植物越冬的奧秘

在寒冷的冬天，總有一些植物不畏懼冰雪和寒風(fēng)，一如夏季時，生長得郁郁蔥蔥、高大挺拔。難道它們有什么能夠抵御嚴(yán)寒的秘密武器?

眾所周知，植物的生存和生長需要一定的環(huán)境條件，溫度便是一個主要因素。一般說來，20℃～30℃時，植物最易生長存活；而低溫(10℃以下)不僅限制植物的生長，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致植物死亡。例如，我們常常看到晚秋和早春的霜凍給農(nóng)作物帶來很大的危害，直接影。向它們的生長發(fā)育。然而，為什么有些植物即便是在寒冬里，也能好好生長呢?它們究竟是憑借什么方式順利通過嚴(yán)酷的自然環(huán)境的考驗?

科學(xué)家們通過長期的研究認(rèn)識到：原來，這些越冬植物在進(jìn)入寒冬之前，已經(jīng)在秋季的短日照和零上低溫的共同作用下“鍛煉”了一段時間。可見，“鍛煉”不僅對我們的身體健康大有裨益，而且在幫助植物順利越冬的過程中也是必不可少的。不過，與人類不同，越冬植物在這個鍛煉過程中，植物體的細(xì)胞內(nèi)會發(fā)生一系列適應(yīng)性變化。歸納起來，主要有以下幾個方面。

防止水結(jié)冰

在植物細(xì)胞內(nèi)，有一個大的中央液泡，其中含有大量的水，占植物體鮮重的85％以上。細(xì)胞內(nèi)的水一旦結(jié)冰，就會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。所以要順利過冬，必須防止細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰。

方法之一，就是合成更多的可溶性糖和氨基酸，以增加液泡內(nèi)的溶質(zhì)，降低冰點。然而，借助這種方式降低冰點，頂多只能在-5℃以上發(fā)揮作用：在-5℃以下則需要依靠蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)起作用。例如，研究者們在寒冬中觀測到，楊樹皮層細(xì)胞的液泡內(nèi)有大量的蛋白質(zhì)的積累，這些蛋白質(zhì)被稱為“抗凍蛋白”，如同北極魚類體液中的抗凍蛋白一樣，它能防止水結(jié)冰，使細(xì)胞內(nèi)的水處于“過冷卻狀態(tài)”。因此，這些植物具有高度的抗寒力，能抵抗-45℃以下的低溫冰凍。在人工操作下，它們的枝條在液氮-196℃的超低溫中仍能存活。所以這類植物在自然界能夠順利越冬。

排水，從細(xì)胞內(nèi)到細(xì)胞外

這是越冬植物防止細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰傷害的又一個重要而普遍的適應(yīng)方式。科學(xué)家們觀測到，植物經(jīng)過低溫鍛煉后，細(xì)胞膜的排水速率增加，且形成了一種排水渠道，這樣液泡內(nèi)的水可以直接地迅速流到細(xì)胞外及細(xì)胞間隙內(nèi)結(jié)冰。在常綠的小葉黃楊葉片內(nèi)，研究者們還觀察到一種很有趣的現(xiàn)象；它的葉肉細(xì)胞呈十字形，相互連接形成一個相當(dāng)大的正方形細(xì)胞間隙。這樣，就有足夠的空間容納從細(xì)胞內(nèi)排出來的水，使結(jié)成的冰晶不致再反饋回去傷害植物細(xì)胞。

生物膜系統(tǒng)

高等植物細(xì)胞如同一個工廠，工廠一般都包含著若干車間，車間由相應(yīng)的機器裝配而成；一個植物細(xì)胞也包含著許多細(xì)胞器，它們由生物膜系統(tǒng)分隔而成。低溫會影響生物膜的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時會造成膜結(jié)構(gòu)的破壞。因此，植物在“鍛煉”中需要增強膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性——合成一些新蛋白質(zhì)增補到生物膜，并使一些蛋白質(zhì)在膜內(nèi)發(fā)生橫向遷移，進(jìn)行重新布局；同時，提高膜脂脂肪酸的不飽和度，增加膜脂的流動性，防止膜脂在低溫冰凍下變性。此外，還有一個辦法，即合成更多的可溶性糖和糖醇以及氨基酸等物質(zhì)(如蔗糖、山梨糖醇和脯氨酸等)，鋪附在膜的表面，對膜起保護(hù)作用，來防止低溫傷害。

防止活性氧的傷害

氧氣是動物和植物生命活動中所必需的基本物質(zhì)之一。在植物的光合作用和呼吸作用過程中會發(fā)生一種附帶反應(yīng)，使得分子氧變成活性氧，如超氧陰離子(O₂)＼過氧化氫(H₂O₂)及羥自由基(OH)等。這種活性氧對生命的基本物質(zhì)——蛋白質(zhì)和核酸起破壞作用，尤其是會引起膜脂過氧化，破壞膜結(jié)構(gòu)。

在正常條件下，由于細(xì)胞內(nèi)有抗氧化酶和抗氧化物質(zhì)的存在，這種活性氧被控制在低水平的穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)，不會對植物體造成傷害；但在低溫條件下，由于光合作用降低，葉綠素吸收的光能不能被光合碳同化(CO₂固定)所耗盡，造成更多的光能過剩，于是有更多的分子氧被過剩光能還原成活性氧，破壞了活性氧與抗氧化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡，結(jié)果引起膜脂過氧化，膜結(jié)構(gòu)被破壞。

越冬植物為了防止這種活性氧的危害，在寒冬到來之前使葉片脫落，以消除光氧化還原作用的發(fā)生。而那些在越冬歷程中仍保留葉片的植物，如松、柏類針葉植物和極少數(shù)的闊葉被子植物，在冬前鍛煉過程中，使它們的光合作用器官——葉綠體內(nèi)膜片層結(jié)構(gòu)大量減少，基粒片層幾乎全部消失，僅保存少數(shù)的基質(zhì)片層；同時，還將吸收光能的葉綠素含量降低50％以上，并增加對光氧化起猝熄作用的葉黃素和胡蘿卜素含量，提高抗氧酶的活性水平。通過這一系列的適應(yīng)性變化，維持光能吸收和活性氧的穩(wěn)態(tài)平衡，保證這些越冬植物得以安全地度過寒冬。

用土壤做被子

從物種到細(xì)胞，乃至分子水平的各層次上，生物都體現(xiàn)著多樣性。植物越冬的方式也是多種多樣的。除了上面談到的各種適應(yīng)性變化外，植物研究者們還觀察到，有些多年生草本植物，如蒲公英、苦麥菜、毛地黃等，在冬前的低溫鍛煉過程中，會停止地上苗的生長，使地下的塊根發(fā)生收縮，并將塊根頂端的芽也拉入土中，讓頂芽以覆蓋其上的表土為被子，在其保護(hù)下安全越冬，如同冬眠動物藏在洞中靠休眠來度過寒冬一樣。以種子方式越冬

植物體的生命周期分為兩大類：一類是一年生植物，以一年為一個生長周期；另一類叫多年生植物。其中，一年生植物通常在一年中的暖和季節(jié)，且有足夠水分的條件下，讓它們的種子迅速發(fā)芽，幼苗隨即迅速生長發(fā)育、開花結(jié)果。在寒冬到來之前，完成它們的生命周期，將散布到土壤上的種子作為來年的希望。種子度過寒冬，到翌年暖和季節(jié)再開始新一輪的生命周期。

實際上，種子是最好的一種安全越冬方式。因為種子在成熟過程中，已經(jīng)較徹底地進(jìn)行了脫水，并處于休眠狀態(tài)，對低溫冰凍和干旱鹽堿等逆境都具有高度的抵抗性。若將種子置于-20℃以下的冰凍中可長期保存，這也是為什么沉睡了上千年的古蓮子可以重新發(fā)芽開花的原因。對于那些多年生植物，種子同樣重要。如果在極其惡劣的環(huán)境脅迫下不幸離世時，種子就是它們得以延續(xù)后代的保證。

[責(zé)任編輯] 姜冰