叶鞘到底是如何形成的？

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试着想象一丛小草：如果从扁平的绿色叶片向下延伸，会发现它们在近地面处与一根坚固的管子汇合。这根管子由下面的叶子卷曲而成，叫做叶鞘（sheath），是演化上的一个成功案例。叶鞘使草的生长点位于基部，而大多数开花植物的生长点则在茎。叶鞘可以保护嫩芽，增强茎的机械支持力，从而使成熟的叶片“站直”以争夺阳光。这种生存策略使草坪能在修剪后再长出来，也使草原比其他竞争对手（生长点为茎的植物）更能忍受放牧和野火。因此，草原占到了地球陆地四分之一的面积。

科学家一直在争论叶鞘的演化起源。叶鞘是所有禾本科植物（包括玉米、小麦和竹子）都具有的结构。最近，一项发表于《科学》（Science）的研究表示，决定叶鞘出现和控制叶子其他部分的发育的遗传模式相同。英国爱丁堡大学的发育遗传学家安妮丝·理查森（Annis Richardson，这项研究的第一作者）说：“叶鞘的形成并不是因为植物找到了新东西，然后引入到自己的基因组。相反，只是因为基因组的连接发生了扭转。”

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理查森和同事首先拍摄了玉米幼苗的3D图像，然后利用可用于模拟植物发育的计算机模型对这些图像进行重建。通过比较模型模拟和实验观察的结果，例如植物中被激活的基因的位置，和基因突变对叶子形状的影响，研究人员进一步改进了计算机模型。在模型得到优化后，他们便把叶鞘作为主要的研究对象。

19世纪的植物学家认为，从演化的角度看，禾本科植物的叶鞘相当于叶柄，叶柄是常见的植物中连接叶片与茎的部分。后来，有许多科学家根据叶脉推断，事实上除了叶鞘外，禾本科植物的叶子，或者说叶子的大部分组成，都相当于叶柄。理查森和同事通过计算机模型检验了这两种理论。他们发现采用19世纪时提出的假设，能得到最简单的演化路径，其中只涉及对禾本科植物基因蓝图的细微改变。

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美国宾夕法尼亚大学的发育生物学家阿曼·赫斯本兹（Aman Husbands，未参与这项研究）说，这项研究结合了其他与叶子相关的研究结果，然后“把这些数据都放进了一个模型中，从而使这个模型能够解释禾本科植物叶子的形状。”

理查森说，深入理解控制叶子发育的因素有助于科学家设计出更优质的作物。明确叶鞘的起源，也有助于阐明禾本科植物的演化历程。禾本科植物坚固的结构对地球景观和生物具有巨大的价值，例如人类所需能量的一半都来自种植的禾本科粮食作物。“现在我们明白，形成这种形状的叶子其实并不困难。”她补充道。

撰文：朱莉娅·罗森（Julia Rosen）

翻译：黄晨

审校：王昱

引进来源：科学美国人

本文来自：中国数字科技馆

标签： 禾本科植物 计算机模型 研究结果 竞争对手