新聞科研進展
隨著全球氣候變化加劇，洪水發生的頻率和嚴重程度急劇上升，對作物的可持續生產和糧食安全也帶來了許多不可控風險。水淹脅迫導致作物減產的主要原因是氣體擴散受阻、土壤電化學變化導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境會再次損害植物組織，導致脫水、光抑制和加速衰老。為適應水淹環境，植物進化出了一系列適應性表型，包括通氣組織和不定根、皮孔增大、節間和葉柄伸長，以及抑制高能量代謝過程。然而，沒有一種單一策略能夠完全解釋植物適應洪水脅迫的不同方式。
近日，中國科學院水生生物研究所在Plant Cell & Environment在線發表題為“Uncovering the Secrets of How Plants Adapt to Water Stress”的綜述論文。文章系統闡述了模式植物如水稻、沼生酸模和豆瓣菜在應對水淹脅迫時分別采用的兩類適應性策略：一是低氧靜止策略（low‐oxygen quiescence strategy，LOQS），其特點是植物代謝和生長在水淹時受到抑制，洪水消退后能夠迅速恢復生長，多見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），其特點是莖或葉在短時間內快速伸長，露出淺層洪水的水面以實現氣體交換和光合作用。
異形葉植物的表型、結構和調控機制
（a）異形葉代表物種的表型；（b）水陸生境下異形葉的結構變化；（c）水生植物異形葉調控的分子機制
基于對近年來兩種策略的分子機制的歸納總結，文章將水生植物中的“異形葉（Heterophylly）”定義為第三種適應策略。異形葉是水生植物為適應水位變化而產生一系列的表型、結構、生理和分子層面的改變，對解析植物的表型可塑性和環境適應規律具有重要價值。不同于LOQS的“韜光養晦”，以及LOES的“一飛沖天”，異形葉植物能夠“因地制宜”，水位上升時產生水生葉而水位下降時產生陸生葉，均能夠進行正常的水生或陸生生活。通過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）中異形葉調控的分子機制和組學研究進展，指出了目前異形葉研究的局限和未來發展方向。
此外，該論文還介紹了水生植物在不同環境下的光合可塑性策略以及浮水生長時的發育可塑性策略，提出利用水平基因遷移（Horizontal gene transfer，HGT）、特異性表達異形葉調控基因等方法將水生植物的多樣性適應策略應用于未來的作物改良和農業生產。
4月21日該論文以Uncovering the Secrets of How Plants Adapt to Water Stress為題，在線發表于植物學期刊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。該研究得到了中國科學院國際伙伴關系計劃項目（075GJHZ2024072MI；075GJHZ2024051FN）的支持。