耶魯大學(xué)研究揭示早期植物如何能夠通過(guò)其維管系統(tǒng)的變化從水生環(huán)境過(guò)渡到陸地 _植物

耶魯大學(xué)研究揭示早期植物如何能夠通過(guò)其維管系統(tǒng)的變化從水生環(huán)境過(guò)渡到陸地
據(jù)cnBeta：最近的一項(xiàng)研究解決了古生物學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)，揭示了早期植物如何能夠通過(guò)其維管系統(tǒng)的變化從水生環(huán)境過(guò)渡到陸地。多年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖了解早期陸地植物如何能夠適應(yīng)新的棲息地，并超越它們?cè)瓉?lái)潮濕的沼澤地環(huán)境。這些植物很小，通常不超過(guò)幾厘米高，并在溪流和池塘附近發(fā)現(xiàn) 。
然而，大約4億年前，它們發(fā)展了維管系統(tǒng) ，使它們能夠更有效地從土壤中提取水分，并將其用于光合作用，這一變化對(duì)地球的大氣和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重大影響。一個(gè)研究小組現(xiàn)在通過(guò)揭示這些古老的植物如何能夠在水資源有限的新棲息地茁壯成長(zhǎng)，解開了古生物學(xué)中的一個(gè)百年之謎。
耶魯大學(xué)的一個(gè)研究小組在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，植物的維管系統(tǒng)的一個(gè)小變化使它們更耐干旱，使它們能夠在新的、更干燥的環(huán)境中茁壯成長(zhǎng) 。該團(tuán)隊(duì)由耶魯大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授Craig Brodersen領(lǐng)導(dǎo)，包括主要作者M(jìn)artin Bouda和Kyra Prats 。這些發(fā)現(xiàn)為該領(lǐng)域的探索開辟了新的途徑。
這項(xiàng)研究是由一個(gè)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論所激發(fā)的，即為什么最早的陸地植物的簡(jiǎn)單、圓柱形維管系統(tǒng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜?fù)雜的形狀。在20世紀(jì)20年代，科學(xué)家們?cè)诨涗浿凶⒁獾搅诉@種復(fù)雜性的增加，但卻無(wú)法確定進(jìn)化變化的原因--如果有的話。
在過(guò)去的十年里，布羅德森和他的同事們探索了現(xiàn)代植物維管系統(tǒng)如何構(gòu)建的影響，特別是在干旱的背景下。當(dāng)植物開始變干時(shí) ，氣泡會(huì)卡在木質(zhì)部中，木質(zhì)部是將水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從土壤中輸送到莖和葉的專門組織。氣泡阻礙了水的流動(dòng) 。如果不加以控制，它們會(huì)蔓延到整個(gè)網(wǎng)絡(luò) ，使植物與土壤脫節(jié)，并最終導(dǎo)致植物死亡。避免這些氣泡的形成和擴(kuò)散對(duì)今天容忍干旱是至關(guān)重要的，研究小組應(yīng)用同樣的思維來(lái)解釋化石記錄中的維管束組織模式。

通過(guò)Cheilanthes lanosa（又稱毛唇蕨）葉片的橫截面，顯示出木質(zhì)部的心形血管系統(tǒng) 。資料來(lái)源：Craig Brodersen實(shí)驗(yàn)室
最早的陸地植物的圓柱形維管系統(tǒng)類似于一捆吸管，最初在它們?cè)缙诘乃h(huán)境中發(fā)揮了良好的作用。但是當(dāng)它們遷移到水資源較少的土地上時(shí)，這些植物不得不克服干旱引起的氣泡。早期的陸地植物通過(guò)將祖先的圓柱形木質(zhì)部重新配置成更復(fù)雜的形狀，以防止氣泡擴(kuò)散來(lái)做到這一點(diǎn) 。
從歷史上看，對(duì)化石記錄中血管復(fù)雜性增加的觀察被認(rèn)為是偶然的，意義不大，是植物體積增長(zhǎng)和發(fā)展更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的副產(chǎn)品。新的研究顛覆了這種觀點(diǎn) 。
"這并不是偶然發(fā)生的。實(shí)際上有一個(gè)很好的進(jìn)化原因，"Bouda說(shuō) 。"有來(lái)自干旱的強(qiáng)大壓力使之發(fā)生。這是一個(gè)百年之謎，我們現(xiàn)在已經(jīng)回答了這個(gè)問(wèn)題。"
Bouda指出，共同撰寫這項(xiàng)研究的研究小組的構(gòu)成，包括古植物學(xué)家、植物生理學(xué)家和水文學(xué)家，幫助提供了技術(shù)和觀點(diǎn)，使他們發(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。該團(tuán)隊(duì)使用顯微鏡和解剖學(xué)分析來(lái)查看植物標(biāo)本的內(nèi)部運(yùn)作，其中包括來(lái)自耶魯大學(xué)皮博迪博物館的化石標(biāo)本，以及來(lái)自耶魯大學(xué)邁爾斯森林、沼澤植物園、紐約植物園和康涅狄格大學(xué)的活植物。利用這些信息，研究小組隨后預(yù)測(cè)了能夠耐受干旱的維管束構(gòu)型，并說(shuō)明了形狀上看似簡(jiǎn)單的變化是如何導(dǎo)致耐旱性的深刻改善的。
"每當(dāng)植物偏離圓柱形維管系統(tǒng)時(shí)，每當(dāng)它發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)變化時(shí)，植物就會(huì)在其抗旱能力方面得到獎(jiǎng)勵(lì) 。如果這種獎(jiǎng)勵(lì)一直存在，那么它將迫使植物從古老的圓柱形維管系統(tǒng)向這些更復(fù)雜的形式發(fā)展，"Brodersen說(shuō) 。"通過(guò)這些非常小的變化，植物解決了這個(gè)問(wèn)題，它們?cè)诘厍驓v史的早期就必須解決這個(gè)問(wèn)題，否則我們今天看到的森林就不會(huì)存在。這些變化發(fā)生得相當(dāng)迅速--在古生物學(xué)的時(shí)間框架內(nèi)，也就是--大約2000-4000萬(wàn)年。植物維管束結(jié)構(gòu)變化背后的驅(qū)動(dòng)力可能有助于為培育抗旱植物的研究提供信息，幫助建立對(duì)氣候變化影響的復(fù)原力并解決與生產(chǎn)有關(guān)的糧食不安全問(wèn)題。"現(xiàn)在我們對(duì)維管系統(tǒng)是如何組合的，以及這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)劃的目標(biāo)--例如，制造更好的根系，在植物中制造更好的維管系統(tǒng) 。"