气孔大小边界限制揭示森林植物气孔密度与功能间的缩放规律及其进化驱动机制

本研究针对气孔性状缩放关系的进化驱动机制，通过整合生物物理与进化定量遗传模型，对全球2408种森林维管植物进行系统发育比较分析。研究团队提出“气孔面积最小化假说”与“气孔面积适应假说”的竞争模型，最终通过引入气孔大小边界约束条件，构建了“气孔适应+边界限制”合成假说，为理解植物气孔功能进化提供了新范式。

　　

当前主流假说认为，叶片最大碳获取速率与水分流失速率（g_s,max）受气孔几何结构及表皮面积分配（f_S）的约束。根据“气孔面积最小化假说”，更高的g_s,max需要通过增加小型气孔数量来实现，以此在最小化f_S增加的前提下提升气体交换效率。相反，“气孔面积适应假说”则认为g_s,max的提升依赖于更大的气孔表皮面积分配，导致f_S与g_s,max呈正相关。

研究团队通过结合生物物理学与进化定量遗传建模方法，对全球2408种森林维管植物的气孔密度与尺寸进行了系统发育比较分析。模型推导出两个假说的特定假设与预测，并通过实证数据检验。主要发现包括：第一，单一假说均不足以解释观测数据；第二，当气孔尺寸存在边界限制时，传统回归方法无法有效区分假说；第三，通过引入气孔尺寸受广泛边界限制且受自然选择影响的假设，成功整合了两种假说，提出“气孔适应+边界限制”合成假说。

该研究通过数学建模明确竞争假说的前提，揭示现有理论与观测结果的不一致性，并通过系统发育分析构建了关于g_s,max、f_S和气孔尺寸选择的合成模型，深化了对气孔性状缩放规律与进化机制的理解。