2020-11-25 16:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
今天分享給大家 AMS 2020年第5期的封面文章，來自南京航空航天大學盧天健教授、劉少寶副教授和西安交通大學徐峰教授的最新研究成果Biomechanics in plant resistance to drought。讓我們學習一下植物抗旱過程中有哪些有趣的生物力學行為吧！
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Liu, S., Liu, H., Jiao, J. et al. Biomechanics inplant resistance to drought. Acta Mech. Sin. 36, 1142–1157 (2020).https://doi.org/10.1007/s10409-020-00980-1
研究背景
植物能夠在乾旱環境中存活得益於植物的耐旱性。在乾旱環境中，植物通過不同尺度（組織、細胞、分子）的功能調節來適應外界水分條件的變化。目前，植物的抗旱機制存在生物、化學、物理等多方面的解釋。在這些機制中，物理機制特別是力學機製得到越來越多的關注。力學因素在不同層次功能的響應和自適應中起著關鍵性作用，如力學調控水分運輸、組織變形、細胞生長和運動、分子間相互作用等。
研究進展
在抗旱過程中，植物在不同尺度（組織、細胞及分子）表現出不同的生物力學行為。不同尺度下植物的抗旱生物力學涉及固體與流體體力學，連續與非連續力學，均衡與非均衡狀態力學。在組織尺度，極端乾旱導致的植物導管水分運輸的水力失效，制約植物生存，水力失效後的自我修復是植物耐旱性的關鍵。植物導管水力失效水動力學機制包括均勻空化（homogeneous cavitation）、異構空化（heterogeneous cavitation）和空氣種子（air seed）等。均勻空化假說認為，空化的形成是由於水分子之間的內聚力消失。異構空化假說認為，水分子與植物導管壁之間的內聚力最容易消失，因此這種情況首先發生在植物導管的內壁處，而且異構空化發生的概率可通過異構成核率進行計算。空氣種子假說已被廣泛認可，認為水在拉力作用下會趨向於把空氣相鄰栓塞導管拉出並通過細胞壁孔洞。如果在空氣-水界面處的壓力差足夠大，毛細彎液面（meniscus）就會通過細胞壁孔洞，同時小氣泡就會釋放到導管裡面。而水力失效後的栓塞修復機制包括滲透/反滲透假說、韌皮部驅動假說。滲透假說認為從栓塞周圍的細胞釋放到栓塞區域的一些分泌物，比如鹽或其他溶質，導致栓塞導管的滲透勢降低，由此獲得了栓塞填充的驅動力。反向滲透假說認為，通過澱粉到糖的水解作用，栓塞管的滲透壓會減小，進而產生組織壓力，進而將水從周圍的細胞擠到壓栓塞管裡。韌皮部驅動再填充假說認為，射線細胞從韌皮部到栓塞管運輸溶質，導致栓塞管的滲透勢減小，因此韌皮部可以釋放和運輸水到栓塞管內，進而重新填充栓塞管。
在細胞尺度，乾旱發生過程中，植物葉面的氣孔對外界環境的變化快速響應，從而維持水分的運輸和水分保持。氣孔的開度由圍繞氣孔的保衛細胞的膨脹壓控制，當保衛細胞完全膨脹時，氣孔打開並進行氣體交換，而當膨脹壓降低時氣孔將關閉。植物葉片通過保衛細胞的膨脹壓調控氣孔開/閉振蕩周期，從而調節水分運輸效率。花粉粒從雄蕊的花葯中釋放出來，暴露在乾燥的空氣中會發生脫水。為了在這樣極端變化的環境中存活，花粉粒細胞壁向細胞內發生非鏡面屈曲摺疊，從而阻止其進一步乾燥失水。這個重要的現象被稱作「harmomegathy」, 可以理解為花粉粒滿足兩個需求之間矛盾（細胞正常物質交換和水分保持）的最優解。在分子尺度，植物細胞周緣的質膜蛋白在細胞膜應變能和分子間電勢能的平衡作用下排列構型重組，以減輕細胞失水收縮對植物細胞原生質的損傷。
未來展望
力學因素在植物不同尺度（組織、細胞、分子）、不同生命階段（萌發、生長、生殖、防禦）發揮著重要的作用。法國國家農業研究院科學家Moulia曾指出，植物生物力學和力生物學是促進跨學科研究蓬勃發展的共同選擇。而植物防禦過程的極端植物生物力學及力生物學問題無疑是這一跨學科領域中最有價值、最吸引人和最具挑戰的研究方向，基於生物力學原理的植物防禦性能提升和水分利用為綠色生態農業的發展提供了新的可能性。
基金資助信息（中文）
感謝國家自然科學基金重點項目（11532009）、面上項目（11972280）和青年項目（11972280）對該工作的支持。
原標題：《AMS封面文章分享 | 盧天健、徐峰、劉少寶研究團隊：植物抗旱的極端生物力學》
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