據外媒報導，近日，一名博士生髮現了植物中一個長期被忽視的模式，即植物如何進化出相當於肺的器官–葉子表面的氣孔。為此，研究人員通過專門的成像技術和一種在實驗室中不常見的植物物種揭示了陸地植物和水中植物在進化過程中的一個關鍵區別。

“我覺得這真的非常有趣，這對我來說是一個很大的驚喜。我記得很清楚，在地下室的顯微鏡室觀察之後，我衝上樓告訴Koga博士我的發現，”在助理教授Hiroyuki Koga之指導下就讀於東京大學科學研究生院的一年級博士生Yuki Doll回憶道。

“當我聽了Doll的發現，我也很興奮並跟他討論了我們應該深入這個主題，”Koga說道。

當氣孔打開時，二氧化碳、氧氣和水蒸氣可以進出葉片進行光合作用和呼吸作用。人工控制氣孔的數量是在變化的氣候中保持作物健康的一種可能的方法。

據悉，東京大學的團隊研究了多種類型的水馬齒屬屬植物–包括陸生和水生物種。

Koga指出：“水馬齒屬是一種有趣但很小的植物群體，我們是世界上唯一將其用於發育生物學研究的植物的人。”

Doll回憶起他第一次觀察植物的經歷，他說道：“當我開始分析水生水馬齒的氣孔分佈模式時，我覺得氣孔的排列方式跟我本科時在實驗室常見物種擬南芥(Arabidopsis )中所學的不一樣。我的印像是，這種奇怪的模式一定適用於所有的水馬齒，我想，由於擬南芥和水馬齒來自非常不同的進化譜系，所以它們的不同是很自然的。然後我分析了一種陸生水馬齒，我發現它看起來更像擬南芥。”

具體來說，Doll注意到水生植物葉片表面的氣孔及其周圍的細胞比陸生植物葉片上細胞大小的變化要均勻得多。

這兩種進化密切的植物具有不同的氣孔發育模式，這暗示了它們在陸地或水中的生活條件可能對氣孔發育起到了一定作用。

Koga和其他實驗室成員此前已經完善了一種可以在完整植物葉片上可視化每個單個細胞的基因活動的方法付。整體標本熒光原位雜交技術並不是新技術，但在不將植物切成超薄薄片的情況下使用這些分子生物學工具卻是困難和不尋常的。

從陸地和水生的水馬齒上採集到的圖像證實了這兩種植物的氣孔是通過相同的兩個基因來發育，但它們的活躍狀態卻處在不同的時間。

在幾乎所有的植物中， SPEECHLESS基因負責促進新生葉片表面一組細胞的生長和分裂。最終，MUTE基因在這些細胞中變得活躍並阻止沉默從而讓這些細胞停止分裂，然後分化為氣孔。通過將人造熒光標記跟這兩個基因的結合，研究人員可以在單細胞分辨率上看到MUTE基因被抑制和被激活的情況。

在陸生水馬齒中，研究人員發現MUTE在不同年齡的細胞中都有表達。MUTE在較老的水生物種細胞中表達更為均勻，其似乎跳過了分裂階段並有一個協調的延遲直到葉片發育後期才激活MUTE。

研究人員懷疑，水生物種進化到延遲氣孔形成以便等待並判斷新葉子究竟是已完全淹沒在水中還是在水線以上。在水下，氣體交換效率較低，因此在水下的葉片氣孔通常比在空氣中的葉片少。

對於對環境壓力和進化遺傳學關係感興趣的進化生物學家來說，這一發現無疑是令人興奮的，但它也跟未來在變化或不可預測的環境中種植作物有關。

“通常的假設是近親物種有相似的氣孔發育模式，但我們的關鍵發現並非如此，”Koga稱。相反，研究人員指出，他們的新結果表明，一個物種的生活環境是選擇氣孔發育模式的重要進化力量，而非僅僅是物種的遺傳祖先。

科學家將可能可以通過了解導致物種間SPEECHLESS和MUTE表達的靈活控制的完整遺傳途徑預測哪種作物的進化譜系更有可能優化它們的氣孔以在變化的氣候中生長。