葉鞘到底是如何形成的？

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試著想象一叢小草：如果從扁平的綠色葉片向下延伸，會發現它們在近地面處與一根堅固的管子匯合。這根管子由下面的葉子卷曲而成，叫做葉鞘（sheath），是演化上的一個成功案例。葉鞘使草的生長點位于基部，而大多數開花植物的生長點則在莖。葉鞘可以保護嫩芽，增強莖的機械支持力，從而使成熟的葉片“站直”以爭奪陽光。這種生存策略使草坪能在修剪后再長出來，也使草原比其他競爭對手（生長點為莖的植物）更能忍受放牧和野火。因此，草原占到了地球陸地四分之一的面積。

科學家一直在爭論葉鞘的演化起源。葉鞘是所有禾本科植物（包括玉米、小麥和竹子）都具有的結構。最近，一項發表于《科學》（Science）的研究表示，決定葉鞘出現和控制葉子其他部分的發育的遺傳模式相同。英國愛丁堡大學的發育遺傳學家安妮絲·理查森（Annis Richardson，這項研究的第一作者）說：“葉鞘的形成并不是因為植物找到了新東西，然后引入到自己的基因組。相反，只是因為基因組的連接發生了扭轉?！?/p>

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理查森和同事首先拍攝了玉米幼苗的3D圖像，然后利用可用于模擬植物發育的計算機模型對這些圖像進行重建。通過比較模型模擬和實驗觀察的結果，例如植物中被激活的基因的位置，和基因突變對葉子形狀的影響，研究人員進一步改進了計算機模型。在模型得到優化后，他們便把葉鞘作為主要的研究對象。

19世紀的植物學家認為，從演化的角度看，禾本科植物的葉鞘相當于葉柄，葉柄是常見的植物中連接葉片與莖的部分。后來，有許多科學家根據葉脈推斷，事實上除了葉鞘外，禾本科植物的葉子，或者說葉子的大部分組成，都相當于葉柄。理查森和同事通過計算機模型檢驗了這兩種理論。他們發現采用19世紀時提出的假設，能得到最簡單的演化路徑，其中只涉及對禾本科植物基因藍圖的細微改變。

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美國賓夕法尼亞大學的發育生物學家阿曼·赫斯本茲（Aman Husbands，未參與這項研究）說，這項研究結合了其他與葉子相關的研究結果，然后“把這些數據都放進了一個模型中，從而使這個模型能夠解釋禾本科植物葉子的形狀?！?/p>

理查森說，深入理解控制葉子發育的因素有助于科學家設計出更優質的作物。明確葉鞘的起源，也有助于闡明禾本科植物的演化歷程。禾本科植物堅固的結構對地球景觀和生物具有巨大的價值，例如人類所需能量的一半都來自種植的禾本科糧食作物?！艾F在我們明白，形成這種形狀的葉子其實并不困難?！彼a充道。

撰文：朱莉婭·羅森（Julia Rosen）

翻譯：黃晨

審校：王昱

引進來源：科學美國人

本文來自：中國數字科技館

標簽： 禾本科植物 計算機模型 研究結果 競爭對手