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人们防寒有办法,植物挨冻怎么办?

前几天,一股来自西伯利亚的强烈寒潮席卷了我国大部分地区。不要说北方各地气温连创新低,就连地处我国南端的广州,居然也飘起了几十年未见得雪花。


要应对这来势汹汹的寒潮,人们可以采取各种防寒措施:在室外能添加厚厚的防寒衣物、而在室内则可以开足了暖气、空调来取暖。不过,那些在室外被冷风吹拂冰雨浇淋的植物来说,它们如何对抗这寒冷的天气呢?其实上,在长期的演化过程中,植物们也发展出了一套抵御低温的功能,来保证它们能够渡过寒冷的冬季,在新的一年中继续发芽开花。

  • 低温带来什么伤害?

我们知道,对于人体来说,随着温度的降低,会出现一系列生理变化,比如从四肢尖端开始逐渐变得僵硬、麻木,感觉和运动能力都严重下降,如果进一步发展,还会发生冻疮、冻伤,甚至危及生命。对于植物而言,也有一系列生理过程的改变。

植物细胞内对于低温最为敏感的组分之一是叶绿体。随着温度的降低,叶绿体形态会变得不规则,原本垛叠整齐的类囊体结构会发生紊乱,从而大大降低对光能的吸收和转化效率。同时,低温对酶类活性的抑制,也会严重抑制叶绿素的合成过程,使得叶绿体内叶绿素含量下降。这两个因素共同造成植物光合作用速率的严重下降,影响了光合产物的合成。

此外,细胞膜对冷也十分敏感。细胞膜的成分是由磷脂等脂质成分构成的。我们知道,食用油在低温下会凝结,同样的,随着温度下降,细胞膜的流动性也会逐渐降低,甚至也会“凝结”起来。失去流动性的细胞膜更容易发生破裂,从而造成细胞膜透性增加,细胞内外的离子环境发生改变,影响细胞的物质交换和信号传导。

除了叶绿体和细胞膜外,其他富含酶类和膜的细胞器以及细胞内容物的生理活性也会降低,进一步影响细胞的正常生理机能。这些因素共同作用,使得植物表现出冷害的表现。

而如果当温度低于零度时,还会发生更为严重的冻害。此时,细胞内所含有的水分开始凝结,生成尖锐的冰晶。这些细胞内的冰晶可以刺穿细胞,造成细胞内容物的释放,直接造成细胞的损伤。冷冻后的蔬菜解冻后颜色发黑、变软,就是这个原理。并且这种伤害对于含水量较高的幼嫩组织更为严重。

因此,为了应对这些低温影响,植物也采用了不同的方式来“见招拆招”。

  • 改变形态,抵御低温

植物最为人所熟悉的“改变形态”来御寒的现象,就是落叶。这是因为叶片的含水量较高,更容易受到低温的损伤。在入秋之后,逐渐缩短的日照会刺激植物降低叶片含水量,将叶片合成的有机物运输到其他器官中储存,并且在叶柄基部形成易于断裂的离层,以利于叶片的脱离。在叶片脱落的同时,枝条顶端的芽周围,还会产生一些小而层叠的鳞片,将芽包裹起来,这就是所谓的“芽鳞”。芽鳞通常质地厚硬,有较厚的蜡质或毛存在,这也能抵御寒风和冰雨的侵袭,保护嫩芽越冬。

对于草本植物来说,也会采用类似的“穿衣”行为来御寒。例如我们熟悉的大白菜,在入秋种植时,它是以基生莲座叶,以及散叶的状态生长的,这样有利于尽可能的吸收光能,合成有机物。而当入冬之后,大白菜的新生叶片,就一片片的拳卷起来,形成了一个结实的叶球。这层层叶片,就好像层层衣服一样,保护着幼嫩的生长点免受低温的侵害。我们常见的卷心菜也有类似的结构。

一些草本植物的地下部分也能产生类似的结构。例如我们熟悉的大蒜、洋葱,以及风信子等花卉,在入冬后虽然地上部分枯死了,但是会在地下长出一个由层层鳞叶包裹着的鳞茎,以此越冬。

  • 加些“防冻剂”

不过“穿衣”虽能一定程度上抗击寒冷,但是对于较长时间的低温,以及低于零度的严寒,这一策略还是有些捉襟见肘。因此,在采取上面策略的同时,植物还会改变自身细胞的成分来对抗低温。

前面说过,低温最大的伤害,是在细胞内产生冰晶直接杀伤细胞。因此,植物会在细胞内累积“抗冻剂”,让细胞内的水分在低于零度时也不至于结冰。在植物体内,最为重要的抗冻剂是糖类。当植物受到低温刺激时,会在液泡内累积更多的糖分,以此降低细胞液的冰点。入冬后的甜菜根、经霜的青菜、大白菜、萝卜等会变得更甜,正是这个道理。

细胞液中的糖分不仅能够单独存在,有些时候还能和其他物质结合,以糖苷的形式存在。最常见的,就是花青素的糖苷形式——花色苷。有些植物在经过低温后,叶色会变深,这正是花色苷累积的缘故。累积的花色苷能够吸收阳光中更多的短波长组分,以此保护低温下生理活动下降的叶片不被阳光灼伤。

除了糖类之外,植物还会在细胞内累积脯氨酸等氨基酸甚至肽类成分,这些都能和糖类一样起到降低冰点、保护细胞结构不被冰晶破坏的作用。

  • 修炼“内功”,自己产热

除了上面这些“常规”的防寒方式外,一些植物还演化出了一些“非常规”的方式来抵御低温,其中最令人惊异的,就是一些植物也可以像动物那样,依靠主动产热来应对寒冷的环境。

我们知道,生物体通过呼吸作用分解有机物时,会释放热量。不过对于植物来说,它的呼吸速率太慢了,以至于产生的热量微乎其微,无法像恒温动物那样能够大量产热。不过,一些植物,尤其是天南星科植物,能够通过一种名为“抗氰呼吸”的特殊代谢方式,利用线粒体中特有的交替氧化酶,让呼吸过程加快,从而大大提高呼吸速率,进而产生大量的热。例如分布在我国北部和北美地区的臭菘,它的花序常常需要冒雪开放,周围气温几乎接近零度。然而,通过这种特殊的生理过程,它花序内的温度可以持续数天维持在20℃以上,足以抵御寒冷的侵袭,并且还有助于花序气味的扩散,以此吸引那些数量稀少的耐寒昆虫前来传粉。这种维持组织高温的能力,即使是在动物世界中,也是足以令人惊叹的。

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