高等植物才有！为啥植硅体能揭开水稻栽培史？

撰文丨史军

临沂大学资源环境学院教授于禄鹏团队与中国科学院地质与地球物理研究所、浙江省文物考古研究所等13个单位的研究人员在国际期刊《科学》上发文，揭示10万年间水稻从野生到驯化的演化史。而打开这个神秘黑箱的钥匙，居然是肉眼不可见的植硅体。

什么是植硅体？植硅体是出现在多种高等植物的细胞内和细胞间隙之间的一些显微结构，它的主要的成分是二氧化硅，跟我们平常见到的沙子的主要成分是一样的。只不过说，这些二氧化硅是填充在了细胞的间隙以及一些细胞的内部，形成了特殊一些结构。

注意，并不是所有植物都有植硅体。只有是高等植物，也就是说，具有维管束的植物才有植硅体，包括蕨类植物，裸子植物和被子植物，而苔藓植物和绿藻体内就没有植硅体。

植物为什么要进化出植硅体呢？

对植物来说，植硅体主要有两个方面的用途，一是提升植物的机械强度，让身板硬起来；二是防御动物啃食，把盔甲穿起来。

植硅体的第一个作用就是让植物硬起来，可以发挥支撑植物体的的作用。填充在组织中的植硅体呢可以为植物组织提供了强度，面对风吹雨打的时候，也能傲然屹立。简单来说，植硅体，就如同盖高楼大厦的时候填充在钢筋框架之间的混凝土。

植硅体的一个另外一个作用就是防御动物啃食。试想一下，在一盘蔬菜沙拉里面掺进大量的沙子和玻璃，食客就得掂量一下自己的牙口了。即便，有些食草动物去硬吃，也会相当费牙，对动物的生存是不利的。

除了上述两个主要用途，植硅体在植物的体内还承担了抵御外界的微生物侵袭的一部分的作用；同时植硅体还可以吸收和富集一些特定的金属元素，比如说铝元素，来避免这些元素对植物产生。

不得不说，植硅体真是一个多面手。

植硅体最早出现在泥盆纪晚期，这个时期，地球陆地上第一次出现了郁郁葱葱的森林。植硅体为早期石松类植物提供了必要的支撑和对抗植物的武器装备。在之后的植物演化过程中，蕨类植物，裸子植物和被子植物继承了产生植硅体这项技能。

虽然植硅体是植物用来对付动物的武器，但对我们人类来说，植硅体有着很多特殊用途。首先，植硅体是农业生产的小帮手。水稻和小麦的茎杆和叶片上的植硅体，可以帮助它们有效抵御食草昆虫的侵害。那这件事儿来说，我们与小小植硅体竟有着特殊的合作关系。当然了，我们今天还可以利用植硅体进行很多的古植物学，古生态学，以及考古学研究。

在研究古植物的时候，考古学家和古生物学家当然希望在地层中找到植物的花和果实的遗存。但是，花和果实形成化石的条件太苛刻了，即便是叶片形成化石也不容易。所以，到今天，很多科学家已经将目光聚焦在了花粉和植硅体等的植物微化石身上。

在分析了热河鸟胃部化石中的植硅体以后，科研人员发现里面有含有一些木兰科植物的植硅体，也就是说，热河鸟儿居然是吃木兰科植物的叶子，它们的进食方式类似于今天的麝雉。

科学家还在一种叫马鬃龙的恐龙的牙垢里面发现了一些植硅体，那是符合禾本科植物的植硅体特征。这个研究丰富了我们对恐龙食性的认知。之前，我们都认为恐龙是吃裸子植物和蕨类植物。但马鬃龙的主要食物居然是禾本科植物，也就是说在恐龙时代，禾本科植物已经成为一个比较常见的草原植物，并且还是很多恐龙的主食。

在人类遗址当中，如何判断一个水稻遗存是栽培水稻，是野生水稻呢？如果单从水稻籽粒的大小来判断，并不能得出让人信服的证据。因为水稻籽粒的大小随机性非常高，况且，水稻籽粒完整保留下来的可能性本身就不高。

除了籽粒大小，还有一个判断标准，那就是水稻小穗儿结构，上面有没有断裂散播的结构。如果这个断裂结构消失，就说明这些稻谷在成熟的时候，依然会留存在谷穗智商。从这个角度来讲，我们也可以做出判断——这个水稻已经被人为的选择和驯化了。但是水稻的小穗儿结构，想完整的保存下来也很难。那怎么办？我们还要从植硅体上寻找答案。

在水稻的身上，存在于三种不同类型的植硅体。它们分别是，茎和叶子上都有的哑铃形植硅体；分布在水稻的颖壳上的双峰乳突型植硅体；以及分布在叶片上的扇形植硅体。

其中，栽培水稻和野生水稻的哑铃形植硅体几乎没有差别，不堪用；双峰乳突型植硅体在栽培稻和野生稻之间倒是是有非常大的差异的，但是，想发现保存好的颖壳，相当困难，也不堪用。

突破口出现在扇形植硅体上，它们的边缘有很多鱼鳞状纹饰，这就是判别野生稻和栽培稻的一个非常典型的特征。通常来说，野生稻的鱼鳞纹饰数量是少于9，而栽培稻的鱼鳞纹饰数量通常是8~14。虽然两者数量有重叠，但栽培稻的还是要更多一些。这个特征就成为判别水稻是否被驯化的关键特征了。

除了判读水稻是否被驯化，水稻植硅体还能帮助我们重建水稻的驯化过程时间线。在传统研究中，如何确定人类遗址中水稻遗存的确切年龄，是摆在研究人员面前的大问题。因为在漫长地质年代中，地层运动会让植物体埋藏位置发生变化，从而影响科研人员的判断。这个时候，植硅体作用就出现了。

植硅体中的二氧化硅能够在吸收周围的环境辐射能量，并将其储存起来，在特定辐射激发之后，这些储存的能量以光的形式将能量释放出来，这种现象叫做光释光现象。释放出光的强度，与之前储存的能量总量有关。科研人员通过分析埋藏地点周边的环境能够给予植硅体的的辐射条件，可以得出一个植硅体每年储存的能量年剂量。将植硅体的总的能量除以年剂量，就可以得出相应的埋藏时间了。

在本次研究中，考古遗址中的石英具有良好的发光表现，在吸收同等辐射剂量情况下能发出更多光信号，这意味着研究人员可以对单个颗粒或少数几个颗粒的石英进行精确的年代测试。利用单颗粒技术，研究人员成功区分出混杂在一起的不同年代的石英颗粒，有效解决了地层扰动带来的问题，准确测定了关键层位的年代，从而测出水稻的真实“年龄”。

利用10万年来不同水稻植硅体建立一个演化序列，就可以帮助我们更好地理解水稻驯化的过程了。

小小的植硅体身上，藏着大大的演化故事，这是我们之前都想不到的事情。在未来，随着对植硅体的研究的深入，一定会带给我们更多新的惊喜。