“现在我们对维管系统是如何组合在一起的,以及它如何影响植物的耐旱能力有了更好的了解,这就是可以用作育种计划的目标。例如,培育更好的根系,培育更好的植物维管系统。”(来源:中国科学报 辛雨)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.add2910

 
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