利用长期野外数据量化针叶树对VPD和土壤湿度的水势调节

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-03-13 DOI:10.1111/nph.70056

Ibrahim Bourbia, Luke A. Yates, Timothy J. Brodribb

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摘要

随着植物从沼泽和海洋出现在陆地上，一种新的基本压力开始主导陆地植物的进化选择。水压力，或者更准确地说，植物体壁内的外体水势，是将植物中的活细胞与土壤中的水连接起来的张力。这种张力使植物能够被动地从土壤中汲取水分，但如果植物不加以控制，它也会构成致命的风险。土壤水分水平的降低或高蒸汽压亏缺（VPD）引起的高蒸腾速率或两者的结合迫使植物水势变得更加负，使植物体内的水张力增加到有害值。在这种情况下，维管系统中的水柱开始破裂，这一过程通常被称为木质部空化，这是由于气泡被拉入木质部导管并在那里膨胀，形成阻塞木质部的栓塞。木质部栓塞使植物与土壤分离，与叶片组织损伤有因果关系，与植物死亡密切相关(Choat et al., 2018；Brodribb et al., 2021；McDowell et al., 2022)。木质部栓塞可能是与植物水势不受控制的下降相关的最明显的损害，但木质部过度紧张的其他症状，如叶片组织塌陷(Zhang等，2016；Corso等人，2020)和根(North &amp；诺贝尔,1991;Cuneo et al., 2016；Bourbia et al., 2021；Harrison Day et al., 2023)也提出了一种明确的选择压力，促使植物通过气孔的作用来调节木质部水势。叶片表面气孔对蒸腾有很强的控制作用，为植物调节水势、限制土壤脱水提供了机制。气孔控制水势的严格程度因物种而异，可能是水分利用和生存策略变化的重要轴(Gilbert et al., 2011；Gholipoor et al., 2013；Choudhary等人，2014；Cooper et al., 2014；Gleason等人，2022)。由于干旱对植物性能和生存的潜在影响，已经出现了各种指标，试图根据土壤脱水时茎水势（Ψstem）的稳态程度对植物物种进行分类。Ψsoil)，例如水景面积（即气孔调节的水势景观Ψstem）和等水性（即正午和黎明前线性关系的斜率Ψstem，描述气孔控制的严格程度）(Martínez-Vilalta等人，2014；Meinzer等人，2016)。然而，目前使用现有指标对物种进行分类的观点表明，Ψstem调节模式是高度不可预测的，不同季节的物种内部存在很强的变化(Guo et al., 2020, 2024；Kannenberg et al., 2022)。目前表征方法的一个普遍限制是，Ψstem调节通常作为Ψsoil的函数来测量(Martínez-Vilalta等人，2014；Meinzer等人，2016)，同时忽略了其他环境因素，如与Ψsoil和蒸腾速率相互作用以决定植物水化的蒸汽压差（VPD） (Novick等人，2019,2024；Grossiord et al., 2020；menuccini et al., 2024)。蒸汽压亏缺可以独立于Ψsoil强烈调节Ψstem的动态，从而影响Ψstem和Ψsoil之间的差异(Grossiord et al., 2020；Bourbia et al., 2023；Bourbia,Brodribb, 2024)。VPD的增加通常会导致植物蒸发更多的水，从而在恒定Ψsoil下降低Ψstem。因此，如果不考虑VPD和Ψsoil对Ψstem调控的相互作用，将不能完整地描述植物对土壤和大气水分缺乏的响应。除了了解植物的胁迫暴露，Ψstem的动态也为气孔行为的调节提供了关键的见解。气孔对VPD和Ψsoil的响应是通过感知叶片水势的变化来调节气孔的开度。这反过来又影响了蒸腾和Ψstem的整体调节。大厅,1982;Franks et al., 1998；克莱恩,2014)。因此，表征Ψstem对VPD和Ψsoil联合效应的特定调节行为，应该能够利用水力模型预测所有土壤和大气水分亏缺组合下的物种特异性气体交换。这将提供比目前仅依赖土壤湿度的指标更准确的气孔行为分类(Martínez-Vilalta等人，2014；Meinzer等人，2016)。在这项研究中，我们的目标是研究VPD和Ψsoil如何与植物行为相互作用来调节Ψstem。我们假设，当考虑到VPD和Ψsoil的组合时，Ψstem树种的调节行为可以在多个高度可变的生长季节中精确捕获。为了验证这一假设，我们收集了一个精细尺度的时间序列（15 - 30分钟间隔），在野外生长的针叶树物种Callitris rhomboidea的标本中，用光学树木测量法监测Ψstem，使我们能够推导出一个数学模型，该模型捕获了Ψstem在4年高度变化的气候条件下的调节。然后，我们利用模型参数量化VPD和Ψsoil共同作用下的气孔调节。

本文章由计算机程序翻译，如有差异，请以英文原文为准。

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