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新疆生地所等揭示荒漠植物适应干旱的水分收集和运输新模式

文章来源:新疆生态与地理研究所   发布时间:2016-06-12  【字号:     】  

  荒漠植物大多拥有高度进化的水分吸收和运输系统,传统理论认为它们能通过发达的根系最大限度地从沙土中吸收水分,向上传输到茎、叶,同时借助特殊的叶片结构减少水分的损失。

  近日,中国科学院新疆生态与地理研究所张元明团队与美国杨百翰大学、美国犹他州立大学的科学家合作,以齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)为研究材料,阐明了荒漠植物叶片特殊结构在植物体适应干旱环境中的重要作用,揭示了荒漠植物高效利用干燥空气水分维持生命的机制,提出了荒漠植物“由上至下”吸收水分的新模式,这一研究成果于66日在线发表于Nature Plants

  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。因此,在荒漠生态系统中,此类复苏植物比其它植物具有更大的生存优势。张元明团队曾报道了齿肋赤藓叶片顶端白色芒尖有利于植物体凝结水的形成(Journal of Hydrology, 2009)以及具有重要的水分保持作用(Journal of Plant Research2012)。然而,有关该植物如何从干旱环境(空气)中收集和运输水分的机制一直未知。

  研究人员发现,齿肋赤藓的假根系统(rhizoids)并不具有水分吸收的作用,而其叶片顶端的白色芒尖是其适应干旱环境的关键。叶片顶端的芒尖分布有从纳米、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),具有采集和运输水分的多种模式,分别将空气中的水分子形成水核、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。研究人员还发现,从更宏观的尺度(厘米级),齿肋赤藓以聚集生长的方式覆盖在沙漠表面,密集的叶片芒尖能够有效地吸收雨滴打击的能量,从而最大程度地减少雨滴的飞溅和水分的损失,有利于水分的保持和吸收。

  该研究得到了科技部“973”项目课题的资助。Science 杂志对上述成果进行了评述:“For the first time, scientists have examined in detail how this moss (Syntrichia caninervis) pulls water right from the air using its awns. These tricks may one day help engineers design better equipment to collect water in arid locales.

  文章相关信息:Zhao Pan, William G. Pitt, Yuanming Zhang, Nan Wu, Ye Tao, Tadd T. Truscott. The upside-down water collection system of Syntrichia caninervis. Nature Plants, 2016; 2 (7): 16076 DOI: 10.1038/nplants.2016.76.

    文章链接

 

干燥状态(左)和湿润状态(右)的齿肋赤藓植株

 

覆盖在荒漠地表的藓类结皮(干燥时呈现黑色)




(责任编辑:叶瑞优)

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