近日，北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院席本野教授研究團(tuán)隊(duì)在Plant Physiology發(fā)表（一區(qū)TOP，IF=8.005）上發(fā)表了題為“Evaporation-driven internal hydraulic redistribution alleviates root drought stress: mechanisms and modeling”的研究論文，為木本植物水分生理及其抗旱機(jī)制提供了新見解。
毛白楊（Populus tomentosa）是中國(guó)北方重要的用材與防護(hù)樹種。在前期研究中，林學(xué)院人工林培育團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)全新且從未被報(bào)道過的根系水力再分配模式，并將其命名為了“蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水力再分配（EDHR）”。本研究進(jìn)一步探究了該現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制、影響因子與生理生態(tài)學(xué)意義。
研究發(fā)現(xiàn)，EDHR現(xiàn)象在雨養(yǎng)條件下的毛白楊人工林中廣泛存在，且隨著林齡的增加，其發(fā)生程度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。根系多位點(diǎn)液流監(jiān)測(cè)與染色進(jìn)一步為EDHR的發(fā)生提供了證據(jù)，并且揭示了該現(xiàn)象的逆向液流可以在側(cè)根內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸（圖1 BC）。
圖1 毛白楊根系液流與染色
此外，利用micro-CT技術(shù)對(duì)側(cè)根木質(zhì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建，發(fā)現(xiàn)毛白楊側(cè)根木質(zhì)部由向上連接和向下連接的兩種類型導(dǎo)管組成。在側(cè)根發(fā)育早期，兩種類型導(dǎo)管呈現(xiàn)為上下對(duì)稱分布；隨著側(cè)根逐漸發(fā)育成熟，新形成的導(dǎo)管均為向上連接（圖2）。
圖2 毛白楊側(cè)根導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
基于觀測(cè)到的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了不同水力構(gòu)架的根系吸水模型，模型模擬結(jié)果揭示了EDHR現(xiàn)象的本質(zhì)是由植物木質(zhì)部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的水勢(shì)梯度引起的內(nèi)部水力再分配（圖3）。該現(xiàn)象更易發(fā)生在土壤阻力較高的粗質(zhì)地土壤，與傳統(tǒng)水力再分配相互補(bǔ)償（圖3）。在極端干燥的條件下，EDHR可以使木質(zhì)部水勢(shì)提高38.9%–41.6%，極大程度緩解了淺層根系所面臨的干旱脅迫。此外，不同水力構(gòu)架的側(cè)根存在著水力“安全–效率”權(quán)衡策略（圖4）。新提出的模型為根系復(fù)雜木質(zhì)部結(jié)構(gòu)及其對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響提供了新的見解，有助于增強(qiáng)對(duì)木質(zhì)部結(jié)構(gòu)與植物水力學(xué)之間關(guān)系的理解。
圖4 模擬根系液流、水勢(shì)與土壤阻力
圖5 側(cè)根水分運(yùn)輸“安全–效率”權(quán)衡策略
北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院博士生劉洋為論文第一作者，林學(xué)院席本野教授為本文的通訊作者。該項(xiàng)研究由捷克布爾諾孟德爾大學(xué)Nadezhda Nadezhdina教授、新西蘭植物與食品研究所胡偉研究員、新西蘭皇家科學(xué)院主席與中國(guó)工程院外籍院士Brent Clothier、北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院段劼副教授、中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院李熙萌副教授共同參與，并且得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（32171763，31872702）的支持。研究團(tuán)隊(duì)特別感謝北京時(shí)域通科技有限公司，為本研究的田間監(jiān)測(cè)提供設(shè)備與技術(shù)支持。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/plphys/advance-article-abstract/doi/10.1093/plphys/kiad364/7205635
