植物木质部水力学研究进展

植物为适应陆地环境进化出木质部维管系统,通过水力学机制高效安全的向光合器官长距离运输水分,木质部水分运输对蒸腾、气孔运动、光合碳同化等生理过程有调控和协调作用,被称为植物生理学的支柱。植物水力学作为木质部水分运输的研究内容和手段,已成为整合植物与生态系统功能的中心枢纽。该文首先概述了植物水分运输的水力学机制、运输系统的局限性,以及木质部结构与功能之间的关系;其次,阐述了木质部栓塞的形成机制并详细介绍了栓塞的诱导方法和测试技术,分析了水分运输系统安全与效率之间的权衡关系,总结了植物对环境的响应和干旱致死的预测模型,讨论了测试技术问题及其引发的当前木质部逆压力修复和指数型木质部栓塞脆弱性曲线有效性的争议;最后,总结了目前植物木质部水力学研究的成果,提出了尚待解决的主要问题,探讨了研究机会与方向。     

树木树液上升机理研究进展

水分在植物体内的运输一直是很多植物生理生态学家所关注的一个重要问题。介绍了内聚力学说的基本假设和其存在争议,总结了近年来这一研究领域的几个热点问题,主要包括：（1）木质部栓塞及其恢复机理;（2）木质部压力探针和压力室法测定的木质部张力值不一致的现象及其可能原因;（3）补偿压学说;（4）不同界面层张力以及输水管道的毛细作用力、薄壁细胞膨压和木质部渗透压、逆向蒸腾等在树木汁液上升中的贡献;（5）最近发现的存在于木质部导管伴胞和韧皮部薄壁细胞等质膜中的水孔蛋白在植物水分运输中的调控作用等。这些方面在解释树木的树液上升中都起着重要的作用。     

植物木质部导管栓塞

植物木质部栓塞直接影响植物体内的水分传输,文章对近年来植物木质部导管栓塞的时空分布规律、栓塞修复的微观过程,以及根压与作物木质部导管栓塞的关系研究进展作了概述。     

不同冲洗液对毛白杨和油松枝条水力导度和抵抗空穴化能力测定值的影响

植物通过木质部管道系统进行水分运输, 木质部的水分运输效率和抗空穴化能力等水力结构特征对于植物物种的分布、抗逆能力等方面起关键性作用。目前, 国内外学者一般采用“冲洗法”进行木质部水力结构研究, 然而在该方法中使用的不同冲洗溶质可能对植物木质部水力结构等产生较大影响, 因此该文研究了3种溶质的冲洗溶液对毛白杨(Populus tomentosa)和油松(Pinus tabulaeformis)枝条的水力导度和抵抗空穴化能力的影响。实验结果表明: 相对于去离子水, 用0.01 mol·L^-1的草酸和0.03 mol·L^-1KCl溶液作为冲洗溶液, 均导致毛白杨木质部导管和油松管胞的水力导度测定值的增大。KCl导致毛白杨和油松木质部抵抗空穴化能力测定值的提高, 草酸导致杨树抵抗空穴化能力测定值增强, 但导致油松抗空穴化能力显著(p<0.01)减弱。小枝水平上, 毛白杨和油松的水分运输效率和抗空穴化能力之间没有显著相关性。另外, 在截枝实验中发现, 毛白杨小枝木质部水力导度随长度增加变化不大, 而油松枝条的木质部水力导度有逐渐增大的趋势。以上的实验结果表明不同溶质下毛白杨和油松枝条的木质部水力导度和抵抗空穴化能力不同, 草酸和KCl可能对木质部管道系统及纹孔处的果胶等产生作用, 从而使毛白杨和油松的水力结构发生变化。毛白杨与油松水力结构在去离子水、草酸和KCl的作用下的不同结果及两物种截枝试验下水力导度的不同变化趋势表明, 导管运输系统和管胞运输系统可能具有不同的水分运输影响因素。     

核磁共振技术在土壤-植物-大气连续体研究中的应用

植物体内的水分状态与传输过程是土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分传输理论的核心内容,也是研究植物水分利用与调控的基础.植物体内水分的传输过程受外界环境影响较大,植物需要通过对体内水分状态的适当调整来适应环境变化和维持自身的生长发育.由于蒸发通量、压力室、高压流速仪、热脉冲等传统检测方法往往会对植株造成破坏和损伤,因此难以准确反映和定量描述植物体内水分传输的真实过程.核磁共振技术(NMR)由于其无损、非侵入的特点,在植物水分分布和传输相关研究中日益得到关注.本文概述了NMR在检测植物体内水分分布、传输以及含量测定等方面的研究进展,还分析了目前NMR技术在SPAC系统研究中存在的问题及可能的解决方法,并指出NMR技术将来可能在植物水分生理、植物与环境互作以及水分代谢等相关研究领域的应用.NMR技术在SPAC系统研究中的应用在我国仍处于初级阶段,开发户外便携式、开放式检测仪器是NMR技术在SPAC研究领域进一步应用和推广的关键所在.     

林木耗水调控机理研究进展

林木的蒸腾耗水量是造林设计与环境水分研究的重要参数。本文就林木耗水的气孔与非气孔调节机制、木质部空穴和栓塞的发生和恢复机理、树体组织水容等方面进行了综述,对它们在树木水分传输过程中的调控作用和意义开展了探讨。目前在蒸腾气孔调节方面,包括,蒸腾午休、夜间蒸腾、气孔振荡和补偿现象等气孔行为的研究工作有待深入。栓塞木质部和空穴化导管恢复的临界条件与重新充注对植物水分运输的重要生理作用要进一步加强。树体组织水容对树木水分传输和耗水的调控机制问题应加以重视。     

维管植物对自然湿地甲烷排放的影响

综合评述了维管植物在自然湿地甲烷产生、氧化、传输和排放过程中的作用。维管植物光合作用的产物是甲烷产生的主要碳源,植物根系的周转和碳物质的分泌为产甲烷细菌提供底物;维管植物根际氧化是甲烷氧化最主要的途径,在植物的生长期占到总氧化量的80%左右。植物传输O2的能力和根际O2的需求是影响根际氧化的主要因素;维管植物通气组织的传输促进了甲烷从土壤向大气的输送,但所采用的传输机制影响着气体的输送效率。此外,自然湿地甲烷排放的各个过程均受到维管植物形态和植被类型的影响。维管植物在甲烷排放中的作用可以部分解释自然湿地甲烷在排放的时间(季节性变化、日变化)和空间尺度上的差异。维管植物对于自然湿地甲烷排放具有指示意义,可以用于大尺度自然湿地甲烷排放量的估算。     

滇西北纳帕海湖滨带优势植物杉叶藻(Hippuris vulgaris L.)维管结构对模拟增温的响应

维管结构是植物的主要物质传输结构,对植物的光合积累、生长发育、适应变化、繁殖扩散等过程具有不可替代的作用。温度是影响维管结构的重要环境因子,但过去对温度如何影响植物维管结构的研究较少涉及湿地植物。本研究以对温度变化较为敏感的滇西北典型高原湿地——纳帕海流域为研究区域,采用开顶式生长室(OTCs)模拟大气增温系统,研究了其湖滨带优势植物杉叶藻(Hippuris vulgaris)维管结构对模拟增温的响应。结果表明,增温对地上茎维管结构的影响较大,而对地下茎维管结构的影响相对较小。大气增温显著增加了地上茎维管结构的导管和筛管数目、大小以及维管束大小,但对地上茎导管和筛管密度影响不大。与此相反,大气增温显著减小了地下茎导管和筛管大小,但这两个性状在两组增温处理间均无显著差异,其他地下茎维管结构性状对增温的响应不显著。年平均温度和日间平均温度是影响杉叶藻维管性状的主要因素,该两个温度变量与这些维管性状均呈正相关。研究表明,气候变暖显著影响滇西北高原湿地湖滨带优势植物维管结构的传输能力,且这种影响可能导致湿地生态系统植物生理功能的改变,进而促使植物适应增温环境。     

稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析

稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统、特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为"水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏"。生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件。但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性。综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性、水源同位素的季节性变化、蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考。     

维管植物木质部输导特性以及仿生应用的研究

本文从细胞壁、导管(管胞)、木质部三个不同的层次分别论述了维管植物木质部的耐压性和韧性机理,并对木质部强有力的输导性机理进行了阐述。从仿生学角度出发,分别提出了仿生耐压管道和一次性超强榆导毛细管束的仿生结构模型。其中仿生耐压管道自内向外分别由内管、纤维层、增厚层、均压层和保护层组成,具有很好的耐压性和一定的保温性;一次性超强输导毛细管束采用许多根微细的毛细管加以穿孔板组成,能最大限度地维持水的内聚张力。     

木质部导水系统效率-安全权衡主导生物量分配——棉花对土壤质地的适应

植物表型的发育受到植物维管网络几何特征的制约。在不同的环境中,植物维管网络在安全-效率之间做出结构和功能上权衡,发育出不同的维管网络特征,从而引起表型的可塑性响应。虽然植物表型适应与植物维管网络的关系非常重要,但对它的研究却在总体上被忽略了。本文设置了3个土壤质地(沙土、黏土和两者的1∶1混合土)环境梯度,以棉花(Gossypium herbaceum L.)为研究对象,分析了土壤质地对根茎木质部导管几何结构的影响,及其与植物表型之间的关系。结果表明:增加土壤颗粒直径将会导致维管网络结构显著变化,引起导管直径和长度的改变。将3个土壤处理的植物相比较,结果表明这种结构性差异显著影响了(或者相关于)棉花的根系导水率、地上导水率、整株导水率、纹孔阻力等导水系统功能,同时也显著改变了叶面积、根长和根叶比等表型特征。这些结果表明,土壤颗粒直径增加,棉花没有发育更有效的导水系统,反而以牺牲导水效率为代价,构建了更加安全的导水系统(效率-安全权衡)。     

植物干旱胁迫下水分代谢、碳饥饿与死亡机理

植物在生长发育过程中受众多环境因子共同作用。随着全球气候变化,气温升高、降水量下降等问题频繁出现。目前气象学家一致预测未来环境变暖会使干旱更加频繁剧烈,这一环境改变使植物死亡更加严重。植物在水分胁迫、特别是干旱胁迫条件下,体内水分代谢与碳代谢会发生失衡现象:光合速率降低、蒸腾速率降低,带来生长降低;为维持植物新陈代谢,植物呼吸作用必然下调。在长期干旱胁迫条件下植物体内碳水化合物储存发生失衡现象,这种失衡使植物陷入碳饥饿现象。另外,由于水分失衡而出现的木质部栓塞和空穴会进一步加剧水分运输障碍,而修复空穴则需要大量非结构性碳水化合物(NSC),这使植物陷入两难选择。总结了植物干旱胁迫下,碳饥饿与水分代谢、植物死亡关系的相关研究,对未来的研究方向和重点提出建议,以期对未来的植物死亡研究提供帮助。     

酸枣根系结构可塑性对自然梯度干旱生境的适应机制

根系是植物吸收水分和养分的主要器官,是直接接触土壤最先感受土壤逆境胁迫的部位。在干旱环境中,植物根系的结构特征必定发生改变以维持正常的生物机能而生存。目前,关于根系解剖结构的研究大多集中于根系的某一特定结构对单一逆境因子的响应。以生长在烟台-石家庄-银川-吐鲁番不同地域气候条件形成的自然梯度干旱环境中的酸枣为试验材料,应用植物显微技术研究酸根系结构的可塑性对不同自然梯度干旱环境的适应机制,结果表明:酸枣根的初生结构包括表皮、皮层和维管柱,表皮位于幼根的最外层,由单层体积较小、紧密排列的表皮细胞组成。皮层占根初生结构的大部分比例,由体积较大的多层薄壁细胞组成,薄壁细胞近似圆球形,数目众多,呈环形分布。维管柱位于最内层,细胞小而密集,由中柱鞘、初生木质部、初生韧皮部及薄壁细胞组成。随生境干旱加剧,酸枣根初生结构表皮细胞的厚度和宽度逐渐增加,皮层薄壁细胞的厚度和宽度、皮层薄壁细胞层数和皮层厚度均以宁夏银川样地的最大。酸枣根的次生结构包括周皮(木栓层、木栓形成层、栓内层)和次生维管组织(次生韧皮部、维管形成层和次生木质部)。从烟台至新疆吐鲁番随生境干旱加剧,酸枣植株根系周皮逐渐加厚、致密度提高。次生木质部中,导管的数量增加,管径增大。干旱环境中,酸枣植株根系结构上的变化一方面提高了吸水能力和输水效率,另一方面增强了保水能力,减少水分散失,这可能是其适应干旱逆境的机制之一。     

黄连体内黄连素的组织器官定位和根尖屏障结构特征研究

黄连(Coptis chinensis)是毛茛科著名药材,该文研究了黄连体内黄连素在组织器官中的分布规律和根尖屏障结构特征。在白光和荧光显微镜下,组织器官中黄连素在蓝色激发光下自发黄色荧光,黄连素-苯胺兰对染研究细胞壁凯氏带和木质化,苏丹7B染色栓质层,间苯三酚-盐酸染色木质化。结果表明:黄连不定根初生结构为维管柱、内皮层、皮层、外皮层和表皮组成;次生结构以次生木质部为主、次生韧皮部和木栓层组成。黄连根茎初生结构由角质层,皮层和维管柱组成;次生结构由木栓层、皮层和维管柱组成,以皮层和维管柱为主。叶柄结构为髓、含维管束的厚壁组织层、皮层和角质层。黄连不定根的屏障结构初生结构时期由栓质化和木质化的内皮层、外皮层;次生结构时期为木栓层组成;根状茎的为角质层和木栓层。黄连素主要沉积分布在不定根和茎的木质部,叶柄的厚壁组织层,木质部和厚壁组织是鉴别黄连品质的重要部位。黄连根尖外皮层及早发育,同时初生木质部有黄连素沉积结合,可能造成水和矿质吸收和运输的阻碍,也是黄连适应阴生环境的重要原因。     

植物体内水分长距离运输的生理生态学机制

植物体内长距离水分运输是植物生理生态学研究中的一个重要问题,长期为植物生理学家和生理生态学家所关注。木质部探针技术的问世,掀起了近年来植物生理学界最为激烈的一场争论。提出了已经有100多年,风行40年的内聚力-张力(Cohesion-Tension, C-T)学说受到质疑。随后维护派和质疑派围绕木质部探针技术、压力室技术(C-T理论的主要支撑实验技术)的可靠性展开辩论。进一步从物理学原理和各种实验上就C-T理论的3个支柱(木质部导管或管胞中巨大的张力、沿树高的压力梯度、连续水柱)进行争论。这场争论似暂告一段落,C-T理论没有被推翻,但仍留有问题期待以后的研究。     

植物水分传输过程中的调控机制研究进展

农田土壤水分的转化利用与调控是以土壤-植物-大气连续体(SPAC)为基础,以植物为核心,其中水分在植物体内的传输与调控研究一直是国际学术研究的前沿性热点课题。本文概述了植物水分传输的驱动力和传输途径,重点从植物的气孔调节、水容调节、渗透调节、水孔蛋白调节、贮水调节、气穴和栓塞调节等方面综述了植物水分传输过程中的调控机制研究进展。通过对植物存在优化调控水分平衡的潜在能力的研究,不仅可充实SPAC系统水分传输理论,而且有助于明确植物对环境的适应机制和高效用水的潜力及其节水调控的效应,对指导干旱半干旱地区农业生产提供理论依据。     

关于“水分在植物体内的运输途径”实验的拓展

以教材实验"水分在植物体内的运输途径"为原型,在原有实验的基础上拓展设计,用一种材料完成了"叶是蒸腾作用发生的主要器官"、"蒸腾作用的大小能够影响植物体内水分运输的速率"等多个实验,并让学生获得了一材多用和多材一用的过程体验。     

非生物逆境对植物水孔蛋白表达调控的研究进展

水孔蛋白是介导水分跨膜运输的重要蛋白,在植物水分吸收与运输、体内水分平衡中起重要作用。植物水孔蛋白的表达受生长发育及外界环境因素的影响。本文综述了水孔蛋白表达的时空和日变化特性等方面的研究进展,结合非生物逆境综述了外因对水孔蛋白表达的影响,并从作物栽培管理角度对水孔蛋白的研究进行了展望。     

JA、ABA在海棠幼苗和枝条中的传输分布以及与水分的关系

采用示踪技术探索了JA和ABA在海棠幼苗和技条中的传输分布以及与水分的关系,发现从的行径主要由韧皮部自上而下运输,ABA主要通过木质部由下向上运输。两者均对土壤水分变化敏感,水分亏缺会加速JA向下运输,促进ABA向上运输,推测JA下运除影响根系生长外,可能与根系对根际环境变化的感应以及根源ABA的合成有关。     

木本植物木质部栓塞修复机制:研究进展与问题

维持木本植物体内长距离的水分运输对于植物生存、生长和发育非常重要,但因水分在木质部张力状态下处于亚稳定状态而易发生空穴化和栓塞,导致水力导度降低、生产力下降、甚至植物死亡。面对水分胁迫诱导的空穴化,植物可通过形成抵抗空穴化的解剖结构降低栓塞发生频率,或(和)通过活跃的代谢修复栓塞,其中对木质部栓塞及其修复的发生频率、条件、机制等的认识仍有很大分歧。为此,该文首先综述了木质部栓塞修复过程及时间动态、木质部栓塞形成及修复的发生频率。然后,总结了木质部导管"新的再充水"栓塞修复过程中的4种主要假说:(1)渗透调节假说;(2)反渗透调节假说;(3)韧皮部驱动再充水假说;(4)韧皮部卸载假说。在此基础上,比较了针叶树种和木本被子植物木质部栓塞形成与修复的差异,并分析了木质部栓塞阻力与修复能力之间的权衡关系。最后,提出了木本植物木质部栓塞与修复研究的4个优先研究问题:(1)改进木质部栓塞测定技术;(2)验证"新的再充水"栓塞修复机制假说及引发木质部再充水的信号;(3)阐明木质部栓塞与修复特性的树种间差异及其可能的权衡关系;(4)加强碳代谢和水通道蛋白表达与木质部栓塞及其修复关系的生理生化研究。