科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了植物如何呼吸

科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)植物如何建立空氣通道網(wǎng)絡(luò) - 葉子的肺部 - 將二氧化碳(CO2)輸送到細(xì)胞。

植物學(xué)家自19世紀(jì)就已經(jīng)知道，葉子有毛孔 - 稱為氣孔 - 并且包含復(fù)雜的內(nèi)部空氣通道網(wǎng)絡(luò)。但到目前為止，人們還不了解這些通道是如何在正確的位置形成的，以便為每個(gè)植物細(xì)胞提供穩(wěn)定的二氧化碳流量。

這項(xiàng)由謝菲爾德大學(xué)可持續(xù)食品研究所的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)并在Nature Communications上發(fā)表的新研究使用遺傳操作技術(shù)揭示了葉子的氣孔越多，它所形成的空域就越多。這些通道的作用類似于細(xì)支氣管 - 細(xì)小的通道將空氣輸送到人類和動(dòng)物肺部的交換表面。

他們與諾丁漢大學(xué)和蘭開斯特大學(xué)的同事合作，表明二氧化碳通過(guò)毛孔的移動(dòng)很可能決定了空氣通道網(wǎng)絡(luò)的形狀和規(guī)模。

這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著我們對(duì)葉子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解邁出了重要的一步，以及組織的功能如何影響它們的發(fā)育 - 在進(jìn)化生物學(xué)等領(lǐng)域，它們可能會(huì)在植物生物學(xué)之外產(chǎn)生分枝。

該研究還表明，小麥植物已被幾代人繁殖，葉片上的毛孔較少，空氣通道較少，這使得它們的葉子更加密集，并且可以用更少的水生長(zhǎng)。

這一新見解突出了科學(xué)家通過(guò)改變?nèi)~子內(nèi)部結(jié)構(gòu)使小麥等主要作物更加節(jié)水的潛力。這種方法由可持續(xù)食品研究所的其他科學(xué)家開創(chuàng)，他們開發(fā)了可以在極端干旱條件下生存的氣候準(zhǔn)備好的水稻和小麥。

謝菲爾德大學(xué)可持續(xù)食品研究所的安德魯·弗萊明教授說(shuō)：“到目前為止，植物形成錯(cuò)綜復(fù)雜的空氣通道的方式對(duì)植物科學(xué)家來(lái)說(shuō)仍然令人驚訝地神秘。

“這一重大發(fā)現(xiàn)表明，通過(guò)樹葉的空氣運(yùn)動(dòng)形成了它們的內(nèi)部運(yùn)作 - 這對(duì)我們思考植物進(jìn)化的方式有影響。

“人類已經(jīng)無(wú)意中通過(guò)培育使用較少水的小麥來(lái)影響植物呼吸的方式這一事實(shí)表明我們可以將這些空氣通道網(wǎng)絡(luò)作為目標(biāo)，開發(fā)能夠在氣候破裂時(shí)期望的極端干旱中生存的作物。”

蘭卡斯特大學(xué)Leverhulme早期職業(yè)研究員Marjorie Lundgren博士說(shuō)：“科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直懷疑氣孔的發(fā)育和葉片內(nèi)空氣空間的發(fā)展是協(xié)調(diào)的。但是，我們并不確定哪個(gè)開車了另一個(gè)。所以這開始是'先到先得，雞還是雞蛋?' 題。

“使用一組涉及X射線CT圖像分析的巧妙實(shí)驗(yàn)，我們的協(xié)作團(tuán)隊(duì)使用具有非常不同葉子結(jié)構(gòu)的物種來(lái)回答這些問(wèn)題。雖然我們證明了氣孔的發(fā)展啟動(dòng)了空氣空間的擴(kuò)展，但我們更進(jìn)了一步這表明氣孔實(shí)際上需要交換氣體以便空氣空間擴(kuò)大。這描繪了一個(gè)與生理學(xué)相關(guān)的更有趣的故事。“

X射線成像工作在諾丁漢大學(xué)的Hounsfield工廠進(jìn)行。該設(shè)施主任Sacha Mooney教授說(shuō)：“直到最近，X射線CT或CAT掃描在植物科學(xué)中的應(yīng)用主要集中在可視化植物隱藏的一半 - 根部 - 它們?cè)谏L(zhǎng)中泥。

“與我們?cè)谥x菲爾德的合作伙伴合作，我們現(xiàn)在開發(fā)了一種技術(shù)，可以在3-D中可視化植物葉子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，讓我們看到葉子內(nèi)部復(fù)雜的空氣空間網(wǎng)絡(luò)如何控制其行為。這非常令人興奮。”