植物用数百万张小嘴“呼吸”——激光照亮气孔行为的进化

与动物的疯狂行为相比，植物的行为似乎相当无聊。然而，我们的蔬菜朋友的生活充满了令人兴奋的动作，他们不知疲倦地养活了整个生物圈（包括我们）。它只需要更多的努力来欣赏

其中一种行为是位于每片叶子上的数百万个小嘴（称为气孔）的动态打开和关闭，植物通过这些小嘴“呼吸”。在这个过程中，它们释放出从土壤中提取的水，以换取空气中宝贵的二氧化碳，它们需要这些二氧化碳在阳光驱动的光合作用过程中产生糖

在错误的时间打开气孔会浪费宝贵的水，并有可能使植物的维管系统发生灾难性的干燥。几乎所有的陆生植物都非常精确地控制它们的气孔，以响应光和湿度，从而优化生长，同时最大限度地降低损害风险

植物如何进化出这种非凡的平衡行为一直是科学家们争论不休的话题。在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇新论文中，我们使用激光来找出最早的气孔可能是如何运作的

微小的阀门，全球后果

很大程度上取决于气孔的行为方式：植物生产力、对干旱的敏感性，以及全球碳和水循环的速度

然而，在实际操作中很难观察到它们。每个气孔都像一个微小的压力操作阀。它们在开口或孔隙周围有“保卫细胞”，可以让水蒸气排出，二氧化碳进入。

当气孔保卫细胞内的流体压力增加时，它们会膨胀以打开孔隙。当压力下降时，细胞收缩，毛孔闭合。为了了解气孔行为，我们希望能够测量保卫细胞中的压力，但这并不容易

激光、气泡和进化

耶鲁大学的克雷格·布罗德森用一种新开发的显微镜引导激光进入了这个领域。它可以在操作气孔的单个细胞内产生微观气泡

当布罗德森在塔斯马尼亚大学（我所在的地方）休假时，我们发现我们可以通过追踪这些气泡的大小及其破裂的速度来确定气孔细胞内的压力。这涉及由格勒诺布尔法国国家科学研究中心（CNRS）的泡沫专家Philippe Marmottant指导的理论计算

这个新工具为我们提供了一个绝佳的机会来探索气孔的行为在主要植物群体中是如何不同的。目的是检验我们的假设，即气孔行为的进化在植物进化史上遵循可预测的轨迹

我们认为，它始于一种相对简单的祖先被动控制状态，目前在活着的蕨类植物和石松植物中表现出来，并发展成为现代针叶树和开花植物中看到的更积极的激素控制机制

针对这一假设，一些研究人员此前报道了一些最古老的气孔植物苔藓植物的复杂行为。我们想用我们新开发的激光仪器来测试这一发现

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经过4亿年的发展，我们首先发现我们的激光压力探针技术非常有效。在几个月的时间里，我们对气孔压力动态进行了近500次测量。与过去45年相比，这是一个显著的进步，在过去的45年里，进行了不到30次类似的测量

其次，我们发现我们的代表性苔藓植物（角苔和苔藓）的气孔甚至缺乏所有其他陆生植物对光的最基本反应

这一结果支持了我们早期的假设，即4.5亿年前在现代苔藓植物祖先中发现的第一个气孔应该是非常简单的阀门。它们将缺乏现代开花植物中常见的复杂行为

我们的研究结果表明，气孔行为在进化过程中发生了重大变化，突出了目前居住在地球上的不同主要陆地植物群中保留的功能的关键变化

植物将如何在未来生存

我们现在可以自信地说，苔藓、蕨类植物、针叶树和开花植物的气孔都以非常不同的方式表现。这有一个重要的推论：它们现在和不久的将来都会对大气温度和水资源可用性的剧烈变化做出不同的反应。预测未来的气孔行为将有助于我们预测这些影响并突出植物的脆弱性

就农业效益而言，我们的新激光方法应该足够快速和灵敏，能够揭示密切相关植物行为的微小差异。这可能有助于识别以更有效或更富有成效的方式用水的作物变种，这将有助于植物育种者找到更好地将日益不可预测的土壤供水转化为食物的品种

所以下次你看一片叶子的时候，想想数以百万计的小嘴巴的动态计算和调整的疯狂步伐，当你的呼吸落在它们身上时，它们会做出反应。要意识到，我们自己的命运与未来气候下森林和作物的表现息息相关，取决于不同物种气孔的行为。我们有充分的理由了解这些不起眼的小阀门 More information: Brodersen, Craig R., In situ cavitation bubble manometry reveals a lack of light-activated guard cell turgor modulation in bryophytes, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2419887122. doi.org/10.1073/pnas.2419887122

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences