原创研究文章

前面。植物科学。，19 December 2022
第二节植物发展和EvoDevo
卷13 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1016195

热带藤本植物的格状茎Condylocarpon guianense(夹竹桃科):由简单的“启停”发育构造的植物制造的安全网

帕特丽夏Soffiatti ^{1 *}，

Emilien堡²，

克里斯汀·海因茨²而且

尼克·p·罗 ²

¹巴西库里蒂巴巴拉那州立联邦大学植物学系
²高德地图，蒙彼利埃大学，CNRS, CIRAD, INRA, IRD，蒙彼利埃，法国

热带藤本植物和藤本植物在爬树过程中进化出了避免机械损伤的机制。我们探索了在热带雨林树冠层中形成棚架的热带攀援植物的机械性能和茎的发育。我们测量了Condylocarpon guianensis(夹竹桃科)，结构复杂通过自支撑的嫩枝，附着的茎，和独立的下垂茎。结果表明，该物种存在一个大小(茎粗)和发育阈值，在该阈值下，植物的嫩枝将从坚硬的嫩枝发育到后来的柔性茎。没有找到支撑物的嫩枝仍然僵硬，变得下垂，留下许多叶子。第二种TYPE II (lianoid)木材的形成是由附着触发的，保证了轻结构芽的灵活性，从自我支撑的搜索器过渡到相互连接的网状网格组件。结果表明，该物种表现出一种“硬连线”的发展，限制了构成藤本植物格架的纤细茎的自我支持生长。该策略与茎缠绕的攀爬模式有关，并促进了在杂乱密集的热带森林栖息地向灵活的格子元素的快速过渡。这些都是容易发生机械扰动的情况通过风的作用，树的倒下，树枝的移动。研究结果表明，一些缠绕藤本植物可以在特定的栖息地进行机械微调，以产生棚架。格子式建筑由嫩芽组成，它们可以发挥非常不同的功能通过微妙的发展变化，确保藤本植物冠层的安全空间占用。

简介

藤本植物和藤本植物以其爬升的生活史而闻名，与自给自足的树木截然不同。幼嫩的嫩枝通常表现出僵硬的特性，并表现出寻找支撑物的圆周运动(达尔文,1867；斯佩克和罗，1999年)．藤本植物的成熟和老茎因其柔韧、灵活(斯佩克和罗，1999年)，以及抗断裂性能(Fisher和Ewers, 1989；普茨和霍尔布鲁克，1991年)．与灌木和乔木相比，藤本植物和藤本植物的一个关键适应特征是设计的经济性，藤本植物的攀爬茎保持细长，但仍然可以到达森林冠层光线充足的表面通过树木提供的机械支撑这种策略的一个潜在缺点是，由于风作用或树枝和树木倒下引起的摇摆运动，细长的茎有机械故障或脱落的风险。事实上，一旦攀缘植物不可逆地附着在树干或树枝上，它就需要能够承受自然栖息地中普遍存在的机械力，导致树木和树枝摇摆。文献中的许多报告都描述了年轻搜索者阶段和老年顺从更灵活阶段的机械和组织多样性(斯佩克和罗，1999年)．然而，对于从刚性属性到遵从性属性的转换点以及究竟是什么导致了这种转换，我们所知甚少。

在许多攀缘植物中，附着器官本身可以保护攀缘植物免受损害或从树上坠落的灾难性后果。例如，在藤本棕榈树中，长卷毛(改良的多刺叶轴)或鞭毛(改良的多刺肥沃轴)可以棘轮并附着在更顶端的一系列脊柱上，如果在张力下的连接变得太紧或摇摆运动暂时将攀登者与宿主树的树枝分开(笨蛋,1990；Isnard和Rowe, 2008)．在波士顿常春藤，Parthenocissus tricuspidata中，附着在分支卷须器官上的胶粘垫在负载时可以以连续的方式失效，从而潜在地避免了攀爬茎从支撑处的灾难性失效，因为整个附着结构不会整体失效(Steinbrecher等人，2010)．攀缘植物中通过茎缠绕附着的，如c . guianense时，阀杆特性从刚性转变为柔顺性(罗和斯佩克，1996年)，但到目前为止，我们还不知道确切的时间。

所谓的藤蔓棚架在热带潮湿的森林中特别常见。在没有合适的寄主或跨越缝隙的情况下，缠绕的物种可以自我形成网络和棚架，这可能有助于它们跨越缝隙(Gallentine等人，2020年)，但这一点仍有待充分了解。它们形成通过同一物种的幼茎和老茎的相互连接网络(自形成的格子)或攀缘植物茎和寄主植物茎的相互连接网络(图1 a - c)．许多藤本植物和藤本植物具有侵入性特征，幼芽可以迅速附着和窒息或覆盖宿主植被(笨蛋,1990；Schnitzer等人，2015)．

图1

图1在法属圭亚那低地热带雨林的藤本植物格状结构。(一)森林边缘的概览，年轻的藤本植物茎形成了广泛的格子状，覆盖了大多数树木的树枝。许多幼芽长有叶子，垂下来或垂下来。(B)森林下层植被中的一个古老的格子状结构。相互连接的茎现在已经成熟，可能由高度柔顺和坚韧的茎属性组成。由于树木倒下和风的作用，棚架可能经历了严重的滑移和部分下降，但仍然有生命，并支撑着上面的冠层中的叶茎。(C)热带雨林树冠表面的藤蔓棚架。整个树冠完全被叶状相互附着的茎所覆盖。其他幼芽“搜寻者”正在穿过缝隙，与邻近的树木相连。

藤本植物的棚架是研究藤本植物幼芽如何从坚硬的、独立的、自我支撑的“搜寻者”过渡到附着的、柔韧的茎的绝佳机会。棚架代表了要采样的区域，在这些区域，幼苗和老芽都很丰富，生长和光照条件相似。以前的研究已经确定了其生命历史中解剖学和茎力学的整体变化(罗和斯佩克，1996年）;本种与其他在系统发育和形态上不同的攀缘植物作了比较(Rowe等人，2004年）;分析了早期硬化型和后期柔韧型木材的化学成分和超微结构(霍夫曼等人，2003年)，并在最近比较了搜寻者茎的长度和范围与其他不同的攀缘植物(Hattermann等人，2022)．一项早期研究(罗和斯佩克，1996年)表明，格状茎幼芽的解剖和力学特性可能发生变化。该研究提到，根据不同幼枝的确切习惯和生长行为，包括同一个体的自支撑、附着和承载支撑，棚架的嫩枝和幼枝的机械性能可能会发生变化(罗和斯佩克，1996年)．

Condylocarpon guianense(夹竹桃科)是一种常见的木本攀缘植物，生长在法属圭亚那(Mori et al.， 1997)．它通过缠绕主茎在宿主支撑上攀爬，在树冠和森林边缘都是常见的格状结构。它很容易在宿主植被(树木)上形成棚架，并在森林边缘和受干扰的边缘地区产生明显的搜索芽。成熟茎c . guianense常见于林下生境的柔韧茎，通常直径大于20厘米。本文主要分析了青藤格状茎的力学性能和组织发育c . guianense．我们的目的是探索格状芽在从自我支撑的搜索阶段到完全附着的茎的关键过渡阶段的发展。这是茎秆力学方面的一个关键的适应性转变，以确保由于宿主枝条的摇摆和运动而容易发生机械故障的年轻格架茎的足够安全。我们旨在解决以下问题:

1)从硬木到柔性木的转换可能的触发因素是什么?它是适应性的吗?它是因为依恋而产生的吗?

2)这种转变在多大程度上影响了杆的刚度，以及在力学变化基础上的组织组织的变化是什么?

3)是否有一个阈值的最大直径和潜在的长度和范围的年轻刚性搜索枝条?此外，如果格子状枝条找不到支撑物会发生什么?

4)从刚性到柔顺的转变是可逆的吗?棚架的嫩枝在附着后会再次变硬吗?

最后，由于攀爬植物能够安全地在不可预测和非结构化的环境中导航，它们在材料科学和机器人技术中越来越受到新的生物启发技术的关注。我们讨论了一些新的生物启发应用的缠绕习惯和网格形成行为的潜力。

材料与方法

材料和地点

我们以森林边缘环境为研究对象，在主城镇卡延西北约140公里的IRD (Institut de Recherche pour le Développement)研究营地设施西南约1公里(5°30′n, 53°00′w)的St. Elie赛道上研究爬树棚架。

材料取样

由于藤本植物的无性系生活史和在森林边缘环境中随意的茎增殖，对藤本植物的茎进行取样并确保取样的是真正独立的个体而不是无性系衍生的分株是特别有问题的。我们选取了四种不同的枝条类别:(i)自养枝条(25株);52个茎节)尚未附着任何支撑物(图2一个）;(ii)垂枝(25株);89茎段):没有找到附着点的茎，不再自我支撑，这样的茎通常是多叶的(图2 b）;(iii)附着的攀爬茎(25只);茎段)依附在茎部生长顶端附近或下方的支撑物上的格状茎(图2 c）;固定茎(25人);65茎段):格架茎，安全地缠绕在段的底部附近的支架上，并缠绕在段的顶部附近的支架上(图2 d)．从由宿主树和茎组成的棚架上修剪所有类别的茎c . guianense沿着森林边缘延伸约200米的森林边缘。取样的茎间隔至少5米，从而减少但不消除取样的嫩枝来自同一个体或同一个体的分支系统的可能性。采用相似的抽样策略对不同缠绕藤本植物(Lehnebach等人，2022)，并确保采样制度保持在类似的环境中，并且在光线和其他因素方面没有根本的变化。

图2

图2茎生长的四个阶段组成了一个格子，并对其进行了机械性能和结构发育的采样。(一)自持茎，还没有遇到支撑物的年轻茎。(B)未遇到支撑的下垂杆。(C)以幼芽为代表的攀缘茎，遇到支撑物并在支撑物上形成缠绕。(D)一种“固定杆”，这种杆显示了缠绕的上下阶段，因此在两个附着点之间的部分完全固定在缠绕的两个部分之间。

自支撑茎取样，包括自然保持自支撑习惯的茎。为了在现场确定这一点，从垂直到水平的茎秆的底部被切断，然后在这一点上保持茎秆是否表现出偏转到静止位置，或者它们是否保持了机械稳定的悬臂的方向。用锋利的剪枝钳从棚架上剪下长度达1.5米的茎段，将剪下的一端放入水中，并将嫩枝小心地密封在塑料袋内。嫩枝被运送到野外实验室，保持在阴凉的条件下，并在48小时内进行力学测试。

机械测试

茎段准备用于三点弯曲试验，并遵循现场实验室规程Ménard et al. (2009)．一些嫩枝，特别是攀爬和固定的嫩枝，并不总是笔直的，在首选的四点弯曲测试中存在问题。取而代之的是对所有试件进行三点弯曲试验。为确保结果包括纯粹的弯曲，而不包括因剪切而产生的显著挠度，我们对每一类嫩枝的基部、中间和顶端部分进行了所谓的跨度测试，以找到该物种嫩枝与老枝段的最佳跨度与深度比(文森特,1990；Rowe等人，2006)．在跨度与深度测试后，我们得到了跨度与深度的比值为40，所有的试件都在尽可能接近这个值的三点弯曲中进行了测试。弯曲测量是在手动弯曲设备上进行的，其中一个杆段被放置在两个支架之间，具有预先确定的合适的跨度与深度比(Rowe等人，2006)．5到6个重量以30秒的间隔手动放置在从试件正中央悬挂的吊钩上，以在弹性极限内给予试件适当的挠度，通常为1到3毫米，这取决于试件的厚度和长度。标本的偏斜被观察到了通过显微镜:安装在带有目镜光栅的仪器上的双筒显微镜抗弯刚度(EI, Nmm²)由权重序列相加生成的力/位移曲线计算

\begin{array}{l} 阀杆刚度 ， E 我_{一个 x 我 年代} ＝ l^{3.} b / 48 & (1)式。 \end{array}

在哪里l表示两个支架之间的跨度距离(mm)b为力(N)/挠度(mm)曲线的斜率。

测量了杆体面积的二阶矩近似为椭圆通过公式如下:

\begin{array}{l} 我_{一个 x 我 年代 （ e l l 我 p 年代 e ）} ＝ （ π / 4 ） {一个}^{3.} b & (2)式。 \end{array}

在哪里一个而且b表示垂直方向(一个)，沿施力方向，水平(b)方向(在茎的中心和25%远端和近端从中心测量)。

测量了弯曲时的刚度，杨氏模量(MPa)通过公式如下:

\begin{array}{l} E_{e n t 我 r e 一个 x 我 年代} ＝ E 我_{一个 x 我 年代} / 我_{一个 x 我 年代 （ e l l 我 p 年代 e ）} & (3)式。 \end{array}

对每个茎类随机选择的分支进行1至7次(通常为1至3次)弯曲试验。在随机选择的个体之间，每个样本的弯曲试验次数是不可避免的，因为许多茎的长度、直径不同，并且由于弯曲或扭曲的节段而无法正确地测试。

解剖分析

在附近的帕拉库野外站进行机械试验后，每次试验中提取的约2厘米长的一段茎被储存在60%的酒精中。在实验室中，所有的部分都被横向切割或锯开，然后用新鲜的剃刀将切割的表面切割或“剃”干净。然后将约1厘米厚的切割段放置在玻璃容器中，切割面朝上且平整(通过在建模粘土上旋转标本直到完全水平来调整水平)，并浸入刚刚覆盖的蒸馏水中，距离切割面约2毫米。然后用光纤光源照射茎横切面，用Olympus SZX9双筒解剖显微镜(配备Olympus DP72数码相机)拍摄。因此，该制剂产生的整个植物茎横截面在组织类型之间具有良好的对比，并且没有收缩或碎裂。将代表性茎的子样本进行石蜡包埋，切片，并使用标准方法进行染色。该子样本提供了具有代表性的细尺度组织学细节。

观察茎节的彩色图像，用细纤维尖笔在描图纸上描摹组织区域，手动划定主要组织区域。然后对示线进行数字化处理，得到截面积(mm²)和面积的第二矩(mm²)⁴)使用图像分析软件Optimas V.6.5.172 (Media Cybernetics, Inc, Rockville, MD, USA)测量的每个组织区域，通过手动绘制轮廓的阈值，并使用宏进行区域的秒矩(由蒙彼利埃的T. Almeras提供)。

组织区域泛化(图3):(i)中髓区(图3一）;(ii)典型的自立生长阶段的幼密木内带(图3一）;(iii)发育较晚的成熟低密度(粗)木区;在攀援期的早期和下垂的茎中，这最初是在幼木周围形成不连续的裂片(图3 b)，然后变成一个完整的环形层(图3C、D）;(iv)主要软组织的外皮层，包括次生韧皮部和剩余的初级韧皮部、小面积的乳胶管、小面积的木质化纤维和周皮组织(图3 d)．

图3

图3四种茎类组成的格状系统的代表性横截面组织结构C guianense．(一)自我支撑:中央髓被一层密集的I型木材所包围，这层木材被“皮层”所包围，其中包括初级和次生韧皮部以及初级和次生皮层组织。(B)Pendulous:与中的结构相同(一)．在一些基摆轴上，类似II型木材的次级木材小袋，可在I型木材圆柱体的外围发育(箭头)。(C)爬坡:这一段表示II型木材在缠绕连接处下方的发育水平(注意这一段的直径很窄)。TYPE I木材的圆柱体仅为狭窄，而TYPE II木材具有较大的血管和柔软的间质组织，层几乎连续。(D)固定:这部分代表固定杆靠近固定段底部的部分。在附着之前，作为一个年轻的自我支撑茎的早期发育阶段已经发育成I型木材的宽圆柱。在附着之后，II型木材的外部带现在已经发育成大血管和柔软的间质组织。次生韧皮部和周皮都很发达。

统计分析

众所周知，对来自自然栖息地的藤本植物茎的分析是困难的，因为它们明显的不确定生长，它们的随机分布，分支和无性系，特别是在本研究中，它们的发育和“行为”可以改变它们的结构组织，从前附着到附着的茎以及在两者之间的许多变体。所有数据均采用非参数Kruskal-Wallis (KW)检验进行分析，然后进行Dunn’s检验因果测试。从生物学的角度来看，非参数比较更适合于不同茎长和生长方式之间茎特性的比较。我们选择进行非参数比较和因果将阀杆直径划分为三个范围:D_狭窄的， 1.8-3.9 mm;D_媒介3.9 - -5.9;D_大， >四种生长类型各5.9。因此，我们的比较比较了不同网格生长模式之间相似的茎粗。由于髓的大小和初生体直径在不同的生长模式之间变化不大(见结果)，茎的直径变化很大通过第二次生长的数量，而不是最初的原始体型大小。因此，我们决定按照(中的方法将数据集中到直径类中。Ménard等，2009；Ménard等，2013；Soffiatti和Rowe, 2020年)，这是基于它们的二次生长数量可变。利用非参数斯皮尔曼秩阶相关系数，对TYPE I和II型木材占茎面积二阶矩和杨氏模量的比例进行组织相关性分析。

结果

框架结构

林缘有高度复杂的藤本植物幼嫩茎c . guianense与自给自足的树木紧密相连。藤蔓的直立枝干从藤蔓棚架上露出，十分明显(图2一个)．在林缘上，常能看到下垂的枝干，从树架上的最后一个附着点悬垂下来。自持和下垂的茎长出叶子，这在下垂的茎(图2 b)．攀爬茎和固定茎都出现在森林边缘约一米以内的格子中。攀缘的茎，绕着宿主支撑物转了一个或多个弯，也多叶(图2 c)．固定茎，有两个附着点，更常见的老茎在格子内(图2 d)．因此，就藤本植物茎径为1-10毫米的茎径类的枝条的茎向和行为而言，格架组织非常复杂。

格架的力学性能

直径生长

所有四类枝条的茎粗大约在2至10毫米之间变化(图3)．平均茎径仅在不同茎型间有显著差异(表1)．攀援茎的平均值最高(5.11±0.50 mm)，自持茎和摆杆的平均值最小(4.50±0.42 mm)和4.7±0.54 mm;表1)．阀杆直径与阀杆刚度的关系图(图4)表明生长类型可为自持、下垂、缠绕、固定茎等小直径茎。

表1

表1四种茎型(自持、下垂、攀爬和固定)的形态和力学性状(均值和标准差)Condylocarpon guianense按直径间隔类的函数分类P- Kruskal-Wallis和因果邓恩的测试;小写字母表示显著差异。

图4

图4三点弯曲测量的栅格杆直径和杆的杨氏模量的二元散点图。测试的杆包括四类:自持型、下垂型、攀爬型和固定型。结果表明，各种生长习性均以窄径分枝形式存在，其刚度随直径增大而增大。在5-6毫米的阈值直径后，只有附着的茎继续生长，并显示出茎刚度的降低。

直径在5-6毫米以上，很少有自我支撑或摆轴。超过这个阈值，只有附着的、攀爬的(单个附着点)或固定的(两个附着点)直径会增大(图4)．此外，这些较大的附加轴也往往表现出较低的刚度，杨氏模量低于约2500 MPa (图4)．总的来说，杨氏模量随着阀杆直径增加到约5-6毫米。在此之后，只有附着的格架段的直径明显增大，杨氏模量下降。

杆刚度变化(杨氏模量)

相同直径下不同类型阀杆刚度的比较(表1)表明中位杨氏模量仅在下垂茎上有轻微差异。这些在D_狭窄的类别(图5一个)(千瓦,p -值< 0.001)。为维_媒介茎(图5 b)，自支撑杆段和摆式杆段均表现出略高于附加杆段的中位刚度(KW，p -值< 0.00001)。最后，在D中_更大的所有非自支撑形式的杨氏模量都显示出较低的刚度，但未连接的摆杆仍然比连接的杆显示出较高的刚度(图5 c)(千瓦,p -值< 0.01)。

图5

图5杨氏模量的茎类组成网格分为三个直径类:(一)D_狭窄的， 1.8-3.9 mm;(B)D_媒介， 3.9-5.9 mm;(C)D_大， >5.9(内线，中位数;盒子，第25和75百分位;胡须，最大值和最小值;排除异常值，圈出极端值)。小写字母表示显著差异(Dunn’s因果测试)茎型的中值之间。

组织发展

木材的种类

最初，所有茎类都有同一种木材，称为i型。这是由明显致密的纤维组织(可见为较厚的细胞壁和较小的管腔)和以纤维为主的木材组织(图3一)．II型木材是在I型木材的周围形成的，由更大的血管组成，嵌在密度较低的组织块中，典型的链状木材，这里称为II型木材(图3罪犯)．在所有生长类型中，杨氏模量随着木材TYPE I对茎面积二阶矩贡献百分比的增加而增加(图6)．第二类木材面积的百分比则相反(图6 b而且表1)．它在I型之后开始产生，特别是在攀爬和固定茎中，它将成为木质圆筒的主要成分。

图6

图6在自持、下垂、攀爬、固定四种类型的三点弯曲中，木材类型对格架茎面积二阶矩(%)和茎杨氏模量的贡献二元散点图。(一)木材类型I对面积二阶矩和杨氏模量的贡献。Spearman秩序相关性(n = 269)， R_年代= 0.7503 (t = 18.54)， P < 0.001。攀缘茎和固定茎的贡献较低，因为它们在生长初期只发育I型木材，也可以产生大量的II型木材。(B)木材TYPE II对面积和杨氏模量二阶矩的贡献，Spearman秩序相关(n = 269)， R_年代=−0.5720 (t =−11.40)，P < 0.001。自持茎和下垂茎的贡献不大，几乎不发育莲座木。

棚架中木材类型随茎干行为的变化

I型木横截面积在各径级茎型间差异显著(图7 a - c而且表1)．木材类型I在D中比例更丰富_狭窄的和D_媒介茎，特别是在自支撑和下垂的嫩枝中(KW，p -分别为< 0.0001和0.01)。D .下垂茎的平均值最高_狭窄的．自支撑茎和下垂茎的表现约为攀爬茎和固定茎的两倍。在D_大，约为攀爬和固定茎的3倍(KW，p -值< 0.01)。

图7

图7四种杆型:自持式、摆式、攀爬式和固定式，按直径等级(D_狭窄的D_媒介， D_大)．(两者)ⅰ型木材对茎截面积的贡献。(D-F)II型木材对树干横截面积的贡献(内线、中位数;盒子，第25和75百分位;胡须，最大值和最小值;排除异常值，圈出极端值)。小写字母表示显著差异(Dunn’s因果测试)茎型的中值之间。

尽管所有直径级别的茎型之间存在显著差异(图7 d-f)，爬枝和固定枝以类型II的平均值最高。除一些较老的带扣的下垂茎段外，绝大多数自支撑和下垂茎段均无II型木材(表1)．

在自持杆和摆式杆中，1型木材占杆面积第二弯矩的比例均高于攀爬杆和固定杆(表1)．攀缘和固定茎中II型木材占面积第二弯矩的相对比例显著较高(表1)．

髓皮质

髓占茎横截面积的比例在不同直径和茎类之间差异显著(图8 a - c而且表1)．

图8

图8四种茎型(自持型、摆式型、攀爬型和固定型)的髓对截面积和面积二阶矩的贡献百分比(D_狭窄的D_媒介， D_大)．(两者)髓对茎截面积的贡献。(D-F)髓对茎面积第二矩的贡献(内线、中线;盒子，第25和75百分位;胡须，最大值和最小值;排除异常值，圈出极端值)。小写字母表示显著差异(Dunn’s因果测试)茎型的中值之间。

在狭窄的茎中，D_狭窄的，自持茎的髓面积比例较大，而其他茎类型略有差异，但无显著性差异(KW，p -值< 0.05)。中径茎中，自持茎和下垂茎的髓面积占比最大(KW，p -值< 0.0001)。宽茎中，下垂茎的髓组织比例最高(KW，p -数值< 0.05)，但达到该直径的茎少。这些值也反映在面积的第二矩(图8 d-f而且表1)窄杆(KW，p -值< 0.05)，中茎(KW，p -值< 0.0001)，宽杆(KW，p -值< 0.05)。

皮层占茎横截面积的比例在茎样本和直径类别之间也有显著差异(图9 a - c而且表1)．窄茎中值在不同茎型间存在差异，攀爬茎和固定茎的中值高于摆式茎和自支撑茎(KW，p -值< 0.0001)。在中等直径茎中，自持轴和摆轴的值低于其他两种茎(KW，p -值< 0.00001)。对于大直径的下垂茎，同样观察到皮质面积最小(KW，p -值< 0.05)。攀登茎和固定茎的皮层对茎的第二矩面积的贡献高于其他茎类(图9 d-f而且表1)．

图9

图9自支撑、下垂、攀爬、固定四种茎型的皮层对截面积和面积二阶矩的贡献百分比(D_狭窄的D_媒介， D_大)．(两者)皮层对茎截面积的贡献。(D-F)皮层对茎面积第二矩的贡献(内线、中位数;盒子，第25和75百分位;胡须，最大值和最小值;排除异常值，圈出极端值)。小写字母表示显著差异(Dunn’s因果测试)茎型的中值之间。

讨论

藤蔓棚架是热带湿润森林中广泛存在的重要生态结构特征。它们允许藤本植物幼龄阶段的生长保持在浓密的树冠上，并允许入侵和殖民新的空间。它们也是许多其他树栖生物在森林栖息地中定位或移动的物理生态位的基本结构特征(Schnitzer等人，2015)．然而，潜在的组织，机械性能的适应性变化，以及建造这种结构的增长仍然有待研究。在现场研究网格结构而不是实验观察到的设置的主要困难之一是它们完全随意的复杂性(图1)以及对离散个体和生长单元进行采样的困难。

藤蔓棚架的一个关键适应性特征是，它们允许安全、可靠的附着和机械上坚固的网状系统，在树内和树之间保持空中位置。由于藤本植物没有发育出巨大的自我支撑的树干，它们的格状系统(实际上是它们附着的冠层)必须由幼芽构建。这里研究的藤本植物组成了复杂的格子系统通过嫩茎茎的生长和发育。它们有相同的“起点”(相似的原始身体大小以及髓和皮层的组织)，作为幼芽，它们发育完成非常不同的任务。本研究探讨了嫩枝在这种“构造阶段”下的一些形态解剖转变和力学特性。我们描述了建立藤本植物格架的四种主要生长行为。

自持杆(搜索)

为了启动网格结构，必须通过穿越开放空间(图10)．自支撑轴作为杆刚度集中资源通过密集的I型木材，确保达到。大多数自给自足的搜索器，如图所示，展示了锥形木圆柱体。茎的顶端大部分经历圆周运动。从茎部到茎尖的木材均质，很少有小直径的容器(数字10罪犯)．相对较宽的髓在这些细长的茎中充当机械间隔(马利等人，2018)，增加了二次弯矩面积，增强了刚度和大概的延伸。

图10

图10有代表性的自立干C guianense．(一)在采集时的准确位置，并附有宏观解剖切片[(中)黄色箭头)沿着茎。红色箭头表示自支撑轴的基本附着点。茎是在邻近的棚架分支接近，但没有形成一个附件，仍然保持自我支撑(与图2一个，它会从网格延伸并“搜索”一段距离)。该杆产生了一个圆柱体的均匀，均匀的刚性I型木材只有小血管(见讨论)。

结果表明，在直径大于5 - 6mm的自持茎中，没有一株产生致密坚硬的I型木材。这表明了一个坚硬的连接点，在这个连接点，坚硬的幼木生长停止了。可见，格架形成能力只能在初始距离处形成c。1.5米为搜寻器的最大长度-本种自持搜寻器的近似长度(Hattermann等人，2022)．没有像自支撑杆那样的不确定或延伸的支撑探索阶段。相反，这种物种所适应的三维(3D)空间似乎受到了限制。与其他搜索器长度相比(笨蛋,1984；Hattermann等人，2022)，不同的攀缘植物可能经历了对特定栖息地的选择，包括支架之间的不同距离。换句话说，至少对于c . guianense，植物不会在物质上投资于一种自给自足的生长方式，以寻求比它被选择的更远的空间。

下垂茎(资源生产/捕光)

自支撑杆失去稳定性，如果它们没有达到支撑，并切换到摆动方向(图11)．它们表现出与自我支撑茎相似的解剖结构(图11中)．在茎径达到5-6毫米的阈值时，它们也会停止生产I型木材，如果它们再生产更多的木材，则是II型木材，有许多大血管，周围组织密度较低(图5 e)．许多悬挂的茎保留着叶子，并留在原地，大概是光合作用，并为格架的其余部分贡献光合产物资源。一些下垂的茎被观察到在它们之前的自我支撑的基础上弯曲，另一些则附着在网格已经灵活的部分上，正是网格的这个灵活的连接部分良性变形(图11，红色箭头)。此外，研究应该检查摆轴在失去稳定性时如何实际重新配置并在大弯曲和扭转应变下存活。一些研究表明，较老的柔韧藤本植物茎的弹性和韧性，在II型木材发育显著之后，茎区隔的显著模式(Fisher和Ewers, 1989；普茨和霍尔布鲁克，1991年)．然而，在藤本植物中II型链状木显著发育之前，对幼芽的失败和韧性知之甚少。一项研究表明，弯曲强度与II型木材发育前幼枝的纤维密度有关。结果发现，野生型的幼枝和较成熟的嫩枝木薯耐在三点弯曲载荷作用下，杆的韧性破坏大于突变脆性破坏(Ménard等，2013)．未来的研究可能会探索II型木材的初始生长如何影响韧性和攀爬茎的失效类型，就像对灌木和乔木所做的那样(Ennos和van Casteren, 2010；van Casteren et al.， 2012；Hone等人，2021年)．茎的向下偏转和大叶面积的存在可能是棚架形成的重要功能，在棚架中，更多的搜索茎没有找到支撑而不是找到支撑。这种通过下垂的格状茎对树木和森林边缘进行“横向覆盖”的现象很普遍，特别是在热带地区(图1)．事实上，棚架从自我支撑到悬挂行为的过渡机制通过良性屈曲可能在藤本植物和藤本植物中普遍存在，它本身可能是一种捕捉光线和提供无性系格架系统的机制，因为它在连接支架时“失败”。

图11

图11有代表性的下垂茎C guianense．(一)在采集时的准确位置，并附有宏观解剖切片[(中)黄色箭头)沿着茎。红色箭头表示附着在藤本植物格架的一个灵活的环状部分上的点，从这个点开始，最初的自我支撑的茎在自身的重量下发生了偏转。茎呈现大量的叶子，并在TYPE I木材的外围附近发育出中等至大型的血管(见讨论)。

攀爬(连接与转化)

自支撑的茎通过绕绕的茎尖的缠绕(图2 c)代表建立藤本植物格架的关键连接阶段。缠绕主茎的连接可能是攀缘植物中最广泛的连接方式之一(贵族,1991)．可以说，这也是“最简单”的附着和攀爬机制之一。然而，缠绕确实需要与生长相关的额外衍生行为运动。我们通过缠绕一个有代表性的茎来展示一个附着的例子通过三圈主机支撑(图12)．II型木材是在附着最低点以下约5-10厘米处生产的(图12 b)．此时，形成层的局部区域产生了大约两层血管，周围有软组织，我们称之为II型木材。连接事件也启动了II型木材的发展，更低的树干(图12 c)，但在茎基部附近，除了几块宽阔的血管外，并没有太多的证据(图12 d)．茎的下部显示出与我们数据集中典型的自支撑茎相似的解剖结构和力学性能。在附着点以上，攀爬枝的顶端部分继续作为一个自由空间的搜索者，然后遇到了一个相同网格和相同物种的多叶枝。在这一点上，它被障碍物阻碍，无法紧紧缠绕(Lehnebach等人，2022)，并松散地在一些树枝上徘徊，而不实际缠绕(图12，红色箭头)。这个例子表明，缠绕在发展的非常早期阶段就启动了TYPE II型链状木，只有径向直径为200微米厚的硬木(图12 b)，刚好低于实际的缠绕阶段。缠绕阶段启动了II型，链状木的发展，以及茎的杨氏模量的下降，启动了由更大的血管组成的柔性组织，嵌入在低密度组织的斑块中，保护细长的格状茎免受损伤通过机械负荷。

图12

图12代表攀缘茎C guianense。(一)在采集时的准确位置，并附有宏观解剖切片[(罪犯)黄色箭头)沿着茎。红色箭头表示主茎的第二个爬升阶段，此时缠绕未能固定附着到同一种和可能是同一克隆个体的叶状格状茎上。野外位置和解剖结构表明，TYPE II木材在缠绕支架后由攀爬杆产生的确切时刻。在D段和C段，即缠绕杆第一个完整弯以下5和15厘米处，TYPE II木材已围绕TYPE I木筒的外围发育。最基底部分(B)已在II型木材周边发展出中型至大型容器。

因此，在栅格的形成过程中，“连接”阶段中断了非常接近接触点的硬木材的生产，当时缠绕杆还很年轻。至关重要的是，该连接还启动并触发了TYPE II木材的生产，并沿着阀杆有效地覆盖了已经形成的TYPE I木材。在接近附着点的II型木材的起始点与现在附着的攀爬茎的下方相比，似乎有一个滞后。从TYPE I到TYPE II木材的切换现在沿着搜索器启动。实际上，曾经由适应穿越缝隙的僵硬组织组成的东西，现在已经成为了一个灵活的网状网格系统的一部分(在年轻的攀爬幼苗周围都可以看到)图12)，这增加了网格的另一个连接，并可能增加了网格作为一个整体的安全性和保护，防止故障和从支撑树枝上掉下来。

我们从各种自支撑到固定杆的汇总数据表明，初始TYPE I木材的宽度可以非常窄(图10- - - - - -13)，这表明II型木材甚至可以在非常年轻、狭窄的与支撑连接的搜索茎中被触发。

固定杆(施工)

我们已经强调了获得构成藤本植物格架的茎的比较样品的困难。对于所谓的固定茎类尤其如此，在相同的环境条件下，没有任何茎经历了相同的发育。一个有代表性的固定茎格(由上下缠绕固定)显示一个链状茎连接在两个小树苗的两点上，相距约一米半(图13，红色箭头)。它在两根粗壮的茎之间形成一个网格，并且是连续的，并以液压方式供应上面的藤本植物网格。组织发育的模式与主要汇总数据集的结果以及之前攀爬和附着茎(图12)．两个支撑物之间的间隙对应于物种的近似最大延伸c。1.5米。靠近基部附着点的最老段(图13 b)显示了I型木材的宽圆柱的证据。这代表了原始自支撑轴的基础部分，已从基础支撑到达上支撑。刚性I型木材的圆柱体向固定段的顶部逐渐变细(图13中)．有趣的是，所有的节段都发育了一层TYPE II木材，这种木材明显发育，占据了很大的截面积，特别是在更尖的节段。因此，原始的自立组织再依附的模式与前面的攀爬茎例一致(图12)，其中TYPE II木材开始于自支撑杆的顶端附近，而靠近附着点的TYPE I木材非常少。这个例子也很有趣，因为它显示了从左下角的附件中出现的一个自我支持的搜索器(图13，红色箭头a)。这正是在(图13)，即狭窄的搜索者在第一次连接后继续搜索空间。I型木材的基部和直径大致符合5-6毫米规则，在搜索者的顶端到达右侧的树苗之前(图13，红色箭头b).在格栅固定后，该杆不再需要TYPE I刚性木材来优化自支撑，并且杆的发育与TYPE II木材的生长不确定。

图13

图13代表性固定杆C guianense．(一)在采集时的准确位置，并附有宏观解剖切片[(中)黄色箭头)沿着茎。红色箭头a和b分别表示缠绕附件的上下点。I型木材的直径向固定段的底部增加，表明原始的自支撑组织。节段上限附近的TYPE I木厚度非常窄，与(图12)， II型木材的发病是在附着上部的缠绕附着之后开始的。II型木材的发育似乎是在固定茎的下部开始的。

结构分区

结果表明，Condylocarpon guianense开发功能分区通过茎的形成层发育的“停止和开始”，以构建一个复杂的3D网格(图14)．我们总结了这些功能属性通过四个典型例子(图10- - - - - -14)．在年轻的自我支撑阶段之后，有两种可能的发展结果:如果年轻的轴达到5-6毫米直径的阈值，并且没有找到支撑，那么它就会弯曲，长出更多的叶子，并适应作为下垂的茎产生能量。如果它成功地连接到一个主机支架上，那么它就会在附着点附近进行本地适应，以修改其茎的属性通过II型链状木的形成和柔韧的性质，然后基本上从附着点展开。我们的观察还表明，附着的茎可以继续作为自支撑的搜索器在缠绕后继续生长，并找到另一个支撑并重复发展TYPE II木材的过程，从而形成TYPE I和TYPE II分层木材的固定植物片段和梯度序列。这种刚性和链状木性能的发展与旋转、缠绕行为相结合，是一种相对简单的“策略”，使用简单的开关机制来提供机械性能，可以构建高度复杂和看似无序的藤本植物格架系统典型的分支系统。

图14

图14植物格状茎结构功能分区研究综述C guianensis．从窄刚性茎到宽刚性茎的整体个体遗传趋势与最近对植物的研究一致，这些研究描述了基于整体生长和尺寸变化的力学变化。然而，复杂的三维网格结构的构建对于缠绕藤本植物的冠层保持在空中并安全地悬挂在自我支撑的寄主上至关重要，这需要对茎的个体发生发育轨迹进行微调。所有四种茎型都起源于相同的茎生组织，但发育“停和开始”修改特定的茎行为(一)将自养生长限制在直径5-6毫米以内。(B)如果没有达到支撑，将自支撑茎重新调试到栅格上下垂的承载叶片的光合茎上(C)只有在支架上进行连接时，才启动大量的TYPE II型链状木。(D)在第一个附件之后启用多个附件(串行固定点)。

当然，格架结构会因为环境的变化而发生很多变化，比如滑动和局部下降。单个芽和分枝的方向和物理状况会发生变化。我们观察到的所有茎段都没有表现出任何一致的“回归”到一个自支撑组织，在整个II型木材环形成后产生刚性组织。这表明，总的来说，所描述的发展是不可逆的。我们确实注意到，特别是在下垂的茎中，形成了部分大直径的血管环，然后是额外的致密木材，但我们指出，这可能与叶片在自我支撑或下垂生长阶段的发育更有关。

走向技术应用

攀缘植物正日益被视为软体机器人新生物启发技术的生物模型(Mazzolai 2017；Wooten等人，2018；Wooten和Walker, 2018；Fiorello等人，2020年；Bastola等人，2021年)．一些潜在的应用包括增材生长、自适应传感、向支撑物移动，以及在不可预测和异构的环境中实现间隙的锚定和跨越。藤本植物的格状芽c . guianense执行许多与类似liana行为的潜在愿望列表一致的任务。最近的研究也探讨了攀缘植物枝条茎编缠绕成多股功能单元的优点(Gallentine等人，2020年)．个体生长单元(茎)之间的相互作用及其自动构建复杂结构的能力，甚至在高度复杂的3D环境中或作为其一部分，是自适应生长机器人人工制品非常理想的任务。这一探索网格形成在Condylocarpon这表明，在生物学中，在“生态尺度”上高度复杂的机械适应结构可以发展出安全的网状结构。他们做到了通过一个简单的基于环境线索和内部“规则”的停停“决策”。作为一个“内部规则”的例子，5到6毫米的阈值在c . guianense因为自养生长明显地限制了“不需要的”可能不适应的大型自养茎的生长，以适应该物种可能被选择的专门生态位。其他规则还包括，当茎杆遇到支撑时，其基底沿茎杆展开，将先前的自我支撑体转变为可能高度抗破坏失效的东西，柔性木材就会停止启动发育。所有这些发育和功能过程本质上都很简单，但却导致高度复杂的结构。这种从简单到复杂的自适应结构构造的层次结构对于技术上的自构造系统是非常可取的。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在Zenodo, Soffiatti等人处获得。https://doi.org/10.5281/zenodo.7337338．

作者的贡献

NR构思了该项目，并与Michaël Guéroult一起开展了实地工作。EF和CH开发了解剖程序，并准备了分析材料和技术发现的初步报告。PS和NR分析数据并准备稿件。所有作者都对这篇文章做出了贡献，并批准了提交的版本。

资金

这项工作得到了资助协议号:824074-GrowBot-H2020-FETPROACT-2018-2020 /H2020-FETPROACT-2018-01的支持。

致谢

我们感谢UMR高德地图和Paraná State大学的工作人员在这项研究期间提供的技术援助。我们感谢已故的Michaël Guéroult在外地的协助和收集Condylocarpon茎和现场测量。这篇文章是为了纪念他。该项目已获得欧盟地平线2020研究和创新计划的资助。824074.

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。

参考文献

Bastola, A. K, Rodriguez, N.， Behl, M.， Soffiatti, P.， Rowe, N. P.， Lendlein, A.(2021)。基于3D打印水凝胶弹性体系统的软机器人设计原则。材料设计202年,109515年。doi: 10.1016 / j.matdes.2021.109515