近日，伟德国际官网蒋国凤教授团队在植物水力生理学研究中取得重要进展，相关成果以“Hydraulic architecture traits influence the co-optimization of efficiency and safety incycads”为题，在线发表于国际植物学权威期刊Plant Physiology。该研究通过对20种苏铁叶轴解剖结构的系统分析，揭示了导管组织分配与连通性在调控水力效率与安全性协同优化中的核心作用，为理解古老植物类群应对干旱胁迫的适应策略提供了全新认知。

苏铁是地球上现存最古老的种子植物之一，起源于石炭纪，全球现存约380种，分属苏铁科和泽米铁科两科。然而，当前71%的苏铁物种面临灭绝威胁。在全球干旱日益加剧的背景下，厘清苏铁的水力适应机制对其保护具有重要现实意义。苏铁叶轴具有独特的“Ω”形维管束排列，其维管组织以原生木质部为主，在结构上与蕨类植物相似，这使其成为研究植物水力演化关键节点的理想材料。

本研究以20种苏铁为对象，涵盖苏铁科与泽米铁科共5个属。研究团队通过叶轴横切面解剖成像，从三个层级（图1）量化苏铁的水力结构设计——基础叶轴分割度、维管束解剖分割度与组织学分割度，并系统测定了导管腔占比、韧皮部占比等组织分配指标，以及导管-韧皮部连通性、导管-薄壁细胞连通性等组织连通性指标。同时，结合团队前期已建立的栓塞脆弱性曲线数据，全面解析了水力结构特征与抗旱功能之间的内在关联。

图1.苏铁植物叶轴水力结构三个层级的解剖特征

研究发现，苏铁叶轴中更高比例的导管腔面积与更强的栓塞抵抗能力显著相关——导管腔占比越高的物种，其水分传导系统在干旱条件下越不容易发生栓塞效应。与此同时，导管与韧皮部之间连通性更强的物种，表现出更高的水力效率和更强的栓塞抵抗能力。值得注意的是，导管与薄壁细胞之间的连通性增强反而与更低的栓塞抵抗能力相关。这一发现与在被子植物中观察到的规律有所不同，提示不同植物类群中组织连通性的功能角色存在差异。

研究还发现，水力结构设计的三个层级指标（基础叶轴分割度、维管束解剖分割度与组织学分割度）与栓塞抗性之间均无显著相关性。这表明在苏铁中，整体维管束的“空间构型”并非决定抗旱能力的关键因素，真正发挥主导作用的是导管组织自身--即导管腔的空间占比及其与周边组织的连通方式。

值得关注的是，苏铁科与泽米科两大分支演化出了截然不同的水力策略。苏铁科物种多分布于相对湿润的生境，其导管腔占比和导管-韧皮部连通性更高，倾向于“高效运输”路线。而泽米科物种多分布于干旱地区，表现出更高的解剖分割度、导管壁占比以及导管-薄壁细胞连通性，倾向于“结构加固”路线。这种策略分化反映了两个家族在长期演化中对不同水分条件的适应性选择。

研究团队进一步将20种苏铁的水力数据置于全球植物水力效率-安全权衡框架中进行分析（图2）。结果发现，苏铁距离全球水力效率-安全权衡边界线的距离显著长于蕨类植物和非苏铁裸子植物，与被子植物相当。这意味着苏铁受效率-安全权衡的约束相对较弱，在水分运输策略上具有更大的灵活性。分析表明，这种偏离权衡边界的程度与组织层面的导管腔占比、韧皮部占比，以及细胞层面的纹孔膜面积和纹孔膜占比密切相关。

图2.苏铁植物在水力权衡边界线上的位置及其与边界线的距离

据此，研究团队提出工作模型：在苏铁叶轴中，导管腔占比与导管-韧皮部连通性共同构成了调控水力功能的核心枢纽——导管腔占比决定了水分运输的“容量上限”，而导管-韧皮部连通性则决定了水分与信号在干旱胁迫下协同响应的“效率上限”。导管腔占比更高的物种能够维持更充沛的导水能力，导管-韧皮部连通性更强的物种能够在干旱来临时更迅速地启动系统性响应。两大科之间的策略分化——苏铁科偏向“高效运输”、泽米科偏向“结构加固”——进一步说明在不同水分生境下，这两套调控轴存在差异化权重。

该研究拓宽了对古老植物类群水力适应机制的传统认知：苏铁并不依赖整体维管束构型的复杂化来应对干旱，而是通过导管组织自身的空间分配与连通性优化，实现水力效率与安全性的协同提升。这一发现为理解植物水分运输系统的演化路径提供了关键线索，也为苏铁这一珍稀濒危植物类群的迁地保护和野外回归提供了重要的生理学依据。

伟德国际1946源于英国博士研究生庞玉堃、林学24级本科生班川二为论文共同第一作者，伟德国际1946源于英国蒋国凤教授、招礼军教授以及广西工业职业技术学院许黎明教授为论文共同通讯作者。本研究得到广西自然科学基金重点项目（2022GXNSFDA035059）、广西科技基地和人才专项（桂科AD25069066）、广西科技计划项目（桂科AD25069098），以及国家自然科学基金（32460373）等的共同资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiag518