高等植物才有！為啥植硅體能揭開水稻栽培史？

撰文丨史軍

臨沂大學資源環(huán)境學院教授于祿鵬團隊與中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、浙江省文物考古研究所等13個單位的研究人員在國際期刊《科學》上發(fā)文，揭示10萬年間水稻從野生到馴化的演化史。而打開這個神秘黑箱的鑰匙，居然是肉眼不可見的植硅體。

什么是植硅體？植硅體是出現(xiàn)在多種高等植物的細胞內(nèi)和細胞間隙之間的一些顯微結(jié)構(gòu)，它的主要的成分是二氧化硅，跟我們平常見到的沙子的主要成分是一樣的。只不過說，這些二氧化硅是填充在了細胞的間隙以及一些細胞的內(nèi)部，形成了特殊一些結(jié)構(gòu)。

注意，并不是所有植物都有植硅體。只有是高等植物，也就是說，具有維管束的植物才有植硅體，包括蕨類植物，裸子植物和被子植物，而苔蘚植物和綠藻體內(nèi)就沒有植硅體。

植物為什么要進化出植硅體呢？

對植物來說，植硅體主要有兩個方面的用途，一是提升植物的機械強度，讓身板硬起來；二是防御動物啃食，把盔甲穿起來。

植硅體的第一個作用就是讓植物硬起來，可以發(fā)揮支撐植物體的的作用。填充在組織中的植硅體呢可以為植物組織提供了強度，面對風吹雨打的時候，也能傲然屹立。簡單來說，植硅體，就如同蓋高樓大廈的時候填充在鋼筋框架之間的混凝土。

植硅體的一個另外一個作用就是防御動物啃食。試想一下，在一盤蔬菜沙拉里面摻進大量的沙子和玻璃，食客就得掂量一下自己的牙口了。即便，有些食草動物去硬吃，也會相當費牙，對動物的生存是不利的。

除了上述兩個主要用途，植硅體在植物的體內(nèi)還承擔了抵御外界的微生物侵襲的一部分的作用；同時植硅體還可以吸收和富集一些特定的金屬元素，比如說鋁元素，來避免這些元素對植物產(chǎn)生。

不得不說，植硅體真是一個多面手。

植硅體最早出現(xiàn)在泥盆紀晚期，這個時期，地球陸地上第一次出現(xiàn)了郁郁蔥蔥的森林。植硅體為早期石松類植物提供了必要的支撐和對抗植物的武器裝備。在之后的植物演化過程中，蕨類植物，裸子植物和被子植物繼承了產(chǎn)生植硅體這項技能。

雖然植硅體是植物用來對付動物的武器，但對我們?nèi)祟悂碚f，植硅體有著很多特殊用途。首先，植硅體是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的小幫手。水稻和小麥的莖桿和葉片上的植硅體，可以幫助它們有效抵御食草昆蟲的侵害。那這件事兒來說，我們與小小植硅體竟有著特殊的合作關(guān)系。當然了，我們今天還可以利用植硅體進行很多的古植物學，古生態(tài)學，以及考古學研究。

在研究古植物的時候，考古學家和古生物學家當然希望在地層中找到植物的花和果實的遺存。但是，花和果實形成化石的條件太苛刻了，即便是葉片形成化石也不容易。所以，到今天，很多科學家已經(jīng)將目光聚焦在了花粉和植硅體等的植物微化石身上。

在分析了熱河鳥胃部化石中的植硅體以后，科研人員發(fā)現(xiàn)里面有含有一些木蘭科植物的植硅體，也就是說，熱河鳥兒居然是吃木蘭科植物的葉子，它們的進食方式類似于今天的麝雉。

科學家還在一種叫馬鬃龍的恐龍的牙垢里面發(fā)現(xiàn)了一些植硅體，那是符合禾本科植物的植硅體特征。這個研究豐富了我們對恐龍食性的認知。之前，我們都認為恐龍是吃裸子植物和蕨類植物。但馬鬃龍的主要食物居然是禾本科植物，也就是說在恐龍時代，禾本科植物已經(jīng)成為一個比較常見的草原植物，并且還是很多恐龍的主食。

在人類遺址當中，如何判斷一個水稻遺存是栽培水稻，是野生水稻呢？如果單從水稻籽粒的大小來判斷，并不能得出讓人信服的證據(jù)。因為水稻籽粒的大小隨機性非常高，況且，水稻籽粒完整保留下來的可能性本身就不高。

除了籽粒大小，還有一個判斷標準，那就是水稻小穗兒結(jié)構(gòu)，上面有沒有斷裂散播的結(jié)構(gòu)。如果這個斷裂結(jié)構(gòu)消失，就說明這些稻谷在成熟的時候，依然會留存在谷穗智商。從這個角度來講，我們也可以做出判斷——這個水稻已經(jīng)被人為的選擇和馴化了。但是水稻的小穗兒結(jié)構(gòu)，想完整的保存下來也很難。那怎么辦？我們還要從植硅體上尋找答案。

在水稻的身上，存在于三種不同類型的植硅體。它們分別是，莖和葉子上都有的啞鈴形植硅體；分布在水稻的穎殼上的雙峰乳突型植硅體；以及分布在葉片上的扇形植硅體。

其中，栽培水稻和野生水稻的啞鈴形植硅體幾乎沒有差別，不堪用；雙峰乳突型植硅體在栽培稻和野生稻之間倒是是有非常大的差異的，但是，想發(fā)現(xiàn)保存好的穎殼，相當困難，也不堪用。

突破口出現(xiàn)在扇形植硅體上，它們的邊緣有很多魚鱗狀紋飾，這就是判別野生稻和栽培稻的一個非常典型的特征。通常來說，野生稻的魚鱗紋飾數(shù)量是少于9，而栽培稻的魚鱗紋飾數(shù)量通常是8~14。雖然兩者數(shù)量有重疊，但栽培稻的還是要更多一些。這個特征就成為判別水稻是否被馴化的關(guān)鍵特征了。

除了判讀水稻是否被馴化，水稻植硅體還能幫助我們重建水稻的馴化過程時間線。在傳統(tǒng)研究中，如何確定人類遺址中水稻遺存的確切年齡，是擺在研究人員面前的大問題。因為在漫長地質(zhì)年代中，地層運動會讓植物體埋藏位置發(fā)生變化，從而影響科研人員的判斷。這個時候，植硅體作用就出現(xiàn)了。

植硅體中的二氧化硅能夠在吸收周圍的環(huán)境輻射能量，并將其儲存起來，在特定輻射激發(fā)之后，這些儲存的能量以光的形式將能量釋放出來，這種現(xiàn)象叫做光釋光現(xiàn)象。釋放出光的強度，與之前儲存的能量總量有關(guān)。科研人員通過分析埋藏地點周邊的環(huán)境能夠給予植硅體的的輻射條件，可以得出一個植硅體每年儲存的能量年劑量。將植硅體的總的能量除以年劑量，就可以得出相應的埋藏時間了。

在本次研究中，考古遺址中的石英具有良好的發(fā)光表現(xiàn)，在吸收同等輻射劑量情況下能發(fā)出更多光信號，這意味著研究人員可以對單個顆?；蛏贁?shù)幾個顆粒的石英進行精確的年代測試。利用單顆粒技術(shù)，研究人員成功區(qū)分出混雜在一起的不同年代的石英顆粒，有效解決了地層擾動帶來的問題，準確測定了關(guān)鍵層位的年代，從而測出水稻的真實“年齡”。

利用10萬年來不同水稻植硅體建立一個演化序列，就可以幫助我們更好地理解水稻馴化的過程了。

小小的植硅體身上，藏著大大的演化故事，這是我們之前都想不到的事情。在未來，隨著對植硅體的研究的深入，一定會帶給我們更多新的驚喜。