水澇是一個農(nóng)業(yè)上經(jīng)常發(fā)生的非生物脅迫。它會引發(fā)根系缺氧，進而導(dǎo)致生理代謝紊亂與氧化損傷，阻礙植物生長發(fā)育，甚至造成死亡。蘭科(俗稱蘭花)是全球重要的觀賞和藥用植物，在自然生境中具有附生、地生和腐生三種生活型，每種生活型反映了其水分和養(yǎng)分適應(yīng)策略。其中，附生型和地生型蘭花微生境的水分異質(zhì)性明顯。有研究假設(shè)認為，對水澇環(huán)境的不耐受性是驅(qū)動植物向附生生活型演化的重要因素。此外，在生產(chǎn)栽培上，水分過多經(jīng)常導(dǎo)致蘭花根系腐爛和死亡。目前，人們對附生型和地生型蘭花的干旱適應(yīng)機制已有較深入的認識，而關(guān)于其水澇脅迫耐受性和適應(yīng)機制的研究缺乏。中國科學(xué)院昆明植物研究所張石寶團隊通過一系列研究工作，系統(tǒng)揭示了附生型與地生型蘭花響應(yīng)和適應(yīng)水澇脅迫的策略和機制。

為了理解蘭花適應(yīng)不同水分生境的形態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，研究團隊對蘭屬15種附生型和9種地生型植物的根和葉片解剖性狀進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)附生型物種普遍具有更厚的根被組織和更大的木質(zhì)部導(dǎo)管，這有利于在短暫的降水事件中快速吸收和運輸水分，體現(xiàn)了“快速吸水-高效輸水”的耐旱適應(yīng)特征。地生型物種則擁有更發(fā)達的根皮層，如更大的皮層面積、皮層細胞長度及皮層/中柱比，這有助于在土壤積水時促進內(nèi)部氧氣擴散，增強耐澇性。這些表明，附生型與地生型蘭花已在長期演化中形成了與各自水分環(huán)境相匹配的形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀。相關(guān)成果以Differentiation in water adaptation strategy between epiphytic and terrestrial species of Cymbidium,Orchidaceae為題發(fā)表于AoB Plants(DOI: 10.1093/aobpla/plaf030)。中國科學(xué)院昆明植物研究所博士研究生高天陽為論文第一作者，張石寶研究員為通訊作者，張偉副研究員參與了研究工作。

研究團隊以蘭屬附生型植物西藏虎頭蘭(Cymbidium tracyanum)和地生型植物墨蘭(C. sinense)為研究對象，通過模擬控制實驗，整合形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法，研究了其對水澇脅迫的敏感性和響應(yīng)差異，發(fā)現(xiàn)西藏虎頭蘭對水澇脅迫更敏感，表現(xiàn)出更嚴重的根際缺氧、根系活力下降、可溶性糖耗竭以及氧化損傷，并傾向于激活次生代謝途徑，大量合成防御化合物。這種高投入的“防御導(dǎo)向型”策略雖然可能增強短期抗逆性，卻因大量消耗資源而加劇了能量危機，最終導(dǎo)致生理機能崩潰。相反，墨蘭則通過“穩(wěn)態(tài)維持型”策略，優(yōu)先積累脂類等初級代謝產(chǎn)物，有效維持能量供應(yīng)、氧化還原平衡和膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表現(xiàn)出更強的耐澇性。相關(guān)成果以A multi-omics comparative analysis reveals differential responses of epiphytic and terrestrial orchids in Cymbidium to waterlogging為題發(fā)表于Environmental and Experimental Botany(DOI: 10.1016/j.envexpbot.2025.106268)。昆明植物研究所博士研究生高天陽為論文第一作者，張石寶研究員為通訊作者，已畢業(yè)碩士研究生劉寧宇和在讀博士研究生周貝蓓參與了研究工作。

圖1 附生型與地生型蘭屬植物對水澇脅迫響應(yīng)的多組學(xué)分析

水澇脅迫后的恢復(fù)能力對提高植物耐受性具有關(guān)鍵作用。研究團隊進一步聚焦于對水澇敏感的西藏虎頭蘭，探究其水澇脅迫后的恢復(fù)機制。研究發(fā)現(xiàn)，西藏虎頭蘭在水澇后恢復(fù)過程中會被誘導(dǎo)形成大量側(cè)根，這與其根系功能修復(fù)和活力恢復(fù)同步。轉(zhuǎn)錄組分析和植物激素檢測表明，水澇期積累的乙烯在恢復(fù)初期發(fā)揮了早期信號作用。通過外源施加乙烯前體ACC實驗證實，乙烯能夠直接誘導(dǎo)西藏虎頭蘭形成側(cè)根，并同時激活茉莉酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析進一步鎖定 CtNAC68 和 CtWRKY65 兩個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子作為乙烯-茉莉酸信號交叉對話的核心樞紐，調(diào)控側(cè)根發(fā)育相關(guān)基因的表達。這一發(fā)現(xiàn)首次在附生型蘭花中揭示了水澇后通過乙烯-茉莉酸信號通路協(xié)同驅(qū)動側(cè)根形成的適應(yīng)機制，為理解其生態(tài)適應(yīng)提供了新視角。相關(guān)成果以Ethylene promotes lateral root formation following waterlogging in an epiphytic orchid,Cymbidium tracyanum為題發(fā)表于Plant Physiology and Biochemistry(DOI: 10.1016/j.plaphy.2025.110575)。昆明植物研究所博士研究生高天陽和已畢業(yè)碩士研究生劉寧宇為論文第一作者，張石寶研究員為通訊作者，博士后涂夢玲和碩士研究生羅海翠參與了研究工作。

圖2 乙烯促進西藏虎頭蘭水澇恢復(fù)后的側(cè)根形成

上述研究揭示了附生型和地生型蘭花對水澇脅迫的敏感性差異，并從多維度闡釋了兩種生活型蘭花響應(yīng)和適應(yīng)水澇脅迫的機制，尤其發(fā)現(xiàn)附生型蘭花可通過乙烯-茉莉酸信號通路調(diào)控水澇后的側(cè)根形成增強其適應(yīng)和恢復(fù)能力。這些研究結(jié)果深化了對蘭科植物適應(yīng)與進化的理解，并為生產(chǎn)栽培管理提供了重要的科學(xué)依據(jù)。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目(32170393)、國家重點研發(fā)計劃(2024YFF1306703)、云南省重點研發(fā)計劃(202403AC100032)等項目的支持。