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试着想象一丛小草：如果从扁平的绿色叶片向下延伸 ， 会发现它们在近地面处与一根坚固的管子汇合 。 这根管子由下面的叶子卷曲而成 ， 叫做叶鞘（sheath） ， 是演化上的一个成功案例 。 叶鞘使草的生长点位于基部 ， 而大多数开花植物的生长点则在茎 。 叶鞘可以保护嫩芽 ， 增强茎的机械支持力 ， 从而使成熟的叶片“站直”以争夺阳光 。 这种生存策略使草坪能在修剪后再长出来 ， 也使草原比其他竞争对手（生长点为茎的植物）更能忍受放牧和野火 。 因此 ， 草原占到了地球陆地四分之一的面积 。
科学家一直在争论叶鞘的演化起源 。 叶鞘是所有禾本科植物（包括玉米、小麦和竹子）都具有的结构 。 最近 ， 一项发表于《科学》（Science）的研究表示 ， 决定叶鞘出现和控制叶子其他部分的发育的遗传模式相同 。 英国爱丁堡大学的发育遗传学家安妮丝·理查森（AnnisRichardson ， 这项研究的第一作者）说：“叶鞘的形成并不是因为植物找到了新东西 ， 然后引入到自己的基因组 。 相反 ， 只是因为基因组的连接发生了扭转 。 ”
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理查森和同事首先拍摄了玉米幼苗的3D图像 ， 然后利用可用于模拟植物发育的计算机模型对这些图像进行重建 。 通过比较模型模拟和实验观察的结果 ， 例如植物中被激活的基因的位置 ， 和基因突变对叶子形状的影响 ， 研究人员进一步改进了计算机模型 。 在模型得到优化后 ， 他们便把叶鞘作为主要的研究对象 。
19世纪的植物学家认为 ， 从演化的角度看 ， 禾本科植物的叶鞘相当于叶柄 ， 叶柄是常见的植物中连接叶片与茎的部分 。 后来 ， 有许多科学家根据叶脉推断 ， 事实上除了叶鞘外 ， 禾本科植物的叶子 ， 或者说叶子的大部分组成 ， 都相当于叶柄 。 理查森和同事通过计算机模型检验了这两种理论 。 他们发现采用19世纪时提出的假设 ， 能得到最简单的演化路径 ， 其中只涉及对禾本科植物基因蓝图的细微改变 。
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【叶鞘到底是如何形成的？】美国宾夕法尼亚大学的发育生物学家阿曼·赫斯本兹（AmanHusbands ， 未参与这项研究）说 ， 这项研究结合了其他与叶子相关的研究结果 ， 然后“把这些数据都放进了一个模型中 ， 从而使这个模型能够解释禾本科植物叶子的形状 。 ”
理查森说 ， 深入理解控制叶子发育的因素有助于科学家设计出更优质的作物 。 明确叶鞘的起源 ， 也有助于阐明禾本科植物的演化历程 。 禾本科植物坚固的结构对地球景观和生物具有巨大的价值 ， 例如人类所需能量的一半都来自种植的禾本科粮食作物 。 “现在我们明白 ， 形成这种形状的叶子其实并不困难 。 ”她补充道 。
撰文：朱莉娅·罗森（JuliaRosen）
翻译：黄晨
审校：王昱
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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