自然万物失去了水会干枯。越是高等生物,对水的依赖性越强。然而,却有少数高等植物即便失去体内95%的水分,仍然能坚持活很久,这类植物就是复苏植物,它们干而不死,遇水则生。其耐脱水性大概是植物在从水生向陆生进化的过程中学到的本领。
旋蒴苣苔 谭庭鸿摄
大多数复苏植物体内的水分随环境变化而变化,而不影响其生存能力。目前,全世界范围内,大约存在200种复苏植物。生活在喀斯特石灰岩石壁上的旋蒴苣苔就是其中一种,它是苦苣苔科中分布最北的一种,能以脱水状态在北纬40度地区越冬。
旋蒴苣苔在极度脱水的情况下以一种类似休眠的方式存活,在水分充足的时候又能快速地吸收水分恢复生活状态。旋蒴苣苔之所以能在干瘪与灵动之间切换自如,是因为它体内的DNA在起作用。植物缺水时,会向中枢系统发出信号,系统则会调控基因做出变化,编码一些抗旱的蛋白或是酶类物质,增强植物耐旱性。在脱水过程中,旋蒴苣苔也会保护光合作用的结构和快速恢复蛋白的合成能力不受损伤。植物叶片在脱水过程中积累的蔗糖能为它的复水过程提供能量。
植物叶片和幼嫩的茎、果表皮层中都有一种半月形或哑铃形的保卫细胞。两个对生的保卫细胞中间有一个小孔,是气孔。气孔是植物与外界进行气体交换的通道,吸收二氧化碳,排出水分和氧气。植物感受到干旱胁迫后,会关闭气孔,减少水分蒸发。如果干旱延长,植物就会让自己的主根不断向下伸长,寻找水源,长出更多的侧根和根毛,吸到更多的水。干旱会引起植物体内物理信号、化学信号以及电流等信号的传递,使各种植物细胞感知干旱,并将干旱信号传导网络,级联放大而作用于基因,从而调控干旱响应基因的表达与蛋白质的修饰,最终改变代谢方向,引起植物抗旱反应。例如,合成一些保护性分子,如蔗糖、脯氨酸、LEA蛋白渗透、渗调蛋白和抗氧化酶等。这些物质的增加,可以降低植物渗透,促进植物细胞保持水分,降低活性氧伤害,保护大分子物质,减少蛋白质变性和膜损伤。
低等复苏植物和高等复苏植物在干旱和复水过程中的表现和采取的手段是不同的,后者显然更经济划算。
虽然很多陆生植物的种子和花粉能够耐脱水,但复苏植物是唯一能够以叶子等营养器官忍耐脱水的一类植物。由于陆生植物获得了越来越有效地吸收、运输和保持水分的结构,如维管组织,这种耐脱水能力仅被保留在种子和花粉中,而在叶片等营养器官中被丢失了;只有生活在长期季节性干旱生境中的一些植物在进化过程中,对种子中的耐脱水程序进行重新编程,使之在营养器官中重新获得了复苏能力。