不怕热，热不怕的沙漠“靴”神——羽毛针禾
2016/7/27 科学大院

    

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     作者：吴楠(中国科学院新疆生态与地理研究所 )

    

     亲临火焰山的朋友都知道，在地表温度最高可达80摄氏度的荒漠，“沙窝子里烤鸡蛋，石头上面烙面饼”不是传说。“大漠孤烟直，黄河落日圆”的无限遐想，也会因为现实中脚板被沙粒炙烤的疼痛感而磨灭。

     可偏偏就有一种植物，不但避免了自身的根被高温灼伤，还隔离了滚烫沙粒的“毒害”，毅然傲立于沙丘顶部。

     它就是沙漠先锋植物——羽毛针禾(Stipagrostis pennata (Trin.)de Winter)。

     这羽毛针禾究竟有什么秘密武器，可以让它不畏高温，决然傲立呢？

     原来，羽毛针禾有一双“套靴”，人称“根鞘”。

     根鞘集固沙、保水、富养作用于一体，是一种特殊的结构，由沙土颗粒与根表分泌物、微生物分泌物、根毛、菌丝体等相互胶结、缠绕形成。

     正是“套靴”根鞘的助力，羽毛针禾才能在沙丘顶部，有效地抵御风力对浅沙层细根的侵扰，防止被折断。并使其在高温、缺水的环境下，顽强地从含水量很低(0.1-0.2%)的沙层中吸取水分和营养物质，得以傲立沙丘。

    

    图1 野生羽毛针禾植株及根鞘的形态与分布

     注：A：羽毛针禾植株原生状态；B：挖设土壤剖面(40cm)采集根鞘土壤；C：羽毛针禾完整原状根系；D：具根鞘根系长度原位测定(长达90cm)；E：根鞘近照(白色根外包裹着根鞘，根直径约0.9 mm，根鞘直径3.8 mm–4.2 mm)；F：根系裸露于沙面，此时根鞘大部分脱落。

     图1所示为自然界中发育良好的羽毛针禾植株(图1A)，不仅具有向下伸长的根(长达90 cm)，还具有发达的侧向伸展的水平根系(根数可达80多根，长达4–5m)，呈辐射状分布在40 cm的沙层中(图1B、C、D)。“套靴”耐磨经穿，乃至水、酒精都难以清洗固着的沙粒，徒手就能将其较完整地从根区剥离(图1E)。长时间的风吹日晒，使得部分白色细根裸露在沙面，已不具根鞘(图1F)。

    

    “套靴”有何过人之处？

     这根鞘“套靴”这么厉害，到底有什么过人之处呢？

     下面让我们在扫描电镜下一睹“套靴”的秘密。

    

    图2 根鞘外部形态及微生物对其结构形成的影响

     注：A：外部形态扫描；B:菌丝体及根毛相互缠绕；C：根鞘横切；D：中空腔室；E：加厚的外皮层；F：发达的导水细胞；G：真菌菌丝体的捆绑作用；H：细菌的群感效应；I：分泌物的粘结作用

     电镜图中，密集的根毛、菌丝体像不同尺寸的绳索，齐心协力地将沙粒牢牢捆绑在根表周围(图2A、图2B)。根鞘呈密封的管状结构(图2C)，厚度约1.5 mm，直径3–5 mm，可达细根直径的3至5倍。根鞘所形成的根使土界面有效地扩大了根系与土壤的接触面积，有利于植物体从浅沙层中更大限度地吸收养分、水分。

     成熟的羽毛针禾植株，其根鞘与根间具中空的腔室结构(图2D)，可能有助于植株耐高温、抗严寒并兼具“储水”作用，以适应沙漠间歇性降雨。根部外皮层明显，有助于保护根部免受沙粒的机械性摩擦并减少根鞘内的水分散失(图2E)。粗壮的导管(图2F)为水分的长距离运输提供了重要的保障。

    

    “套靴”如何有效发挥最大作用？

     借助高通量测序技术等方法，中国科学院新疆生态与地理研究所的科学家们进一步发现根鞘中的特殊微生物菌群能够协助根鞘发挥最大的生态功能。

     微生物中细菌、真菌分别以变形菌门(Proteobacteria)、球囊菌门(Glomeromycota)占绝对优势。

     与周围松散沙土中的可培养细菌相比，根鞘中可培养的细菌对糖类、氨基酸类等各类碳源的利用率更高，尤其是根鞘中丰富的根瘤菌目(Rhizobiales)的固氮菌能够帮助植物体有效地吸收氮素。

     根鞘中球囊菌门的真菌则可分泌一类含有金属离子的耐热糖蛋白——球囊霉素，由蛋白质和葡萄糖或蔗糖组成，具有“超级胶水”功能，能够有效地黏结沙粒。

     科学家们进一步通过沙土灭菌实验发现，如果少了根鞘微生物，不仅会造成根系粘附沙粒能力变差，进而阻碍根鞘初期的形成，而且会降低羽毛针禾种子萌发和幼苗存活率。

     看来为了傲立沙丘，羽毛针禾真可谓十八般武艺全用上了!

     (本文首发于科学大院，由中科院新疆生态与地理研究所供稿，转载请注明出处并保留下方二维码)

    

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