荒漠植物喝水居然可以不用根！ | 原创
2016/6/16 中科院之声

     提到植物吸水，人们首先想到的是它们通过根系，从土壤中吸收水分，再向上传输到茎、叶。俗话说：“无源之水、无根之木”是短命的。

     然而，中国科学院新疆生态与地理研究所张元明研究员团队与美国杨百翰大学、美国犹他州立大学的科学家发现：荒漠中有一种叫做齿肋赤藓的苔藓植物却反其道而行之，进化出一套“由上至下”吸收水分的新模式。吸收水分不靠根，那靠什么呢？靠的是叶片顶端一种叫做“芒尖”的特殊生理结构。正是“芒尖”从空气中高效收集、利用水分，并把水分运输给叶片，齿肋赤藓才能适应干旱的环境，才能在荒漠生态系统中占有一席之地，并成为维护荒漠、稳定荒漠不可或缺的成员。

     这一研究成果于6月6日在线发表于《自然-植物》杂志上。 Science (《科学》)杂志对这一成果进行了评述：科学家首次精细观测到齿肋赤藓如何通过叶片芒尖从空气中吸收水分，也许某一天工程师可以从齿肋赤藓身上寻找到灵感，在干旱区设计出更优化的水分收集系统。

     齿肋赤藓在世界各地沙漠中广泛分布，具有独特有效的脱水复苏机制，能够在营养组织失去近90%的细胞水分后，以一种类似休眠的方式度过严酷的干旱期，在水分适宜的条件下快速恢复正常的生命代谢活动，继续其生活史。在齿肋赤藓的生命代谢活动中，芒尖是它们适应干旱环境的关键。(图1)

    

     图1 干燥状态(左)和湿润状态(右)的齿肋赤藓植株(叶片顶端白毛即芒尖)

     科研人员还发现，芒尖分布有从纳米、微米到厘米等不同尺度的水分收集与传输系统(凹槽和疣状突起)，能够将空气中的水分子分别形成水核、水膜和水滴，然后将这些水滴通过毛细管作用迅速运输到芒尖底部的叶面，被叶片吸收。(图2)从更宏观的尺度看(厘米级)，齿肋赤藓以聚集生长的方式覆盖在沙漠表面(图3)，密集的叶片芒尖能够有效的吸收雨滴打击的能量，从而最大程度的减少雨滴的飞溅和水分的损失，有利于水分的保持和吸收。

    

     图2：苔藓芒尖结构

     齿肋赤藓斑块(A、B)、个体植株(C、D)和叶片顶部芒尖不同放大倍数下形态与微结构(E-J)。其中，黄色三角指示微米结构，绿色三角指示纳米结构(Pan et al., Nature Plants, 2016 )。

    

     图3覆盖在荒漠地表的藓类结皮(干燥时呈现黑色)

     延伸阅读

     被称为“荒漠地毯”的生物土壤结皮

     说到齿肋赤藓，不得不提及生物土壤结皮。生物土壤结皮是由藻类植物、地衣、苔藓共同组成，能够顽强地在沙土上生长，与土壤一起形成沙漠表面的保护层。一旦遇水，生物土壤结皮5秒内迅速由黑变绿，远远望去，像是给地表铺上了一层绿色的地毯，因此也被称为“荒漠地毯”。置身于浩瀚的沙漠，你可能不会留意到生物土壤结皮的存在，但是，正是因为有这层荒漠地毯的保护，显著降低了起风速度，有效地维持了沙漠的稳定性(图5)。

    

     图5 生物土壤结皮剖面——捆绑沙粒，固定流沙

     不可小觑的生态功能

     除了维持沙漠稳定外，生物土壤结皮其他的生态功能也不可小觑。比如，增加养分含量。生物土壤结皮能够通过生物固氮作用，将空气中的不易利用的氮素固定下来，释放给周围的植物和土壤。目前科学家们正努力利用这些重要的固氮组分研制荒漠生物绿肥，希望将贫瘠的沙土变得肥沃。此外，生物土壤结皮还能改变荒漠降水分配格局。生物土壤结皮就像一块海绵，对荒漠中的降水有显著的截留作用。在降水稀少的荒漠地区，每逢一场雨水，生物土壤结皮中的各类物种竭尽可能地吸收水分，激活体内的各种生理代谢活动。

     来源：中国科学院新疆生态与地理研究所

    

    

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