趙 涵 黃 瑾 張友靜 魯彥君 姜在民 蔡 靖,3
(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 楊凌712100; 3. 陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 楊凌 712100)
植物的生存生長離不開木質(zhì)部管道的水分運(yùn)輸,內(nèi)聚力-張力理論認(rèn)為,水分不斷向周圍大氣中蒸騰散失而產(chǎn)生的木質(zhì)部負(fù)壓使植物水分運(yùn)輸處于亞穩(wěn)態(tài)(Dixonetal., 1895)。這種狀態(tài)下的木質(zhì)部管道內(nèi)的水柱容易被氣泡打斷,植物處于發(fā)生栓塞的風(fēng)險(xiǎn)中(Sperryetal., 1988)。植物在干旱脅迫下,木質(zhì)部壓力(木質(zhì)部水勢(shì))更低,輸水管道更易發(fā)生栓塞。栓塞的管道失去輸水功能,使植物遭受到不可逆的傷害。干旱脅迫誘導(dǎo)的栓塞已被認(rèn)為是干旱引起植物死亡的主要原因之一(Brodribbetal., 2010; Choatetal., 2018; Urlietal., 2013)。當(dāng)今,氣候變化引起極端干旱多發(fā),研究植物抵抗栓塞、適應(yīng)干旱的能力具有重要意義。
植物抵抗栓塞的能力已成為評(píng)估植物耐旱性的重要指標(biāo),這可通過栓塞脆弱性曲線(vulnerability curve,以下簡稱VC)來反映,它描述的是木質(zhì)部水勢(shì)與栓塞程度的關(guān)系(Tyreeetal., 2002)。VC的建立方法有多種,常用方法主要有自然干燥法(Sperryetal., 1988)、離心機(jī)法(Alderetal., 1997; Cochard, 2002; Cochardetal., 2005; Pockmanetal., 1995)、壓力套法(Cochardetal., 1992; 2013a)。其中,離心機(jī)法的原理是用離心力模擬活體植物中的木質(zhì)部負(fù)壓,通過不斷增大離心力來誘導(dǎo)枝條產(chǎn)生栓塞并測(cè)定其導(dǎo)水率損失,利用該方法能夠在2 h內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)完整的栓塞脆弱曲線,具有操作簡單、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn),目前已成為建立VC的主要手段之一。根據(jù)裝置設(shè)計(jì)不同,離心機(jī)方法分為多種,主要區(qū)別在于栓塞程度測(cè)定方式不同。其中Cochard發(fā)明的Cavitron離心技術(shù)相比于其他離心機(jī)法,可以同步進(jìn)行栓塞誘導(dǎo)和栓塞程度測(cè)定,僅使用1根枝條就能構(gòu)建完整的VC,更加省時(shí)(Cochard, 2002)。根據(jù)VC形狀特點(diǎn),可大致分為3種類型,即“s型”、“r型”及介于二者之間的“中間型”(Cochardetal., 2013a)。其中,“s型”VC指的是栓塞程度在木質(zhì)部水勢(shì)下降到臨界值之前幾乎為零,這個(gè)臨界值往往小于植物日常生長中經(jīng)歷的最小木質(zhì)部水勢(shì)(正午時(shí)的水勢(shì)),曲線在此臨界值之前表現(xiàn)為非常平緩,只有當(dāng)木質(zhì)部水勢(shì)降低到臨界值之后才逐漸發(fā)生栓塞,隨著水勢(shì)的降低,曲線變得陡峭,表明導(dǎo)水率損失急劇增大,栓塞程度增加。然而“r型”曲線沒有栓塞發(fā)生的臨界值,木質(zhì)部水勢(shì)從零稍降低之后,栓塞程度即陡然增加,曲線表現(xiàn)為一開始就十分陡峭(圖1)。目前,絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為離心機(jī)建立的“s型”VC可真實(shí)反映植物的栓塞脆弱性,而離心機(jī)建立的“r型”VC的真實(shí)性則存在很大爭(zhēng)議,認(rèn)為“r型”VC不符合植物的水分關(guān)系,嚴(yán)重高估了栓塞脆弱性(Choatetal., 2010; Martin-StPauletal., 2014; Wangetal., 2014)。應(yīng)用離心機(jī)法,導(dǎo)管比較短的散孔材樹種主要呈現(xiàn)“s型”VC,而導(dǎo)管比較長的環(huán)孔材樹種主要呈現(xiàn)“r型”VC(Cochardetal., 2013a)。
圖1 木質(zhì)部栓塞脆弱性曲線(VCs)示意
對(duì)離心機(jī)法建立的“r型”VC成因探究中,前人認(rèn)為長導(dǎo)管樹種的VC存在因“開口導(dǎo)管”造成的栓塞假象,即當(dāng)被測(cè)植物最大導(dǎo)管長度超過離心機(jī)轉(zhuǎn)子長度時(shí),切取的離心枝條中就會(huì)不可避免地出現(xiàn)無導(dǎo)管端壁的兩端開口的導(dǎo)管(圖2A中黑點(diǎn)填充的導(dǎo)管)或者開口到離心機(jī)轉(zhuǎn)子中心的導(dǎo)管(圖2A中黑色填充的導(dǎo)管)。目前,開口導(dǎo)管造成栓塞假象的物理機(jī)制尚未有定論,Cochard等(2005; 2010)認(rèn)為在開口導(dǎo)管中,由于沒有導(dǎo)管端壁或紋孔膜的過濾,導(dǎo)管中的小氣泡或雜質(zhì)微粒會(huì)向負(fù)壓最小的轉(zhuǎn)子中心移動(dòng),最終聚集成核,在木質(zhì)部負(fù)壓較大時(shí)就會(huì)引發(fā)導(dǎo)管空穴化(圖2B),從而使導(dǎo)管喪失導(dǎo)水功能,如果開口導(dǎo)管占到一定比例就會(huì)使離心枝條木質(zhì)部負(fù)壓較大時(shí)表現(xiàn)出較大程度的栓塞,從而高估了植物的栓塞脆弱性。然而,導(dǎo)管較短的散孔材離心枝條大多數(shù)導(dǎo)管是具有2個(gè)端壁的完整導(dǎo)管(圖2中灰色填充的導(dǎo)管),導(dǎo)管端壁上的紋孔膜可以過濾掉微小氣泡或雜質(zhì),阻止其向中心點(diǎn)移動(dòng),避免了較早栓塞。近10年來,越來越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了栓塞假象的存在,,但多集中在離心機(jī)法與其他方法建立VC的比較(Choatetal., 2010; Jacobsenetal., 2012; McElroneetal., 2012; Tobinetal., 2013; Torres-Ruizetal., 2014; Yinetal., 2019)、同種植物不同樣本長度對(duì)離心機(jī)VC影響的檢驗(yàn)(Cochardetal., 2010; Sperryetal., 2012)、假象成因的探究(Lopezetal., 2019; Pivovaroffetal., 2016; Wangetal., 2014)等方面。在種間水平探究開口導(dǎo)管比例的多少對(duì)VC類型的影響,還未見報(bào)道。
圖2 離心枝條開口導(dǎo)管情況示意
本研究以9種具有不同導(dǎo)管長度的樹種為對(duì)象,采用Cavitron離心機(jī)法建立栓塞脆弱性曲線,采用注氣法測(cè)定導(dǎo)管長度,探究開口導(dǎo)管比例與VC曲線類型的關(guān)系,以驗(yàn)證“開口導(dǎo)管”造成的栓塞假象,為離心機(jī)法評(píng)估植物栓塞抗性的可靠性提供參考,從而更準(zhǔn)確地評(píng)估植物抗栓塞能力的大小,為生態(tài)建設(shè)中抗旱樹種的選擇提供可靠依據(jù)。
研究區(qū)位于西北農(nóng)林科技大學(xué)校園內(nèi)(34°16′N,108°07′E),海拔457 m,地處陜西關(guān)中平原中部,暖溫帶半濕潤半干旱氣候,年均氣溫12.9 ℃,無霜期221天,年均蒸發(fā)量884 mm,年均降水量651 mm。
2018年10—11月,選取生長于西北農(nóng)林科技大學(xué)校園和苗圃內(nèi)的9種生長良好的喬木樹種: 刺槐(Robiniapseudoacacia)、桑(Morusalba)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、女貞(Ligustrumlucidum)、桃(Amygdaluspersica)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、元寶槭(Acertruncatum)、榛(Corylusheterophylla)、秦白楊[Populusalba‘I-101’× (P.alba×P.glandulosa‘84K’)]。于清晨采集當(dāng)年生或1年生枝條(基部直徑至少為6 mm,長度至少為1 m),將其裝入帶有濕紙的黑色塑料袋,在30 min內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。
根據(jù)Cavitron離心機(jī)轉(zhuǎn)子直徑(27.4 cm),將9個(gè)樹種分為3類: 長導(dǎo)管樹種(平均導(dǎo)管長度>15 cm,刺槐、桑、紫薇)、中導(dǎo)管樹種(平均導(dǎo)管長度10~15 cm,女貞、桃、沙棘)和短導(dǎo)管樹種(平均導(dǎo)管長度<10 cm,元寶槭、榛、秦白楊)。
2.2.1 栓塞脆弱性曲線(VC)的建立 應(yīng)用改進(jìn)的Cavitron離心機(jī)(ChinatronH2100R, 湘儀離心機(jī)儀器有限公司, 湖南, 中國)建立VC,具體方法參考Cochard(2002)、Cochard等(2005)和Wang等(2014)。先在水下切割基部直徑5.5~7.5 mm、長度274 mm的枝條莖段,用鋒利的單面刀片將切口修整平滑,再用經(jīng)過抽真空脫氣和凈化處理的0.1 mol·L-1KCl溶液在0.12 MPa下沖洗30 min,然后迅速將莖段兩端浸入裝有0.1 mol·L-1KCl溶液的比色杯中,置入離心機(jī),在1 000 r·min-1轉(zhuǎn)速(相當(dāng)于木質(zhì)部水勢(shì)=-0.088 3 MPa)下離心20 min,測(cè)定最大導(dǎo)水率(Kmax)。逐步升高轉(zhuǎn)速獲得從高到低的一系列水勢(shì)值,每個(gè)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定2 min后測(cè)定導(dǎo)水率(Kh),計(jì)算導(dǎo)水率損失百分?jǐn)?shù)(percentage loss of hydraulic conductivity, PLC):
PLC=(1-Kh/Kmax)×100%。
(1)
當(dāng)PLC值達(dá)到95%以上時(shí)可視為導(dǎo)管完全栓塞,離心結(jié)束。將得到的木質(zhì)部水勢(shì)值(Ψ, MPa)與對(duì)應(yīng)的PLC值用單威布爾函數(shù)(公式2)或雙威布爾函數(shù)(公式3)擬合得到VC。
(2)
(3)
式中: λ,b,c,b1,c1,b2,c2均為參數(shù)。λ值為第1條威布爾曲線所能達(dá)到的最大PLC值; 當(dāng)Ψ的絕對(duì)值等于b值時(shí),公式(2)的左邊恒等于0.632,故而b值等于PLC為63.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的木質(zhì)部水勢(shì)的絕對(duì)值,b值越大代表植物栓塞脆弱性越??;c值為形狀參數(shù),代表著曲線在b值點(diǎn)的斜率,c值越大表示曲線在b值點(diǎn)的斜率越大,曲線越陡峭(Neufeldetal., 1992; Lietal., 2008; Caietal., 2010)。
在植物水力學(xué)研究中,通常使用P12、P50、P88(分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)水率損失12%、50%、88%時(shí)的木質(zhì)部水勢(shì))描述植物的栓塞脆弱性,P12可定義為栓塞起始點(diǎn)水勢(shì)值,P50為木質(zhì)部輸水功能障礙點(diǎn)水勢(shì)值,P88為栓塞致死點(diǎn)水勢(shì)值(Sparksetal., 1999; Domecetal., 2001; Fichotetal., 2015)。對(duì)于單威布爾函數(shù)擬合的VC,分別使用公式(4)—(6)計(jì)算P12、P50、P88:
P12=b(-ln0.88)1/c;
(4)
P50=b(-ln0.5)1/c;
(5)
P88=b(-ln0.12)1/c。
(6)
式中:b和c為單威布爾函數(shù)擬合得到的參數(shù)。
對(duì)于雙威布爾函數(shù)擬合的VC,使用EXCEL中的單變量求解功能計(jì)算P12、P50、P88。
每個(gè)樹種重復(fù)6根枝條。
2.2.2 導(dǎo)管長度的測(cè)定 導(dǎo)管長度測(cè)定采用注氣法,具體操作方法見張玲玲等(2016)。將采集的枝條基部用鋒利的刀片修整平滑后連接到塑料軟管上,在0.1 MPa壓力下注入空氣,枝條末端浸入水槽中,并在水下用修枝剪連續(xù)剪掉2 cm長度的莖段,直至枝條末端出現(xiàn)第1個(gè)氣泡,此時(shí)剩余的枝條長度即為最大導(dǎo)管長度(Lmax)。適量剪短枝條以使枝條排出更多氣泡(視樹種而異),記錄剩余的枝條長度(x),用排水法收集枝條末端排出的氣體(V),記錄收集的時(shí)間(t),計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)氣體體積流量(即流速Q(mào)=V/t)。連續(xù)剪短一定長度的莖段(視樹種而異),獲得一系列的Q值。將乘積Qx的自然對(duì)數(shù)值與x進(jìn)行線性回歸,得到斜率k。每個(gè)樹種重復(fù)6根枝條。則平均導(dǎo)管長度Lv=-2/k。導(dǎo)管長度概率密度分布函數(shù)為:
P(x)=k2xekx。
(7)
式中:x為莖段長度,k為斜率。
距離離心枝條一端xcm處的開口導(dǎo)管比例可以通過下式計(jì)算:
F(x)=(1-kx)ekx。
(8)
式中:x為莖段長度,k為斜率。
根據(jù)公式(8)計(jì)算兩端開口的導(dǎo)管(x=27.4 cm,圖2A中黑點(diǎn)填充的導(dǎo)管)和開口至轉(zhuǎn)子中心的導(dǎo)管(x=13.7 cm,圖2A中黑色填充的導(dǎo)管)的比例,分別記為F27.4和F13.7。
2.2.3 數(shù)據(jù)處理 使用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA),在0.05水平采用Turkey法進(jìn)行多重比較,檢驗(yàn)9個(gè)樹種的栓塞脆弱性、最大導(dǎo)管長度、平均導(dǎo)管長度以及開口導(dǎo)管比例的差異顯著性。使用Pearson法在0.05水平檢驗(yàn)栓塞脆弱性和開口導(dǎo)管比例是否顯著相關(guān)。
長導(dǎo)管樹種(刺槐、桑、紫薇)和短導(dǎo)管樹種(元寶槭、榛)的栓塞脆弱性曲線可使用單威布爾函數(shù)良好地?cái)M合,中導(dǎo)管樹種(女貞、沙棘、桃)和短導(dǎo)管樹種秦白楊的VC使用雙威布爾函數(shù)擬合的精度更高,具體擬合參數(shù)值見表1。長導(dǎo)管樹種中,刺槐和桑的VC呈現(xiàn)“r型”,紫薇的VC呈“s型”(圖3A)。刺槐和桑的PLC值增長很快,分別在-0.3 MPa和-0.5 MPa時(shí)達(dá)到50%的PLC(表2)。雖然紫薇的P12和P50值比刺槐和桑更低,但是紫薇的威布爾函數(shù)c值更大,VC趨勢(shì)更陡峭,說明其導(dǎo)水率損失速度更快。中導(dǎo)管樹種均呈現(xiàn)由2條“s型”曲線組成的雙威布爾曲線(圖3B),女貞和沙棘的VC相似,第1條“s型”曲線比第2條“s型”曲線更陡峭,說明女貞和沙棘開始時(shí)導(dǎo)水率損失速度很快,分別達(dá)到48.67%和55.73%的PLC后(表1中的λ值),導(dǎo)水率的損失速度變慢,女貞和沙棘分別在-6.40 MPa和-4.16 MPa時(shí)達(dá)到88%的PLC(P88值,表2)。中導(dǎo)管樹種桃VC不同于沙棘和女貞,其VC雖然可以用雙威布爾函數(shù)擬合,但是,第1條“s型”曲線能達(dá)到的最大PLC僅為12.45%,更接近于單威布爾“s型”,栓塞發(fā)生的木質(zhì)部水勢(shì)臨界值(P12=-2.11 MPa)顯著低于沙棘和女貞(表2)。桃雙威布爾函數(shù)c2值顯著大于女貞和沙棘,P88值顯著低于女貞,說明導(dǎo)水率損失的速率比女貞和沙棘更快。短導(dǎo)管樹種元寶槭和榛的VC均呈“s型”(圖3C),即當(dāng)木質(zhì)部水勢(shì)降低到一定臨界值(P12)時(shí)才開始發(fā)生栓塞,在此臨界值之前幾乎不發(fā)生栓塞。而秦白楊的VC不同于元寶槭和榛,呈現(xiàn)由2條“s型”曲線組成的雙威布爾曲線(圖3C)。短導(dǎo)管樹種中秦白楊的P12、P50、P88值均為最大,P12值顯著高于元寶槭和榛(表2),說明秦白楊的栓塞脆弱性最大,其次為榛,元寶槭的栓塞脆弱性最小。
表1 9個(gè)樹種栓塞脆弱性曲線擬合參數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)①
①不同小寫字母代表存在統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異(P< 0.05)。下同。The different lower cases indicate statistically significant difference (P< 0.05).The same below.
表2 9個(gè)樹種的栓塞脆弱性(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)①
①P12、P50、P88分別代表導(dǎo)水率損失12%、50%、88%時(shí)對(duì)應(yīng)的木質(zhì)部水勢(shì)值。下同。P12,P50,P88represent xylem water potential causing 12%,50%,88% hydraulic loss, respectively. The same below.
圖3 9個(gè)樹種的栓塞脆弱性曲線
9個(gè)樹種中,最大導(dǎo)管長度(Lmax)最大的3個(gè)樹種是桑、紫薇和女貞(> 80 cm)(圖4)。長導(dǎo)管樹種刺槐的Lmax與中導(dǎo)管樹種桃和沙棘無顯著性差異(均在60 cm左右)。在短導(dǎo)管樹種中,Lmax最大的是秦白楊,約40 cm,顯著高于榛和元寶槭(均小于20 cm)。長導(dǎo)管樹種中平均導(dǎo)管長度(Lv)最大的是刺槐和桑,顯著高于紫薇,3個(gè)樹種的Lv值均在16 cm以上。中導(dǎo)管樹種的Lv值沒有表現(xiàn)出差異性(均在13 cm左右),且均顯著小于長導(dǎo)管樹種。短導(dǎo)管樹種的Lv值均小于5 cm,顯著小于長導(dǎo)管和中導(dǎo)管樹種,其中元寶槭和桃的Lv值無顯著性差異,但顯著低于秦白楊。長導(dǎo)管樹種刺槐和桑的導(dǎo)管長度概率分布模式相近,大于27.4 cm的導(dǎo)管概率累積值較紫薇更大(圖5A)。中導(dǎo)管3個(gè)樹種導(dǎo)管長度概率分布模式均相近,絕大多數(shù)導(dǎo)管長度在27.4 cm以下(圖5B)。短導(dǎo)管樹種中榛和元寶槭的導(dǎo)管長度概率分布模式相近,絕大部分導(dǎo)管在5 cm以下,秦白楊的導(dǎo)管長度分布更廣(圖5C),5 cm以上的導(dǎo)管依然占據(jù)了很大比例(39%左右)。
圖4 9個(gè)樹種的平均導(dǎo)管長度(Lv)和最大導(dǎo)管長度(Lmax)
長導(dǎo)管樹種27.4 cm處的開口導(dǎo)管比例(F27.4)達(dá)20%左右,13.7 cm處的開口導(dǎo)管(F13.7)達(dá)60%左右,其中刺槐和桑的開口導(dǎo)管比例最大,顯著高于其他7個(gè)樹種(圖6)。中導(dǎo)管樹種F27.4達(dá)10%左右,F(xiàn)13.7達(dá)40%左右,3個(gè)樹種均無顯著性差異。短導(dǎo)管樹種的F27.4均小于0.1%,秦白楊的F13.7最大(2.68%),但3個(gè)樹種均無顯著性差異。
開口導(dǎo)管比例與栓塞脆弱性顯著相關(guān)(圖7)。除P88外,F(xiàn)27.4和F13.7與P12、P50均有顯著正相關(guān)性(P< 0.05),即開口導(dǎo)管比例越多,植物栓塞脆弱性越高。F27.4、F13.7與P50的相關(guān)性均最強(qiáng)(圖7B、E),而與P88相關(guān)性均不顯著(圖7C、F)。
圖5 9個(gè)樹種的導(dǎo)管長度分布
圖6 9個(gè)樹種兩端開口的導(dǎo)管(F27.4)和開口至轉(zhuǎn)子中心的導(dǎo)管(F13.7)的比例
本研究顯示,9個(gè)樹種的P12、P50值與開口導(dǎo)管的比例顯著相關(guān),說明開口導(dǎo)管比例的多少能顯著影響栓塞脆弱性?!皻夥N”假說(air-seeding hypothesis)(Sperryetal., 1988)和“紋孔面積”假說(Christmanetal., 2009)認(rèn)為,植物木質(zhì)部栓塞脆弱性大小主要由木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)特征決定,尤其是導(dǎo)管或管胞之間的紋孔膜性質(zhì)。種間比較發(fā)現(xiàn),P50值與紋孔膜面積(Wheeleretal., 2005; 張海昕等, 2013)、紋孔膜上微孔的大小(Jansenetal., 2009)、紋孔膜厚度(Lietal., 2016)顯著相關(guān)。開口導(dǎo)管數(shù)量不是木質(zhì)部固有的結(jié)構(gòu)特征,是人為切割離心枝條造成的,如果開口導(dǎo)管的數(shù)量能顯著改變VC的類型,進(jìn)而影響植物栓塞脆弱性測(cè)定的真實(shí)性,那么通過離心機(jī)法測(cè)定的栓塞脆弱性可能存在開口導(dǎo)管造成的栓塞假象。
圖7 開口導(dǎo)管比例與栓塞脆弱性的關(guān)系
多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,“r型”VC存在“開口導(dǎo)管”引起的栓塞假象,但是存在開口導(dǎo)管并不一定會(huì)導(dǎo)致“r型”VC的產(chǎn)生,二者不能混淆。開口導(dǎo)管栓塞假象的生理學(xué)依據(jù)是,植物的栓塞脆弱性曲線反映出的栓塞起始點(diǎn)的木質(zhì)部水勢(shì)遠(yuǎn)高于植物日常生存所經(jīng)歷的水勢(shì)范圍(Cochardetal., 2013b)。這意味著植物必須在每天的生存生長中經(jīng)歷很大程度的栓塞。目前,盡管有學(xué)者認(rèn)為植物可以通過某種機(jī)制進(jìn)行主動(dòng)的日常栓塞修復(fù),但是這些栓塞修復(fù)假說缺少有力實(shí)驗(yàn)證據(jù)(Sperry, 2013; Wheeleretal., 2013)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為植物日常經(jīng)歷的水勢(shì)范圍應(yīng)高于發(fā)生栓塞的木質(zhì)部水勢(shì)臨界值,因此,正常生長的植物不會(huì)經(jīng)歷頻繁的栓塞。當(dāng)面臨水分脅迫時(shí),植物可以通過氣孔調(diào)節(jié)機(jī)制調(diào)節(jié)水勢(shì),緩解水分脅迫壓力,保障植物的主要水力系統(tǒng)不受傷害(Hochbergetal., 2017; Liuetal., 2015; Martin-StPauletal., 2017; Martinez-Vilaltaetal., 2017; Tombesietal., 2014; 2015)。本研究中,只有長導(dǎo)管植物桑和刺槐的VC展示出“r型”(圖1A),但是并不能認(rèn)為只有這2個(gè)樹種具有開口導(dǎo)管造成的栓塞假象。本試驗(yàn)研究區(qū)生長季一天中最低水勢(shì)小于-1 MPa[參考Wang等(2014)中的Fig.3a],將-1 MPa代入公式(2)或公式(3)可以得到各樹種在-1 MPa下的PLC。紫薇在此水勢(shì)下的PLC高達(dá)94.58%,超過了致死栓塞程度(88%),水力系統(tǒng)幾乎完全喪失功能,所以盡管紫薇的VC呈現(xiàn)“s型”,但是其VC真實(shí)性也要受到質(zhì)疑。中導(dǎo)管樹種沙棘在此水勢(shì)下的PLC為45.53%,女貞為29.09%,二者VC呈現(xiàn)雙威布爾的“中間型”,雖然少有研究質(zhì)疑“中間型”曲線的真實(shí)性,但這類曲線依然有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。中導(dǎo)管樹種的F27.4較少,只有10%左右,而F13.7卻達(dá)到了40%,具有這種高比例F13.7的樹種往往會(huì)產(chǎn)生“中間型”曲線(Lopezetal., 2019)。然而中導(dǎo)管樹種桃雖然開口導(dǎo)管比例與沙棘、女貞無異,但是其VC類型更接近于“s型”。桃的木質(zhì)部栓塞起始水勢(shì)小于-2 MPa,日常水分運(yùn)輸相對(duì)安全,這似乎符合植物的水分關(guān)系。Yin等(2019)采用Cavitron離心機(jī)、Sperry離心機(jī)、自然干燥法建立了桃的脆弱性曲線,發(fā)現(xiàn)3種方法建立的VC一致,并提出桃雖然有一定比例的開口導(dǎo)管存在,但其VC也是可信的。然而,本研究中,桃枝條在離心測(cè)定前,枝條基部分泌的桃膠可能會(huì)堵塞導(dǎo)管,也包括開口導(dǎo)管,離心開始時(shí)測(cè)定的初始導(dǎo)水率已不包含這部分堵塞導(dǎo)管的導(dǎo)水貢獻(xiàn),這就可能減輕了開口導(dǎo)管造成的影響。
長導(dǎo)管樹種紫薇VC呈現(xiàn)“s型”,不同于刺槐和桑,但其栓塞發(fā)生的臨界值為-0.61 MPa,大于植物日常經(jīng)歷的最小水勢(shì)值,這可能與離心機(jī)測(cè)定時(shí)的起始負(fù)壓有關(guān)。Cavitron離心機(jī)產(chǎn)生的離心力有兩方面作用: 一方面是產(chǎn)生誘導(dǎo)栓塞的負(fù)壓,一方面是產(chǎn)生驅(qū)使水分在枝條內(nèi)流動(dòng)的壓力差(Cochard, 2002)。離心枝條最大導(dǎo)水率的測(cè)定需要在較高負(fù)壓下進(jìn)行,該負(fù)壓還未能誘導(dǎo)產(chǎn)生栓塞,但Cavitron離心機(jī)法測(cè)定VC的起始負(fù)壓值并沒有固定要求,在實(shí)際操作中可視具體情況而定,如Cochard等(2005)設(shè)定的起始負(fù)壓值為-0.5 MPa,Martin-StPaul等(2014)設(shè)定為-0.1 MPa,Yin等(2019)設(shè)定為-0.083 MPa。若將建立紫薇VC的起始負(fù)壓設(shè)定為-0.5 MPa,可能會(huì)改變VC類型,成為“r型”。同樣地,若將雙威布爾VC樹種的起始負(fù)壓也設(shè)定為-0.5 MPa,雙威布爾的第1段“s型”曲線可能會(huì)變成“r型”。
短導(dǎo)管樹種中秦白楊的VC異常于元寶槭和榛,這也許與其存在少量比例的開口導(dǎo)管有關(guān)。Cai等(2010)使用Cavitron離心機(jī)得到了美洲山楊(Populustremuloides)的“s型”VC,并推斷出離心機(jī)法更適合建立平均導(dǎo)管長度小于3.8 cm的樹種的VC。美洲山楊的平均導(dǎo)管長度在3 cm左右,本研究中,元寶槭和榛的平均導(dǎo)管長度均小于3.8 cm,其VC均呈現(xiàn)“s型”,這符合Cai等(2010)的推斷。秦白楊的平均導(dǎo)管長度大于3.8 cm,曲線呈現(xiàn)2條“s型”曲線組成的雙威布爾形,這可能與其相對(duì)較長的導(dǎo)管有關(guān)。Lopez等(2019)建立CAVITOPEN模型定量模擬了開口導(dǎo)管對(duì)于離心機(jī)VC的影響,發(fā)現(xiàn)只要存在開口導(dǎo)管就會(huì)造成離心機(jī)VC的栓塞假象,即使在短導(dǎo)管樹種中,被切開的導(dǎo)管也會(huì)在較高的負(fù)壓下造成導(dǎo)水率部分損失,形成雙威布爾形曲線,而且開口導(dǎo)管越多,雙威布爾曲線的“λ值”就會(huì)越大,當(dāng)“λ值”較大時(shí)(如大于80),VC就呈現(xiàn)“r型”。如Wang等(2014)使用單威布爾函數(shù)和雙威布爾函數(shù)擬合了刺槐的VC,發(fā)現(xiàn)雙威布爾擬合效果更佳,但雙威布爾曲線的第2段曲線只能解釋22%的PLC(λ值為78),所以曲線類型近似單威布爾“r型”。同樣地,本研究的結(jié)果也支持了Lopez等(2019)建立的CAVITOPEN模型,如果不考慮特殊的桃,隨著導(dǎo)管長度增大,開口導(dǎo)管增多,λ值也在變大,曲線由“s型”變成“中間型”,最后變成“r型”。
由于技術(shù)限制,大多數(shù)植物栓塞脆弱性的研究技術(shù)(如離心機(jī)法、壓力套法、自然干燥法)是利用離體植物組織或器官進(jìn)行,這些方法或多或少都會(huì)存在人為假象。近年來,隨著技術(shù)進(jìn)步,X射線顯微斷層攝影技術(shù)(X-ray microtomography, microCT)(Choatetal., 2016; Cochardetal., 2015)與核磁共振成像技術(shù)(magnetic resonance imaging, MRI)(Choatetal., 2010)實(shí)現(xiàn)了對(duì)完整活體植物栓塞水平的無創(chuàng)檢測(cè),既精確評(píng)估了植物的栓塞脆弱性,又為其他方法的評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。Lopez等(2019)利用microCT技術(shù)證明離心枝條的兩端栓塞最多(開口導(dǎo)管引起的栓塞假象),轉(zhuǎn)子中心部分因?yàn)橥暾麑?dǎo)管最多,所以栓塞最少。未來的研究需要利用這些新技術(shù)更全面地闡釋開口導(dǎo)管形成栓塞假象的物理機(jī)制。
本研究在種間水平驗(yàn)證了開口導(dǎo)管比例能顯著影響Cavitron離心機(jī)法建立的栓塞脆弱性曲線類型,當(dāng)開口導(dǎo)管比例極少時(shí),脆弱曲線呈“s型”,隨著開口導(dǎo)管比例增多可能會(huì)造成“r型”曲線以及介于“s型”與“r型”之間的“中間型”曲線。此結(jié)論進(jìn)一步支持了開口導(dǎo)管栓塞假象的假說,為Cavitron離心機(jī)法測(cè)定栓塞脆弱性時(shí)的樹種選擇提供了理論依據(jù)。為獲得可靠的栓塞脆弱性數(shù)據(jù),基于本研究,建議使用Cavitron離心機(jī)法前,先測(cè)定樹種的導(dǎo)管長度,計(jì)算離心枝條開口導(dǎo)管比例,最后選擇開口導(dǎo)管比例極少的樹種進(jìn)行測(cè)定。