应力驱动发育机制揭示孢子与花粉粒表面全局模式形成新模型

研究人员通过构建核心/壳层(core/shell)应力模型，采用有限元法(FEM)模拟313种不同形态孢粉颗粒的屈曲模式，并与77例自然样本比对，揭示了外胚层快速生长与内胚层慢速生长间的应力失配是驱动孢子(spores)和花粉粒(pollen grains)表面全局模式形成的关键机制，为理解孢粉形态进化提供了全新力学视角。

　　

真菌(fungi)和蕨类等无种子植物的孢子(spores)，以及种子植物的花粉粒(pollen grains)，其表面常呈现复杂多变的全局模式。最新研究将发育中的孢粉颗粒简化为受应力作用的核心/壳层(core/shell)结构，通过有限元分析(Finite Element Method, FEM)揭示了这些奇妙图案的形成奥秘。

当孢粉颗粒的外层组织以不同于内层的速率生长时，产生的力学应力会导致壳层发生屈曲(buckling)。研究团队模拟了313种不同形状和壳层厚度的结构，发现初始差异生长阶段外胚层的几何参数直接决定了最终图案类型——较薄外壳易形成网状纹路，而厚壳结构则倾向于产生脊状突起。

显微镜下观察的77例自然样本与模拟结果高度吻合：向日葵花粉的刺状突起与球型厚壳模型匹配，蕨类孢子的网状纹路则对应薄壳屈曲模式。这些发现首次从生物力学角度证明，应力驱动的形态发生(stress-driven morphogenesis)是塑造孢粉表面多样性的关键机制，为理解植物繁殖结构的进化提供了新的理论框架。