隨著全球氣候變化加劇，洪水發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度急劇上升，對(duì)作物的可持續(xù)生產(chǎn)和糧食安全也帶來(lái)了許多不可控風(fēng)險(xiǎn)。水淹脅迫導(dǎo)致作物減產(chǎn)的主要原因是氣體擴(kuò)散受阻、土壤電化學(xué)變化導(dǎo)致有毒元素濃度升高，以及水中光照減少而影響光合作用。此外，洪水消退后的干燥環(huán)境會(huì)再次損害植物組織，導(dǎo)致脫水、光抑制和加速衰老。為適應(yīng)水淹環(huán)境，植物進(jìn)化出了一系列適應(yīng)性表型，包括通氣組織和不定根、皮孔增大、節(jié)間和葉柄伸長(zhǎng)，以及抑制高能量代謝過(guò)程。然而，沒(méi)有一種單一策略能夠完全解釋植物適應(yīng)洪水脅迫的不同方式。

近日，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所在Plant Cell & Environment在線發(fā)表題為“Uncovering the Secrets of How Plants Adapt to Water Stress”的綜述論文。文章系統(tǒng)闡述了模式植物如水稻、沼生酸模和豆瓣菜在應(yīng)對(duì)水淹脅迫時(shí)分別采用的兩類適應(yīng)性策略：一是低氧靜止策略（low‐oxygen quiescence strategy，LOQS），其特點(diǎn)是植物代謝和生長(zhǎng)在水淹時(shí)受到抑制，洪水消退后能夠迅速恢復(fù)生長(zhǎng)，多見(jiàn)于能忍受短期深度洪水的物種；二是低氧逃避策略（low‐oxygen escape strategy，LOES），其特點(diǎn)是莖或葉在短時(shí)間內(nèi)快速伸長(zhǎng)，露出淺層洪水的水面以實(shí)現(xiàn)氣體交換和光合作用。

異形葉植物的表型、結(jié)構(gòu)和調(diào)控機(jī)制

（a）異形葉代表物種的表型；（b）水陸生境下異形葉的結(jié)構(gòu)變化；（c）水生植物異形葉調(diào)控的分子機(jī)制

基于對(duì)近年來(lái)兩種策略的分子機(jī)制的歸納總結(jié)，文章將水生植物中的“異形葉（Heterophylly）”定義為第三種適應(yīng)策略。異形葉是水生植物為適應(yīng)水位變化而產(chǎn)生一系列的表型、結(jié)構(gòu)、生理和分子層面的改變，對(duì)解析植物的表型可塑性和環(huán)境適應(yīng)規(guī)律具有重要價(jià)值。不同于LOQS的“韜光養(yǎng)晦”，以及LOES的“一飛沖天”，異形葉植物能夠“因地制宜”，水位上升時(shí)產(chǎn)生水生葉而水位下降時(shí)產(chǎn)生陸生葉，均能夠進(jìn)行正常的水生或陸生生活。通過(guò)介紹異形葉研究中的幾種模式植物：水生蔊菜（Rorippa aquatica）、毛柄水毛茛（Ranunculus trichophyllus）、異葉水蓑衣（Hygrophila difformis）和水馬齒（Callitriche palustris）中異形葉調(diào)控的分子機(jī)制和組學(xué)研究進(jìn)展，指出了目前異形葉研究的局限和未來(lái)發(fā)展方向。

此外，該論文還介紹了水生植物在不同環(huán)境下的光合可塑性策略以及浮水生長(zhǎng)時(shí)的發(fā)育可塑性策略，提出利用水平基因遷移（Horizontal gene transfer，HGT）、特異性表達(dá)異形葉調(diào)控基因等方法將水生植物的多樣性適應(yīng)策略應(yīng)用于未來(lái)的作物改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4月21日該論文以Uncovering the Secrets of How Plants Adapt to Water Stress為題，在線發(fā)表于植物學(xué)期刊Plant,Cell & Environment（http://doi.org/10.1111/pce.15571）。水生所李高潔助理研究員為論文第一作者，武漢植物園魏娜研究員和水生所侯宏偉研究員為共同通訊作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴關(guān)系計(jì)劃項(xiàng)目（075GJHZ2024072MI；075GJHZ2024051FN）的支持。