当植物根系学会跟随重力

作者：张馨予

进化史上最重要的事件之一发生在大约5亿年前，随着植物生命从水到土地的扩散。为了使植物在这种新环境中茁壮成长，根系必须进化为向下生长，遵循重力有两个主要目的：锚定在土壤中，为植物部分在地面上生长提供水源和养分。这种机制 - 称为向地性 - 已在诸如拟南芥(Arabidopsis thaliana)等开花植物中进行了广泛研究。然而，它从未在整个植物王国中进行过系统的比较，其进化起源仍然是一个谜。

当植物根系学会跟随重力

向下，向下，向下 - 但速度不同

现在，在Yu?íFriml教授组中的博士后Yuzhou Zhang和他的团队已经对根本向地性如何以及何时演变得到了更广泛的认识。研究人员选择了多种植物物种，分别代表苔藓，枸杞(球菌和坚果)，蕨类植物，裸子植物(针叶树)和开花植物的谱系，让它们的根部水平生长，观察它们是否以及何时开始向下弯曲以跟随重力。结果：重力驱动的根系生长在最原始的陆地植物(苔藓)以及基础维管植物(枸杞和蕨类植物)中变得非常简陋和缓慢。只有大约3.5亿年前出现的种子植物(裸子植物和开花植物)才显示出更快，更有效的向地性形式。

淀粉的力量

但是哪个进化步骤能够在种子植物中实现这种快速有效的根向重力?通过分析重力感的不同阶段 - 重力感知，重力信号的传递，以及最终的生长反应本身 - 研究人员发现了两个关键的组成部分，它们是携手共进的。第一个结果是一个解剖学特征：称为淀粉体的植物细胞器 - 密集地填充淀粉颗粒 - 沉积物响应重力，这种方式起重力传感器的作用。然而，这种沉降过程仅在裸子植物和开花植物中观察到，淀粉体最终高度集中在根尖的最底部。相反，在早期的植物中，淀粉体保持随机分布在根尖内和上方，

生长素的特殊PIN码

在通过淀粉体感知后，重力信号通过生长激素生长素进一步从细胞传递到细胞。在遗传实验中，研究人员在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中鉴定出一种特异性转运蛋白分子，它指导生长素流动，从而导致根系生长。虽然几乎所有绿色植物都携带PIN蛋白，但只有种子植物中的特定PIN2分子聚集在根表皮细胞的射击侧。这种特定的定位 - 对种子植物来说是独特的 - 导致转运蛋白的极化，这反过来又使根能够将生长素转移到枝条上，从而使生长素基信号从重力感知区域漂移到增长监管区。

植物作为人类的教师

通过鉴定这两个解剖学和功能成分，作者获得了对根向重力演变的宝贵见解，这是种子植物对陆地的重要调整之一。但是，即使是这些研究结果的实际意义也是可以想象的：“现在我们已经开始了解植物需要种植稳定的锚地以获得土壤深层的养分和水分，我们最终可能会找到改进方法在非常干旱的地区种植作物和其他植物的增长，“2016年加入IST奥地利的张说。他补充说：”自然比我们聪明得多;我们可以从植物中学到很多东西，最终可以对我们有利。“