植物到底是怎么“爬”上岸的？最早的陆生植物个头儿很小，最多只有几厘米高，主要生长在溪流和池塘周围潮湿的沼泽地带。然而，大约在4亿年前，植物发育出了维管系统，能从土壤中更有效地吸收水分，并将其用于光合作用，这一转变永久改变了地球的大气和生态系统。古代植物如何从沼泽和河岸生长到水源有限的新栖息地，一直是科学家长期探索的问题。
近日，美国耶鲁大学植物生理生态学教授Craig Brodersen团队发现了植物维管系统的一个简单变化，该变化能使它们更耐旱，为探索这个谜团开辟了新前景。相关结果11月10日发表于《科学》。这项研究由一场持续了一个世纪的争论所激发，而争论的主题是为什么最早的陆生植物的简单圆柱形维管系统会迅速转变为更复杂的结构。上世纪20年代，科学家注意到化石记录的复杂性在不断增加，但他们无法确定进化的原因。
在过去10年里，Brodersen团队探索了现代植物维管系统是如何构建的，特别是在干旱环境下。当植物开始变干时，气泡就会卡在木质部（专门负责从土壤中运输水分和营养物质到茎和叶），并阻碍水的流动。如果不加以控制，扩散的气泡会使植物与土壤分离，最终导致植物死亡，避免这些气泡的形成和扩散对于植物耐旱至关重要。研究团队以此解释化石记录中的维管组织模式。
最早的陆地植物的圆柱形维管系统类似于一捆稻草，在早期的水栖环境中发挥了很好的作用。但当迁移到水资源较少的土地上时，植物必须克服干旱引起的气泡问题。因此，圆柱形木质部进化出了更复杂的结构防止气泡扩散。历史上，化石记录中维管系统复杂性增加被认为是偶然的，意义不大，是植物体积增长和发展出更复杂结构的副产品。但这项新研究推翻了这一观点。
研究人员认为，干旱的巨大压力促成了这一切，这是一个很好的植物进化的原因。该研究第一作者、捷克科学院植物研究所Martin Bouda表示，他们发现了泥盆纪植物中出现复杂维管结构的原因。研究小组借助显微镜和解剖分析观察植物标本的内部结构，其中包括来自耶鲁大学皮博迪自然历史博物馆的化石标本，以及耶鲁-迈尔斯森林、纽约植物园等地的活植物。
利用这些信息，研究小组预测了耐旱的维管结构，并阐明了其结构变化如何导致植物耐旱性的显著提高。“每当植物偏离圆柱形维管系统，每当它发生一点点变化，植物就会在抗旱能力方面获得奖励。如果这种奖励一直存在，那么它就会迫使植物从古老的圆柱形维管系统转向这些更复杂的结构。”Brodersen认为，通过这些非常小的变化，植物解决了它们在地球历史早期就必须解决的问题，否则今天的森林就不会存在。
这一变化过程相当迅速，大约用了2000万年到4000万年。植物维管结构变化背后的驱动力研究可以帮助培育抗旱植物，提升抵御气候变化影响的能力，并解决与生产相关的粮食安全问题。Brodersen解释：“现在我们对维管系统是如何组合在一起的，及其如何影响植物的耐旱能力有了更好了解，这些可以用作育种计划的目标。例如，培育更好的根系、更好的植物维管系统。”