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34.15:

减少水分流失的适应作用

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Adaptations that Reduce Water Loss

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水对植物的光合作用、新陈代谢和 维持细胞结构都至关重要 因此 失水过多会给植物造成麻烦 植物进化出何种适应能力来承受 和抵御失水? 多数植物都有一层蜡质表皮 覆盖页面 防止 水分蒸发 蜡质层的特定成分影响着水的渗透性 表面的微小开口叫做气孔 可促进气体交换和蒸腾作用 为尽量降低水分散失 植物会根据水分和光照的 丰富程度 调节发育中叶片上的 气孔的密度和位置 例如多数落叶树木的 气孔位于叶片的背面 另外 气孔的密度 在靠近树中心的叶片上较高 而在树边缘的叶片上较低 保水能力对于 沙漠植物尤其重要 沙漠灌木扁果菊将水分锁在叶片周围 是通过细微的叶片刺毛 这些刺毛叫做毛状体 能转移照射 同时降低风干效果 还有些沙漠植物比如仙人掌 将水储存于肉质茎 可抵御干旱 另外 仙人掌叶子已经特化 叫做刺 可减少蒸发还能散热 干旱环境下的植物也能 通过仅在夜间吸收二氧化碳 来减少蒸发 而白天气孔保持关闭 这个过程叫做景天酸代谢 简称CAM 特定叶片结构也可能减少水分散失 小叶或细叶减少蒸发 草具有卷曲或折叠的 叶片结构 同样减少了表面积 因此也减少了蒸发

34.15:

减少水分流失的适应作用

虽然植物叶子的蒸发会推动蒸腾,但也会导致水的流失。由于水对光合作用反应和其他细胞过程至关重要,因此不同环境中植物的进化压力促使人们获得减少水损失的适应。

在陆地植物中,植物叶的最上层细胞层称为表皮,涂有一种叫做角质层的蜡状物质。这种疏水层由由表皮细胞合成的聚合物切层和其它植物衍生蜡组成。这些物质可防止不必要的水流失和不需要的溶解物进入。角质层的具体组成和厚度因植物种类和环境而异。其它叶片适应也可以最大限度地减少蒸发,主要是通过减少表面积。例如,有些草有折叠结构,可减少水损失。或者,其它草种经过叶片滚动,以防止蒸发。一些沙漠植物的叶子被涂上微小的毛,可以捕获水蒸气,从而减少蒸发。

水主要通过植物气孔中的小孔蒸发。 一些植物的气孔仅位于叶片下部表面,以保护它们免受与热量相关的过度蒸发。其它植物在气孔附近捕获水蒸气,这些水蒸气位于叶片的坑中,从而减少了蒸发水的损失,因为位于气孔开口两侧的保卫细胞可以感知相对湿度。一些沙漠植物仅在不太可能发生蒸发的夜晚才打开气孔。这种策略被称为景天酸代谢(Crassulacean Acid Metabolism, CAM)。使用它的植物在晚上捕获并固定二氧化碳,并在白天进行光依赖性的光合作用反应。一些科学家提出了生物工程植物,通过利用景天酸代谢(CAM)来使碳固定与光合作用脱钩,从而缓解与全球气温升高相关的蒸发。

Suggested Reading

Buckley, Thomas N., Grace P. John, Christine Scoffoni, and Lawren Sack. "The sites of evaporation within leaves." Plant Physiology 173, no. 3 (2017): 1763-1782. [Source]

Borland, et al. "Climate‐resilient agroforestry: physiological responses to climate change and engineering of crassulacean acid metabolism (CAM) as a mitigation strategy." Plant, Cell & Environment 38, no. 9 (2015): 1833-1849. [Source]

Yang X et al. A roadmap for research on crassulacean acid metabolism (CAM) to enhance sustainable food and bioenergy production in a hotter, drier world. New Phytol. 2015 Aug;207(3):491-504. [Source]

Jalakas, Pirko, Ebe Merilo, Hannes Kollist, and Mikael Brosché. "ABA-mediated Regulation of Stomatal Density Is OST1-independent." Plant Direct 2, no. 9 (September 1, 2018). [Source]