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甜菜中发现的色素有助于植物适应恶劣环境
根据密歇根大学的一项研究，使甜菜呈红色的色素可能帮助一大类开花植物反复适应干燥环境，为使植物适应地球上一些最恶劣环境的性状进化奠定了基础。
来源:密歇根大学根据密歇根大学的一项研究，使甜菜呈红色的色素可能帮助一大类开花植物反复适应干燥环境，为使植物适应地球上一些最恶劣环境的性状进化奠定了基础。
这种色素称为甜菜红素，仅由石竹目开花植物中的物种产生，石竹目中也有许多耐旱植物。此前，研究人员已经注意到产生甜菜碱的植物与其耐受干旱的能力之间存在联系。之前的研究还表明，对植物造成压力的条件，例如暴露在盐分、干旱和强烈的紫外线下，会导致植物产生更多的色素。
最近由密歇根大学博士后研究员 Tom Carruthers 领导的一项研究表明，甜菜碱可能增强了石竹目的耐旱性，使植物能够进化出耐旱特性，例如肉质——厚实的肉质叶子和茎，植物可以在其中储存水分。
“在大多数情况下，多肉是一种非常昂贵的适应：你有这些非常厚的叶子，里面充满了水，并且与之相关的成本很高，”现在都柏林大学学院的卡拉瑟斯说。 “甜菜碱很可能使植物能够开始适应这些干燥的条件，从而导致多肉植物的进化。”
研究小组还发现，在植物群进化的早期，几种不同物种的色素是独立进化的——据研究合著者、密歇根大学科学家斯蒂芬·史密斯称，这是研究人员特别感兴趣的。
“关于石竹目，一直让我印象深刻的一件事是，有多少不同的谱系独立进化来生活在极其干燥的环境中。我们想了解特征是否使这些重复的转变成为可能，”生态学和进化生物学教授史密斯说。 “甜菜红素之所以脱颖而出，是因为它们很不寻常，它们只出现在这组开花植物中，而且它们反复出现在向干旱环境转变的谱系中。这让我们想知道甜菜红素是否不仅仅与耐旱性相关，而且实际上帮助创造了允许其他干旱适应进化的条件。”
他们的研究结果得到了美国国家科学基金会的支持，发表在《新植物学家》杂志上。
为了研究甜菜碱在抗旱植物中的作用，研究人员首先创建了石竹目的进化树，其中包括该组的约 4,500 个物种。研究人员确保进化树包括来自整个石竹目的物种以及过去存在的化石物种。
然后，他们根据物种是否：产生或不产生甜菜碱；是或不是多汁的；并且耐旱或不耐旱。研究人员随后重建了甜菜碱、肉质和耐旱性的进化。
“当我们这样做时，我们发现石竹目中甜菜碱的进化确实与耐旱性密切相关，并且在继续耐旱的谱系中，甜菜碱色素沉着似乎以更高的速度获得，”Carruthers 说。
Carruthers 表示，甜菜红素色素的作用可能是吸收植物在压力下产生的有害代谢副产物——例如，当植物缺水或光合作用无法正常进行时。研究人员还在实验室中证明，植物细胞中甜菜碱的积累可能有助于细胞从周围环境中吸取水分。
他们的研究还可能提供有关石竹目另一个谜团的信息：该组中的许多植物物种都具有所谓的髓束，这是一种独特的维管组织，遍布植物的茎。
“没有人完全了解这种组织的作用，但可以合理地假设它与水的运输或储存有关，”卡拉瑟斯说。 “我们展示的一件事是，大多数具有这种奇怪脉管系统的物种也含有甜菜碱色素。同样，你会得到甜菜碱之间的另一种联系，它是所有其他奇怪现象（如髓束和肉质）进化的先驱。”
研究人员表示，这项研究证明了不同性状之间复杂的相互作用如何促进植物的整体进化。
“我们经常观察仙人掌或其他多肉植物，并关注明显的适应性，例如厚实的储水茎或叶。但这些特征可能只有由于早期进化的不太明显的创新才成为可能，”史密斯说。 “我们的研究让我们对植物如何占据地球上一些最恶劣的环境有了更丰富的了解。”