植物比以前認(rèn)為的更早地進化出主動控制水分流失的能力

新研究闡明了植物何時首次進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，因為它可以幫助作物使用更少的水來生長。

大約 4.5 億年前，植物從水體遷移到陸地后不久就首次進化出氣孔，但科學(xué)家們?nèi)匀徊淮_定它們所采取的進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)部信號主動觸發(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制是否也存在于較老的植物群。在發(fā)表在Current Biology 上的一項新研究中，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使用類似的信號主動關(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。

該團隊使用 RNA 測序技術(shù)來確定不同氣孔反應(yīng)背后的遺傳機制，并能夠證明蕨類植物在應(yīng)對低濕度或響應(yīng) ABA 時關(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化。這表明這些機制至少以某種形式存在于兩組最后一個共同祖先的氣孔中。

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)了這項研究。他說：“我們知道植物在進化史上的大部分時間里都擁有氣孔，但植物能夠主動打開和關(guān)閉它們的進化點一直存在爭議。

“我們已經(jīng)能夠證明在開花植物中發(fā)現(xiàn)的相同的主動閉合機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制在植物進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：“這項新工作證實，最早的植物能夠主動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，因為它表明允許氣孔打開和關(guān)閉的細胞內(nèi)機制存在于最早的陸生植物中。研究還表明，氣孔是主動反應(yīng)還是被動反應(yīng)取決于植物生活的環(huán)境。”

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