荒漠植物適應干旱的水分收集和運輸新模式

　　荒漠植物大多擁有高度進化的水分吸收和運輸系統，傳統理論認為它們能通過發達的根系最大限度地從沙土中吸收水分，向上傳輸到莖、葉，同時借助特殊的葉片結構減少水分的損失。

　　近日，中國科學院新疆生態與地理研究所張元明團隊與美國楊百翰大學、美國猶他州立大學的科學家合作，以齒肋赤蘚（Syntrichia caninervis）為研究材料，闡明了荒漠植物葉片特殊結構在植物體適應干旱環境中的重要作用，揭示了荒漠植物高效利用干燥空氣水分維持生命的機制，提出了荒漠植物“由上至下”吸收水分的新模式，這一研究成果于6月6日在線發表于Nature Plants。

　　齒肋赤蘚在世界各地沙漠中廣泛分布，具有獨特有效的脫水復蘇機制，能夠在營養組織失去近90%的細胞水分后，以一種類似休眠的方式度過嚴酷的干旱期，在水分適宜的條件下快速恢復正常的生命代謝活動，繼續其生活史。因此，在荒漠生態系統中，此類復蘇植物比其它植物具有更大的生存優勢。張元明團隊曾報道了齒肋赤蘚葉片頂端白色芒尖有利于植物體凝結水的形成（Journal of Hydrology, 2009）以及具有重要的水分保持作用（Journal of Plant Research，2012）。然而，有關該植物如何從干旱環境（空氣）中收集和運輸水分的機制一直未知。

　　研究人員發現，齒肋赤蘚的假根系統(rhizoids)并不具有水分吸收的作用，而其葉片頂端的白色芒尖是其適應干旱環境的關鍵。葉片頂端的芒尖分布有從納米、微米到厘米等不同尺度的水分收集與傳輸系統（凹槽和疣狀突起），具有采集和運輸水分的多種模式，分別將空氣中的水分子形成水核、水膜和水滴，然后將這些水滴通過毛細管作用迅速運輸到芒尖底部的葉面，被葉片吸收。研究人員還發現，從更宏觀的尺度（厘米級），齒肋赤蘚以聚集生長的方式覆蓋在沙漠表面，密集的葉片芒尖能夠有效地吸收雨滴打擊的能量，從而最大程度地減少雨滴的飛濺和水分的損失，有利于水分的保持和吸收。

　　該研究得到了科技部“973”項目課題的資助。Science 雜志對上述成果進行了評述：“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.”

　　文章相關信息：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.

　　干燥狀態（左）和濕潤狀態（右）的齒肋赤蘚植株

　　覆蓋在荒漠地表的蘚類結皮（干燥時呈現黑色）