木质被子植物物种中韧皮部解剖性状受物理约束和环境因素共同塑造

本刊推荐：本研究系统分析了188种木本被子植物茎干横截面，首次揭示韧皮部筛管（SE）与木质部导管（Vessel）解剖性状沿距离茎尖（Distance-to-tip）的异速缩放规律。通过系统发育结构方程模型（pSEM）证实：气候因素通过直接和间接路径差异化调控筛管与导管性状——温度主导导管直径变异，而水分可用性显著影响筛管直径。研究强调必须校正距离茎尖效应对解剖性状-环境关联分析的干扰，为植物水力结构适应性进化提供跨组织证据。

　　

引言

维管植物演化出两种长距离汁液传输系统：向上输送水分和养分的木质部（Xylem）以及双向运输光合产物的韧皮部（Phloem）。尽管木质部导管解剖特征（如导管腔面积和密度）与植物环境适应能力（如抗旱性）的关系已被广泛研究，但韧皮部结构在界定植物生态功能中的作用仍未被深入探索。这主要源于韧皮部组织的脆弱性和强烈的创伤反应，使其在实验研究和成像分析中难以处理。

理论研究表明，韧皮部传输系统需与木质部系统耦合，因为水分预计会在两者间流动以平衡水势。然而，实验数据仍不足以检验韧皮部特性与维度是否协调匹配木质部导水特性，或者它们是否存在差异缩放并影响物种在对比环境中的表现。此外，如果韧皮部性状与木质部性状高度相似，则可能从现有木质部性状数据集中推断出它们，提供一种劳动强度较低的替代方案。否则，尽管工作量更大，也需要直接测量两种组织。

研究植物导管尺寸相关性状时，必须考虑树高或样本横截面积作为控制因素，因为导管会随着距离茎尖越远而逐渐变宽。因此，木质部导管直径主要由水力路径长度而非植物的生长环境解释。导管增宽是最大限度地减少路径上水力阻力的适应性反应。类似地，韧皮部筛管（被子植物中涉及光合产物分布的主要韧皮部细胞）的尺寸也可能与不同物种的木质部导管尺寸相关，原因包括：（1）生长条件：韧皮部中的筛管应在次生生长过程中随着木质部导管的扩张而扩张，因为细胞的扩张与膨压密切相关；（2）传输系统阻力的协调：根据Münch假说，韧皮部和木质部传输是耦合的。高效的木质部水分传输应支持更高的光合作用，而这又需要高效的韧皮部传输。这种韧皮部传输与光合能力的协调已在非木本物种的叶片中得到证实。

筛管阻力主要来自筛板阻力和管腔阻力，尽管可能存在其他阻力来源（如蛋白质），但它们在形态学研究中大多未被计入。管腔阻力通常低于筛板阻力，但两者均被证明是相关的。此外，当考虑整个植物时，导管的总体阻力预计与导管长度正相关，因为筛板数量随着总路径长度的增加而增加。管腔阻力也与筛管半径成反比，并在路径上累积。因此，植物也必须在基部产生更宽的韧?管以补偿累积的阻力并实现长距离传输。

尽管木质部导管直径的主要驱动因素是水力路径长度，但某些气候因素在考虑距离茎尖后，仍然对被子植物物种的木质部导管直径具有不可忽视的影响。最近的研究表明，在考虑距离茎尖后，年温度、潜在蒸发量和蒸气压亏缺与木质部导管直径相关，更宽的导管出现在更温暖的环境和较低的蒸发需求中。有趣的是，水分可用性对木质部导管尺寸的影响并不恒定：当考虑树高时，降水与导管尺寸之间的关系在物种内部发生变化，或者在跨被子植物中消失。

韧皮部解剖性状是否在不同物种中像木质部性状一样对气候因素做出反应，仍有待研究。实际上，韧皮部和木质部的传输细胞在功能成熟期存在显著差异：木质部导管是死细胞，而筛管是活细胞。因此，韧皮部中的传输发生在共质体中，这与木质部中的传输不同。它们还在驱动传输的机制上存在差异：木质部中的水分传输由叶片蒸腾作用驱动，这使得水能够克服重力和摩擦力，因为水柱通过水分子之间的内聚力保持在一起。根据Münch理论，韧皮部传输源于源和库器官之间的渗透压差。因此，韧皮部和木质部传输细胞对气候的反应可能有所不同。

材料与方法

研究人员从不同实验室获取了现有解剖切片，这些切片由新鲜材料加工而成。共获得了188个物种的横截面图像，涵盖了来自欧洲、亚洲、南美洲和非洲的热带、亚热带、地中海和温带气候的64个科、154个属、25个目。对每个物种，使用光学显微镜获取切割幻灯片并数字化图像。主要茎干样本来自157个物种，分支样本来自75个物种，其中44个物种同时采集了两种样本。

使用ImageJ软件手动勾勒木质部导管和韧皮部筛管的轮廓，并测量它们的管腔面积。计算了木质部导管的等效直径、水力直径、中位数直径以及上下四分位数直径。同样地，测量了韧皮部筛管的等效直径、水力直径、中位数直径以及上下四分位数直径。还计算了导管和筛管的密度及管腔分数。

所有数据分析均在R语言中进行。分别对主茎和分支样本进行了分析。运行了广义最小二乘模型（GLS）来分析所有性状与距离茎尖的回归关系。为了考虑系统发育效应，比较了包含系统发育校正（pGLS模型）和不包含系统发育校正（GLS模型）的模型。使用系统发育校正的结构方程模型（pSEM）来评估气候对每个解剖性状的直接和间接影响。

结果

导管和筛管直径均随距离茎尖增加

当所有物种合并时，对数转换后的木质部导管中位直径随对数转换后的距离茎尖增加而增加，主茎样本的斜率为0.38，分支样本的斜率为0.27。距离茎尖解释了主茎样本中导管中位直径变异的60%，分支样本中变异的36%。类似地，韧皮部筛管中位直径在主茎和分支样本中均随距离茎尖显著增加，斜率分别为0.26和0.19。距离茎尖解释了主茎样本中筛管中位直径变异的69%，分支样本中变异的46%。在主干和分支中，筛管的水力直径、上四分位数和下四分位数直径也以相似的缩放因子随距离茎尖缩放。导管直径和筛管直径以不同的缩放指数随距离茎尖缩放，导管的增加速度快于筛管。

导管和筛管密度随距离茎尖减小

与导管尺寸相反，导管和筛管密度均随距离茎尖而减小。筛管密度（斜率：-0.39）的下降速度慢于导管密度（斜率：-0.77），这种差异具有统计学意义。木质部导管分数与距离茎尖无显著相关，而韧皮部筛管分数与距离茎尖呈正相关，斜率为0.08。然而，距离茎尖仅解释了筛管管腔分数变异的很小一部分。

去趋势后导管和筛管性状 weakly coordinated

当比较多个物种的原始值时，导管和筛管之间的中位直径和密度均显示出高度显著的正Pearson相关系数。然而，在去除距离茎尖的影响并比较去趋势性状值后，这些正相关性仍然具有统计学意义，但较弱。对于分数，无论是在原始值还是去趋势值中，导管和筛管之间均无显著相关性。

气候对导管和筛管性状的影响不同

前三个主成分（PC）解释了所有19个生物气候因素变异的91.25%。第一维度（PC1）捕获了所有因素的整体方差。第二维度（PC2）主要反映了整体温度。第三维度（PC3）反映了生长季的水分可用性。

气候通过间接和直接路径影响导管和筛管的水力直径，因为全模型提供了更好的拟合，主要是通过间接路径。在去除气候的间接影响后，导管和筛管的D_H对气候因素的反应不同：所有PC都对导管水力直径有直接影响，而只有主要受生长季水分可用性影响的PC3对筛管水力直径有直接影响。偏回归结果也得出类似结论。

气候主要间接影响筛管密度，但通过直接和间接路径影响导管密度。pSEM和偏回归均表明，PC1和PC2对导管密度有直接的负向影响，并且在校正距离茎尖后，它们共同解释了去趋势值中30%的变异。气候仅直接影响导管分数；PC1和PC2均与导管分数负相关，它们解释了去趋势值变异的18%。全模型更适用于筛管分数，但只有PC2显著负向影响筛管分数，并解释了去趋势值变异的12%。

讨论

研究结果证明，距离茎尖是156个物种主干样本中筛管直径的主要决定因素，这些物种来自广泛的木本物种分类范围。此外，研究表明，韧皮部性状沿茎干的缩放并不简单地反映导管性状的缩放。此外，气候在导管和筛管直径的解释中发挥作用。与主要沿温度梯度变化的导管直径不同，筛管直径在考虑距离茎尖后根据水分可用性而变化。

研究结果强调了在分析木本植物中与环境相关的解剖变异时，必须考虑距离茎尖。由于距离茎尖主要影响导管和筛管尺寸及密度，不这样做可能会导致由于尺寸相关的采样偏差而得出误导性结论。结构方程模型表明，环境对导管直径和密度的影响主要是间接的；即，它们对植物大小有直接影响，这转化为不同的距离茎尖，从而影响导管的尺寸和密度。

在考虑距离茎尖后，物种间筛管和导管直径之间的相关性也减弱，表明韧皮部性状对环境因素的反应可能与木质部性状不同，从而为了解物种-环境关系提供了补充见解。研究结果不支持Sevanto的假设，即筛管在低水分可用性下会有更宽的直径以补偿更高的粘度，但与Salmon的预测一致，即生长季较少的水分可用性可能会降低木质部传输中的水势，从而影响韧皮部膨压并最终影响筛管细胞扩张。

研究表明，筛管直径并不遵循与导管直径相同的温度梯度模式。由于冻融引发的栓塞与较大的导管直径相关，选择可能有利于寒冷环境中的小导管，而较温暖的环境与更高的蒸腾作用相关，因此需要更有效的水分传输。类似的选择压力可能不适用于筛管。事实上，与木质部导管不同，筛管没有冻融引发栓塞的风险，因为韧皮部水势保持正值，消除了在较冷气候下较小导管的好处。

基于这些发现，明确解释异速生长效应的方法对于准确评估环境因素如何影响物种性状至关重要。Ka?par等人提出了通过具有固定指数的幂关系用高度标准化导管直径。Olson等人提出了在去除由距离茎尖解释的部分变异后计算解剖性状残差的方法，我们采用这种方法作为去趋势。去趋势值使我们能够适当地评估归因于外部（环境）和内部（异速生长）解释变量的方差，避免共线性并提供预测缩放因子的灵活性。作为替代方案，研究表明结构方程模型提供了一种可靠的方法和更广阔的视角来研究环境如何通过不同途径塑造导管尺寸，通过在同一模型中包含外部效应和内部约束。这种分析使我们能够比较这两种路径的相对重要性并避免混淆效应，特别是在性状-距离关系（如管腔分数）不明确的情况下。

虽然导管直径和密度的物种间变异主要由距离茎尖解释，但导管分数变异受环境影响更大。距离茎尖的影响很小，因为导管分数沿主茎长度 largely constant。先前的研究提出了导管尺寸和数量之间的权衡。Sperry等人建议了导管密度和直径组合的“填充限制”。根据该建议，植物倾向于沿轴保持相同的面积、体积或电导率。研究表明，这种“导管面积保存”模式适用于韧皮部筛管，可能是由于传导韧皮部内的空间有限。在较冷的环境中，尽管导管尺寸较小，但导管密度的增加导致导管和筛管的总管腔面积更大。导管分数和筛管分数均与温度驱动的PC2负相关，但导管分数也与PC1相关。Zheng等人发现，被子植物木本物种中导管管腔分数随年平均温度降低，并表明较高的导管组织分数可以抵消较冷气候中较小导管直径导致的电导率降低。筛管分数以与导管分数相似的模式随温度调整，但气候解释的变异要少得多。有趣的是，研究中导管分数和筛管分数不相关。植物如何组织筛管的分数和数量以耦合木质部的传输能力，并最终匹配植物的光合生产和水碳平衡，应通过考虑传导韧皮部宽度和边材面积在未来进行研究。

与先前关于物种间导管直径的研究一样，本研究侧重于一般气候与解剖特征之间的联系。我们承认，此类研究可能无法完全捕捉生长限制因素以及木质部或韧皮部发育的关键时期，这些时期可能因气候而异。此外，我们的研究无法将个体环境反应与物种水平适应分开，因为大多数样本来自一个地点。尽管如此，我们的新发现开辟了韧皮部解剖性状研究的新领域，并鼓励进一步研究种内韧皮部性状变异，以及使用共同花园实验，以更详细的年际信息识别影响筛管形成和扩张的环境因素。

结论

总之，我们的研究强调距离茎尖是木本物种导管解剖的主要驱动因素，塑造了木质部导管和韧皮部筛管尺寸，因此必须在解剖学研究中加以考虑。尽管两种导管沿茎向基部逐渐增宽，但木质部导管从茎尖到基部的尺寸增加速度快于韧皮部筛管，并且它们的环境反应出现分歧。导管直径与温度正相关，而筛管直径反映水分可用性。这些发现挑战了韧皮部性状仅仅反映木质部性状的假设。我们通过应用去趋势和结构方程模型，将环境信号与内部缩放效应分离开来。这种方法证明是完善我们对植物血管适应理解的有力工具，并邀请进一步研究韧皮部功能、可塑性和发育控制。