耶魯大學研究揭示早期植物如何能夠通過其維管係統的變化從水生環境過渡到陸地
（神秘的地球uux.cn）據cnBeta：最近的一項研究解決了古生物學中一個長期存在的謎團，揭示了早期植物如何能夠通過其維管係統的變化從水生環境過渡到陸地。多年來，科學家們一直試圖了解早期陸地植物如何能夠適應新的棲息地，並超越它們原來潮濕的沼澤地環境。這些植物很小，通常不超過幾厘米高，並在溪流和池塘附近發現。
然而，大約4億年前，它們發展了維管係統，使它們能夠更有效地從土壤中提取水分，並將其用於光合作用，這一變化對地球的大氣和生態係統產生了重大影響。一個研究小組現在通過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，解開了古生物學中的一個百年之謎。
耶魯大學的一個研究小組在《科學》雜誌上發表的一項研究發現，植物的維管係統的一個小變化使它們更耐幹旱，使它們能夠在新的、更幹燥的環境中茁壯成長。該團隊由耶魯大學環境學院教授Craig Brodersen領導，包括主要作者Martin Bouda和Kyra Prats。這些發現為該領域的探索開辟了新的途徑。
這項研究是由一個長達一個世紀的爭論所激發的，即為什麽最早的陸地植物的簡單、圓柱形維管係統迅速轉變為更複雜的形狀。在20世紀20年代，科學家們在化石記錄中注意到了這種複雜性的增加，但卻無法確定進化變化的原因--如果有的話。
在過去的十年裏，布羅德森和他的同事們探索了現代植物維管係統如何構建的影響，特別是在幹旱的背景下。當植物開始變幹時，氣泡會卡在木質部中，木質部是將水和營養物質從土壤中輸送到莖和葉的專門組織。氣泡阻礙了水的流動。如果不加以控製，它們會蔓延到整個網絡，使植物與土壤脫節，並最終導致植物死亡。避免這些氣泡的形成和擴散對今天容忍幹旱是至關重要的，研究小組應用同樣的思維來解釋化石記錄中的維管束組織模式。

通過Cheilanthes lanosa（又稱毛唇蕨）葉片的橫截麵，顯示出木質部的心形血管係統。資料來源：Craig Brodersen實驗室
最早的陸地植物的圓柱形維管係統類似於一捆吸管，最初在它們早期的水生環境中發揮了良好的作用。但是當它們遷移到水資源較少的土地上時，這些植物不得不克服幹旱引起的氣泡。早期的陸地植物通過將祖先的圓柱形木質部重新配置成更複雜的形狀，以防止氣泡擴散來做到這一點。
從曆史上看，對化石記錄中血管複雜性增加的觀察被認為是偶然的，意義不大，是植物體積增長和發展更複雜結構的副產品。新的研究顛覆了這種觀點。
"這並不是偶然發生的。實際上有一個很好的進化原因，"Bouda說。"有來自幹旱的強大壓力使之發生。這是一個百年之謎，我們現在已經回答了這個問題。"
Bouda指出，共同撰寫這項研究的研究小組的構成，包括古植物學家、植物生理學家和水文學家，幫助提供了技術和觀點，使他們發現了泥盆紀植物中出現複雜維管結構的原因。該團隊使用顯微鏡和解剖學分析來查看植物標本的內部運作，其中包括來自耶魯大學皮博迪博物館的化石標本，以及來自耶魯大學邁爾斯森林、沼澤植物園、紐約植物園和康涅狄格大學的活植物。利用這些信息，研究小組隨後預測了能夠耐受幹旱的維管束構型，並說明了形狀上看似簡單的變化是如何導致耐旱性的深刻改善的。
"每當植物偏離圓柱形維管係統時，每當它發生一點點變化時，植物就會在其抗旱能力方麵得到獎勵。如果這種獎勵一直存在，那麽它將迫使植物從古老的圓柱形維管係統向這些更複雜的形式發展，"Brodersen說。"通過這些非常小的變化，植物解決了這個問題，它們在地球曆史的早期就必須解決這個問題，否則我們今天看到的森林就不會存在。這些變化發生得相當迅速--在古生物學的時間框架內，也就是--大約2000-4000萬年。植物維管束結構變化背後的驅動力可能有助於為培育抗旱植物的研究提供信息，幫助建立對氣候變化影響的複原力並解決與生產有關的糧食不安全問題。"現在我們對維管係統是如何組合的，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劃的目標--例如，製造更好的根係，在植物中製造更好的維管係統。"