植物比以前認(rèn)為的更早地進(jìn)化出主動(dòng)控制水分流失的能力

新研究闡明了植物何時(shí)首次進(jìn)化出對周圍空氣中不斷變化的濕度做出反應(yīng)的能力，這可能是開花植物和蕨類植物共同祖先的特征。

調(diào)節(jié)機(jī)制的關(guān)鍵是葉子表面的微小孔洞，稱為氣孔。這些使植物能夠調(diào)節(jié)作為光合作用燃料的 CO2氣體的吸收，以及水蒸氣的損失——一種持續(xù)的平衡行為，需要孔隙根據(jù)不斷變化的條件打開和關(guān)閉。這種能力對農(nóng)業(yè)很重要，因?yàn)樗梢詭椭魑锸褂酶俚乃畞砩L。

大約 4.5 億年前，植物從水體遷移到陸地后不久就首次進(jìn)化出氣孔，但科學(xué)家們?nèi)匀徊淮_定它們所采取的進(jìn)化途徑以及植物能夠選擇打開還是關(guān)閉氣孔以響應(yīng)他們的環(huán)境。

在最近進(jìn)化的植物——開花植物中，響應(yīng)干旱的氣孔關(guān)閉是由許多內(nèi)部信號(hào)主動(dòng)觸發(fā)的，包括一種稱為脫落酸 (ABA) 的激素，但科學(xué)家們一直在努力了解這種機(jī)制是否也存在于較老的植物群。在發(fā)表在Current Biology 上的一項(xiàng)新研究中，伯明翰大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了證據(jù)表明蕨類植物Ceratopteris richardii使用類似的信號(hào)主動(dòng)關(guān)閉其氣孔。

這種半水生的熱帶蕨類植物最近成為探索蕨類植物家族發(fā)育遺傳控制的第一個(gè)模型，現(xiàn)在正在幫助科學(xué)家解開最早的陸生植物(苔蘚、苔類和金魚草)與主導(dǎo)當(dāng)今生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)代開花植物。

該團(tuán)隊(duì)使用 RNA 測序技術(shù)來確定不同氣孔反應(yīng)背后的遺傳機(jī)制，并能夠證明蕨類植物在應(yīng)對低濕度或響應(yīng) ABA 時(shí)關(guān)閉氣孔的能力涉及已知控制開花植物氣孔的基因拷貝。

結(jié)果表明，蕨類植物和開花植物都使用類似的氣孔閉合方法進(jìn)化。這表明這些機(jī)制至少以某種形式存在于兩組最后一個(gè)共同祖先的氣孔中。

伯明翰大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院和伯明翰森林研究所的 Andrew Plackett 博士與布里斯托大學(xué)和牛津大學(xué)的小組合作領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。他說：“我們知道植物在進(jìn)化史上的大部分時(shí)間里都擁有氣孔，但植物能夠主動(dòng)打開和關(guān)閉它們的進(jìn)化點(diǎn)一直存在爭議。

“我們已經(jīng)能夠證明在開花植物中發(fā)現(xiàn)的相同的主動(dòng)閉合機(jī)制也存在于蕨類植物中，蕨類植物是一種更古老的植物群。能夠更好地了解這些機(jī)制在植物進(jìn)化過程中是如何變化的，這為我們提供了有用的工具來更多地了解它們的工作原理。這對于幫助我們的作物適應(yīng)未來的環(huán)境變化非常重要。”

布里斯托爾大學(xué)的 Alistair Hetherington 說：“這項(xiàng)新工作證實(shí)，最早的植物能夠主動(dòng)控制它們通過葉片表面稱為氣孔的微型閥門狀結(jié)構(gòu)流失的水分。這很重要，因?yàn)樗砻髟试S氣孔打開和關(guān)閉的細(xì)胞內(nèi)機(jī)制存在于最早的陸生植物中。研究還表明，氣孔是主動(dòng)反應(yīng)還是被動(dòng)反應(yīng)取決于植物生活的環(huán)境。”

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