烈日下，植物都是如何抗旱的？
作者：李治中（中国科学院武汉植物园）
热、热、热······这个夏天真的格外的热，烈日烘烤，难觅雨云。办公室的同事们早就在空调房中长期驻扎，喝起冰镇汽水了！
的确，人类是聪明的，发明了电扇、空调、还有冰箱等，使人们能够承受夏日酷暑的煎熬。可你知道植物是如何避暑抗旱的吗？它们可是都有“妙招”的呢！
抗旱方法一：改变形态结构
与人类不同，植物可谓是一个百变魔术师，当酷热干旱来临时，植物通常会改变叶片、根系、还有气孔的状态等方式来适应。
植物叶片结构 图/Zephyris/Wikipedia
叶片表皮外角质层中的蜡质成分会在干旱的诱导下增加，像一层紧密的保护膜以减少水分的丢失。耐旱植物柠条叶片中的透明蜡质层还能反射大量的太阳光，降温的同时也减少了水分的蒸发。
近年来的研究表明，植物有如此特性可能和植物激素脱落酸（ABA）的产生有关，并发现了一系列与角质层厚度增加相关的基因。
除此之外，叶片中的气孔变化也是御旱的重要途径，当高温来临时，植物会减少气孔的开度。而当温度降低到适宜时，气孔开度增大，提高了植物体内水分的利用效率。
有些植物的气孔及角质层不发达怎么办呢？它们自有妙招，比如蚂蚁森林种下的梭梭，它就在叶片内部分化出发达的薄壁贮水组织，减少水分散失的同时还能补充水分。
当然，植物抗旱可不止地面之上的叶片，还有地下的根呢。
农谚有云，“旱长根，水长苗”。干旱时，根系会首先利用资源，促进根系生长使其探入土地更深处，吸收水分和无机养分，保证植物的生长。而此时的地上，树冠部分则相对生长缓慢，人们常用根冠比来评价植物的抗旱性。
炎热干旱（左）与正常情况（右）下植物的根冠比
抗旱方法二：生理调节耐寒机制
植物除了通过形态结构的改变来抗旱外，还有一套比人类更高明的生理调节耐旱机制。比如渗透调节，简言之就是提高植物细胞渗透压，维持植物自身细胞不失水。
当初遇干旱时，植物自身一些渗透压调节物含量就会增加，常见的如，脯氨酸、一些可溶性的糖类以及如钠离子、钾离子等无机离子，这些物质在调节渗透压的同时也保护了生物膜的成分，维持了植物在低水势的环境下能够正常的生长。
随着近年来的不断深入研究，研究人员还发现了一些干旱诱导蛋白，其中就包括Lea蛋白，这类蛋白产生于胚胎发生后期，具有脱水保护剂的作用，能够与细胞内其他蛋白相互作用稳定细胞的结构，另外还能够与遗传物质配合调控一些基因的表达，这些都进一步的提高了植物的耐旱能力。
耐高温的梭梭植株及根
当然，植物生理调节并不仅如此，激素调节也是不可或缺的方式。
上文提到的脱落酸就是典型的抗逆激素，高温干旱加快了脱落酸的合成，并进而作用于气孔，调节其开关的同时也促进芽休眠，在一定程度上减缓了植物生长。
除了脱落酸, 细胞分裂素（CK）可以一定程度上抑制干旱诱导的叶片衰老，而赤霉素（GA）则能够抑制细胞内自由基的积累，提高耐旱能力。最近研究也表明，油菜素内脂（BR）可以通过诱导ABA来达到耐旱的作用。
2015年，研究人员对二穗短柄草做了研究，发现下调和油菜素内脂作用的受体显著增加了其耐旱性。基于已有的研究成果发现，多种激素的相互协作是植物具有强耐旱性的重要原因。
抗旱方法三：清除自由基机制
除了以上这些调节方式之外，植物与人类一样，都具有相似的清除自由基的机制。自由基的危害想必不陌生，它会给细胞结构及遗传物质等造成不可逆转的伤害。
失控的自由基会对细胞造成严重伤害
在正常情况下，细胞内自由基的产生和清除处于动态平衡中。高温干旱使得植物体大量产生自由基，打破了原有的平衡，细胞膜及关键酶的不断遭到破坏，最终使得植物体死亡。有效地清除自由基则对于植物耐旱抗旱具有极大的裨益。
当植物接收到高温干旱的信息后，相关信号就会开始秘密安排生产抗氧化酶及抗氧化物，如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等，强大的抗氧化能力使得植物免受高温干旱胁迫下自由基的侵害。
随着科技的进步，植物抗旱的妙招还在不断被发现。
2015年，我国的科学家何祖华及其合作者发现了奇特的抗旱基因ERECTA（简称ER）。该基因在水稻中高表达后，在高温下不仅细胞寿命增长，还增加了生物量，提高了产量呢！可以说是抗逆与产量兼得。他们已经在寻找天然高表达ER基因的植物品种来进一步验证，并希望运用到生产中。
与对照组相比，高表达ERECTA基因的植株在高温下生长得更好 图/何祖华
怎么样，看到植物有这么多的避暑抗旱方法，你是不是对植物的这些“妙招”大为惊叹呀！
注：图片均来自于网络
参考文献
Lü S, Zhao H, Des Marais D L, et al. Arabidopsis ECERIFERUM9 involvement in cuticle formation and maintenance of plant water status. Plant Physiol, 2012, 159: 930–944
Yu L H, Cai X T, Xu P, et al. Drought-resistant and water-saving plants: from laboratory to field. Sci Sin Vitae, 2017, 47: 145–154
Feng Y, Yin Y, Fei S. Down-regulation of BdBRI1, a putative brassinosteroid receptor gene produces a dwarf phenotype with enhanced drought tolerance in Brachypodium distachyon. Plant Sci, 2015, 234: 163–173
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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