植物

植物的抗逆生存之道

蛇紋石為一超基性且富含錳的礦物，重金屬含量極高，尤其鎳和鉻在蛇紋石土壤中往往遠(yuǎn)超過目前環(huán)保上對土壤污染管制標(biāo)準(zhǔn)。蛇紋石土壤肥力低且重金屬自然背景含量偏高，是極特殊的問題土壤。如果一棵植物擁有選擇的能力，或許它不會選擇生長于蛇紋巖土。然而，仍有一些頑強的植物在這樣貧瘠的蛇紋巖土壤中落地生根。究竟是什么讓這些植物適應(yīng)如此的極端環(huán)境呢？近期，研究者分析了生長在蛇紋巖土的植物的基因，發(fā)現(xiàn)它們似乎有兩種典型的生存策略：第一是通過自然選擇按照本地產(chǎn)生的遺傳變異來適應(yīng)環(huán)境，第二是從生長于附近的其他植物那里借用有利的遺傳變異。研究者收集了奧地利的蛇紋巖土中大約30個種群的種子，通過基因分析，研究者發(fā)現(xiàn)蛇紋巖土中生長的該植物群體中有特別的遺傳變異，或幫助它們應(yīng)對如干旱、土壤貧瘠等情況的挑戰(zhàn)。起初，研究者以為一些適應(yīng)性的進(jìn)化完全獨立地通過自然選擇獲得，但有趣的是，卻在它的基因中發(fā)現(xiàn)一些明顯的屬于另一種擬南芥屬植物的遺傳變異。這說明蛇紋巖土中生長的該物種從生長于附近的親緣屬群體中'借'了一些有利的基因。該發(fā)現(xiàn)提升了人們對植物在嚴(yán)酷環(huán)境下適應(yīng)甚至茁壯成長的復(fù)雜方式的了解，對于減緩農(nóng)業(yè)土地減少和快速變化的氣候所帶來的影響，非常重要。（PNAS2016，113：8320-8325）

植物氣味與昆蟲的關(guān)系

植物為了完成自身的繁殖，通常會通過多種方式來吸引昆蟲為其傳粉，其中植物產(chǎn)生的化學(xué)氣味作為通訊信號在植物與昆蟲之間起到了重要的橋梁與紐帶作用。野拔子是一種重要的蜜源植物，具有很強的刺激氣味，深受蜜蜂喜歡。研究者通過對其完整花序和葉子、以及受損的花和葉子揮發(fā)物的提取、鑒定和分析，發(fā)現(xiàn)了花和葉子的揮發(fā)性化合物存在明顯的不同。并且，當(dāng)花和葉子受損后，其揮發(fā)性化合物的種類和比例發(fā)生了變化。為進(jìn)一步揭示植物氣味的生態(tài)功能，研究者進(jìn)行了行為控制實驗。研究結(jié)果表明,植物開花需要昆蟲為其傳粉以繁殖后代，于是它的氣味就會選擇性地吸引有效傳粉者，排斥無效傳粉者；而當(dāng)花朵和葉片遇到昆蟲啃食'險情'時，其揮發(fā)性化合物--香薷酮的含量明顯增高，受損的花和葉子所散發(fā)出的氣味能有效地讓植食性甲蟲避開。植物很聰明，它們和人一樣具有選擇機制。該研究揭示了植物氣味和昆蟲間的相互作用，對認(rèn)識植物的繁殖策略和生態(tài)適應(yīng)具有重要意義。（Scientific Reports2016,6:27616）

植物的冒險精神

自然界充滿著種種危急，為了在惡劣環(huán)境中生存和繁衍，人和動物可能不惜冒險去尋找生機。實驗表明，植物也有這種冒險精神。研究者將豌豆植株從根部劈成兩半，把一半根插在土壤較肥沃的花盆里，把另一半插在土壤貧瘠的花盆里。結(jié)果顯示，前一個花盆中長出了更多根。這是一種適應(yīng)環(huán)境的反應(yīng)，就好像動物更愿意在食物供應(yīng)較多的地盤上找食。在接下來的一系列實驗中，研究者還是這樣把豌豆的根分成兩半分別插入兩個花盆，這一次兩個花盆中土壤的平均營養(yǎng)量一樣，但是一個花盆中的營養(yǎng)供應(yīng)穩(wěn)定，另一個呈波動狀。根據(jù)人和動物面對類似情況的反應(yīng)，研究者推測，當(dāng)平均營養(yǎng)量水平低于豌豆生長所需時，它會選擇在營養(yǎng)呈波動狀的花盆中生長，以便"博取"營養(yǎng)改善的可能，而當(dāng)平均營養(yǎng)量充足時，它會做出在營養(yǎng)供應(yīng)穩(wěn)定的花盆中生長的"保險"選擇。實驗結(jié)果的確如研究者所料。研究者說，這是第一次證明，沒有神經(jīng)系統(tǒng)的生物也會為了適應(yīng)環(huán)境冒風(fēng)險，但這并非說明植物有著人或動物那樣的智慧，這是植物進(jìn)化過程中形成的"更有效地利用自然機會"的反應(yīng)。（CurrentBiology 2016，26:1763-1767）

沙米的演化與高原沙漠化

沙米又稱沙蓬，藜科植物，是廣泛分布于我國北方干旱半干旱區(qū)流動沙丘，第一個入侵到該區(qū)域的一年生先鋒植物，對氣候變化響應(yīng)速度快，是很好的固沙植物。"在甘肅武威、民勤等沙漠邊緣，常見沙米蹤跡，成熟的沙米呈黑褐色，扁圓形，直徑與小米類似，糖分低，蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸高，口感與芝麻類似。近期，研究者對沙米的現(xiàn)存分布區(qū)展開全面調(diào)查，采集了包括塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、庫姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、柴達(dá)木盆地等典型沙化土地區(qū)域的46個群體共188個樣本，利用5個葉綠體基因片段和一個核基因片段的序列變異，構(gòu)建了沙米的譜系結(jié)構(gòu)，并成功模擬了其群體動態(tài)歷史和不同時期的分布區(qū)變化。結(jié)果表明：大約在160萬年前，沙米起源于古爾班通古特沙漠，經(jīng)過幾次冰期、亞洲內(nèi)部干旱化加劇，沙米曾經(jīng)3次大范圍遷徙"定居"，擴(kuò)散至其他沙漠及沙地，形成現(xiàn)在的分布格局。與其他區(qū)域的種群相比，處于季風(fēng)區(qū)的沙米有效群體的快速增長，印證了季風(fēng)氣候能顯著驅(qū)動荒漠植物快速進(jìn)化。分子譜系還揭示了青藏高原的沙漠化可能始于110萬年左右，早于先前的風(fēng)塵記錄。在全球變暖背景下，沙米的潛在分布區(qū)將向亞洲高緯度區(qū)域擴(kuò)張，青藏高原也存在沙漠化的巨大風(fēng)險。該研究不僅為理解沙漠生態(tài)系統(tǒng)對季風(fēng)氣候的響應(yīng)提供了新的分子數(shù)據(jù)支持和解析角度，還為選育應(yīng)對全球氣候變暖的"未來作物"——沙米提供了生態(tài)適應(yīng)性潛力和種質(zhì)資源評估。（Scientific Reports2016，6：26613）

種子植物胚珠器官的同源問題

種子植物胚珠器官同源問題是植物演化生物學(xué)核心的科學(xué)問題之一，也是重建包括化石類群在內(nèi)的種子植物系統(tǒng)發(fā)育的基礎(chǔ)。然而，種子植物五大現(xiàn)生類群：蘇鐵、銀杏、松柏、買麻藤和被子植物的胚珠器官形態(tài)迥異，如何認(rèn)識和理解它們的胚珠器官結(jié)構(gòu)的同源性，一直是個懸而未決的難題。而已絕滅的化石類群作為現(xiàn)生類群系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的"缺失環(huán)節(jié)"，是解決這一難題的關(guān)鍵。中生代種子蕨是一類已絕滅的種子植物，它們具有類似蕨類的葉片但同時又結(jié)有種子，種子被殼斗不完全包被。包括盾籽植物、開通植物和盔籽植物在內(nèi)的中生代種子蕨和二疊紀(jì)的舌羊齒類一起，被認(rèn)為是了解種子植物系統(tǒng)發(fā)育和被子植物起源的關(guān)鍵類群。不同時期它們都曾被當(dāng)作被子植物的祖先類群或姊妹群，并由此衍生出被子植物心皮如何演化的不同假說。最近，研究者通過對產(chǎn)自蒙古國早白堊世地層的盔籽植物胚珠器官化石進(jìn)行研究，據(jù)此提出了盔籽包裹種子的殼斗同源問題的新觀點。

盔籽植物主要分布于南半球，在中三疊世和晚三疊世最為繁盛，早白堊世后迅速衰退，最終在新生代早期完全絕滅。進(jìn)化-發(fā)育生物學(xué)提出的準(zhǔn)雄性理論認(rèn)為盔籽類最有可能是被子植物的祖先類群。但是，古植物學(xué)主流觀點認(rèn)為，盔籽的殼斗是一個葉性器官，種子著生于大孢子葉的背面（遠(yuǎn)軸面）。而進(jìn)化-發(fā)育生物學(xué)研究顯示，被子植物的胚珠更有可能著生于外珠被的腹面（近軸面）。研究者根據(jù)大量處于不同個體發(fā)育階段的化石材料重建了盔籽植物胚珠器官的個體發(fā)育。并運用生物切片和同步輻射成像技術(shù)重建了胚珠器官的內(nèi)部構(gòu)造。蒙古早白堊世的盔籽植物化石蒙古安科馬西果（Umkomasiamongolica）顯示：盔籽的種子三棱狀，倒生，著生在一個二歧分叉的生殖枝頂端或近頂端，生殖枝包在苞片的葉腋內(nèi)。包裹種子的殼斗是一個雜合的結(jié)構(gòu)，包括著生種子的生殖枝和兩片葉性的側(cè)翼，三者分別覆蓋于三棱狀種子的三個側(cè)面。一方面，盔籽生殖枝的二歧分叉結(jié)構(gòu)和維管束解剖構(gòu)造和現(xiàn)生銀杏非常相似；另一方面，倒生的種子和由生殖枝和側(cè)翼構(gòu)成的殼斗類似于原始被子植物類群具有雙層珠被的胚珠。所以，盔籽的生殖枝很有可能和銀杏的珠柄同源；殼斗很有可能和被子植物的外珠被同源，而包裹生殖枝的苞片和被子植物的心皮很有可能是同源器官。（New Phytologist 2016，210:1418-1429）