你能想象有一种植物,在恐龙还未灭绝的时代就存在,经过了漫长的历史长河,现在仍然存在在世界上吗?这是具有世界上最长寿叶子的植物——百岁兰,距今,年龄最大的百岁兰已经有2000多岁了。
虽然它名字叫百岁兰Welwitschia mirabilis,但实际上它不仅仅能活一百岁。通过碳14定年法的测量,研究者发现有些百岁兰其实已经五、六百岁了,而更大的百岁兰很有可能活到2000-3000年以上
目前世界上最大的百岁兰,已经约1500岁了| Wiki
百岁兰的学名中隐藏了一段故事,19世纪,奥地利的植物学家弗里德里希•韦尔维奇(Frederich Welwitschia)在非洲发现了一种奇怪的生物,它看起来像是长在沙漠里的章鱼,浑身布满卷曲分裂的叶子。植物学家既震撼,又恐惧,甚至“只能跪在地上,什么也做不了,唯恐一碰就会发现这种植物只是想象中虚构出来的。”之后,百岁兰的学名以植物学家韦尔维奇命名,而mirabilis就是奇迹般的(miraculous)百岁兰的学名正是“韦尔维奇发现的神奇植物”:Welwitschia mirabilis
这种植物生长在非洲南部,安哥拉和纳米比亚沿岸的纳米布沙漠地区。纳米布沙漠是世界上最古老的沙漠之一,并且完全就是一片荒芜之地,年降水量低于25mm。为了在这样的恶劣环境中存活下来,百岁兰进化出了奇怪的形态:一个短矮而粗壮的倒锥形树干极长的主根用来吸收地下的水分,当然,最重要的还是它有两片永远不会脱落的叶子
百岁兰的结构| The Welwitschia genome reveals a unique biologyunderpinning extreme longevity in deserts
在南非的语言中,百岁兰也被叫做“twee blaar kanniedood”,大意是“两片不会死的叶子”。的确如此,百岁兰终生只有两片叶子,能够持续生长数千年不会脱落。有人猜测,这是由于热带植物不需要像温带植物一样通过落叶来抵抗寒冷,并且一年四季也不会缺水。不过,在这种干旱到荒无人烟的沙漠中,它究竟是如何吸收水分的呢?
百岁兰:不仅没秃,甚至这头长发还有点飘逸| Wiki
百岁兰的根系非常发达,不仅有深入地下能够接触到地下水的主根,同时,在这片近海的沙漠中,虽然百岁兰叶片表面的气孔会因为省水而关闭,但靠近地面的须根会充分吸收清晨带来的海雾以保持湿润。
不只是百岁兰,其实世界上很多生长在非常干旱地区的植物都有自己的省水技巧——景天酸代谢(Crassulacean acid metabolism,CAM)。在干旱环境中,进行CAM的植物会在白天保持叶片气孔的关闭,减少水分的蒸发,而在晚上,气孔打开吸收二氧化碳,这些二氧化碳会以苹果酸的形式储存在液泡中,到了白天后重新转化为二氧化碳,以供光合作用消耗。生长在干旱沙漠中的仙人掌、多肉植物都是使用这种方式来储存体内的水分。之所以被称为“景天酸代谢”,是由于这种酸代谢机制最早是在景天科植物中发现的。
生长在热带干旱地区的多肉植物,为了适应生存,发展出了一种独特的生存策略:景天酸代谢| Pixabay
虽然百岁兰看起来有一头浓密的长发,但也就是看起来多,实际上它只有两根而已。叶片基部的分生细胞会不断产生新的叶片组织,支持它持续生长。而当叶片尾端的那些细胞凋亡后,叶片尾部就会逐渐枯萎,展现出像是被烧焦的形态。但是依旧不会脱落,而这,其实也是百岁兰神秘的生存策略之一。
它真的只有两片叶子,看起来浓密可能只是因为叶子太长了……| Wiki
在中科院中-非联合研究中心的组织下,深圳中科院仙湖植物园万涛研究员团队、中国科学院武汉植物园王青锋研究员团队、以及纳米比亚Gobabeb研究中心、英国Kew皇家植物园、中国科学院植物研究所等单位的科学家启动了对于百岁兰的研究,从百岁兰基因组的角度上探究它的演化历史,以及生态适应性
科学家们发现,百岁兰的基因组呈现极端重度甲基化。所谓基因的甲基化,就是给原本的DNA加上甲基,而这会影响基因的表达,让它没有办法发挥遗传物质本该有的作用。简单点来说其实就是不让原有的基因正常工作了。
叶片尾端真的会有种像被烧焦一样的形态| [email protected] Tamming
这种甲基化能够保持基因组的完整性,还能避免DNA的有害突变。另外,重度甲基化加速了百岁兰基因组的脱氨作用。通常来说,当构成DNA的胞嘧啶(C)脱氨后会转化为尿嘧啶(U),因此,百岁兰基因组中的G-C含量异常地低。
在漫长的发展过程中,百岁兰的基因组向着越来越简单,并且“低能耗”的方向演化
这是因为,对于生命来说,DNA复制就是最基本的生命活动。因此拥有更多的遗传物质就意味着要消耗大量的能量。在沙漠这样恶劣的环境中的百岁兰想要生存下去,就需要找到一个低成本的能量消耗策略。
其他基因也发生了一些变化,比如说植物分生组织相关的细胞,它可以让百岁兰的两片叶子长久不断地获得新分化的叶片细胞,持续生长几千年。另外,它抗热、并且高度木质化的叶片也能够适应极端干旱的环境。
而这样一种经历了漫长岁月,能够忍受极端环境的长寿植物,由于太过独特,以致于它属于百岁兰目、百岁兰科、百岁兰属,在这个大分类中,只有百岁兰这一个独苗。也许当我们看到这样一株穿越上千年的生命,也会像19世纪的韦尔维奇第一次发现百岁兰时一样感到震撼。
小声:百岁兰只有两根头发却还没秃。
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