为探讨不同种源树木对干旱-复水的生理生态响应,该研究以广东与福建种源木荷为对象,通过盆栽控水方式模拟干旱及复水条件,研究两个种源木荷的水力及碳生理特征、脯氨酸(Pro)及超氧化物歧化酶(SOD)对干旱-复水的响应.结果表明:(1)对照情况下,广东种源木荷的茎木质部水势(Ψxylem)、叶片相对含水量(RWC)、光合速率(4sat)与气孔导度(Gs)均低于福建种源木荷的.(2)两个种源木荷的水力特征、Pro与SOD对干旱-复水的响应呈一致趋势,其中Ψxylem、RWC与Pro均能较快恢复至对照水平,而茎木质部栓塞程度与SOD未恢复至对照水平.(3)福建种源木荷叶片的Asat对干旱的敏感性较广东种源的高且复水后恢复至对照水平需要更长时间.(4)复水后福建种源木荷非结构性碳水化合物(NSC)的恢复速率高于广东种源木荷.综上认为,福建与广东两个种源木荷均不能通过短期复水(30 d)来修复被栓塞的木质部.尽管广东种源木荷的光合速率能够更快地恢复至对照水平,但其光合速率低于福建种源木荷,并且其NSC的恢复能力较福建种源荷的低.因此,在未来干旱加剧背景下,广东种源木荷的生长及存活可能受到更大威胁.该研究结果有助于了解种源地气候条件对树木抗旱性的影响,为未来森林的经营与管理提供了理论参考.

了解和量化城市树木耐旱性的变异性和潜在的驱动机制对于预测和管理全球气候变化下的城市生态系统稳定性至关重要.该研究以北京市常见行道树绒毛梣(Fraxinus velutina)为研究对象,选取6个不同不透水表面比例(用归一化建筑指数(NDBI)反映)的实验地点.利用遥感数据提取各地的NDBI和月地表平均温度(Ts)参数,并实地测定了空气水汽压亏缺(VPD)和黎明前水势(Ψpd),在生长季采用自然干燥法拟合各地点绒毛梣枝条木质部脆弱性曲线,并计算得到木质部栓塞脆弱性,测定各地点凌晨和中午枝条的自然栓塞化程度以获取不同地点木质部栓塞的恢复程度;同时测定了比导率(ks)和叶比导率(LSC)、气孔导度(Gs)和最大光化学量子效率(Fv/Fm).研究了不同不透水表面比例下树木栓塞脆弱性(耐旱性)的适应性,以及耐旱性与其他水力性状之间的相关性.结果表明:1)不透水表面比例与50％导水率损失对应的水势值(Ψ50)显著负相关,不透水表面比例越高耐旱性越高;2)Ψ50与Ψpd及VPD显著相关;3)ks与Ψ50间有显著权衡,但LSC与Ψ50相关关系不明显;4)栓塞修复能力与Ψpd呈正相关关系;5)处于不同不透水表面比例地区的绒毛梣的Fv/Fm无显著差异;6)随不透水表面比例的增加,绒毛梣光合速率下降.该研究结果表明,不透水表面比例是影响绒毛梣耐旱性的关键城市环境指标之一,不透水表面比例提高导致绒毛梣耐旱性的提高,同时绒毛梣白天出现的栓塞可以在夜晚进行积极的修复,这两个特征均说明城市树木对于城市环境表现出水力结构的适应性,但这种适应性以光合速率下降为代价.该研究结果为快速城市化和全球气候变化场景下北京城市生态系统健康程度、弹性和稳定性评价提供了重要研究数据,并为决策者制定切实可行的北京城市树木管理策略提供了理论依据.

镉是我国农产品的主要重金属污染物之一.随着我国土壤重金属污染问题日益突出,包括稻米在内的农产品重金属超标时常发生.如何防控重金属在作物可食部位的积累,在保证农产品安全的同时将农田重金属进行移除修复,已成为我国农业生产急需解决的问题.最近,中科院上海生命科学院植物生理生态所龚继明研究组和中国水稻所钱前研究组克隆到1个特异调控镉在水稻(Oryza sativa)叶片中积累的主效QTL基因CAL1.CAL1编码1个植物防御素类似蛋白,通过与镉进行螯合,将镉从维管束木质部薄壁细胞中分泌出来,进入木质部参与长距离转运,从而定向调控镉在水稻叶片等营养器官的积累而不影响籽粒镉的积累.该研究加深了人们对重金属镉在植物体内的转运和再分配机理的认识,同时也为培育秸秆镉高积累而籽粒镉含量达标的“修复型”水稻品种提供有价值的新基因.研究成果具有重要的理论意义和应用价值.

叶片是植物应对环境变化较为敏感的器官,叶解剖结构在一定程度上也体现出了树木对特殊生境的适应能力.为阐明植物对干旱生境的适应特征,对鲁东丘陵石灰岩山地同质生境内11个树种叶片以及叶脉的解剖结构进行分析.结果显示,各树种均为异面型叶,该类型叶片在解剖结构上具有显著的栅栏组织和海绵组织区分.叶表皮厚度在不同树种之间无明显差异,但上表皮普遍较下表皮厚(上表皮平均厚度为34.66 μm,下表皮平均厚度为17.87 μm).分别按乔、灌、藤3种生活型进行统计,发现叶片上下表皮厚度在生活型之间差异并不显著.各树种叶片均具有较发达的栅栏组织,而海绵组织排列较为稀疏.栅栏组织厚度与海绵组织厚度平均比值为2.42.在叶脉解剖结构中,各树种1级叶脉木质部厚度与韧皮部比值在1.43-5.30之间,且在树种间有显著差异,但该比值在乔、灌和藤3种生活型之间的差异不显著.叶脉解剖性状与叶片解剖性状存在显著相关(P＜0.01).栅栏组织厚度与海绵组织厚度比值、叶脉木质部厚度在一定程度上表征了树种对干旱生境的适应能力.本研究从叶解剖特性方面阐明了叶片对于旱生境的适应特征,可为未来干旱瘠薄山地植被修复树种选择提供参考.

冻融栓塞在中高纬度地区木本植物中普遍存在.抗冻融栓塞能力对在寒冷环境中木本植物的生长和安全越冬十分关键,这直接决定植物分布范围.冻融栓塞是由于冰中气体溶解度低,木质部水分在低温下冷冻,使之前水中溶解的气体逸出到导管中,随后木质部中的冰融化又使气泡扩张而引发的栓塞现象.木质部解剖结构的差异会影响植物的抗冻融栓塞能力,植物还可以通过调节木质部正压、代谢耗能等方式主动修复冻融栓塞,也可通过增加树液溶质含量等逃避冷冻,以减少低温损伤.然而,与干旱栓塞相比,目前对木质部冻融栓塞的形成以及植物响应和调节机制的理解不足.为此,该文首先综述了木质部冻融栓塞的形成机制和植物的逃避、忍耐、修复等3种冻融栓塞的应对策略,然后总结了木质部抗低温胁迫能力的生理表现、影响因子和评价指标,并在此基础上讨论了低温抗性、干旱抗性和水力效率之间的多元权衡关系,最后提出今后该领域中的5个优先研究问题:(1)不同植物冰冻的最低温度阈值;(2)是否存在应对低温胁迫的水力脆弱性分割机制;(3)冻融栓塞修复与代谢消耗的关系;(4)低温抗性、干旱抗性和水力效率之间的权衡关系;(5)抗冻融栓塞性状是否能够纳入经济性状谱系.

多枝柽柳和旱柳是北方地区河岸生态修复的良好树种,具有护河防洪、调节区域气候的作用和营造河岸地带植被景观的功能.本研究选取黄河兰州段沿岸2处样点,采集了多枝柽柳和旱柳木质部以及各潜在水源的样品,利用氧同位素直接对比法、贝叶斯混合模型MixSIAR和相似性比例指数(PS指数),分析了多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用率以及两者之间的水分利用关系.结果 表明:在整个生长季,浅层土壤水(0～30 cm)是多枝柽柳和旱柳的主要水分来源,利用率分别为28.3％和24.4％,多枝柽柳对河水的利用率最小(16.6％),旱柳对地下水的利用率最小(17.9％);在土壤含水量较低的月份,植物会增加对河水和地下水的利用比例,样点S1和S2的PS指数分别为91.0％和87.7％,两个样点均在5月的PS指数最大,不同月份的水分利用关系存在一定的差异;处于河漫滩这一特殊地理位置,多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用比较平均,最大程度地获取各潜在水源的水分,是一种最优的吸水模式.本研究可为开展黄河兰州段河岸休闲旅游活动和黄河流域生态环境保护中植物水分管理提供一定的理论基础.

木本植物木质部解剖特征与水分运输和干旱适应策略密切相关,但目前对华北低山丘陵区常用树种这方面的研究仍然不足.为研究这一地区植物木质部解剖特征与抗旱性的关系,研究以抗旱树种和非抗旱树种各5种为研究对象,通过测定与木质部横截面导管、薄壁组织相关的大量解剖学性状和非结构性碳浓度,比较两类树种木质部解剖特征的差异和解剖性状间的关联,以探究这些树种水力学的干旱适应策略差异.结果显示:1)10个树种的16个木质部性状均有较大变异性;2)两类树种间的平均导管直径和导管密度无显著差异,但抗旱树种导管壁厚度、最大导管直径、旁管薄壁组织比例和轴向薄壁组织比例以及非结构性碳(NSC)浓度显著大于非抗旱树种;3)抗旱树种的导管壁厚度与平均导管直径、最大导管直径和潜在最大导水率均呈显著正相关关系,最大导管直径与潜在最大导水率呈显著正相关关系,但非抗旱树种不存在这些关系.本研究抗旱树种同时具有较大的最大导管直径和较厚的导管壁,在保证较高的水分运输效率的同时又具备一定的抗栓塞能力,较多的旁管薄壁组织和NSC也为抗旱树种提供了更大的木质部水储存和栓塞修复能力.

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.

受全球气候变暖和季风气候影响,西南岩溶区年降水量及其在季节间的分配发生明显变化,无雨期频率和持续时间增加,且基岩风化严重,基质储水能力差,致使岩溶木本植物面临的季节性和地质性干旱加剧.该文通过参考相关文献分析结构性状和生理调节探讨岩溶木本植物如何适应地质性和季节性干旱.结果表明岩溶木本植物应对干旱的策略与其他干旱、半干旱区的植物大体一致,主要有抗旱和避旱两种策略:抗旱性植物一般具有比叶面积小、叶肉多汁、储水组织发达、细胞液浓度高等适应干旱的特征,可通过增加木材密度、增强木质部导管的抗栓塞性和提高水分利用效率以适应干旱;避旱植物则可通过小而密的气孔和叶脉、发达的表皮毛、栅栏组织和维管束鞘等结构特征减少水分丧失,并可通过落叶、深根吸收深层水源和脱落酸(ABA)介导提早关闭气孔以适应干旱.虽然关于岩溶植物形态结构和生理调节对干旱适应机制的研究取得了一定进展,但仍然存在一些亟待解决的问题,例如:深入研究岩溶地区基岩水分状况及其对植物的贡献;加强岩溶木本植物根系结构和生物量分配、树木构型及根际微生物与木本植物干旱适应的协同关系研究;同时探索如何将岩溶植物生态适应研究成果应用于生产实践中,科学指导石漠化治理与生态修复.

根压是植物根部产生的一种静水压力,广泛存在于多种植物中.在蒸腾作用很弱的情况下,根压不但可驱动水分从根部流向冠层叶片,缓解因白天强烈蒸腾而导致的水分亏缺,而且在木质部导管栓塞修复方面具有重要作用.虽然国内外学者对根压的产生已有一些解释,普遍接受的观点有渗透理论、代谢理论和水分向上共同运输假说等,但根压产生的机制至今仍是科学家争议的焦点之一.根压的测定方法虽有直接和间接测定、损伤和无损伤测定之分,但较为先进的根压测定技术仍需进一步改善和提升.受水通道蛋白、遗传因素、生境等因素的影响,根压的大小存在差异,即使是较低的根压也会影响农作物生长.在促进转运蛋白质、酶、氨基酸、激素及钙元素等在农作物木质部和韧皮部之间流通方面,适当大小的根压发挥重要作用,且有助于提高农作物产量.因此,加深对植物根压的认识和理解具有重要的生物学意义.该文从根压的定义和产生机制、具有根压的植物类群、根压的测定方法和大小、影响根压的主要因素及根压在植物科学研究领域的意义和影响等多个方面分别进行了归纳总结,并结合当前研究热点和研究成果,针对植物根压研究过程中遇到的问题和后续研究趋势及方向进行了展望.