破解植物学百年之谜：古代植物如何从沼泽和河岸生长到水源有限的新栖息地(CREDIT:© Julian Kiely, 2022/ Photo: Ludwig Luthardt, Museum für Naturkunde, Berlin.)
据《中国科学报》（辛雨）：最早的陆生植物个头儿很小，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，能从土壤中更有效地吸收水分，并将其用于光合作用，这一转变永久改变了地球的大气和生态系统。古代植物如何从沼泽和河岸生长到水源有限的新栖息地，一直是科学家长期探索的问题。
近日，美国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，为探索这个谜团开辟了新前景。相关结果11月10日发表于《科学》。
这项研究由一场持续了一个世纪的争论所激发，而争论的主题是为什么最早的陆生植物的简单圆柱形维管系统会迅速转变为更复杂的结构。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，但他们无法确定进化的原因。
在过去10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耐旱至关重要。
研究团队以此解释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问题。因此，圆柱形木质部进化出了更复杂的结构防止气泡扩散。
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，这是一个很好的植物进化的原因。
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复杂维管结构的原因。
研究小组借助显微镜和解剖分析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，以及耶鲁-迈尔斯森林、纽约植物园等地的活植物。利用这些信息，研究小组预测了耐旱的维管结构，并阐明了其结构变化如何导致植物耐旱性的显著提高。
“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。如果这种奖励一直存在，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结构。”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。
这一变化过程相当迅速，大约用了2000万年到4000万年。植物维管结构变化背后的驱动力研究可以帮助培育抗旱植物，提升抵御气候变化影响的能力，并解决与生产相关的粮食安全问题。
Brodersen解释：“现在我们对维管系统是如何组合在一起的，及其如何影响植物的耐旱能力有了更好了解，这些可以用作育种计划的目标。例如，培育更好的根系、更好的植物维管系统。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.add2910
《中国科学报》(2022-11-18第2版国际)（原标题：如何从溪边生长到干旱陆地？科学家破解植物学百年之谜）
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据生物通：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。
