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光采集

JoVE 核
生物学
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植物的叶子在形状、大小 和方向上表现出惊人的多样性 观赏性大黄大叶蚁塔的叶子 呈水平生长 尺寸可达2.5米乘4米 有些草的叶子却很短、垂直于地面 叶子的构成为何有如此丰富的多样性? 阳光在光合作用中 对葡萄糖的 形成至关重要 因此 植物需要有效捕获阳光才能 茁壮成长 叶子是特殊的植物结构 充满了许多含叶绿素的细胞 负责捕获阳光 通常 植物越高叶片越大 捕获的阳光也越多 然而叶片越大 蒸发的水分 也越多 从而增加水的总需求 虽然较高植物的光照竞争比较小 却需要更坚实的根系 和适应力才能长距离运送水分 大叶在潮湿环境很常见 比如 大叶蚁塔就是原产于巴西的 山地雨林 相反 生长于干旱环境的植物 进化出了尽可能减少 水分散失的策略 正因如此沙漠植物比如杂酚油木的叶子 才会相对较小 展现的表面积也较小 叶序 即一根叶柄上的叶片的排列 有助于优化光的吸收 被子植物的叶子通常有三种排列形式 轮生、互生和对生 吸收光线的效率 可通过确定叶面积指数来估算 叶面积指数是指所有叶片的 表面积相对于植株下的地面面积的倍数 叶面积指数为7的植物 能有效地吸收光线 叶片多余和指数较高 会导致低处叶片被遮挡和修剪 叶片形态与大小是由环境 施加的选择压力以及植物物种 独特的进化史所决定 造就了叶片结构的多样性 目的都是有效吸收阳光进行光合作用

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光采集

为了产生葡萄糖,植物需要捕获足够的光能。许多现代植物已经进化出专门用于光获取的叶子。叶子的宽度只能是毫米或几十米宽,这取决于环境。由于对阳光的竞争,进化推动了越来越大的叶子和更高植物的进化,以避免被邻居用污染物的污染来阐述根部结构和运输水和养分的机制。

由于较大的叶子更容易被水损失,因此最大的叶子通常存在于雨量丰富的植物中。在最干燥的环境中,多汁的叶绿体位于植物的茎中,最大限度地减少了蒸发。叶子对太阳的方向也会影响光线的获取。在阳光特别充足的环境中,水平方向的叶子容易过度脱水。在这些环境中,像草原一样,当太阳在天空中低空时,树叶可以垂直方向捕捉光线,从而减少太阳的伤害。

光捕获也可以通过植物叶对茎的定位来优化;茎上的叶子排列称为植物税。备用植物税描述了单个叶子从茎上的单个位置出现的情况。有些植物表现出相反的植物,其中两片叶子从同一位置以相反的方向出现。当几片叶子从茎的同一点浮现时, 就被旋转了。植物激素奥辛控制叶子从植物茎中产生的模式。

叶面积指数 (LAI) 是光捕获效率的表示形式。通过测量植物叶子的单边水平表面积,并除以植物覆盖的水平地面面积,生成一个比率。通常,较高的 LAI 表示更高效的光捕获。然而,在大于7的LAI上似乎会导致下叶的遮蔽和修剪,对光线获取没有额外的影响。实际上,LAI 的测量通常通过卫星成像完成,并用于测量生态系统的生产力。

Suggested Reading

Traas, J. Phyllotaxis. Development. 2013 Jan 15;140(2):249-53. [Source]

Blancon, J. et al. A High-Throughput Model-Assisted Method for Phenotyping Maize Green Leaf Area Index Dynamics Using Unmanned Aerial Vehicle Imagery. Front Plant Sci. 2019 Jun 6;10:685. [Source]