Minimum leaf conductance during drought: unravelling its variability and impact on plant survival

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-03-09 DOI:10.1111/nph.70052

Régis Burlett, Santiago Trueba, Xavier Paul Bouteiller, Guillaume Forget, José M. Torres-Ruiz, Nicolas K. Martin-StPaul, Camille Parise, Hervé Cochard, Sylvain Delzon

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干旱期间最小叶片导电性：揭示其变异性及其对植物存活的影响

在过去的几十年里，大量的研究揭示了干旱和温度升高对植物生存的特殊威胁(Allen &amp；Breshears, 1998;Carnicer et al., 2011；Brodribb等人，2019；Hammond et al., 2022)。环境干旱胁迫增加的主要后果之一是对植物水力功能的负面影响(Choat et al., 2012；Arend et al., 2021)。事实上，在长时间的干旱中，脱水导致土壤和叶片之间的水势差很大，这可能导致木质部导管形成栓塞而导致水力功能障碍。这种由水势急剧下降引起的水力失效可以通过气孔关闭来避免（Creek et al., 2020），这在干旱条件下的植物存活中起着重要作用（Martin-StPaul et al., 2017）。尽管气孔关闭是减少植物水分流失的关键反应，但水分仍然通过不完全关闭的气孔和叶角质层流失。这一过程可以通过最小叶片电导（gmin）来量化（Duursma等人，2018）。尽管整个植物的水分传导率大大降低，但在胁迫期间，gmin足以耗尽植物的水分储备。因此，在长期干旱下，通过gmin持续的水分流失会导致灾难性的水力衰竭和严重的组织脱水，从而导致器官和植物死亡(Urli等人，2013；Mantova et al., 2023；Petek-Petrik et al., 2023)。因此，gmin已被强调为预测严重胁迫下全株蒸腾和水分状况的重要性状(Barnard &amp；Bauerle, 2013;Kala et al., 2016)。最近，gmin被认为是预测植物在干旱期间达到水力衰竭（THF）和随后死亡所需时间的关键性状(Cochard等人，2021；Ruffault et al., 2022a；Petek-Petrik et al., 2023)以及预测其他当前对植被的危害，如野火发生率(Ruffault et al., 2022b；Torres-Ruiz et al., 2024)。收集gmin数据的综合研究表明，文献中对剩余蒸腾的估计来自各种各样的实验技术(Kerstiens, 1996；Duursma et al., 2018)。虽然在早期的研究中已经测量了孤立角质层上的角质层电导率(stastulfelt, 1956；Schonherr,梅里达,1981;Pearcy et al., 1989)，只有少数方案测量了整片叶子上的谷氨酰胺已被测试。通常，测量方案依赖于通过基于平衡的质量随时间的估计来评估水分损失，并选择气孔关闭点后质量与时间之间关系的斜率，假设随着叶片脱水，通过角质层的水分损失是稳定的(Sack &amp；Scoffoni, 2010)或通过使用定制气体交换系统测量水蒸气电导(Boyer等，1997；Márquez et al., 2022)。为了在恒定环境条件下连续测量脱水过程中的水分损失，最近开发了自动化设备（十亿等人，2020）。然而，到目前为止，还没有研究估计在整个干燥过程中叶片水导率的潜在变化。此外，内在因素可以引起水电导估计的变化。在这些因素中，脱水过程中的叶片收缩或叶片滚动会显著影响叶片水力特性的估计（Scoffoni et al., 2014）；因此，在电导计算中需要考虑叶面积的变化。此外，叶片脱水过程中水势的下降也会通过影响叶片内部的水蒸气压（蒸汽压亏缺，VPD），从而影响叶片与大气之间蒸腾的驱动力，从而轻微影响电导率（Nobel, 2009）。本研究采用动态方法估算整个脱水过程中的残水损失，包括叶片收缩和水势诱导的VPD变化等在叶片电导率估算中经常被忽略的现象，旨在评估脱水过程中叶片残水电导率的动态变化。通过测量其在脱水过程中的变异性，本工作还旨在严格区分剩余电导（gres）作为气孔关闭后脱水过程中的动态水分损失，而gmin是由生理信息边界限定的电导值。因此，我们通过测量特定阈值的gmin来捕获可变的剩余电导。由于gmin在植物气孔关闭后最后重要水分储备的耗竭中起着关键作用，因此需要使用可重复和可靠的方案进行估算。在这里，我们描述了一个完整的方法来调查gmin基于相对含水量（RWC）随时间的连续测量。此外，我们使用基于水状态和生理的阈值来确定gmin。我们提供设备的详细信息和用于分析数据的开源软件。通过将这项新技术应用于9种具有不同物候、水分利用策略和抗旱性的物种，我们将(i)检验气孔关闭后剩余导度沿水势和RWC下降梯度变化的假设，（ii）评估这种变化如何影响沿时间序列分布的生理相关阈值的gmin估计。（iii）研究沿干旱生理时间序列估计的gmin范围如何影响干旱胁迫下植物存活的模型结果。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.