Nature：植物如何進化為對抗寒冷

　　近期研究人員發現了植物如何進化為對抗寒冷天氣的新線索。在12月22日的Nature雜志上發表的一項研究中，研究人員構建了超過32,000種開花植物的進化樹——迄今最大時間刻度的進化樹。通過將此進化樹，與冷凍暴露記錄和數千種植物的葉片/莖干數據進行比較，研究人員能夠重現，當植物在全球范圍內傳播時，它們是如何進化為對抗寒冷的。結果表明，許多植物，在它們第一次遭遇冰凍以前很久，就獲得了有助于其在更冷氣候中茁壯成長的特性(例如在冬天徹底死掉)。

　　本文的共同作者、美國田納西州大學的國家數學和生物合成研究所(NIMBioS)的Jeremy Beaulieu解釋說，化石證據和過去氣候條件的重現都表明，早期的開花植物生活在溫暖的熱帶環境。

　　當植物擴散到高緯度和高海拔地區時，它們以有助于其對抗寒冷條件的方式進化。生活在北極苔原的植物，例如北極委陵菜和三齒虎耳草，能夠抵御冬季低于零下15攝氏度的氣溫。

　　與動物不同，植物不能通過移動來逃避寒冷，也不能產生熱量來保暖。與其說是寒冷，不如說是冰凍給植物帶來了問題。例如，凍融引起植物體內水運輸系統中氣泡的形成。本文的共同作者、美國喬治華盛頓大學的Amy Zanne說：“想一想你在冰塊中看到的懸浮的氣泡。如果足夠多的這種氣泡集合在一起，當水解凍時，它們就能阻止水從根部流向葉片，從而殺死植物。”

　　研究人員確定了三種特征，能夠幫助植物應付這些問題。

　　有些植物，例如胡桃和橡樹，在冬天寒冷來臨前通過落葉來避免凍害——有效地切斷根部和葉片之間的水流，當天氣轉暖時，長出新的葉片和水運輸細胞。

　　其他的植物，例如樺樹和白楊，也通過具有較狹窄的水運輸細胞來保護自己，這使得運輸水分的植物部分，在凍結和解凍過程中不易堵塞。

　　還有一些植物在冬天徹底死掉，當環境轉暖時再從根部重新發芽，或者從種子長成新的植物。

　　為了收集這項研究的植物特征數據，研究人員花了數百個小時搜索和合并包含成千上萬種植物的多個大數據庫，這項研究主要由北卡羅來納州國家進化綜合中心和澳大利亞麥考瑞大學資助支持。

　　當研究人員將其收集的葉片和莖部數據，映射到他們所構建的開花植物進化樹上時，他們發現，許多植物，甚至在寒冷條件襲擊之前，就已經全副武裝來應對寒冷氣候。

　　例如，在冬季會徹底死掉的植物，在它們第一次經歷冰凍以前很久，就獲得了枯死、然后在環境轉暖又恢復原狀的能力。同樣地，具有狹窄水運輸細胞的物種，在它們面對寒冷氣候之前，就獲得了更好的循環系統。

　　Zanne說：“這表明，其它一些環境壓力——可能是干旱——使這些植物以這種方式進化，這正好這也有利于植物的抗凍性。”

　　Beaulieu補充說，唯一的例外是那些季節性落葉和換葉的植物，這些植物類群只有在其遭遇冰凍之后才獲得在冬季落葉的能力。

　　下一步，研究人員計劃使用他們的進化樹，發現植物如何進化到抵抗除冰凍之外的其它環境壓力，例如干旱和高溫。