探索用差热分析技术原位测定植物组织水分含量和分布的新方法

A great amount of heat of fusion will be released when the water in a plant tissue is freezing, generating an exotherm that can be recorded in differential thermal analysis. Because the area under the exotherm is determined by the amount heat released, so in theory the amount of water in the tissue can be quantified accordingly. In plant science however, the use of differential thermal analysis has just been limited to the analysis of the phase transition temperatures of the membrane lipids and to the analysis of the supercooling degree of plant tissues in the study of plant cold hardiness, no report on the application of the technique to the analysis of tissue water content has been found up to now. Recently, we observed two types of freezing exotherms in living and killed plant leaves with differential thermal analysis of high definition, which has laid the basis for quantifying the tissue water content in plant tissues. Now, this application project is aimed at the setting up of a fast and simple method for the in situ measurement of the total and the apoplasitc water content in plant tissues based on differential thermal analysis with fine temperature control and acurate calibration. The method will also be able to record the freezing mode (extracellular or homogeneous freezing), providing a novel technique for the ecophysiological studies of plants.

植物组织中的水分在结冰时能释放出的大量的熔化热（heat of fusion），通过差热分析可以记录由此产生的放热峰。由于放热峰的大小由放热量，即结冰水的量决定，因此理论上可根据放热峰的积分面积分析组织含水量。迄今为止，差热分析在植物学上主要用于分析膜脂的相变温度和植物组织的过冷度与抗冻性的关系，尚未见到用于测定植物组织含水量的研究报道。我们最近用高分辨率差热扫描观察到植物活叶片和死亡结冰时出现两类放热峰，可以用于分析组织中质外体水分和总的水分含量。本申请项目拟以此为基础，通过强化差热扫描过程的精密温控和通过对差热分析放热峰面积与组织含水量关系的精确标定，探索建立起一个简单快速，能在野外的植物体上原位测定单个叶片或组织中的总含水量和质外体水分比例的方法，并兼顾叶片的结冰模式（胞外结冰还是内外同时结冰）和结冰放热动力学的原位测定，为植物生理生态学的研究提供一种新的测定手段。

本研究的主要目的是探索用差热分析技术原位测定植物组织水分含量和分布的新方法。结果表明，这一方法能够准确、快速地分析植物叶片的自由水含量，其中温域(Temperature domain)差热分析具有更高的灵敏度，并且可以分析共质体和质外体的水分含量。已完成测定的植物有麻栎、槐、刺槐、桃、杏、紫叶李、白蜡树、冬青卫矛、绿豆、小麦、玉米等植物叶片，其中“探索用差热分析技术测定麻栎叶片的自由水含量”已被《植物科学学报》接受，其他植物的测定结果正在整理中，这些在整体上完成了项目的研究计划。此外，相关的“高灵敏度湿度传感器在植物水分生理测定中的应用”发表在《生态学杂志》(2020，39(5): 1745-1752)。理论方面相关的研究“植物水分生理中几个争议性问题的理论分析”发表在《植物生理学报》，2020，56(7):1329-1336)，更深入的研究“Misconceptions in the concept of water potential”投稿(Journal of Plant Physiology)也已通过初审(JPLPH-D-23-00035)，其中重点讨论了关于植物水分生理最基本的水势理论中涉及自由水（体相水）和吸附水（束缚水）的衬质势（仅存在于吸附相）和重力势的错误观念。我们注意到使用的一些树木的实验材料的枝条在脱水干燥后严重开裂，通过文献了解到其本质涉及到水的表面张力作用，而一些有机溶剂如乙醇的表面张力不到水的1/3，因此我们用黑松原木对木材进行了乙醇灌注来预防干燥缺陷和脱脂的实验探索，结果显示在0.2‒0.3MPa的压力下加压灌注1‒1.5小时，消耗了相当于木材中的水分体积约3倍（或木材的体积约1.5倍）的乙醇后，能够置换出黑松原木中77.0%的水、脱除原木中70.8%的松脂，并且消除了黑松生材锯解板在烘干后普遍存在的内裂缺陷。这些结果已投稿《林业科学》正在审稿中。未来计划在经济意义较大的马尾松，落叶松，樟子松，桉树等木材上进行进一步的实验，希望能够在这些木材中应用并产生好的经济效益。