Comparison of methods for detecting vulnerability of xylem embolism in Robinia pseudoacacia

在全球变暖的背景下, 植物木质部栓塞脆弱性是林木死亡率升高的重要生理学因素。然而不同方法在长导管树种上建立的栓塞脆弱性曲线存在较大差异。该研究以长导管树种刺槐(Robinia pseudoacacia)为研究对象, 利用自然干燥法、Cochard Cavitron离心机法以及Sperry离心机法建立了栓塞脆弱性曲线, 旨在探讨不同检测方法的合理性。在Sperry离心法中, 使用了两种规格的转子, 从而对“开口导管假象”学说进行了检验。研究结果表明: 自然干燥法建立的栓塞脆弱性曲线为“s”形, 而Cochard Cavitron离心机法和Sperry离心机法建立的栓塞脆弱性曲线为“r”形; 自然干燥法与离心机法建立的曲线存在显著性差异, 且两种离心机法建立的曲线也具有显著性差异。尽管刺槐枝条的导管长度分布表明14.4 cm长的刺槐枝条具有更高比例的开放导管, 但用Sperry离心机法在27.4 cm和14.4 cm长茎段上建立的栓塞脆弱性曲线相似, 表明Sperry离心机法检测刺槐脆弱性曲线时未产生“开口导管假象”, 具有更为可靠的检测结果。     

7种木本植物根和小枝木质部栓塞的脆弱性

用脆弱曲线表示的植物木质部栓塞脆弱性反映了植物木质部栓塞程度与其水势间的关系。众多学者的研究结果表明,脆弱曲线能够提供有关植物的许多生理生态信息,与植物的木质部结构、部位、分布、抗寒、抗旱性等存在一定关系,但各国学者利用不同材料研究得出的结果各异,为了研究木质部栓塞的这种差异是否由于树木对环境适应性不同引起,选取西北农林科技大学西林校区内自然状况下生长良好的5个耐旱树种:刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、元宝枫(AcertruncatumBge.)(低水势忍耐脱水耐旱树种)、白榆(UlmuspumilaL.)(亚低水势忍耐脱水耐旱树种)、油松(PinustabulaeformisCarr.)、白皮松(PinusbungeanaZucc.ex.Endl.)(高水势延迟脱水耐旱树种),及中生的女贞(LigustrumlucidumAit.)和柳树(SalixmatsudanaKoidz.f.pendulaSchneid.)为研究对象,绘制了它们根和小枝的木质部栓塞脆弱曲线,探讨了中生树种和不同耐旱类型树种根和小枝木质部栓塞脆弱性的差异。结果表明:根和小枝的栓塞脆弱性主要由木质部结构决定,栓塞脆弱性顺序基本一致,小枝容易发生木质部栓塞的,其根也较容易发生栓塞;同一树种根和小枝的木质部栓塞脆弱性与植物的耐旱性有关,与树种的耐旱策略无关;一般是中生树种的栓塞脆弱性:小枝>根;耐旱树种的栓塞脆弱性:根>小枝。     

木本植物木质部栓塞脆弱性研究新进展

木质部空穴化和栓塞是木本植物在干旱等条件下遭受水分胁迫时产生的木质部输水功能障碍, 在全球气候变化的大背景下, 栓塞脆弱性对干旱响应的研究已成为热点和重要内容。近年来有关木质部栓塞脆弱性与植物输水结构和耐旱性的关系已有大量研究并取得一定成果, 但是, 不同学者在不同地区对不同材料的研究结果存在很大不同。该文就近年来这一研究领域取得的成果及争议问题进行了概括和总结, 主要涉及木质部栓塞脆弱性(P₅₀)及脆弱曲线的建立方法、木质部栓塞脆弱性与木质部结构(导管直径、导管长度、纹孔膜、木质部密度、纤维及纤维管胞)间的关系和木质部栓塞脆弱性与耐旱性的关系, 并对未来工作进行展望, 提出在未来的工作中应对同一树种使用Cochard Cavitron离心机法、Sperry离心机技术与传统方法建立的脆弱曲线进行比较验证、计算P₅₀值、分析植物个体器官水平差异(根、茎、叶)、测定树种生理生态指标, 探索植物栓塞脆弱性与输水结构和耐旱性的关系, 从而评估不同类型植物在未来气候变化下的耐旱能力。     

6个耐旱树种木质部结构与栓塞脆弱性的关系

木质部栓塞脆弱性对干旱响应的研究已成为全球气候变化背景下的热点和重要内容。该文以6个耐旱树种刺槐(Robinia pseudoacacia)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、榆树(Ulmus pumila)、元宝枫(Acer truncatum)、旱柳(Salix matsudana)、榛(Corylus heterophylla)为研究对象, 采用Cochard Cavitron离心机技术建立木质部栓塞脆弱曲线, 计算木质部栓塞脆弱性, 利用染色法、硅胶注射法等测定木质部导管直径、导管内径跨度、导管连接度、导管密度、导管长度和木质部密度, 探究木质部结构与栓塞脆弱性的关系, 区分6个耐旱树种木质部结构在抗栓塞性上的差异, 以期建立6个耐旱树种在木质部结构方面的抗栓塞性指标。结果表明: 6个耐旱树种木质部栓塞脆弱性大小为刺槐>榆树>沙棘>旱柳>元宝枫>榛, 其中, 刺槐、沙棘和榆树的栓塞脆弱曲线为“r”形, 而元宝枫、旱柳和榛的栓塞脆弱曲线为“s”形, 脆弱曲线为“r”形的树种与脆弱曲线为“s”形的树种栓塞脆弱性差异极显著(p < 0.01)。线性分析表明: 木质部结构影响各树种的栓塞脆弱性, 其中, 木质部密度影响最大(t = 0.702), 导管直径次之(t = 0.532), 导管长度影响最小(t = 0.010)。     

植物木质部栓塞测定技术的研究进展

气候变化引发干旱频度和强度的变化影响植物的生长发育和生态适应。干旱胁迫会引起木质部栓塞并造成水力失效,而如何准确量化木质部抗栓塞的能力对研究植物对干旱的响应过程尤为重要。通常可通过脆弱性曲线量化木质部抗栓塞的能力。目前已经研发出构建木质部栓塞脆弱性曲线的多种方法,但不同方法往往产生不一致的结果。深入理解这些方法的设计原理并在实际应用时比较各方法的异同,对合理解释相关文献数据及准确选择干旱预测模型等尤为重要。本文阐述了自然干燥法、离心法、注气法、声学测定法、同步加速器与X射线显微断层扫描法、光学可视化法及抽气法7种测定木质部栓塞脆弱性的方法,并总结了近年来各测定方法在具体研究中的运用情况及存在的争议。最后,对未来研究测定木质部栓塞脆弱性与实际运用相关方法的选择等提出了展望。     

8种木本植物木质部栓塞变化与生理生态指标关系的研究 I.与植物木质部水势的关系

以自然状况下生长良好的耐旱树种刺槐（Robinia pseudoacacia L.）、元宝枫（Acer truncatum Bge）、沙棘（Hippophae rhamnoides L.）、白榆（Ulmus pumila L.）、油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、白皮松（Pinus bungeana Zucc.ex Endl.）及中生树种女贞（Ligustrum lucidum Ait.）、柳树（Salix matsudana Koidz.f.pendula Schneid.）为研究对象,用压力室法测定木质部水势,用冲洗法测定木质部栓塞程度,研究不同生长季节木质部栓塞与水势间的火系。结果表明：针叶树油松、白皮松在各个季节水势均较高,水势变化幅度较小,木质部不易发生栓塞,这与其木质部由管胞构成,对木质部栓塞不敏感,在干旱时采用高水势延迟脱水的耐旱策略有关。阔叶树刺槐、元宝枫、沙棘、白榆、女贞和柳树的木质部栓塞现象是其在每天正常生长过程中不可避免的“平常事件”,是它们适应干旱的一种方式。它们的木质部栓塞程度与水势表现出了相反的变化趋势,即同一树种在同一季节内水势值越低,木质部栓塞程度越大,但在不同树种及同一树种的不同季节不存在这种关系。由此可见,植物木质部栓塞对水势的敏感程度（即木质部栓塞脆弱性）主要由树种的木质部结构决定,同时受到树种特性、树木生长发育时期、外界环境因子的影响,木质部栓塞的脆弱性也具有季节变化特征。     

8种木本植物木质部栓塞变化与生理生态指标关系的研究Ⅰ.与植物木质部水势的关系

以自然状况下生长良好的耐旱树种刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、元宝枫(Acer truncatum Bge.)、沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、白榆(Ulmus pumila L.)、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)、白皮松(Pinus bungeana Zucc.ex Endl.)及中生树种女贞(Ligustrum lucidum Ait.)、柳树(Salix matsudana Koidz. f. pendula Schneid.)为研究对象,用压力室法测定木质部水势,用冲洗法测定木质部栓塞程度,研究不同生长季节木质部栓塞与水势间的关系.结果表明针叶树油松、白皮松在各季节水势均较高,水势变化幅度较小,木质部不易发生栓塞,这与其木质部由管胞构成,对木质部栓塞不敏感,在干旱时采用高水势延迟脱水的耐旱策略有关.阔叶树刺槐、元宝枫、沙棘、白榆、女贞和柳树的木质部栓塞现象是其在每天正常生长过程中不可避免的 "平常事件",是它们适应干旱的一种方式.它们的木质部栓塞程度与水势表现出了相反的变化趋势,即同一树种在同一季节内水势值越低,木质部栓塞程度越大,但在不同树种及同一树种的不同季节不存在这种关系.由此可见,植物木质部栓塞对水势的敏感程度(即木质部栓塞脆弱性)主要由树种的木质部结构决定,同时受到树种特性、树木生长发育时期、外界环境因子的影响,木质部栓塞的脆弱性也具有季节变化特征.     

山茶和西洋杜鹃花瓣及叶片的栓塞脆弱性比较

在全球气候变化背景下,筛选抗旱强的城市绿化花卉植物是应对未来持续干旱下水资源短缺和城市绿化建设的重要途径。该研究以常见的城市绿化花卉植物山茶(Camellia japonica)和西洋杜鹃(Rhododendron hybridum)为材料,利用光学技术构建花瓣和叶片栓塞脆弱性曲线,并观察两种植物的花瓣及叶片形态结构特征,比较两种植物花瓣和叶片组织在水分胁迫期间的抗旱性。结果表明：(1)山茶和西洋杜鹃的生长土壤水势之间在自然干旱下没有显著差异,均从第9天开始与对照相比显著降低;西洋杜鹃叶片和花瓣水势在自然干旱后第9天显著降低,而山茶叶片和花瓣水势在自然干旱持续到第12天时显著降低。(2)西洋杜鹃花瓣和叶片水势的P50值(发生50%栓塞时对应的水势值)分别为-3.24 MPa和-4.40 MPa,分别大于山茶花瓣(-3.99 MPa)和叶片(-5.92 MPa)。(3)山茶和西洋杜鹃间的花瓣厚度、上下表皮厚度没有显著差异,而山茶花瓣的脉密度和气孔密度均显著大于西洋杜鹃花瓣;山茶叶片厚度、上下表皮厚度、海绵组织厚度、叶脉密度均显著大于西洋杜鹃。研究发现,西洋杜鹃的栓塞脆弱性大于山茶,其耐旱...     

三种灌木杜鹃花瓣和叶片的栓塞脆弱性分析

气候变化引发的干旱频度和强度严重影响植物生长发育,在全球气候变化背景下,量化植物木质部抗栓塞的能力对评估植物耐旱性尤为重要。为评价杜鹃品种间的耐旱性及筛选强抗旱性品种,该文以锦绣杜鹃‘紫鹤’(Rhododendron×pulchrum‘zihe’)、西洋杜鹃‘杨梅红’(Rhododendron×hybridum‘yangmeihong’)、映山红(R.simsii)3种灌木杜鹃为材料,利用光学技术构建花瓣和叶片栓塞脆弱性曲线,测定花瓣和叶片解剖结构性状,并分析木质部水力功能和解剖结构性状的相关性。结果表明：(1)锦绣杜鹃‘紫鹤’、西洋杜鹃‘杨梅红’、映山红3种杜鹃花瓣的P₁₂、P₅₀和P₈₈值(分别发生12%、50%和88%栓塞时对应的水势值)大于叶片。(2)3种杜鹃的花瓣和叶片栓塞脆弱性存在一定的变异,花瓣和叶片发生栓塞的快慢不一致,这种变异可能是杂交园艺花卉植物的重要特征。(3)P₅₀值与其形态特征相关性分析显示,叶片P₅₀值与叶片栅栏组织厚度呈负相关,花瓣P_50...     

三个耐旱树种木质部栓塞化的脆弱性及其恢复能力

植物在长期适应赖以生存的自然环境中 ,形成了一套最适宜自身生长发育的生理生态行为 ,采取各种方式来抵御或忍耐水分胁迫的影响。如通过具有深广而茂密的根系格局来保持水分吸收 ,通过气孔调节、角质层障碍作用和小的叶蒸发表面来减少水分散失 ,通过渗透调节和增加组织弹性来保持膨压 ,通过增强原生质耐脱水能力来免受伤害或少受伤害等等。植物遭受干旱危害时 ,首先出现表型反应的多是植物的叶片 ,因此 ,研究植物的耐旱机理多从叶入手 ,对根系类型、分布及根茎比在植物耐旱性方面也有不少报道[1,2 ],而对木质部在干旱适应性反应方面的研究…     

Comparison of methods for detecting vulnerability of xylem embolism in Robinia pseudoacacia北大核心CSCD

Aims The vulnerability of xylem embolism is one of the key physiological factors that are related to plant mortality. Vulnerability curves are typically used for determining the vulnerability of xylem embolism. However, the shapes of vulnerability curves vary with the methods of assessment, especially in plant species with long xylem vessels. This study aims to investigate the feasibility of using different methods for establishment of vulnerability curves. Methods Robinia pseudoacacia branches, with long xylem vessels, were used as plant materials for comparison of three different methods in establishing vulnerability curves, including bench top dehydration, Cochard Cavitron centrifugation and Sperry centrifugation. In the Sperry centrifugation method, rotors of two different sizes were used to test the ‘open vessel artifact’ hypothesis. Important findings The vulnerability curve established by the bench top dehydration method displayed an “s” shape, while both the Cochard Cavitron centrifugation and Sperry centrifugation methods produced “r” shape curves. Vulnerability curves derived from the bench top dehydration method and the centrifugation methods were significantly different. Using the Sperry centrifugation method, the R. pseudoacacia branch samples in the 14.4 cm rotor had a higher proportion of open vessels, while the embolic vulnerability curves established on the 27.4 cm and 14.4 cm long stem segments were similar, indicating that the Sperry centrifugation method does not produce “open vessel artifact”. © Chinese Journal of Plant Ecology.     

六种木本植物木质部栓塞化生理生态效应的研究

对６个树种１年生枝木质部栓塞及水势进行了１４个月的连续观测。测定结果表明,木质部栓塞化直接引起木质部导水率下降,从而对树木生长发育节律造成影响。对导水率的影响可通过脆弱曲线看出,６种落叶阔叶树的２类脆弱曲线模型建立：ｙ＝ａｅｂ／ｘ和ｙ＝ｘ＾２／（ａ＋ｂｘ＾２）。通过模型求解,探讨和确定了参数ａ、ｂ的生理生态学意义,并据此比较不同树种木质部栓塞脆弱性的大小,结果为沙棘＞刺槐≥白榆＞加杨＞榛木＞元宝枫     

A review of new research progress on the vulnerability of xylem embolism of woody plants

Xylem cavitation/embolism is the blockage of xylem conduits when woody plants suffer from water stress under drought and other environmental conditions, the study of embolism has become a hot and key topic under global climate change. Recent researches on the relationship between the vulnerability of xylem embolism and hydraulic architecture/drought tolerance have made some progress, however, scholars reached different conclusions based on results from different regions or different materials. This paper reviews the current achievements and controversial viewpoints, which includes indicator of xylem embolism vulnerability (P₅₀), method of vulnerability curve establishment, the relationship between embolism vulnerability and hydraulic architecture (vessel diameter, vessel length, pit area, wood density, fiber and fiber tracheid) and the relationship between embolism vulnerability and drought tolerance of woody plants. Future studies should use Cochard Cavitron centrifuge and Sperry centrifuge coupled with traditional methods to establish vulnerability curves, calculate P₅₀, analyze the difference among different organisms (root, stem, leaf), and measure physiological and ecological indexes. Future studies should be aimed to explore the relationship between the vulnerability of xylem embolism and hydraulic architecture/drought tolerance and to assess drought tolerance ability of different species under future climate change.     

Relations between vulnerability to xylem embolism and xylem conduit dimensions in young trees of Quercus corris

Measurements of xylem conduit length and width and the distribution of xylem conduit ends were made in inter-nodes (I), nodes (N) and twig junctions (J) of 1-, 2- and 3-year-old twigs of plants of Quercus cerris L. Parallel measurements were also made of the loss of hydraulic conductivity of twigs subjected to pressure differentials across conduit pit membranes, equalling the leaf water potential at the turgor loss point. The loss of theoretical hydraulic conductivity was calculated as the ratio of i esivr⁴ (where r is the conduit radius) of the non-conducting conduits to that of all the conduits in the outermost wood ring of I, N and J. Stem zones such as 1-year-old nodes and junctions were localized with narrower and shorter xylem conduits and with higher percentages of conduit ends than internodes. Such ‘constricted zonesrsquo; were less vulnerable to embolism than internodes. Latewood conduits were consistently narrower, shorter and less vulnerable to embolism than earlywood ones. A positive relation therefore existed between conduit diameter and length and vulnerability to embolism. The overall vulnerability to embolism of Q. cerris plants is discussed in terms of xylem conduit width and length and of the distribution of conduit ends.