地上部分吸水在复苏植物“起死回生”过程中的作用——以锈色蛛毛苣苔为例

Water uptake though leave and stem is a common phenomneon in regions with seasonally drought and heavy fog, however,little is known about the effect of this kind of water uptake as well as its eco-physiological significance for plants. The resurrection plants are often found on the rocky outcrops，and there is little water storage capacity of the bedrock. Water uptake by leaves and stems might be important for the recovery and xylem refilling of the resurrection plants. The desiccation tolerance of resurrection plants is achieved by a serial of structural and metabolism adjustments and thus the resources allocated in growth might be reduced. There would be a trade-off between desiccation tolerance and growth rate. In the present study,we will investigate the leaf and stem water uptake capacity of the resurrection plant Paraboea rufescens and associated impacts on xylem refilling,by using individual leave and stem water uptake capacity measurement,stable isotope analysis as well as cryo-scanning electron microscopy(Cryo-SEM)analysis. We will also compare the water transport and photosynthesis as well as growth rate of P. rufescens with the desiccation-sensitive specie within the same genus P. sienensis by using both pot plants and plants in the field.The study of this proposal is important for us to understand the eco-physiological mechanism that the resurrection plants used in their adaptation to extremely dry habitats, and it could also provide useful knowledge for the cultivation of drought-resistant crops in agriculture .

在干旱以及多雾的地区，植物通过地上部分吸收水分是一个普遍现象，然而地上部分吸水对植物生理功能的影响及其机制还知之甚少。复苏植物一般生长在土层较薄的岩石上，基质保水能力较差，因此通过地上部分吸水可能对复苏植物的水分补充以及木质部栓塞化修复起到了重要作用。复苏植物的耐脱水能力是通过一系列结构和生理代谢上的调整而实现的，因此分配在生长方面的资源可能较少，耐脱水性和生长能力可能存在权衡关系。本研究拟通过离体法、稳定性同位素法及低温扫描电镜等方法研究复苏植物锈色蛛毛苣苔地上部分的吸水能力及其对生理功能恢复和木质部栓塞化修复的影响。结合盆栽植株和野外监测实验，研究锈色蛛毛苣苔与同属非复苏植物蛛毛苣苔在水分运输、叶片碳同化以及生长速率等方面的差异。对复苏植物地上部分吸水生理生态机制以及耐脱水性与生长能力权衡关系的研究，有助于深入了解复苏植物的生态适应机制，也可为抗旱作物育种提供一定的理论依据.

本项目研究了锈色蛛毛苣苔（Paraboea rufescens）的叶片吸水能力及其在干旱和随后的复水过程中的水分关系和叶片气体交换能力的变化，对比了蛛毛苣苔属三种植物的叶片气体交换能力、枝条水力结构特征以及叶片和木质部的解剖结构，还比较了锈色蛛毛苣苔和白花蛛毛苣苔的叶片压力容积曲线。研究发现严重脱水的锈色蛛毛苣苔叶片（叶片含水量小于0.1g H2O /叶干物质重量）在吸水24小时以后，其叶片的吸水量达到其叶片干重的3倍，叶片光系统II的最大量子产量（Fv/Fm）在0.63左右，说明其叶片光合生理指标已基本恢复正常，暗示锈色蛛毛苣苔的叶片吸水对于其复苏过程起着重要的作用。锈色蛛毛苣苔与同属的白花蛛毛苣苔（P. glutinosa）和蛛毛苣苔（P. sinensis）相比，具有较高的光合速率和气孔导度，并且锈色蛛毛苣苔枝条具有最高的边材比导率和叶比导率。蛛毛苣苔属三种植物的叶片上表皮均具有一层较厚的泡状细胞，在干旱过程中泡状细胞的脱水使得叶片向内发生卷曲。锈色蛛毛苣苔和白花蛛毛苣苔叶片膨压丧失点渗透势分别为-0.88 MPa和-0.87 MPa。在同属的三种植物中，锈色蛛毛苣苔具有最小的导管直径、最高的导管密度以及最高的导管壁厚度/导管直径比值，暗示其木质部具有相对较高的抗栓塞化能力。木质部纹孔解剖结构特征的结果表明，锈色蛛毛苣苔具有最小的纹孔面积和纹孔直径。随着干旱的进行，锈色蛛毛苣苔的叶片光合能力、气孔导度、叶片水力导度以及光系统II的实际量子产量（ΦPSII）均逐渐下降。在干旱进行到第12天时光合能力和气孔导度接近于零，ΦPSII 在0.1以下。随着叶片水势的降低，气孔导度和叶片光合能力逐渐降低，当叶片水势降低到-1.5 MPa以下时，气孔导度和光合速率接近零值。在水分状况良好时，锈色蛛毛苣苔的根压为10 kPa左右，在干旱后的复水过程中，最大根压可升高至30 kPa，暗示根压对锈色蛛毛苣苔严重脱水后的复苏起着重要的作用。项目已发表SCI论文两篇，目前还有两篇SCI论文正在撰写当中。本项目还有部分后续实验正在继续监测，进一步将进行综合整理分析，形成更多的研究成果。