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   陸生植物對CO2的同化必然伴隨著水分的散失,在高等植物中進化出維管系統,使得物質在植物體內更高效地運輸,維管系統的產生對植物的進化和全球生態系統的演化都產生了深遠的影響。樹木維管系統水分傳輸的效率和安全性是保障森林生產力形成的功能支柱,相關生理研究對于探討森林碳匯功能和森林氣候變化響應等具有重要基礎意義。
  復葉樹木是一類重要的樹種,我國“東北三大硬闊”(水曲柳、胡桃楸和黃檗)都為復葉樹種,復葉特征長期以來被認為與較高的生產力有關。我們前期的研究表明,“東北三大硬闊”較大的復葉葉片和環孔材結構二者相組合,使這些樹種得以實現比其他共存樹種顯著更高的水分傳輸效率,從而支撐高的潛在光合碳同化速率。然而,由于對木質部結構具有不同的需求,水分傳輸效率和對干旱造成的木質部栓塞的抵抗力二者常呈現顯著權衡關系。復葉樹種在保障其高效水分傳輸能力的同時,如何避免災難性氣穴化栓塞發生是一個重要研究命題,在極端干旱事件頻發的背景下該研究尤其具有重要意義。

  我們以水曲柳和胡桃楸為研究對象,利用“木質部栓塞可視化技術”分別對小葉葉脈、復葉葉柄、莖木質部內栓塞產生及擴散情況進行實時捕獲及長時間序列記錄,量化了不同部位導管在干旱處理過程中氣穴化發生的動態過程。研究證實了復葉樹種枝條存在顯著的水力學脆弱性分割(hydraulic vulnerability segmentation)機制,即葉片、復葉葉柄和莖的水力失敗發生的臨界水勢顯著不同,氣穴化抵抗力依次為:莖>葉柄>葉片。同時,與葉片和葉柄相比,莖能夠在日間蒸騰強烈發生時仍保持較高的水勢,莖中氣穴化栓塞發生的風險顯著低于葉片和葉柄。由于該機制的存在,在嚴重干旱發生時栓塞優先在更末端的器官發生,復葉的水力系統在極端干旱時起到了“保險絲”的作用,通過“熔斷”機制以脫落葉片為代價保護了碳成本更高的莖干。而在濕潤生境的非極端水分狀況下,復葉樹種高效的水力系統支撐高的氣孔導度和光合速率,實現了高的生產力。復葉樹種是東北典型針闊混交林中的重要組分,本研究結果對探討該地帶性植被的氣候變化響應具有重要科學意義。

  該研究成果近期以“Hydraulic vulnerability segmentation in compound-leaved trees: evidence from embolism visualization technique”為題發表在Plant Physiology。植物生理生態學科組畢業博士研究生宋佳為該論文的第一作者,郝廣友研究員為通訊作者,該研究得到了國家自然科學基金(31870593,31722013)等項目的支持。

  
  圖1. 利用可視化技術對復葉樹種枝條不同部位的栓塞發生動態過程進行連續測定
  
  圖2. 葉片、葉柄和莖的木質部脆弱性曲線(左)和正午水勢及水力安全邊界(右)
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