植物

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植物的抗逆生存之道

蛇纹石为一超基性且富含锰的矿物，重金属含量极高，尤其镍和铬在蛇纹石土壤中往往远超过目前环保上对土壤污染管制标准。蛇纹石土壤肥力低且重金属自然背景含量偏高，是极特殊的问题土壤。如果一棵植物拥有选择的能力，或许它不会选择生长于蛇纹岩土。然而，仍有一些顽强的植物在这样贫瘠的蛇纹岩土壤中落地生根。究竟是什么让这些植物适应如此的极端环境呢？近期，研究者分析了生长在蛇纹岩土的植物的基因，发现它们似乎有两种典型的生存策略：第一是通过自然选择按照本地产生的遗传变异来适应环境，第二是从生长于附近的其他植物那里借用有利的遗传变异。研究者收集了奥地利的蛇纹岩土中大约30个种群的种子，通过基因分析，研究者发现蛇纹岩土中生长的该植物群体中有特别的遗传变异，或帮助它们应对如干旱、土壤贫瘠等情况的挑战。起初，研究者以为一些适应性的进化完全独立地通过自然选择获得，但有趣的是，却在它的基因中发现一些明显的属于另一种拟南芥属植物的遗传变异。这说明蛇纹岩土中生长的该物种从生长于附近的亲缘属群体中'借'了一些有利的基因。该发现提升了人们对植物在严酷环境下适应甚至茁壮成长的复杂方式的了解，对于减缓农业土地减少和快速变化的气候所带来的影响，非常重要。（PNAS2016，113：8320-8325）

植物气味与昆虫的关系

植物为了完成自身的繁殖，通常会通过多种方式来吸引昆虫为其传粉，其中植物产生的化学气味作为通讯信号在植物与昆虫之间起到了重要的桥梁与纽带作用。野拔子是一种重要的蜜源植物，具有很强的刺激气味，深受蜜蜂喜欢。研究者通过对其完整花序和叶子、以及受损的花和叶子挥发物的提取、鉴定和分析，发现了花和叶子的挥发性化合物存在明显的不同。并且，当花和叶子受损后，其挥发性化合物的种类和比例发生了变化。为进一步揭示植物气味的生态功能，研究者进行了行为控制实验。研究结果表明,植物开花需要昆虫为其传粉以繁殖后代，于是它的气味就会选择性地吸引有效传粉者，排斥无效传粉者；而当花朵和叶片遇到昆虫啃食'险情'时，其挥发性化合物--香薷酮的含量明显增高，受损的花和叶子所散发出的气味能有效地让植食性甲虫避开。植物很聪明，它们和人一样具有选择机制。该研究揭示了植物气味和昆虫间的相互作用，对认识植物的繁殖策略和生态适应具有重要意义。（Scientific Reports2016,6:27616）

植物的冒险精神

自然界充满着种种危急，为了在恶劣环境中生存和繁衍，人和动物可能不惜冒险去寻找生机。实验表明，植物也有这种冒险精神。研究者将豌豆植株从根部劈成两半，把一半根插在土壤较肥沃的花盆里，把另一半插在土壤贫瘠的花盆里。结果显示，前一个花盆中长出了更多根。这是一种适应环境的反应，就好像动物更愿意在食物供应较多的地盘上找食。在接下来的一系列实验中，研究者还是这样把豌豆的根分成两半分别插入两个花盆，这一次两个花盆中土壤的平均营养量一样，但是一个花盆中的营养供应稳定，另一个呈波动状。根据人和动物面对类似情况的反应，研究者推测，当平均营养量水平低于豌豆生长所需时，它会选择在营养呈波动状的花盆中生长，以便"博取"营养改善的可能，而当平均营养量充足时，它会做出在营养供应稳定的花盆中生长的"保险"选择。实验结果的确如研究者所料。研究者说，这是第一次证明，没有神经系统的生物也会为了适应环境冒风险，但这并非说明植物有着人或动物那样的智慧，这是植物进化过程中形成的"更有效地利用自然机会"的反应。（CurrentBiology 2016，26:1763-1767）

沙米的演化与高原沙漠化

沙米又称沙蓬，藜科植物，是广泛分布于我国北方干旱半干旱区流动沙丘，第一个入侵到该区域的一年生先锋植物，对气候变化响应速度快，是很好的固沙植物。"在甘肃武威、民勤等沙漠边缘，常见沙米踪迹，成熟的沙米呈黑褐色，扁圆形，直径与小米类似，糖分低，蛋白质、不饱和脂肪酸高，口感与芝麻类似。近期，研究者对沙米的现存分布区展开全面调查，采集了包括塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、柴达木盆地等典型沙化土地区域的46个群体共188个样本，利用5个叶绿体基因片段和一个核基因片段的序列变异，构建了沙米的谱系结构，并成功模拟了其群体动态历史和不同时期的分布区变化。结果表明：大约在160万年前，沙米起源于古尔班通古特沙漠，经过几次冰期、亚洲内部干旱化加剧，沙米曾经3次大范围迁徙"定居"，扩散至其他沙漠及沙地，形成现在的分布格局。与其他区域的种群相比，处于季风区的沙米有效群体的快速增长，印证了季风气候能显著驱动荒漠植物快速进化。分子谱系还揭示了青藏高原的沙漠化可能始于110万年左右，早于先前的风尘记录。在全球变暖背景下，沙米的潜在分布区将向亚洲高纬度区域扩张，青藏高原也存在沙漠化的巨大风险。该研究不仅为理解沙漠生态系统对季风气候的响应提供了新的分子数据支持和解析角度，还为选育应对全球气候变暖的"未来作物"——沙米提供了生态适应性潜力和种质资源评估。（Scientific Reports2016，6：26613）

种子植物胚珠器官的同源问题

种子植物胚珠器官同源问题是植物演化生物学核心的科学问题之一，也是重建包括化石类群在内的种子植物系统发育的基础。然而，种子植物五大现生类群：苏铁、银杏、松柏、买麻藤和被子植物的胚珠器官形态迥异，如何认识和理解它们的胚珠器官结构的同源性，一直是个悬而未决的难题。而已绝灭的化石类群作为现生类群系统发育关系的"缺失环节"，是解决这一难题的关键。中生代种子蕨是一类已绝灭的种子植物，它们具有类似蕨类的叶片但同时又结有种子，种子被壳斗不完全包被。包括盾籽植物、开通植物和盔籽植物在内的中生代种子蕨和二叠纪的舌羊齿类一起，被认为是了解种子植物系统发育和被子植物起源的关键类群。不同时期它们都曾被当作被子植物的祖先类群或姊妹群，并由此衍生出被子植物心皮如何演化的不同假说。最近，研究者通过对产自蒙古国早白垩世地层的盔籽植物胚珠器官化石进行研究，据此提出了盔籽包裹种子的壳斗同源问题的新观点。

盔籽植物主要分布于南半球，在中三叠世和晚三叠世最为繁盛，早白垩世后迅速衰退，最终在新生代早期完全绝灭。进化-发育生物学提出的准雄性理论认为盔籽类最有可能是被子植物的祖先类群。但是，古植物学主流观点认为，盔籽的壳斗是一个叶性器官，种子着生于大孢子叶的背面（远轴面）。而进化-发育生物学研究显示，被子植物的胚珠更有可能着生于外珠被的腹面（近轴面）。研究者根据大量处于不同个体发育阶段的化石材料重建了盔籽植物胚珠器官的个体发育。并运用生物切片和同步辐射成像技术重建了胚珠器官的内部构造。蒙古早白垩世的盔籽植物化石蒙古安科马西果（Umkomasiamongolica）显示：盔籽的种子三棱状，倒生，着生在一个二歧分叉的生殖枝顶端或近顶端，生殖枝包在苞片的叶腋内。包裹种子的壳斗是一个杂合的结构，包括着生种子的生殖枝和两片叶性的侧翼，三者分别覆盖于三棱状种子的三个侧面。一方面，盔籽生殖枝的二歧分叉结构和维管束解剖构造和现生银杏非常相似；另一方面，倒生的种子和由生殖枝和侧翼构成的壳斗类似于原始被子植物类群具有双层珠被的胚珠。所以，盔籽的生殖枝很有可能和银杏的珠柄同源；壳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）