增加不同时间尺度的水分供应对植物气孔关闭点有何影响?

【字体: 时间:2025年05月13日 来源:Scientific Reports 3.8

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  为探究水分供应对气孔关闭点(SCP)的影响,研究人员以等水势的矮松和不等水势的杜松为对象展开研究。结果发现,短时间增加水分供应,矮松 SCP 下降,杜松无变化;长时间来看,年降水量增加使二者 SCP 上升。该研究揭示了环境对 SCP 的重要作用。

  在植物的生长过程中,干旱是一个极为关键的影响因素。气孔关闭点(Stomatal Closure Point,SCP)作为衡量植物应对干旱策略的重要指标,一直备受关注。传统观点认为,等水势(isohydric)物种的 SCP 相对较高且稳定,而不等水势(anisohydric)物种的 SCP 会随干旱程度加剧而降低。然而,近年来有证据表明,在这两类物种内部,SCP 可能会对环境条件产生动态响应。此前的研究方法在对植物进行等水势或不等水势分类时,可能并未充分考虑 SCP 对水分供应增加的反应。例如,有研究发现等水势物种在淹水条件下叶片水势(Ψrad)会下降,且经典的等水势物种矮松在持续浇水后,其最低叶片水势(Ψmin,常被视为 SCP 的替代指标)也有所下降。这些现象都暗示着环境因素对 SCP 的影响比之前认为的更为迅速和复杂,因此,深入研究不同时间尺度下水分供应对 SCP 的影响显得尤为重要。
为了解决上述问题,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)地球与环境科学部以及综合生态小组的研究人员,以矮松(Pinus edulis Engelm.)和杜松(Juniperus monosperma Engelm. 或 Juniperus. osteosperma Torr.)为研究对象,开展了一项探究不同时间和空间尺度下增加水分供应对 SCP 影响的研究。研究结果表明,不同时间尺度的水分供应变化对矮松和杜松的 SCP 有着不同的影响,并且当地环境在决定 SCP 方面起着重要作用。该研究成果发表在《Scientific Reports》上,为深入理解植物与环境的相互作用提供了重要依据。

研究人员采用了以下几种关键技术方法:在分支水平实验中,从野外成熟植株上采集分支,通过对分支进行不同程度的再水化处理,利用标准的台式脱水方法,测定气孔导度(gs)和叶片水势(Ψleaf),生成气孔脱水响应曲线来确定 SCP;在树木水平实验中,使用未发表的盆栽矮松的午间(最低)叶片水势(Ψmin)作为 SCP 的替代指标,这些矮松在温室中接受定期浇水处理,并对其叶片水势进行长期监测;在生态系统水平研究中,从已发表的文献中提取不同地点自然生长的矮松和杜松的 gs和 Ψleaf数据,通过拟合 Weibull 函数来计算 SCP,并评估其与年平均降水量(Mean Annual Precipitation,MAP)和生长季降水量的关系。

研究结果主要分为以下几个部分:

  • 矮松 SCP 随分支水化程度增加而下降:分支水平的再水化实验显示,单独的夜间(数小时)或初始(数分钟)再水化不会改变矮松的 SCP,但二者结合会使矮松 SCP 显著下降 1.5MPa。而杜松的 SCP 在有无夜间再水化、初始再水化的情况下均无变化。
  • 矮松 Ψmin在数月定期浇水后下降:对树木水平再水化数据的分析表明,经过约 22 周的实验,矮松的平均 Ψmin下降了 1.21MPa,且这种下降在 8 个月的研究期间一直保持,同时,黎明前叶片水势(Ψpd)和午间叶片水势(Ψmd)的差值(ΔΨ)显著增加。
  • 矮松和杜松的 SCP 随景观尺度的水分供应增加而上升:生态系统尺度的分析显示,矮松和杜松的 SCP 均随年平均降水量的增加而上升,且二者 SCP 随 MAP 变化的速率无显著差异。

在讨论部分,研究人员指出,SCP 受水分供应增加的影响,其变化的幅度和方向取决于植物种类以及水分供应的时空尺度。短时间尺度下,矮松 SCP 下降,表现出更接近不等水势物种的行为,这可能与等水势物种更大的水力可塑性有关,如细胞膜水通道蛋白的表达和调节可能促进了 SCP 的下降。而杜松在短时间尺度下 SCP 不受影响,可能与它利用渗透调节改变叶膨压丧失点(Ψtlp)的能力有关。长时间尺度下,两种物种的 SCP 均随水分供应增加而上升,这与它们对生长环境的结构适应有关,例如增加木质部导管直径、降低叶面积质量比(Leaf Mass per Area,LMA)等结构调整可能导致 SCP 上升。

这项研究的重要意义在于,它揭示了 SCP 在不同时间尺度下对水分供应的可塑性反应,这对于理解植物在干旱环境中的生存策略以及生态系统对环境变化的响应具有重要价值。同时,研究结果也表明,在使用相关指标对植物进行等水势或不等水势分类时,需要充分考虑水分供应模式的影响。此外,研究还为预测美国西南部矮松 - 杜松林地及全球类似生态系统的未来变化提供了理论基础,有助于进一步深入研究植物与环境相互作用的机制。

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