利用便攜式光合熒光系統(tǒng)測量闊葉樹在 20–50℃ 下的水分流失情況

 

原文以Temperature governs the relative contributions of cuticle and stomata to leaf minimum conductance為標(biāo)題發(fā)表在New Phytologist（IF=8.3）上

作者 | Josef C. Garen 和Sean T. Michaletz

文章摘要
即使植物關(guān)閉氣孔來“省水”，高溫干旱條件下葉片仍會悄悄失水，這種現(xiàn)象由葉片的最小導(dǎo)度（gmin）決定。
研究者們用 LI-6800 便攜式光合熒光系統(tǒng) 精準(zhǔn)測量了 11 種闊葉樹在 20–50℃ 下的水分流失情況：一臺 LI-6800 測葉片背面（氣孔所在），另一臺測正面（無氣孔），通過單面測量區(qū)分氣孔和角質(zhì)層的貢獻(xiàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，水分流失的主導(dǎo)通道由氣孔轉(zhuǎn)向角質(zhì)層；葉片性狀與水分流失的關(guān)系在高溫下更明顯；忽略角質(zhì)層導(dǎo)度可能導(dǎo)致光合能力被高估。

這項研究表明，植物“關(guān)上氣孔”并不等于完全鎖水，高溫下角質(zhì)層的重要性凸顯。LI-6800 不僅幫助研究者們揭示了水分流失的隱秘路徑，也為光合測量、生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)模型以及作物抗旱育種提供了科學(xué)依據(jù)。

隨著全球氣候變暖，極端高溫和干旱事件在世界各地發(fā)生得越來越頻繁。研究者們將這種高溫與干旱疊加的現(xiàn)象稱為 “熱旱（Hot drought）”。在這樣的環(huán)境中，植物為了減少水分蒸騰，會關(guān)閉葉片表面的氣孔。然而，即使氣孔“關(guān)閉”，葉子依然會持續(xù)失水。

這種水分損失主要來自兩個途徑：

• 角質(zhì)層滲透（Cuticular conductance, gcw） ——葉片表面那層保護(hù)膜并非完全不透水。

• 未完全閉合的氣孔 ——即使氣孔關(guān)閉得很緊，也可能仍然留有極微小的縫隙。

這種“最小導(dǎo)度”（gmin）的存在，意味著在極端高溫干旱中，植物仍然可能因持續(xù)蒸騰而加速失水，進(jìn)而影響存活。這一現(xiàn)象不僅關(guān)系到植物自身的生理命運(yùn)，還會影響到整個生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)。

 

圖1：葉片水通量在水分充足與不足條件下的變化

在水分充足且光合作用活躍的時期，氣孔打開以與大氣進(jìn)行氣體交換（如上圖所示）。在這種情況下，葉片對水汽的總導(dǎo)度 gtw等于氣孔導(dǎo)度 gsw與角質(zhì)層導(dǎo)度 gcw 的總和（忽略邊界層的影響）。

在水分不足或光合作用低下的時期，氣孔關(guān)閉以限制水分損失（如下圖所示）。當(dāng)氣孔完全關(guān)閉時，gtw 達(dá)到最小值，稱為葉片最小導(dǎo)度 gmin，其由 gcw與最小氣孔貢獻(xiàn) gsw,min之和構(gòu)成。所有導(dǎo)度均以單位 mmol·m⁻²·s⁻¹ 表示。

高溫下，水分從哪里流走？
要回答這個問題，研究者們需要弄清楚：

• 在不同溫度條件下，葉片最小導(dǎo)度（gmin）和角質(zhì)層導(dǎo)度（gcw）是如何變化的？

• 不同植物種類之間是否存在差異？

• 這些水分流失是否會影響我們對光合作用能力的測量和理解？

實驗方案與 LI-6800 的應(yīng)用
在研究中，研究者們從加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)植物園采集了 11 種闊葉樹的枝條。為了避免切枝過程中產(chǎn)生氣泡阻塞，他們小心翼翼地在水下剪切，并迅速送回實驗室。

 

隨后，他們利用兩臺 LI-6800 便攜式光合熒光系統(tǒng)同時對同一片葉子的不同表面進(jìn)行監(jiān)測：

 

• 一臺測量葉片正面（無氣孔），

• 另一臺測量葉片背面（有氣孔）。

 

圖2：氣體交換測量裝置
(A) 實物照片，(B) 示意圖，展示了用于氣體交換測量的實驗裝置。實驗中使用了兩臺LI-6800 便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)，分別測量葉片正面（Adaxial，上表皮）和背面（Abaxial，下表皮）的氣體交換通量。測量室的下部經(jīng)過重新導(dǎo)流，使得來自葉片背面的通量被送入左側(cè)的儀器，而來自葉片正面的通量被送入右側(cè)的儀器。隨后利用背面和正面的通量，通過兩種方法估算角質(zhì)層導(dǎo)度gcw。兩臺儀器的環(huán)境條件保持一致，唯一的區(qū)別是光照僅作用于葉片正面（上表皮）。雙向氣流箭頭表示測量室內(nèi)空氣充分混合。

這樣就能準(zhǔn)確區(qū)分氣孔和角質(zhì)層的貢獻(xiàn)。LI-6800 不僅能精確控制光照、溫度、濕度等環(huán)境條件，還能實時記錄氣體交換數(shù)據(jù)，如凈光合速率（A）、氣孔導(dǎo)度（gsw）、胞間 CO₂ 濃度（Ci）等。

通過對比正反兩面的氣體通量，并結(jié)合模型計算，研究人員得以推算出角質(zhì)層的導(dǎo)度值，并進(jìn)一步揭示了在 20℃ 到 50℃ 不同溫度下，葉片水分損失的動態(tài)變化。

為什么使用 LI-6800？

圖3：LI-6800便攜式光合熒光測量系統(tǒng)

 

• 葉室緊靠分析器，高精準(zhǔn)度環(huán)境控制 ——溫度、濕度、CO₂ 濃度等參數(shù)可以被嚴(yán)格設(shè)定，避免外界環(huán)境干擾。

• 單面測量 ——能夠分離并比較正反兩面的氣體交換，為角質(zhì)層導(dǎo)度的量化提供了可能。

• 擴(kuò)展應(yīng)用 ——不僅用于研究水分流失，也能同時幫助分析光合作用參數(shù)（如 Vcmax、Jmax），為生態(tài)模型和作物改良提供依據(jù)。

實驗延伸：葉片最小導(dǎo)度的進(jìn)一步測定
在完成 LI-6800 的測量后，研究人員還利用 “臺式干燥法（Bench drying method）” 對葉片最小導(dǎo)度（gmin）進(jìn)行驗證。他們將葉片切下、封住葉柄，放在黑暗環(huán)境下使氣孔關(guān)閉，并通過不斷稱量葉片失重來計算水分流失速度。結(jié)合數(shù)學(xué)模型，可以更加客觀地估算 gmin。

研究結(jié)論
通過 LI-6800 的實驗測量與 Bench drying 方法的結(jié)合，研究者們得出了幾項關(guān)鍵結(jié)論：

• 在氣孔關(guān)閉時期，葉片仍然會持續(xù)失水，其速率由最小導(dǎo)度（gmin）決定。

• 溫度顯著影響水分流失途徑：隨著溫度升高，水分丟失的主要通道逐漸從氣孔轉(zhuǎn)向角質(zhì)層。

• 葉片性狀與水分導(dǎo)度的關(guān)系具有溫度依賴性：在高溫下，葉片厚度、角質(zhì)層厚度等性狀與 gcw、gmin 的相關(guān)性更強(qiáng)。角質(zhì)層越厚，高溫下的 gcw 越低。

• 對光合測量的潛在影響：模擬結(jié)果顯示，忽視角質(zhì)層導(dǎo)度可能會高估植物的光合能力，尤其是在氣孔導(dǎo)度較低的物種中。

• 水分虧缺模型的意義：在區(qū)域尺度的水分平衡模擬中，如果不考慮溫度對水分流失途徑的影響，可能會低估生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)水平。研究還提出，VPD（飽和水汽壓差）隨溫度增加的變化，可能是導(dǎo)致不同實驗中 gmin 和 gcw 差異的一個重要原因。

小結(jié)

這項研究表明：植物并不是關(guān)上氣孔就能徹底“鎖水”。在高溫環(huán)境下，角質(zhì)層的作用變得愈發(fā)重要，甚至可能成為主導(dǎo)的水分流失通道。通過 LI-6800 的精確測量與環(huán)境控制，研究者們不僅揭示了水分流失的隱秘路徑，還發(fā)現(xiàn)了其對光合能力評估和生態(tài)模型預(yù)測的深遠(yuǎn)影響。

在全球氣候變化日益加劇的今天，理解這些機(jī)制將有助于：

• 改進(jìn)作物的抗旱性培育；

• 優(yōu)化區(qū)域乃至全球的水循環(huán)模型；

• 更好地預(yù)測植物在未來極端氣候下的命運(yùn)。