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沈阳生态所在温带树种木质部冬季栓塞研究方面取得新进展
大  中   2018-05-22 打印本页 关闭

  在较高纬度的温带森林生态系统中,树木越冬过程中频繁发生的冻融交替可诱导木质部产生气穴化栓塞(embolism),对树木的水分传输功能造成较严重的损伤(图1)。木质部管道(导管或管胞)中的水柱在结冰过程中,溶解其中的空气离析出来形成大小不一的气泡,冰融化后水柱通常承受较大张力(负压),这时较大的气泡即可迅速扩张导致木质部管道产生气栓,威胁木质部正常的水分传输功能。越冬过程中发生的水分传输功能损伤若不能及时修复,将影响树木在生长季的蒸腾用水和其它相关重要生理过程,严重时可造成树木衰退死亡。一方面,有关木质部栓塞发生和修复的过程和机理研究是树木抗逆生理学理论研究的重点和前沿方向。同时,冻融造成的水力传输失败是我国北方地区树木受害的一个重要原因,与森林生产力降低、衰退死亡、建群/优势树种天然更新障碍(越冬过程中幼苗大量死亡)等制约林业发展的重大问题密切相关。因此,亟需在该地区开展相关生理生态研究。 

  温带树种除了进化出较强的木质部冻融栓塞抵抗力以外,一些树种(如桦树、槭树)还可在生长季来临前通过产生正的压力(根压或茎压),将木质部导管内的气栓排出维管系统或者溶解到树液中,从而修复冬季栓塞化导管的水分传输功能。正压机制在一些类群中进化出来以后,很可能使得其水力结构相关的适应性特征发生了较大改变,进而对温带树种的环境适应性产生了重要影响,但是相关研究十分缺乏。基于此,我们选择长白山阔叶红松林中能够产生根压和茎压、只能产生根压和两种压力均不能产生的三个功能类群的典型树种,开展了树木水力结构对比研究。结果表明,不同功能类群间在木质部导水率、对冻融造成的木质部功能损伤的抵抗力、对干旱诱导栓塞的抵抗力这个重要水力学特征上存在显著差异,而该水力学功能的差异是由于不同功能类群间木质部组织水平(光学解剖)和纹孔水平(扫描电镜)的结构特征存在显著分化(图2)。该研究首次较系统地阐述了纬度较高环境中木质部水分传输效率、对冻融造成的木质部功能损伤的抵抗力、对干旱诱导栓塞的抵抗力三者间较复杂的权衡关系(three-way trade-offs),为探讨温带森林树种的环境适应性提供了新的视角。  

    该研究成果近期以“Divergent hydraulic strategies to cope with freezing in co-occurring temperate tree species with special reference to root and stem pressure generation”为题在New Phytologist发表。植物生理生态组硕士研究生殷笑寒为第一作者,郝广友研究员为通讯作者。工作得到了中国科学院百人计划项目、国家自然基金委优秀青年基金(31722013)、中国科学院前沿重点研究项目(QYZDJ-SSW-DQC027)等的支持。

    论文链接

 

1. 长白山针阔混交林常见树种冬季枝条木质部导水率丧失的百分比PLC(数据来自Niu, Meinzer & Hao 2017 Functional Ecology

2. 能够产生根压和茎压(RSP)、只能产生根压(RP)和两种压力均不能产生(NP)的三个功能类群的代表树种的组织水平和纹孔水平木质部的解剖图(Yin, Sterck & Hao 2018 New Phytologist

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