专家揭示植物如何为每个细胞提供稳定的气流

科学家发现了植物如何建立一个空气通道网络——叶子的肺——将二氧化碳(CO 2)运输到细胞中。

自19世纪以来，植物学家已经知道叶子有孔——称为气孔——并包含内部空气通道的复杂网络。但到目前为止，还无法理解这些通道是如何在正确的位置形成的，以向每个植物细胞提供持续的CO供应。

这项由谢菲尔德大学可持续食品研究所的科学家领导的新研究发表在《自然通讯》上，它利用基因操纵技术揭示了一片叶子的气孔越多，它形成的空域就越多。这些通道就像细支气管一样——微小的通道将空气运送到人类和动物肺部的交换表面。

他们与诺丁汉大学和兰开斯特大学的同事合作，证明了二氧化碳穿过黑洞最有可能决定空气通道网络的形状和规模。

这一发现标志着我们在理解叶子的内部结构以及组织的功能如何影响它们的发育方面迈出了重要一步——它可能在进化生物学等领域产生超出植物生物学的影响。

这项研究还表明，小麦植物已经繁殖了几代，叶子上的气孔和空气通道更少，这使得它们的叶子更致密，可以在更少的水分下生长。

这一新的见解凸显了科学家通过改变叶片的内部结构来使小麦等主要作物更加节水的潜力。这种方法是由可持续食品研究所的其他科学家首创的，他们开发了适应气候的水稻和小麦，可以在极端干旱的条件下存活。

谢菲尔德大学可持续食品研究所的安德鲁弗莱明(andrew fleming)教授说：“到目前为止，植物形成错综复杂的空气通道的方式对植物科学家来说仍然令人惊讶地神秘。

“这一重要发现表明，树叶的空气运动形成了它们的内部运作——这对我们思考植物进化的方式产生了影响。

“人类通过种植用水量较少的小麦无意中影响了植物的呼吸方式，这一事实表明，我们可以针对这些空气通道网络，开发出能够在气候变化时经受住极端干旱的作物。”

兰开斯特大学Leverhulme的早期职业研究员马乔里伦德格伦博士说：“科学家长期以来一直怀疑气孔的发育和叶片中空气空间的发育是协调的。然而，我们不确定哪一个驱动其他的。所以它以“先到先得，先有鸡还是先有蛋？”问题。

“通过一系列巧妙的实验，包括X射线CT图像分析，我们的合作团队使用叶片结构非常不同的物种来回答这些问题。虽然我们证明了气孔的发育启动了气隙的扩大，但我们更进一步，说明气孔为了扩大气隙，其实是需要气体交换的。这描绘了一个与生理学有关的更有趣的故事。”

x射线成像在诺丁汉大学的Hounsfield工厂进行。该设施的主任Sacha Mooney教授说：“直到最近，X射线CT或CAT扫描在植物科学中的应用主要集中在可视化植物隐藏的一半——根——因为它们生长在土壤中。

“通过与我们在谢菲尔德的合作伙伴合作，我们现在已经开发出一种可以三维可视化植物叶片细胞结构的技术，使我们能够看到叶片内部复杂的空气空间网络如何控制它们的行为。这很令人兴奋。”

谢菲尔德大学可持续食品研究所汇集了多学科专业知识和世界级的研究设施，以帮助实现粮食安全和保护我们赖以生存的自然资源。

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