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科学家们发现植物如何呼吸以及人类如何塑造他们的肺部

科学家们已经发现植物如何建立空气通道网络 - 叶子的肺部 - 将二氧化碳(CO2)输送到细胞。

自19世纪以来,植物学家就已经知道叶子有毛孔 - 称为气孔 - 并且包含复杂的内部空气通道网络。但是到现在为止也无法理解这些渠道在正确的地方是如何形成的,以提供CO源源不断2到每一个植物细胞。

这项由谢菲尔德大学可持续食品研究所的科学家领导并在Nature Communications上发表的新研究使用遗传操作技术揭示了叶子的气孔越多,它所形成的空域就越多。这些通道的作用类似于细支气管 - 细小的通道将空气传送到人类和动物肺部的交换表面。

与在诺丁汉和Lancaster大学大学的同事合作,它们表明,CO的移动2通过孔最有可能确定所述空气通道网络的形状和尺度。

这一发现标志着我们对叶片内部结构的理解迈出了重要的一步,以及组织的功能如何影响它们的发育 - 在进化生物学等领域可能会产生超出植物生物学的影响。

该研究还表明,小麦植物已被几代人繁殖,叶片上的毛孔较少,空气通道较少,这使得它们的叶子更加密集,并且可以用更少的水生长。

这一新见解突出了科学家通过改变叶子内部结构使小麦等主要作物更加节水的潜力。这种方法由可持续食品研究所的其他科学家开创,他们开发了可以在极端干旱条件下生存的气候准备好的水稻和小麦。

谢菲尔德大学可持续食品研究所的安德鲁·弗莱明教授说:“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。

“这一重大发现表明,通过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有影响。

“人类已经无意中通过培育使用较少水的小麦来影响植物呼吸的方式这一事实表明我们可以将这些空气通道网络作为目标,开发能够在气候破裂时期望的极端干旱中生存的作物。”

兰卡斯特大学Leverhulme早期职业研究员Marjorie Lundgren博士说:“科学家们长期以来一直怀疑气孔的发育和叶片内空气空间的发展是协调的。但是,我们并不确定是哪一个驱动了其他。所以这开始是'先到先得,鸡还是鸡蛋?'题。

“使用一组涉及X射线CT图像分析的巧妙实验,我们的协作团队使用具有非常不同叶子结构的物种来回答这些问题。虽然我们证明了气孔的发展启动了空气空间的扩展,但我们更进了一步这表明气孔实际上需要交换气体以便空气空间扩大。这描绘了一个与生理学相关的更有趣的故事。“

X射线成像工作在诺丁汉大学的Hounsfield工厂进行。该设施主任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 - 根部 - 因为它们在土壤中生长。

“与我们在谢菲尔德的合作伙伴合作,我们现在开发了一种技术,可以在3D中可视化植物叶子的细胞结构 - 让我们看到叶子内部复杂的空气空间网络如何控制其行为。这非常令人兴奋。”

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一流的研究设施,以帮助实现粮食安全并保护我们所依赖的自然资源。

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