Science解答植物学上有百年历史的谜团

如果没有过去4亿年来植物身体的隐藏变化，我们生活的绿色世界是不可能出现的。为了在陆地上最潮湿的地方生长超过几厘米高，植物必须重新排列它们的导水组织，以防止干旱。捷克科学院植物研究所的马丁·布达及其合著者的一项新研究表明，植物学上一个百年争论的解决方案揭示了植物在干旱土地上殖民的关键适应性。

　　

   

   

图示:栓塞在两个茎横截面导管之间扩散的动画示意图。在这两种情况下，栓塞都跨越了它所遇到的一半导管壁。左边的植物死了，右边的活了。    

图片来源:动画:Martin Bouda，捷克科学院植物研究所

我们的绿色世界住在如果没有过去4亿年植物体的隐藏变化，这是不可能的。g划的距离超过几厘米在陆地上最潮湿的地方，植物必须重新排列它们的输水组织让他们远离干旱。一个捷克科学院植物研究所的马丁·布达及其合著者的新研究发表在《华尔街日报》科学，展示了植物学上一个百年争论的解决方案如何揭示了植物在干旱土地上殖民的关键适应性。  

背景:除了最小的植物外，所有的植物都需要维管组织为全身提供水分，避免从周围空气中吸收碳而干燥。如果植物遭受干旱，被拉到茎部的水分子链就会断裂，形成栓子:一种气泡状的气体，阻断了水在整个血管导管中的运输。如果栓塞从这个管道扩散到整个组织，植物的供水血管就会被有效地阻塞，植物就会干枯死亡。

这表明，血管组织的原始排列——茎中心的圆柱体——变得越来越容易受到随着大小而扩散的栓塞的影响。”如果所有的导管都缠绕在一起，植物可能面临由此产生的血管网络上的栓塞的指数扩散。如果它们被串成细长的形状，栓塞就必须跨越许多连续的细胞壁才能走得很远，这可以在干旱时挽救植物的生命，”该研究的主要作者布达博士说

第一批维管植物只有几厘米高，只能生活在有水的地方。为了长得更高，并开始探索这片土地，它们首先必须找到替代它们祖先的血管排列的方法。”令我们惊讶的是，只有极少数的植物能保持茎的原始布局，即维管组织置于正中央的圆柱体中。这个表面上的细节实际上是破译整个进化过程的关键，”Bouda补充道。

化石记录显示，茎的组合方式越来越多样化，就像植物从水源向外辐射一样。 维管组织排列多样化，呈现出各种各样的形状 从椭圆带到恒星环——在形式上是发散的，在功能上是收敛的。 在陆地上获得成功的植物系系必须找到各自解决栓塞问题的方法。这种进化压力的强度随着植物的大小而增加。

这项研究解决了植物学上的一个百年难题。在较大的植物中，维管组织的形状越来越复杂，这一发现最早是由f·o·鲍尔(爱丁堡皇家学会会长)和他的学生c·w·沃德洛(c.w. Wardlaw)发现的。鲍尔在1920年协会会议的开幕致辞中介绍了他们的研究结果，但无法解释这一发现。一个世纪的争论最终达成了一个令人不安的共识，即木质部排列的复杂性仅仅是在植物体生长和分枝的过程中碰巧增加的。新的研究表明，植物通过限制组织的宽度来保持抗旱维管排列。随着体积的增大，组织必须呈现细长、狭窄和越来越复杂的形状，这为鲍尔和沃德劳的谜题提供了答案。

为了评估他们的假设，科学家团队对现存和灭绝的无籽维管植物的木质部进行了采样，这些植物的进化时间跨度超过4亿年。他们检查了不同维管束形状的传导细胞的排列，并分析了由此产生的导管网络的拓扑结构。对干旱诱导的栓塞如何通过真实和理想植物的血管网络扩散到致命的数值模拟证实了水力破坏应该选择更窄、越来越复杂的形状。”通过开发新的方法来量化导管网络的拓扑结构如何影响栓塞扩散，并将这些方法应用于早期化石记录和现存植物，我们最终能够以正确的方式提出这个问题布达博士总结道。

这一根本性的进步包括为应对气候变化而在作物育种项目中确保抗旱性的潜力。”现在我们对维管系统是如何组合在一起以及它如何影响植物的耐旱能力有了更好的了解，这就是可以作为育种计划目标的东西了布罗德森教授说。

后续研究将探讨植物如何避开新发现的限制，以实现木本生长形式。

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Hydraulic failure as a primary driver of xylem network evolution in early vascular plants