伊丽莎白·凯洛格在1983年完成她的博士学位时，她担心自己的技能已经过时。凯洛格研究植物形态学和系统学：仔细观察植物令人眼花缭乱的各种物理形态，以梳理出不同物种之间的关系。但是她的大部分同事已经转向了一种新的方法：分子生物学。“突然之间，每个工作都需要分子技术，”她说。“这就像我学会了如何制作手绘泥金装饰手稿，然后有人发明了印刷机。”
凯洛格毕业时正值植物生物学革命的开端。在接下来的几十年里，随着研究人员采用分子工具和DNA测序，对植物物理性状的详细分析逐渐过时。并且由于许多遗传学家只研究少数关键生物，例如拟南芥Arabidopsis thaliana，他们不需要比较和对比不同植物物种的专业知识。在大学里，植物学系逐渐萎缩，而分子生物学系则不断壮大。现在在密苏里州圣路易斯的唐纳德·丹福斯植物科学中心工作的凯洛格进行了调整：她接受了基因组学，并将其与她的形态学技能相结合，以追踪粮食作物野生近缘种的关键性状的演变。
但最近，凯洛格注意到人们对旧方法重新产生了兴趣。成像技术的进步——使研究人员能够以3D形式观察植物内部结构——意味着生物学家再次寻求植物生理学和形态学方面的专业知识。而基因编辑和测序技术的改进使得遗传学家能够对更广泛的植物群的DNA进行修饰，从而激发了他们对理解植物多样性的新渴望。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
植物生物学家希望，通过将新的植物学方法与来自基因组学和成像实验室的数据相结合，他们可以为生物学家提出了100多年的问题提供更好的答案：基因和环境如何塑造植物丰富的物理形态多样性。“人们开始超越他们自己的系统，将植物视为一个整体，”凯洛格说。植物形态学曾经是一门为了形式而形式的科学，她说，但现在，它正在被用于理解植物性状如何与不同物种的基因活动联系起来。“它正在回归——只是以不同的伪装形式出现。”
植物学 2.0
植物形态学家的根源可以追溯到十八世纪的德国哲学家和诗人约翰·沃尔夫冈·冯·歌德，他深入研究了植物多样性的广度，并开始寻找一种原型植物，所有形式都可以从中衍生出来。
那个浪漫的想法没有实现，但科学家们继续采用他比较植物结构和功能的方法，以了解更多关于它们如何进化和发展的信息。开花植物的进化后来困扰了查尔斯·达尔文，他将如此广泛的花朵形状、颜色和授粉策略的快速扩张称之为“可恶的谜团”。
尽管基因组学时代导致许多植物生物学家远离了形态学，但最新一代的技术进步正在引导他们回到歌德和达尔文曾经关注的问题上。
其中最突出的是计算机断层扫描 (CT) 扫描仪，它可以创建内部植物结构的 3D 重建，而不会破坏组织。例如，在维也纳大学，植物形态学家扬尼克·斯塔德勒使用 CT 扫描仪来分析欧洲一种欺骗性兰花的秘密。虽然许多兰花通过花蜜来奖励昆虫传粉者，但其他兰花则模仿配偶或富含花蜜的花朵 但不提供奖励。早在达尔文时代，生物学家就想知道这些“欺骗性兰花”是如何茁壮成长的，因为昆虫不太可能多次访问它们。斯塔德勒的研究表明，这种兰花可能会产生更多的胚珠（卵巢中变成种子的部分），可能是为了补偿降低的授粉率1。
康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的植物形态学家埃里卡·爱德华兹正在使用 CT 扫描仪来分析叶子的形状如何可能受到它们在花蕾的受限空间内早期发育的影响。植物学家们一个世纪以来就注意到，更多的锯齿状、有齿的叶子出现在北部寒冷地区，而更光滑的叶子则出现在潮湿的热带森林中——但目前尚不清楚原因。爱德华兹希望解开这种联系。
一些研究人员正在将 3D 成像和分子工具结合起来。在英国诺维奇的约翰·英纳斯中心，恩里科·科恩的花卉发育实验室使用一种称为光学投影断层扫描的技术来捕获植物生长过程中的 3D 图像。它还可以对在花朵内部翻找或被困在食肉植物内部的昆虫传粉者进行成像。与此同时，该小组正在通过使用荧光标记标记关键蛋白质来监测植物中的基因活动。科恩说，通过将经典的形态学研究与 3D 成像和发育生物学的见解相结合，该小组希望更多地了解产生植物形态的机制。例如，在一项研究中，他和他的合作者监测了大麦花的生长发育，并解释了为什么在尼泊尔 1830 年代首次发现的一种大麦突变体中，这种过程会出现差错。
其他新的成像技术直接旨在改进作物育种。在德国于利希的田地里，装有热成像相机的无人机和小型飞艇在植物上空飞行，而被称为 FieldCops 的无人驾驶车辆则在地面巡逻时携带传感器。于利希植物表型中心所做的努力是快速收集关于植物性状数据的日益增长的运动的一部分。最初，这些包括有限范围的特征，例如生长速度或产生的种子数量。但是，比利时根特大学的植物分子生物学家德克·因泽指出，无人机和机器人已经配备了越来越复杂的传感器。现在，一些传感器能够使用激光扫描仪和深度传感器收集关于植物结构的数据，例如分枝和叶片形状。类似的扫描仪也已用于实验室种植的植物中，以分析叶片的节律性生长，并将这种生长与特定的蛋白质复合物联系起来。
从基因组到模式
分子实验室也可能会感受到回到植物学的吸引力，因为与基因组学的其他领域一样，读取 DNA 变得非常便宜，仅仅对植物物种进行测序本身不再是目的。第一株发表的植物基因组——拟南芥的基因组——出现在 2000 年，此后已经对 250 多种植物物种进行了测序。现在，马萨诸塞州波士顿哈佛大学阿诺德植物园的馆长威廉·弗里德曼说，“人们想问的是基因组如何解释进化和模式。”
例如，在 2017 年，宣布兰花Apostasia shenzhenica基因组的出版物中，包括了对可能负责兰花形态独特方面的基因的分析。其中包括唇瓣，它是兰花花朵的一部分，可以吸引昆虫并充当着陆垫。
德国科隆马克斯·普朗克植物育种研究所的米尔托斯·齐安蒂斯说：“现在可以了解遗传变化影响形式的途径。” 2014 年，他的实验室使用遗传学和延时成像技术，研究了芥菜物种Cardamine hirsuta中的特定基因如何通过限制叶缘的细胞生长来影响叶片形状。虽然C. hirsuta的叶片以茎周围一系列小叶的形式生长，但该基因的缺失导致了在拟南芥中发现的简单的椭圆形叶片。
现在在密歇根州东兰辛的密歇根州立大学的植物形态学家丹·奇特伍德利用测序能力来研究Caulerpa taxifolia中的基因表达，这是一种海藻，它由一个巨大的单细胞形成复杂的结构，包括茎和蕨类植物状的叶片。一些生物学家认为细胞分裂的数量和速度决定了植物的形态。但是奇特伍德的研究表明，单细胞海藻中的基因表达方式与多细胞植物中相似结构的基因表达方式相呼应——表明分裂的细胞不一定总是决定形态。
改进的分子工具现在使得在以前难以操作的植物中调整 DNA 成为可能。基因组编辑工具 CRISPR–Cas9使得研究人员能够调整各种植物中的特定基因。例如，研究人员已经用它将紫色的牵牛花变成白色，并改变了参与兰花细胞壁构建的基因。
但是，纽约州伊萨卡康奈尔大学研究植物进化的卡尔·尼克拉斯说，遗传学家需要复习他们的植物学技能，以了解这些实验的全部含义。研究人员通常会敲除基因以确定它们如何影响植物的形状或功能。尼克拉斯说：“如果你真的没有能力诊断形态或解剖结构，你真的不知道自己在看什么。”
他回忆起有一次，一位学生带着一种玉米突变体来找他，以展示木质部（将水和营养物质从根部输送到植物其余部分的管道集合）是如何变形的。但是，该学生实际上在看正常的韧皮部，这是另一种具有不同结构的血管网络，用于分配在叶片中形成的营养物质。“你知道，这只会让你感到非常难受，”他说。
同样在康奈尔大学的植物生物学家切尔西·斯佩希特说，当研究人员不花时间考虑自然界中植物形态的多样性时，他们也会有所损失。她看到了一些案例，其中科学家没有意识到他们的基因突变体——例如，具有改变的分枝模式的拟南芥突变体——正在重复其他谱系中发现的天然植物形态。她说，当发生这种情况时，研究人员会错失将性状放入进化背景下的机会。
植物学训练营
对专业知识逐渐衰退的担忧令弗里德曼深感不安，因此，在2013年，他和他的妻子，康涅狄格大学斯托尔斯分校的植物形态学家帕梅拉·迪格尔，为生物学家们开设了一个强化植物学训练营。“作为一名学者，我的使命之一就是让这些知识得以延续，”迪格尔说，“在社群中保持这些信息的活力非常重要。”
该项目最初由美国国家科学基金会资助，英国兰开斯特的植物科学非营利组织“新植物学家信托”计划从今年起承担费用。每年大约招收十几名科学家，其中一些来自通常专注于分子生物学和基因组学的实验室。弗里德曼说，该课程的申请人数通常是录取人数的六倍左右。
进化遗传学家杰米·科斯丘因在2013年参加了该课程，目的是获得探索茄属植物花卉性状所需的技能。这些物种与西红柿和土豆等厨房主食同属一科，但它们的花朵具有显著且最近进化出的多样性。有些是扁平的，有些是管状的；有些用粘稠的橙色花蜜奖励传粉者，有些则渗出鲜红色的甜品。
“它们的花朵变异非常疯狂，以前没有人研究过，”科斯丘因说，“我想了解这种多样性从何而来。”她在博士论文中利用自己的植物形态学训练详细描述了五种茄属植物花朵的发育过程。现在，作为佛蒙特大学伯灵顿分校的博士后，她正在研究各种花蜜成分，并对大量花朵形状进行基因分析。
弗里德曼希望其他人能追随科斯丘因的脚步，将这些方法与经典的比较技术结合起来，从而对困扰研究人员数十年的问题产生新的见解。“第一朵花是什么样子的？你或许可以打开一本1900年的书，仍然会看到人们当时在问关于基本植物结构的相同问题，”他说，“我们现在知道的更多了，但我们不一定知道答案。”
本文经许可转载，最初于2018年1月23日首次发表。