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科学网植物如何渡过酷暑寒冬?

科学网植物如何渡过酷暑寒冬?


全球约30余万种高等植物生长在高山、海洋、沼泽、沙漠等几乎所有的地方,低温、干旱、低氧和土地贫瘠等各种自然环境因素会给植物生长和繁衍带来直至物种灭绝的影响。植物面对这些特殊的环境条件,却不能像动物那样迁移到合适的环境下觅食,也不能像人类一样添衣御寒和构筑遮风避雨的房屋,它们是如何渡过的呢?

    《科学通报》第28-29期特邀中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员陈凡撰文“高等植物如何适应环境变化”为您解读。


科学网植物如何渡过酷暑寒冬?

陈凡,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员, 博士生导师, 国家杰出青年科学基金获得者。现任分子发育生物学国家重点实验室副主任, 《植物学报》副主编, 中国细胞生物学学会再生细胞生物学分会副会长等。主要研究方向为植物发育的分子控制与应答, 研究植物在环境胁迫条件下的激素信号转导和相关基因表达调控网络, 同时以水稻为模式材料研究其侧分生组织分化及形态建成的分子调控。



不在适应中生存,则在变化中消亡            


     很多动物通过冬眠来渡过漫长的寒冬,而休眠也是植物适应不利环境条件的手段之一。 冬天来临时树叶会变黄,越冬树木通过落叶减少水分和养分的损耗,一些松柏之类的树木因为叶片像针尖一样,损耗水分养分特别少,所以能保持常绿。落叶是由短日照及温度下降引起的,其内部生长素减少,脱落酸增加,产生离层的结果。植物通过落叶减少蒸腾,度过寒冷或干旱季节,这一习性是植物在长期进化过程中形成的。

     生长于干旱荒漠地区的短命植物,能利用早春雨水和融化的雪水提供的土壤湿度和一定的温度生长发育,并在夏季干热季节来临之前短短的2个月时间里迅速完成生长、开花、结实的完整生活周期,随后整个植株或地上部分干枯死亡,以种子或地下器官休眠渡过对植物生长不利的季节,来年春季再由种子或地下器官形成新的个体。短命植物不仅以有规律、周期性的休眠方式度过寒冷的冬季,同时在长期发展过程中也形成了夏季休眠现象,是其长期适应荒漠环境,逃避干旱的一种策略。

     在干旱沙漠地区广泛分布的仙人掌科植物,器官退化呈多毛刺,以大大减少水分的蒸发;厚多肉的茎通过薄膜组织储藏大量水分,代替叶成为进行光合作用的主要器官;泛分布的根系具有快速吸收水分的能力,短暂的雨季即可吸足水分,此得以在强光、干旱地区生存。

     适者生存是自然界的法则,植物势必通过器官的演化,至生命周期的改变,适应特殊生境,并得以生存和繁衍。


植物其实也有“穿衣戴帽”的本领  

   

     在极地海洋鱼类血清中发现一种能与冰晶相结合的特异性蛋白质,它能阻止体液内冰核的形成与生长,维持体液的非冰冻状态。这种抗冻蛋白同样在一些寒地生存的植物,如冬黑麦、沙冬青、唐古特红景天叶等体内被发现。然而这种抗冻蛋白并不是一直存在,而是常需要低温驯化或在冰点以下诱导一段时间才能逐渐积累。这些抗冻蛋白被认为能够有效地保护植物细胞不会因极度低温产生冻害和凋亡。

     植物适应水生、盐碱、干旱、高温、寒冷等各种生境下生存,采用适应机制却并不完全相同。在高盐条件下生存的盐生植物可以利用自身极高的渗透压,从高盐土壤中吸取水分,即使集聚盐分也不受盐害;也有盐生植物可以通过茎、叶表面的盐腺细胞将盐分分泌排出体外而保证其在盐地生存。

     光合作用是生物界赖以生存的基础,也是地球碳-氧平衡(即二氧化碳与氧气的平衡)的重要媒介。光能超过光合系统所能利用的数量时,光合功能下降的现象被称为光抑制。光抑制不一定是光合机构被破坏的结果,而是防御性地激发能热耗散过程的反应。在自然条件下,晴天中午植物上层叶片常发生光抑制,当强光和其他环境胁迫因素,如低温、高温和干旱等同时存在时,光抑制会加剧。光抑制是植物本身的保护性反应。

     水分是生物体的重要组成成分,除了维持细胞膨压外,还是生物体新陈代谢所必需的。植物遭受水分胁迫时,光合作用的降低有利于减少光合过程中产生的活性氧对细胞的损伤。复苏植物是一类能忍耐严重干旱胁迫植物的总称,在失去自身95%的水分后仍能以一种类似休眠的状态维持细胞活力,一旦遇水,这类植物就能迅速恢复生活状态。复苏植物失水后光合活性也会迅速下降,复水后光合作用可迅速重新恢复。它们具备在极度脱水过程中保护光合细胞结构以及复水后快速恢复蛋白合成的能力。

植物是一个复杂而且“聪明”的生命系统        

   

     植物经过长期的演化和适应过程,得以在不同生境条件下生长发育和繁衍。气候变化和人为活动带来的生境改变,对植物体而言都将形成与原有生境不同的环境因子,在超过植物体可以承受的适应范围时,就对植物产生了一定程度的环境胁迫。植物面对不同于自身生境的逆境条件,会形成对这些环境因子的适应能力,即采取不同的方式去抵抗各种胁迫因子。植物的抗逆性主要包括两个方面: 避逆性和耐逆性。避逆性指在环境胁迫和植物体之间在时间或空间上设置某种障碍从而完全或部分避开不良环境胁迫的作用,如短命植物等。耐逆性指植物体承受了全部或部分不良环境胁迫的作用,但没有或只引起相对较小的伤害,如盐生植物等。

     植物与动物的最大区别在于无法运动,因此在低温、干旱和盐碱等非生物逆境条件下,植物体通过感知、信号转导和应答等过程来形成对胁迫的耐受性。人们在农业生产中,常希望农作物可以在干旱、盐碱等地域种植和收获,同时又希望它们能耐受诸如寒潮等随时可能光临的极端气候,而不导致产量的下降。然而研究表明野生稻具有的耐逆基因位点在人类根据特定地域环境长期种植和驯化过程中被人工选择,由此导致了籼稻与粳稻之间耐寒性的分化。获取农作物产品的产量是人类驯化的目标,水稻的诸多重要农艺性状在人工驯化过程中都被强烈选择,人工选择常是通过放弃野生稻耐逆性位点而达到高产的目的。具有较高耐冷能力的粳稻就比低温敏感的籼稻品种产量偏低,野生稻由于需要在复杂多变的环境中生存,普遍具有较高的耐逆性和较低的结实率。植物利用休眠等手段来躲避不利环境得以生存,其生物量和繁殖力势必下降,因此耐逆性高的作物常常难以获得较高的产量。

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