会变色的“荒漠地毯”

    置身于浩瀚的沙漠，其貌不扬的地表生物土壤结皮常常被忽视。在显微镜下，细细端详这层微生物、地衣和苔藓植物、土壤颗粒等形成的有机复合体，宛如一块设计精巧的“荒漠地毯”。正是有它的庇护，显著降低了起风速度，有效地维持了荒漠地表的稳定性。今天，这层“荒漠地毯”已成为荒漠生态系统健康的重要标志。

    我国的生物土壤结皮研究始于20世纪50年代中国科学院沙坡头沙漠研究试验站的工作，此后，隶属中国科学院的新疆生态与地理研究所、寒区旱区环境与工程研究所、水生生物研究所、水土保持研究所等科研机构陆续从结皮组成成分、微观结构、土壤理化性质等角度展开了研究。随着分子生物学技术的引入，21世纪初，生物土壤结皮的研究进入了全新、系统、综合的阶段。

    生物土壤结皮的各组分中，以荒漠藓类植物对外界水分变化的响应最为直观。以组成结皮的优势种齿肋赤藓为例，当环境中存在少量可利用水分时，5秒～7秒内，该种叶基部的细胞吸水后迅速膨胀，将叶片展开并推离茎部，使叶倾角迅速减小并稳定在30度左右，保证了苔藓植株在最短的时间内最大化地获取水分与光能，从外观黑色迅速变为嫩绿色。

    近年来，中科院新疆生地所的科研人员立足我国最大的固定半固定沙漠古尔班通古特沙漠，逐步揭开了荒漠地毯变色的秘密：荒漠藓类植物光合生理过程的快速恢复，与特殊的叶片形态学结构（如密布芒刺的叶片毛尖、叶片表面乳头状突起、粗壮中肋等）、稳定的叶绿体双层模结构、快速的叶绿素合成、PSII的重新组装及PSII活性的快速恢复均有密切联系。2015年，科研人员借助Illumina测序技术，测定和组装了结皮中银叶真藓的转录组序列，发现在复水的早期阶段主要以抗逆胁迫相关的基因的诱导和上调表达为主，而在复水后期则主要是光合作用相关基因的诱导表达。在整个复水过程中信使RNA的保留翻译和蛋白质的重新合成起到最为关键的作用。

    与藻结皮、地衣结皮相比，苔藓结皮的蓄水能力、抗机械干扰和固沙的能力更强，是不可多得的生物固沙材料。2014年11月，新疆生地所科研人员发明的“极端耐旱齿肋赤藓单株克隆系的保存、活化及快速扩繁方法”获国家发明专利授权。使用这一方法可在3个月内快速克隆出大批量的单克隆系，为荒漠苔藓的野外扩繁提供持续的纯系材料。科学家们相信，在荒漠地区贴上这层生态地毯不再遥不可及。

    （吴楠，作者单位：中国科学院新疆生态与地理研究所）