百年谜团：植物如何在陆地上不断扩张？

最早的陆地植物相当小，它们最多只有几厘米高，几乎只能生活在溪流和池塘周围潮湿的沼泽栖息地中。然而，事情的转机出现在大约4亿年前。植物发展出了维管系统，能够更有效地从土壤中提取水分，并将这些水用于光合作用。这种转变将永远地改变了地球的大气和生态系统。

近日，一组研究团队解开了有关这段历史的一个百年古生物学谜团：古代植物究竟是如何从沼泽和河岸，发展到水源有限的新栖息地上的？

在发表于《科学》的一篇新论文中，研究人员提出，是植物维管系统的一个简单变化，使它们变得更耐旱，为探索开辟了新机遇。

一个世纪的争论

这项研究是由一个长达一个世纪的争论所激发的，那就是，为什么最早的陆地植物的简单、圆柱形的维管系统，迅速转变成了更复杂的形状？

早在20世纪20年代，科学家在化石记录中注意到了这种维管复杂性的增加，但却无法确定这种变化的进化原因。过去，这种变化曾被认为是偶然的，意义不大，似乎是植物体积增长和发展更复杂结构的副产物。

但是，新的研究颠覆了这种观点，表明这并不是偶然发生的，而是有很好的进化原因。

在过去的十年里，研究人员探索了现代植物维管系统构建方式的影响，特别是在干旱的环境中。

团队使用显微技术和解剖学分析，观察植物标本的内部运作，其中包括耶鲁大学皮博迪博物馆的化石标本，以及迈尔斯森林、马什植物园、纽约植物园和康涅狄格大学的活体植物。

研究所用的植物材料来自多处植物园，它们被用来研究维管系统的构建方式，并与化石记录进行比较。如果植物不发展出它们的维管系统，应当看起来很像苔藓。图中是一种被称为亮叶石杉（Huperzia lucidula）的植物。（图／Craig Brodersen Lab）

利用这些信息，团队随后预测了能够耐受干旱的维管结构，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。

他们注意到，当植物开始面对干旱时，气泡会卡在木质部中，也就是将水和营养物质从土壤输送到茎和叶的专门组织。这些气泡会阻碍水的流动，如果不加以控制，它们就会扩散到整个网络，使植物与土壤脱节，并最终导致植物死亡。因此，避免这些气泡的形成和扩散对植物如今容忍干旱至关重要。

栓塞在两个茎部横截面的管道间扩散的动画示意图。在两幅图中，栓塞穿过它所遇到的一半管道壁。左边的植物死亡，右边的植物则能够存活。这是管道形状差异造成的。（图／Martin Bouda, CC BY）

他们应用类似的思维方式来解释化石记录中的维管组织的模式。最早的陆地植物的圆柱形维管系统，非常像一捆吸管。这样的结构最初在早期的水生环境中发挥了良好的作用，但当迁移到水资源较少的土地上时，植物就必须克服干旱引起的气泡。

为了做到了这一点，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，从而防止了气泡扩散。

每当植物的维管系统一点点偏离圆柱形时，植物就会获得多一点抗旱能力作为奖励。如果这种奖励一直存在，那么就会迫使植物朝着远离古老的圆柱形维管系统的方向发展，从而走向更复杂的形式。

毛唇蕨（Cheilanthes lanosa）横截面，显示了木质部中的心形的维管系统。（图／Craig Brodersen Lab）

在古生物学的时间框架内而言，这些变化发生得相当迅速，大约只有2000到4000万年。

通过这些非常微小的变化，植物顺利解决了这个问题。也正因它们在地球历史的早期真的解决了这个问题，我们才能在今天看到森林，见证这颗绿色星球。

应对未来

这个百年之谜如今已经有了答案，那就是巨大的干旱压力。研究人员认为，发现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。

如今，对维管系统是如何组合的，以及它对植物耐旱能力的影响有了更好的了解，就可以作为育种计划的目标，比如制造更好的根系，在植物中制造更好的维管系统。

参考来源：

https://environment.yale.edu/news/article/researchers-solve-hundred-year-old-botanical-mystery

封面图/首图：BlueRidgeKitties, Flickr, CC BY-NC-SA