第3章 揭秘植物越冬
大家都知道，温度是植物的生存和生长一个主要因素。一般情况下，植物生长最适宜的温度在20℃～30℃之间；10℃以下的温度不仅限制植物的生长，而且严重时还会冻死植物。
在日常生活中，我们常常听到、看到晚秋和早春的霜冻造成农作物大量减产、冻死大片农作物的新闻报道。然而，为什么松树、冬青在寒冬里，也能正常生长呢？难道它们越冬有秘密武器？经科学家们研究发现：越冬植物在未进入寒冬之前，已经在短日照和零上低温的共同作用下“锻炼”了一段时间。可见，“锻炼”不仅有助于我们的身体健康，而且还可以帮助植物顺利越冬。不过，越冬植物的锻炼是指植物体的细胞内发生一系列适应性变化，这些变化主要体现在以下4个方面。保持活性氧与抗氧化系统之间的稳态平衡无论是动物还是植物，在其生命活动中，氧气是必不可少的。植物在光合作用和呼吸作用过程中会使分子氧变成超氧阴离子、过氧化氢及羟自由基等活性氧，这些活性氧对蛋白质和核酸有破坏作用，甚至会引起膜脂过氧化，将细胞的膜结构破坏掉。
在适宜的温度下，抗氧化酶和抗氧化物质与活性氧处于稳态平衡状态，不会破坏蛋白质和核酸，因此活性氧不会对植物体造成任何伤害；但是在温度比较低的情况下，光合作用不完全，叶绿体吸收阳光产生的光能不能完全被碳反应所耗尽，剩余的光能将分子氧还原成活性氧，打破了活性氧与抗氧化系统的稳态平衡，结果对植物体产生损害。
越冬植物在寒冬到来之前脱落叶片，以此消除光能的氧化还原作用，防止活性氧的危害。带着叶片过冬的植物，松、柏类针叶植物和极少数的阔叶被子植物之所以能顺利地度过严冬，是因为它们在越冬前的准备过程中，大量减少叶绿体内进行光合作用的内膜片层结构，只保存少数的基质片层；此外，减少50%的叶绿素，减少对光能的吸收，同时增加叶黄素和胡萝卜素含量，它们对光氧化有猝熄作用，保持活性氧与抗氧化系统之间的稳态平衡。
在土壤下安家
从物种到细胞，甚至是不同级别的分子，生物都表现出多样性。植物越冬的方式也是各不相同的。植物除了为了适应寒冬而发生各种适应性变化外，还可以以冬眠的方式度过寒冬。如蒲公英、苦麦菜、毛地黄、洋芋等植物，它们为安全越过寒冬，在越冬前的低温锻炼中，不得不放弃地上苗的生长，使地上苗自然枯萎，收缩地下块根，并将块根顶端的芽埋入土壤中，以土壤为被子，在“被子”的保驾护航下顺利度过冬天，就像动物冬眠一样。以种子延续生命多年生植物可以以土壤为被子越过寒冬，一年生植物则以种子的方式越冬。一年生植物会选择在一年中温度适宜的季节里、水分充足的条件下，让种子发芽、生长、开花，在寒冬到来之前将种子孕育成熟，播撒在土壤中，等待下一年的生命轮回。
防止细胞内的水结冰位于在植物细胞内的中央液泡，含有大量的水分，约占植物体鲜重的85％。一旦细胞内的水结冰，细胞结构遭到破坏，细胞就会被冻死。所以要顺利度过寒冬，必须防止细胞内的水分结冰。方法一：合成更多的可溶性糖和氨基酸，增加细胞液泡中溶质的含量，降低水的凝固点。然而，这种方式有最低温度的限制，在-5℃以下，就很难再发挥作用。在-5℃以下则需要利用蛋白质等大分子物质来降低水的凝固点。例如，科学家们在寒冬中观测到，杨树皮层细胞的中央液泡内含有大量的蛋白质，这些蛋白质有“抗冻蛋白”之称，就像生活在南北极的鱼类在体液中所合成的抗冻蛋白一样，它能阻止体液内冰核的形成与生长，维持体液的非冰冻状态。因此，这些植物能够适应酷冷的冬天，即使在-45℃以下的低温环境中，细胞内的水也不易结冰。经试验证明，这些植物的枝条可以在-196℃的低温中存活。所以这类植物在自然界能够安全顺利地度过冬天。
在日常生活中，我们常常听到、看到晚秋和早春的霜冻造成农作物大量减产、冻死大片农作物的新闻报道。然而，为什么松树、冬青在寒冬里，也能正常生长呢？难道它们越冬有秘密武器？经科学家们研究发现：越冬植物在未进入寒冬之前，已经在短日照和零上低温的共同作用下“锻炼”了一段时间。可见，“锻炼”不仅有助于我们的身体健康，而且还可以帮助植物顺利越冬。不过，越冬植物的锻炼是指植物体的细胞内发生一系列适应性变化，这些变化主要体现在以下4个方面。保持活性氧与抗氧化系统之间的稳态平衡无论是动物还是植物，在其生命活动中，氧气是必不可少的。植物在光合作用和呼吸作用过程中会使分子氧变成超氧阴离子、过氧化氢及羟自由基等活性氧，这些活性氧对蛋白质和核酸有破坏作用，甚至会引起膜脂过氧化，将细胞的膜结构破坏掉。
在适宜的温度下，抗氧化酶和抗氧化物质与活性氧处于稳态平衡状态，不会破坏蛋白质和核酸，因此活性氧不会对植物体造成任何伤害；但是在温度比较低的情况下，光合作用不完全，叶绿体吸收阳光产生的光能不能完全被碳反应所耗尽，剩余的光能将分子氧还原成活性氧，打破了活性氧与抗氧化系统的稳态平衡，结果对植物体产生损害。
越冬植物在寒冬到来之前脱落叶片，以此消除光能的氧化还原作用，防止活性氧的危害。带着叶片过冬的植物，松、柏类针叶植物和极少数的阔叶被子植物之所以能顺利地度过严冬，是因为它们在越冬前的准备过程中，大量减少叶绿体内进行光合作用的内膜片层结构，只保存少数的基质片层；此外，减少50%的叶绿素，减少对光能的吸收，同时增加叶黄素和胡萝卜素含量，它们对光氧化有猝熄作用，保持活性氧与抗氧化系统之间的稳态平衡。
在土壤下安家
从物种到细胞，甚至是不同级别的分子，生物都表现出多样性。植物越冬的方式也是各不相同的。植物除了为了适应寒冬而发生各种适应性变化外，还可以以冬眠的方式度过寒冬。如蒲公英、苦麦菜、毛地黄、洋芋等植物，它们为安全越过寒冬，在越冬前的低温锻炼中，不得不放弃地上苗的生长，使地上苗自然枯萎，收缩地下块根，并将块根顶端的芽埋入土壤中，以土壤为被子，在“被子”的保驾护航下顺利度过冬天，就像动物冬眠一样。以种子延续生命多年生植物可以以土壤为被子越过寒冬，一年生植物则以种子的方式越冬。一年生植物会选择在一年中温度适宜的季节里、水分充足的条件下，让种子发芽、生长、开花，在寒冬到来之前将种子孕育成熟，播撒在土壤中，等待下一年的生命轮回。
防止细胞内的水结冰位于在植物细胞内的中央液泡，含有大量的水分，约占植物体鲜重的85％。一旦细胞内的水结冰，细胞结构遭到破坏，细胞就会被冻死。所以要顺利度过寒冬，必须防止细胞内的水分结冰。方法一：合成更多的可溶性糖和氨基酸，增加细胞液泡中溶质的含量，降低水的凝固点。然而，这种方式有最低温度的限制，在-5℃以下，就很难再发挥作用。在-5℃以下则需要利用蛋白质等大分子物质来降低水的凝固点。例如，科学家们在寒冬中观测到，杨树皮层细胞的中央液泡内含有大量的蛋白质，这些蛋白质有“抗冻蛋白”之称，就像生活在南北极的鱼类在体液中所合成的抗冻蛋白一样，它能阻止体液内冰核的形成与生长，维持体液的非冰冻状态。因此，这些植物能够适应酷冷的冬天，即使在-45℃以下的低温环境中，细胞内的水也不易结冰。经试验证明，这些植物的枝条可以在-196℃的低温中存活。所以这类植物在自然界能够安全顺利地度过冬天。