探索盐胁迫下作物根系逆动力梯度吸水机理的新理论模型

According to the current theory of plant physiology, an enormous driving force is needed for roots of crop plants to overcome the extremely low water potential of solution of high salinity to absorb water. However, many experiments showed that this extremely low water potential is not necessary for plant root to counterbalance the osmotic potential of high salinity in water absorption and growth of plants. The accepted theories, neither active transport, nor non-equilibrium thermodynamics, can explain this abnormal phenomenon, and this fundamental question on the mechanisms of water absorption of plant roots is still not solved. In this project application, a novel theoretical model, tentatively termed "symplastic dilution model" is proposed tying to give answers to this question. The project involves the use of cell and xylem pressure probes, X-ray micro-analysis, picolitre osmomotic analysis for tiny amount samples, as well as PTS fluorescent tracing analysis, etc., in order to get a deeper insight into the mechanisms of water absorption in plant roots, test and verify our new theory, replenish the fundamental theories in plant water relations.

根据现有植物生理学理论，在高盐胁迫条件下作物根系需要巨大的吸水动力反抗根外溶液极端的低渗透势吸水。然而很多实验证明作物根系并不需要超低的水势来反抗高浓度的盐渗透胁迫而能够吸水生长。现有的主动运输理论和非平衡态热力学理论都不能解释这一现象，因此这一涉及到植物根系水分吸收机理的最基本问题国际上尚未解决。本申请针对这一问题提出了一个暂称为"共质流稀释"的新理论模型，并拟应用植物细胞和木质部压力探针技术、X-射线微区分析技术、超微量皮升渗透压测定和PTS 荧光剂混合离子示踪法等技术，通过精确分析盐胁迫时几种作物根的各层皮层细胞的微环境、内皮层细胞外的微环境与根木质部水势的关系，验证并完善我们提出的理论模型，期望能对根的吸水机理有新的更深入的了解，完善关于植物水分生理的最基本理论。

本研究项目的目的是探索盐胁迫下作物根系逆动力梯度吸水机理的新理论模型，根据计划，我们提出了根据部分实验结果反复优化的新的理论模型并进行了初步验证，整体符合预期，经过反复修正的模型已经成文，送交“Journal of theoretical bilology”审稿中。初期由于根系细胞的透性和吸收受到很多因素如温度，根际气体中的氧分压，细胞脱水程度和膨压的影响较大，因此只好首先探索这些因素，使实验结果更准确地用于改进模型，结果发表在《林业科学》。随后系统性地分析了温度对细胞的代谢和透性的影响系数，结果发表在《中国沙漠》和《热带亚热带植物学报》。这些结果为更加精确地改进模型奠定了基础。研究后期我们还以项目初期使用的高灵敏度热电偶（分辨率4千分之一度）温度记录仪为基础进行了新的探索，尝试将高分辨率差热分析用于研究植物受到结冰胁迫时结冰时的热力学行为（以往差热分析在生物学上都用于低温胁迫时膜脂相变温度的测定），获得了很大的成功。通过分析活叶片细胞外溶液首先结冰时发出的微量融解热放峰和死亡叶片细胞内外溶液同时结冰的巨大放热峰，在国际上首次发现植物叶片冷却过程中胞外结冰（胞内首先结冰将导致植物死亡）可以用高分辨率差热分析检测到，将在《植物学报》2018年第二期刊出，另一部分探索结果送交《林业科学》，已经于2017年10月接受修改稿。目前正探索优化传热介质均匀性提高放热峰面积的精确性和重复性，从而根据质外体放热峰面积来测定植物组织细胞外和细胞内水分的比例，这对于分析细胞的微环境的溶液体积大小包括其中的离子等物质的浓度，膜电位以及离子吸收极为重要，特别是对于保卫细胞。目前还没有能够测定细胞外（质外体）溶液体积的方法。如果成熟将又是一种植物水分关系研究中的一种新的技术。