耶鲁大学研究揭示早期植物如何能够通过其维管系统的变化从水生环境过渡到陆地 _植物

耶鲁大学研究揭示早期植物如何能够通过其维管系统的变化从水生环境过渡到陆地
据cnBeta：最近的一项研究解决了古生物学中一个长期存在的谜团，揭示了早期植物如何能够通过其维管系统的变化从水生环境过渡到陆地。多年来，科学家们一直试图了解早期陆地植物如何能够适应新的栖息地，并超越它们原来潮湿的沼泽地环境。这些植物很小，通常不超过几厘米高，并在溪流和池塘附近发现。
然而，大约4亿年前，它们发展了维管系统，使它们能够更有效地从土壤中提取水分，并将其用于光合作用，这一变化对地球的大气和生态系统产生了重大影响。一个研究小组现在通过揭示这些古老的植物如何能够在水资源有限的新栖息地茁壮成长，解开了古生物学中的一个百年之谜。
耶鲁大学的一个研究小组在《科学》杂志上发表的一项研究发现，植物的维管系统的一个小变化使它们更耐干旱，使它们能够在新的、更干燥的环境中茁壮成长。该团队由耶鲁大学环境学院教授Craig Brodersen领导，包括主要作者Martin Bouda和Kyra Prats 。这些发现为该领域的探索开辟了新的途径。
这项研究是由一个长达一个世纪的争论所激发的，即为什么最早的陆地植物的简单、圆柱形维管系统迅速转变为更复杂的形状。在20世纪20年代，科学家们在化石记录中注意到了这种复杂性的增加，但却无法确定进化变化的原因--如果有的话。
在过去的十年里，布罗德森和他的同事们探索了现代植物维管系统如何构建的影响，特别是在干旱的背景下。当植物开始变干时，气泡会卡在木质部中，木质部是将水和营养物质从土壤中输送到茎和叶的专门组织。气泡阻碍了水的流动。如果不加以控制，它们会蔓延到整个网络，使植物与土壤脱节，并最终导致植物死亡。避免这些气泡的形成和扩散对今天容忍干旱是至关重要的，研究小组应用同样的思维来解释化石记录中的维管束组织模式。

通过Cheilanthes lanosa（又称毛唇蕨）叶片的横截面，显示出木质部的心形血管系统。资料来源：Craig Brodersen实验室
最早的陆地植物的圆柱形维管系统类似于一捆吸管，最初在它们早期的水生环境中发挥了良好的作用。但是当它们迁移到水资源较少的土地上时，这些植物不得不克服干旱引起的气泡。早期的陆地植物通过将祖先的圆柱形木质部重新配置成更复杂的形状，以防止气泡扩散来做到这一点。
从历史上看，对化石记录中血管复杂性增加的观察被认为是偶然的，意义不大，是植物体积增长和发展更复杂结构的副产品。新的研究颠覆了这种观点。
"这并不是偶然发生的。实际上有一个很好的进化原因，"Bouda说。"有来自干旱的强大压力使之发生。这是一个百年之谜，我们现在已经回答了这个问题。"
Bouda指出，共同撰写这项研究的研究小组的构成，包括古植物学家、植物生理学家和水文学家，帮助提供了技术和观点，使他们发现了泥盆纪植物中出现复杂维管结构的原因。该团队使用显微镜和解剖学分析来查看植物标本的内部运作，其中包括来自耶鲁大学皮博迪博物馆的化石标本，以及来自耶鲁大学迈尔斯森林、沼泽植物园、纽约植物园和康涅狄格大学的活植物。利用这些信息，研究小组随后预测了能够耐受干旱的维管束构型，并说明了形状上看似简单的变化是如何导致耐旱性的深刻改善的。
"每当植物偏离圆柱形维管系统时，每当它发生一点点变化时，植物就会在其抗旱能力方面得到奖励。如果这种奖励一直存在，那么它将迫使植物从古老的圆柱形维管系统向这些更复杂的形式发展，"Brodersen说。"通过这些非常小的变化，植物解决了这个问题，它们在地球历史的早期就必须解决这个问题，否则我们今天看到的森林就不会存在。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--大约2000-4000万年。植物维管束结构变化背后的驱动力可能有助于为培育抗旱植物的研究提供信息，帮助建立对气候变化影响的复原力并解决与生产有关的粮食不安全问题。"现在我们对维管系统是如何组合的，以及这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的目标--例如，制造更好的根系，在植物中制造更好的维管系统。"