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利用Plantarray植物生理表型平台研究杨树对干旱的生长和生理响应

发布时间:2022-05-17 点击量:72

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了解不同的植物在不同的供水条件下如何优先考虑碳增益和干旱脆弱性,对于预测在不同的环境条件下哪些树木将最大限度地增加木质生物量具有重要意义。本文为了评估生物量积累和水分利用效率的生理基础,对Populus balsamifera(BS),P.simonii(SI)及其杂交种P. balsamifera x simonii(BSxSI)进行了研究。在充足水分条件下,非等水杨树(SI和BSxSI)的全株气孔导度(gs)、蒸腾作用(E)和生长速率均高于等水杨树(BS)。在干旱条件下,所有基因型都通过gs的变化来调节叶-茎的水势梯度,同步叶水力传导 (Kleaf) 和 E:等水植物减少了 Kleaf、gs 和 E,而异水基因型保持高 Kleaf 和 E,从而降低了叶和茎水势。然而SI杨树在水分胁迫期间会降低其植物水力传导率 (Kplant),并且与 BSxSI 植物不同,它们从干旱中迅速恢复。干旱条件下等水BS的低gs降低了中等水分胁迫下的 CO2 同化率和生物量潜力。等水杨树在充足的水分条件下生长最快,在水分胁迫增加的情况下光合速率更高,而等水杨树的水分利用效率更高。总体而言,研究结果表明了三种密切相关的生物物种如何应对水分胁迫的策略:存活等水性(BS)、敏感异水性(BSxSI)和恢复性异水性(SI)。讨论了不同环境条件下木本生物量生长、水分利用效率和存活率的影响。

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图1.在半控制温室中生长的三种SWCg处理下,三种杨树基因型的 (A) Ψleaf、(B) Kleaf、(C) Kplant、(D) E、(E)gs和(F) AN平均差异

在水分充足的条件下(70–100%SWCg),SI的ψleaf显著低于BS和BSxSI,但三种基因型之间的ψleaf差异在30–49%SWCg下消失(图1A)。因此,只有BS表现出等水行为,保持恒定的ψleaf,SWCg下降(图2A),茎水势(ψstem)表现出相同的趋势。因此,茎和叶之间的水势差(∆ψleaf)在三种基因型之间没有变化:∆当SWCg降低时,ψleaf保持不变,为从茎到叶的水流产生恒定的驱动力(约0.3MPa)。这一行为可能是因为BS在响应下降的SWCg时急剧降低了E和gs,而BSxSI和SI在水分耗尽过程中保持较高的E和gs,因此对下降的ψleaf不敏感(图1D、E和2A、B)。

Kleaf表现出与E和gs相似的模式;当SWCg下降时,SI和BSxSI保持Kleaf相对恒定,而在相同条件下,BS Kleaf下降约50%(图1B)。因此,gs与等量BS基因型中Kleaf的减少一致下降,但gs与两种非等水杨树 Kleaf的减少相关性不那么紧密(图2C)。随着SWCg的降低,只有BSxSI保持恒定的Kplant(图1C)。

通过最大VcmaxJmax(平均值±SE:Vcmax=125.7±5.2µmol CO2 m-2 s-1);Jmax=167.8±8.6µmol CO2 m-2 s-1)比较基因型之间的光合能力没有显着差异。然而,对温室中AN的瞬时测量表明,SI在70–100%时具有较高的AN,BS在30–49%SWCg时具有AN(图1F)。

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图2.在半控制温室中生长的三个杨树基因型的(A)SWCg和ψleaf,(B)ψleaf和E,以及(C)Kleaf和gs之间的关系

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图3. 三种基因型杨树的冠层和叶片形态特征

不同基因型的叶片大小和数量不同(图3A,B)。BS和BSxSI的叶片比SI幼苗大(图3B,C),但SI植株的单株叶片更多,因此SI植株的总叶面积比其他两个基因型的大(图3D,E)。由于总叶面积和气孔密度较低(图3F),BS植株的单株气孔数(即单株气体交换能力),而SI植株的单株气孔数最高。在水分充足的条件下,BS基因型的生长速率也显著低于两种异水基因型(图4D)。

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图4. 在半控制温室中良好灌溉条件下生长的三种杨树基因型的(A) 全株累积水分流失;(B) 累积植物增重;(C) 农业 WUE(累积蒸腾与累积增重比);以及 (D) 生长标准化为切割直径(g 鲜重/mm)

为了更好地了解这些形态和生理差异对植物生长速度、水分利用效率和耐旱性的影响,本文测量了整株植物的蒸腾作用、生长速度和WUEa。在水分充足的条件下,SI和BSxSI比BS具有更高的累积蒸腾作用和体重增加(图4A、B、D),这与较高的叶水平E和gs不对应(图1D、E),但可以通过考虑基因型之间不同的冠层形态和气孔密度来解释(图3)。然而,对于给定的蒸腾量等水BS获得了更多的生物量,与等水SI植物相比,产生了更高的WUEa(图4C)。严重水分胁迫(SWCg <30%)的恢复模式表明,BS和SI在灌溉后3-4天内完全恢复,而 BSxSI 甚至在灌溉11天后也没有恢复到其初始蒸腾速率。

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