趙 涵 黃 瑾 張友靜 魯彥君 姜在民 蔡 靖,3
(1. 西北農林科技大學林學院 楊凌 712100; 2. 西北農林科技大學生命科學學院 楊凌712100; 3. 陜西秦嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站 楊凌 712100)
植物的生存生長離不開木質部管道的水分運輸,內聚力-張力理論認為,水分不斷向周圍大氣中蒸騰散失而產生的木質部負壓使植物水分運輸處于亞穩態(Dixonetal., 1895)。這種狀態下的木質部管道內的水柱容易被氣泡打斷,植物處于發生栓塞的風險中(Sperryetal., 1988)。植物在干旱脅迫下,木質部壓力(木質部水勢)更低,輸水管道更易發生栓塞。栓塞的管道失去輸水功能,使植物遭受到不可逆的傷害。干旱脅迫誘導的栓塞已被認為是干旱引起植物死亡的主要原因之一(Brodribbetal., 2010; Choatetal., 2018; Urlietal., 2013)。當今,氣候變化引起極端干旱多發,研究植物抵抗栓塞、適應干旱的能力具有重要意義。
植物抵抗栓塞的能力已成為評估植物耐旱性的重要指標,這可通過栓塞脆弱性曲線(vulnerability curve,以下簡稱VC)來反映,它描述的是木質部水勢與栓塞程度的關系(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)、離心機法(Alderetal., 1997; Cochard, 2002; Cochardetal., 2005; Pockmanetal., 1995)、壓力套法(Cochardetal., 1992; 2013a)。其中,離心機法的原理是用離心力模擬活體植物中的木質部負壓,通過不斷增大離心力來誘導枝條產生栓塞并測定其導水率損失,利用該方法能夠在2 h內產生一個完整的栓塞脆弱曲線,具有操作簡單、省時省力的優點,目前已成為建立VC的主要手段之一。根據裝置設計不同,離心機方法分為多種,主要區別在于栓塞程度測定方式不同。其中Cochard發明的Cavitron離心技術相比于其他離心機法,可以同步進行栓塞誘導和栓塞程度測定,僅使用1根枝條就能構建完整的VC,更加省時(Cochard, 2002)。根據VC形狀特點,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部水勢下降到臨界值之前幾乎為零,這個臨界值往往小于植物日常生長中經歷的最小木質部水勢(正午時的水勢),曲線在此臨界值之前表現為非常平緩,只有當木質部水勢降低到臨界值之后才逐漸發生栓塞,隨著水勢的降低,曲線變得陡峭,表明導水率損失急劇增大,栓塞程度增加。然而“r型”曲線沒有栓塞發生的臨界值,木質部水勢從零稍降低之后,栓塞程度即陡然增加,曲線表現為一開始就十分陡峭(圖1)。目前,絕大多數學者認為離心機建立的“s型”VC可真實反映植物的栓塞脆弱性,而離心機建立的“r型”VC的真實性則存在很大爭議,認為“r型”VC不符合植物的水分關系,嚴重高估了栓塞脆弱性(Choatetal., 2010; Martin-StPauletal., 2014; Wangetal., 2014)。應用離心機法,導管比較短的散孔材樹種主要呈現“s型”VC,而導管比較長的環孔材樹種主要呈現“r型”VC(Cochardetal., 2013a)。

圖1 木質部栓塞脆弱性曲線(VCs)示意
對離心機法建立的“r型”VC成因探究中,前人認為長導管樹種的VC存在因“開口導管”造成的栓塞假象,即當被測植物最大導管長度超過離心機轉子長度時,切取的離心枝條中就會不可避免地出現無導管端壁的兩端開口的導管(圖2A中黑點填充的導管)或者開口到離心機轉子中心的導管(圖2A中黑色填充的導管)。目前,開口導管造成栓塞假象的物理機制尚未有定論,Cochard等(2005; 2010)認為在開口導管中,由于沒有導管端壁或紋孔膜的過濾,導管中的小氣泡或雜質微粒會向負壓最小的轉子中心移動,最終聚集成核,在木質部負壓較大時就會引發導管空穴化(圖2B),從而使導管喪失導水功能,如果開口導管占到一定比例就會使離心枝條木質部負壓較大時表現出較大程度的栓塞,從而高估了植物的栓塞脆弱性。然而,導管較短的散孔材離心枝條大多數導管是具有2個端壁的完整導管(圖2中灰色填充的導管),導管端壁上的紋孔膜可以過濾掉微小氣泡或雜質,阻止其向中心點移動,避免了較早栓塞。近10年來,越來越多的實驗證據證實了栓塞假象的存在,,但多集中在離心機法與其他方法建立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離心機VC影響的檢驗(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管比例的多少對VC類型的影響,還未見報道。

圖2 離心枝條開口導管情況示意
本研究以9種具有不同導管長度的樹種為對象,采用Cavitron離心機法建立栓塞脆弱性曲線,采用注氣法測定導管長度,探究開口導管比例與VC曲線類型的關系,以驗證“開口導管”造成的栓塞假象,為離心機法評估植物栓塞抗性的可靠性提供參考,從而更準確地評估植物抗栓塞能力的大小,為生態建設中抗旱樹種的選擇提供可靠依據。
研究區位于西北農林科技大學校園內(34°16′N,108°07′E),海拔457 m,地處陜西關中平原中部,暖溫帶半濕潤半干旱氣候,年均氣溫12.9 ℃,無霜期221天,年均蒸發量884 mm,年均降水量651 mm。
2018年10—11月,選取生長于西北農林科技大學校園和苗圃內的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內帶回實驗室。
根據Cavitron離心機轉子直徑(27.4 cm),將9個樹種分為3類: 長導管樹種(平均導管長度>15 cm,刺槐、桑、紫薇)、中導管樹種(平均導管長度10~15 cm,女貞、桃、沙棘)和短導管樹種(平均導管長度<10 cm,元寶槭、榛、秦白楊)。
2.2.1 栓塞脆弱性曲線(VC)的建立 應用改進的Cavitron離心機(ChinatronH2100R, 湘儀離心機儀器有限公司, 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,在1 000 r·min-1轉速(相當于木質部水勢=-0.088 3 MPa)下離心20 min,測定最大導水率(Kmax)。逐步升高轉速獲得從高到低的一系列水勢值,每個轉速下穩定2 min后測定導水率(Kh),計算導水率損失百分數(percentage loss of hydraulic conductivity, PLC):
PLC=(1-Kh/Kmax)×100%。
(1)
當PLC值達到95%以上時可視為導管完全栓塞,離心結束。將得到的木質部水勢值(Ψ, MPa)與對應的PLC值用單威布爾函數(公式2)或雙威布爾函數(公式3)擬合得到VC。

(2)
(3)
式中: λ,b,c,b1,c1,b2,c2均為參數。λ值為第1條威布爾曲線所能達到的最大PLC值; 當Ψ的絕對值等于b值時,公式(2)的左邊恒等于0.632,故而b值等于PLC為63.2%時對應的木質部水勢的絕對值,b值越大代表植物栓塞脆弱性越小;c值為形狀參數,代表著曲線在b值點的斜率,c值越大表示曲線在b值點的斜率越大,曲線越陡峭(Neufeldetal., 1992; Lietal., 2008; Caietal., 2010)。
在植物水力學研究中,通常使用P12、P50、P88(分別對應導水率損失12%、50%、88%時的木質部水勢)描述植物的栓塞脆弱性,P12可定義為栓塞起始點水勢值,P50為木質部輸水功能障礙點水勢值,P88為栓塞致死點水勢值(Sparksetal., 1999; Domecetal., 2001; Fichotetal., 2015)。對于單威布爾函數擬合的VC,分別使用公式(4)—(6)計算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為單威布爾函數擬合得到的參數。
對于雙威布爾函數擬合的VC,使用EXCEL中的單變量求解功能計算P12、P50、P88。
每個樹種重復6根枝條。
2.2.2 導管長度的測定 導管長度測定采用注氣法,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剪掉2 cm長度的莖段,直至枝條末端出現第1個氣泡,此時剩余的枝條長度即為最大導管長度(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),記錄收集的時間(t),計算單位時間內氣體體積流量(即流速Q=V/t)。連續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的自然對數值與x進行線性回歸,得到斜率k。每個樹種重復6根枝條。則平均導管長度Lv=-2/k。導管長度概率密度分布函數為:
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處的開口導管比例可以通過下式計算:
F(x)=(1-kx)ekx。
(8)
式中:x為莖段長度,k為斜率。
根據公式(8)計算兩端開口的導管(x=27.4 cm,圖2A中黑點填充的導管)和開口至轉子中心的導管(x=13.7 cm,圖2A中黑色填充的導管)的比例,分別記為F27.4和F13.7。
2.2.3 數據處理 使用SPSS 22.0進行單因素方差分析(ANOVA),在0.05水平采用Turkey法進行多重比較,檢驗9個樹種的栓塞脆弱性、最大導管長度、平均導管長度以及開口導管比例的差異顯著性。使用Pearson法在0.05水平檢驗栓塞脆弱性和開口導管比例是否顯著相關。
長導管樹種(刺槐、桑、紫薇)和短導管樹種(元寶槭、榛)的栓塞脆弱性曲線可使用單威布爾函數良好地擬合,中導管樹種(女貞、沙棘、桃)和短導管樹種秦白楊的VC使用雙威布爾函數擬合的精度更高,具體擬合參數值見表1。長導管樹種中,刺槐和桑的VC呈現“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時達到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c值更大,VC趨勢更陡峭,說明其導水率損失速度更快。中導管樹種均呈現由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導水率損失速度很快,分別達到48.67%和55.73%的PLC后(表1中的λ值),導水率的損失速度變慢,女貞和沙棘分別在-6.40 MPa和-4.16 MPa時達到88%的PLC(P88值,表2)。中導管樹種桃VC不同于沙棘和女貞,其VC雖然可以用雙威布爾函數擬合,但是,第1條“s型”曲線能達到的最大PLC僅為12.45%,更接近于單威布爾“s型”,栓塞發生的木質部水勢臨界值(P12=-2.11 MPa)顯著低于沙棘和女貞(表2)。桃雙威布爾函數c2值顯著大于女貞和沙棘,P88值顯著低于女貞,說明導水率損失的速率比女貞和沙棘更快。短導管樹種元寶槭和榛的VC均呈“s型”(圖3C),即當木質部水勢降低到一定臨界值(P12)時才開始發生栓塞,在此臨界值之前幾乎不發生栓塞。而秦白楊的VC不同于元寶槭和榛,呈現由2條“s型”曲線組成的雙威布爾曲線(圖3C)。短導管樹種中秦白楊的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個樹種栓塞脆弱性曲線擬合參數(均值±標準誤)①
①不同小寫字母代表存在統計學顯著差異(P< 0.05)。下同。The different lower cases indicate statistically significant difference (P< 0.05).The same below.

表2 9個樹種的栓塞脆弱性(均值±標準誤)①
①P12、P50、P88分別代表導水率損失12%、50%、88%時對應的木質部水勢值。下同。P12,P50,P88represent xylem water potential causing 12%,50%,88% hydraulic loss, respectively. The same below.

圖3 9個樹種的栓塞脆弱性曲線
9個樹種中,最大導管長度(Lmax)最大的3個樹種是桑、紫薇和女貞(> 80 cm)(圖4)。長導管樹種刺槐的Lmax與中導管樹種桃和沙棘無顯著性差異(均在60 cm左右)。在短導管樹種中,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)。長導管樹種中平均導管長度(Lv)最大的是刺槐和桑,顯著高于紫薇,3個樹種的Lv值均在16 cm以上。中導管樹種的Lv值沒有表現出差異性(均在13 cm左右),且均顯著小于長導管樹種。短導管樹種的Lv值均小于5 cm,顯著小于長導管和中導管樹種,其中元寶槭和桃的Lv值無顯著性差異,但顯著低于秦白楊。長導管樹種刺槐和桑的導管長度概率分布模式相近,大于27.4 cm的導管概率累積值較紫薇更大(圖5A)。中導管3個樹種導管長度概率分布模式均相近,絕大多數導管長度在27.4 cm以下(圖5B)。短導管樹種中榛和元寶槭的導管長度概率分布模式相近,絕大部分導管在5 cm以下,秦白楊的導管長度分布更廣(圖5C),5 cm以上的導管依然占據了很大比例(39%左右)。

圖4 9個樹種的平均導管長度(Lv)和最大導管長度(Lmax)
長導管樹種27.4 cm處的開口導管比例(F27.4)達20%左右,13.7 cm處的開口導管(F13.7)達60%左右,其中刺槐和桑的開口導管比例最大,顯著高于其他7個樹種(圖6)。中導管樹種F27.4達10%左右,F13.7達40%左右,3個樹種均無顯著性差異。短導管樹種的F27.4均小于0.1%,秦白楊的F13.7最大(2.68%),但3個樹種均無顯著性差異。
開口導管比例與栓塞脆弱性顯著相關(圖7)。除P88外,F27.4和F13.7與P12、P50均有顯著正相關性(P< 0.05),即開口導管比例越多,植物栓塞脆弱性越高。F27.4、F13.7與P50的相關性均最強(圖7B、E),而與P88相關性均不顯著(圖7C、F)。

圖5 9個樹種的導管長度分布

圖6 9個樹種兩端開口的導管(F27.4)和開口至轉子中心的導管(F13.7)的比例
本研究顯示,9個樹種的P12、P50值與開口導管的比例顯著相關,說明開口導管比例的多少能顯著影響栓塞脆弱性。“氣種”假說(air-seeding hypothesis)(Sperryetal., 1988)和“紋孔面積”假說(Christmanetal., 2009)認為,植物木質部栓塞脆弱性大小主要由木質部解剖結構特征決定,尤其是導管或管胞之間的紋孔膜性質。種間比較發現,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。開口導管數量不是木質部固有的結構特征,是人為切割離心枝條造成的,如果開口導管的數量能顯著改變VC的類型,進而影響植物栓塞脆弱性測定的真實性,那么通過離心機法測定的栓塞脆弱性可能存在開口導管造成的栓塞假象。

圖7 開口導管比例與栓塞脆弱性的關系
多數學者認為,“r型”VC存在“開口導管”引起的栓塞假象,但是存在開口導管并不一定會導致“r型”VC的產生,二者不能混淆。開口導管栓塞假象的生理學依據是,植物的栓塞脆弱性曲線反映出的栓塞起始點的木質部水勢遠高于植物日常生存所經歷的水勢范圍(Cochardetal., 2013b)。這意味著植物必須在每天的生存生長中經歷很大程度的栓塞。目前,盡管有學者認為植物可以通過某種機制進行主動的日常栓塞修復,但是這些栓塞修復假說缺少有力實驗證據(Sperry, 2013; Wheeleretal., 2013)。多數學者認為植物日常經歷的水勢范圍應高于發生栓塞的木質部水勢臨界值,因此,正常生長的植物不會經歷頻繁的栓塞。當面臨水分脅迫時,植物可以通過氣孔調節機制調節水勢,緩解水分脅迫壓力,保障植物的主要水力系統不受傷害(Hochbergetal., 2017; Liuetal., 2015; Martin-StPauletal., 2017; Martinez-Vilaltaetal., 2017; Tombesietal., 2014; 2015)。本研究中,只有長導管植物桑和刺槐的VC展示出“r型”(圖1A),但是并不能認為只有這2個樹種具有開口導管造成的栓塞假象。本試驗研究區生長季一天中最低水勢小于-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。紫薇在此水勢下的PLC高達94.58%,超過了致死栓塞程度(88%),水力系統幾乎完全喪失功能,所以盡管紫薇的VC呈現“s型”,但是其VC真實性也要受到質疑。中導管樹種沙棘在此水勢下的PLC為45.53%,女貞為29.09%,二者VC呈現雙威布爾的“中間型”,雖然少有研究質疑“中間型”曲線的真實性,但這類曲線依然有待進一步檢驗。中導管樹種的F27.4較少,只有10%左右,而F13.7卻達到了40%,具有這種高比例F13.7的樹種往往會產生“中間型”曲線(Lopezetal., 2019)。然而中導管樹種桃雖然開口導管比例與沙棘、女貞無異,但是其VC類型更接近于“s型”。桃的木質部栓塞起始水勢小于-2 MPa,日常水分運輸相對安全,這似乎符合植物的水分關系。Yin等(2019)采用Cavitron離心機、Sperry離心機、自然干燥法建立了桃的脆弱性曲線,發現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管存在,但其VC也是可信的。然而,本研究中,桃枝條在離心測定前,枝條基部分泌的桃膠可能會堵塞導管,也包括開口導管,離心開始時測定的初始導水率已不包含這部分堵塞導管的導水貢獻,這就可能減輕了開口導管造成的影響。
長導管樹種紫薇VC呈現“s型”,不同于刺槐和桑,但其栓塞發生的臨界值為-0.61 MPa,大于植物日常經歷的最小水勢值,這可能與離心機測定時的起始負壓有關。Cavitron離心機產生的離心力有兩方面作用: 一方面是產生誘導栓塞的負壓,一方面是產生驅使水分在枝條內流動的壓力差(Cochard, 2002)。離心枝條最大導水率的測定需要在較高負壓下進行,該負壓還未能誘導產生栓塞,但Cavitron離心機法測定VC的起始負壓值并沒有固定要求,在實際操作中可視具體情況而定,如Cochard等(2005)設定的起始負壓值為-0.5 MPa,Martin-StPaul等(2014)設定為-0.1 MPa,Yin等(2019)設定為-0.083 MPa。若將建立紫薇VC的起始負壓設定為-0.5 MPa,可能會改變VC類型,成為“r型”。同樣地,若將雙威布爾VC樹種的起始負壓也設定為-0.5 MPa,雙威布爾的第1段“s型”曲線可能會變成“r型”。
短導管樹種中秦白楊的VC異常于元寶槭和榛,這也許與其存在少量比例的開口導管有關。Cai等(2010)使用Cavitron離心機得到了美洲山楊(Populustremuloides)的“s型”VC,并推斷出離心機法更適合建立平均導管長度小于3.8 cm的樹種的VC。美洲山楊的平均導管長度在3 cm左右,本研究中,元寶槭和榛的平均導管長度均小于3.8 cm,其VC均呈現“s型”,這符合Cai等(2010)的推斷。秦白楊的平均導管長度大于3.8 cm,曲線呈現2條“s型”曲線組成的雙威布爾形,這可能與其相對較長的導管有關。Lopez等(2019)建立CAVITOPEN模型定量模擬了開口導管對于離心機VC的影響,發現只要存在開口導管就會造成離心機VC的栓塞假象,即使在短導管樹種中,被切開的導管也會在較高的負壓下造成導水率部分損失,形成雙威布爾形曲線,而且開口導管越多,雙威布爾曲線的“λ值”就會越大,當“λ值”較大時(如大于80),VC就呈現“r型”。如Wang等(2014)使用單威布爾函數和雙威布爾函數擬合了刺槐的VC,發現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,隨著導管長度增大,開口導管增多,λ值也在變大,曲線由“s型”變成“中間型”,最后變成“r型”。
由于技術限制,大多數植物栓塞脆弱性的研究技術(如離心機法、壓力套法、自然干燥法)是利用離體植物組織或器官進行,這些方法或多或少都會存在人為假象。近年來,隨著技術進步,X射線顯微斷層攝影技術(X-ray microtomography, microCT)(Choatetal., 2016; Cochardetal., 2015)與核磁共振成像技術(magnetic resonance imaging, MRI)(Choatetal., 2010)實現了對完整活體植物栓塞水平的無創檢測,既精確評估了植物的栓塞脆弱性,又為其他方法的評價提供了參考依據。Lopez等(2019)利用microCT技術證明離心枝條的兩端栓塞最多(開口導管引起的栓塞假象),轉子中心部分因為完整導管最多,所以栓塞最少。未來的研究需要利用這些新技術更全面地闡釋開口導管形成栓塞假象的物理機制。
本研究在種間水平驗證了開口導管比例能顯著影響Cavitron離心機法建立的栓塞脆弱性曲線類型,當開口導管比例極少時,脆弱曲線呈“s型”,隨著開口導管比例增多可能會造成“r型”曲線以及介于“s型”與“r型”之間的“中間型”曲線。此結論進一步支持了開口導管栓塞假象的假說,為Cavitron離心機法測定栓塞脆弱性時的樹種選擇提供了理論依據。為獲得可靠的栓塞脆弱性數據,基于本研究,建議使用Cavitron離心機法前,先測定樹種的導管長度,計算離心枝條開口導管比例,最后選擇開口導管比例極少的樹種進行測定。