Bezug stomatäre Leitfähigkeit zu Blatt Funktionale Merkmale

Zusammenfassung

Entwirren, wie Physiologie und Morphologie verknüpft sind, ermöglicht ein tieferes Verständnis der mechanistischen Funktionieren der Anlage verlässt. Wir präsentieren sowohl ein Verfahren, um die Parameter der Spaltöffnungsregelung von stomatäre Leitfähigkeit Messungen und Korrelationen mit traditionellen funktionellen Blattmerkmale abzuleiten.

Zusammenfassung

Blatt funktionalen Merkmale sind wichtig, denn sie spiegeln die physiologischen Funktionen, wie zum Beispiel die Transpiration und Kohlenstoffassimilation. Insbesondere weisen morphologische Blattmerkmale das Potenzial, Pflanzen-Strategien in Bezug auf die Wassernutzungseffizienz, Wachstumsmuster und Nährstoffnutzung zusammenfassen. Das Blatt Wirtschaftswissenschaften Spektrum (LES) ist ein anerkannter Rahmen der funktionellen Pflanzenökologie und reflektiert einen Gradienten zunehmender spezifischen Blattfläche (SLA), Blatt Stickstoff, Phosphor und Kationengehalt, und abnehmender Blatttrockensubstanzgehalt (LDMC) und Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis ( CN). Die LES beschreibt verschiedene Strategien, die von der des kurzlebigen Blätter mit hoher Photosynthesekapazität pro Blattmasse, um langlebige Blätter mit geringer Masse-basierte Kohlenstoffassimilation Raten. Allerdings könnte Merkmale, die nicht in der LES enthalten sind zusätzliche Informationen über die Art "Physiologie, wie diejenigen, die Stomata Steuerung in Verbindung stehen. Protokolle sind für eine breite Palette von Blatt functio vorgestelltnal Merkmale, einschließlich Merkmale des LES, aber auch Eigenschaften, die unabhängig von der LES sind. Insbesondere wird ein neues Verfahren eingeführt, das Regelverhalten der Pflanzen in stomatäre Leitfähigkeit zur Dampfdruckdefizit betrifft. Die resultierenden Parameter der Stomata Regelung kann dann auf den LES und andere Pflanzen funktionalen Merkmalen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass funktionelle Blatt Züge des LES waren ebenfalls gültig Prädiktoren für die Parameter der Stomata Regulierung. Zum Beispiel Blattkohlenstoffkonzentration war positiv mit dem Dampfdruckdefizit (VPD) an dem Wendepunkt und dem Maximum der Konduktanz-VPD Kurve. Jedoch Merkmale, die nicht in der LES enthaltenen zusätzlichen Informationen bei der Erläuterung Parameter der Spaltöffnungskontrolle: Die VPD am Wendepunkt der Leitfähigkeit-VPD Kurve niedriger für Arten mit höheren Spaltöffnungsdichte und höhere Stomata Index war. Insgesamt waren die Spaltöffnungen und Vene Züge stärkeren Prädiktoren zur Erläuterung Stomata Regulierung tHan-Züge in der LES verwendet.

Einleitung

Um die funktionelle Verständnis zu fördern von Pflanzenblättern, haben viele neuere Studien haben versucht, morphologischen, anatomischen und chemischen Blatt Merkmale, die physiologischen Reaktionen, wie Blatt stomatäre Leitfähigkeit (g _S) ^1-4 beziehen. Zusätzlich zu Blatt Merkmale, stomatäre Leitfähigkeit stark von Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel photosynthetisch aktive Photonendichte, Lufttemperatur und vpd ⁵ beeinflusst. Verschiedene Wege vorgeschlagen worden, um zu modellieren gs - VPD Kurven ^6-8, die im Wesentlichen auf lineare Regression der GS auf vpd ⁶ basieren. Im Gegensatz dazu ist die in dieser Studie präsentierten Modell bildet die Logits relativer stomatäre Leitfähigkeit (dh das Verhältnis von G _S die maximale stomatäre Leitfähigkeit g _SMAX) auf vpd und ist für die Nichtlinearität, indem vpd als quadratische Regressor term.

Im Vergleich zu anderen Modellen ermöglicht das neue Modell zur Ableitung von Parametern, die beschreiben,das VPD, bei dem g _S wird unter Wasserknappheit herunterreguliert. In ähnlicher Weise wird das VPD erhalten, bei dem g _S maximal ist. Als solche physiologische Parameter kann erwartet werden, fest an Kohlenstoffassimilation ^9,10 verbunden sein werden, eine enge Verbindung zwischen diesen Modellparametern und der Schlüsselblattmerkmale zur Nährstoff-und Ressourcenverteilung, wie in der LES reflektiert zu erwarten ^3,11 werden. In der Folge sollte es auch eine enge Beziehung zwischen Strategien der Stomata Regelung mit LES Merkmale sein. Eine solche Beziehung ist insbesondere für Blatt Gewohnheit (grüngegenüber Laub) als Blatt Gewohnheit erwartet wird, sowohl mit der LES und Wassernutzungseffizienz ^12,13 korreliert. Immergrünen Arten sind in der Regel langsamer zu wachsen, aber effizienter sind in Umgebungen nährstoffarm ^14. Daher sollten Blatt Gewohnheit in unterschiedlichen Stomata Regulationsmuster, mit einer eher konservativen Wassernutzungsstrategie als Laubbaumarten zu übersetzen.

CompAring einen großen Satz von Laubbaumarten in einem gemeinsamen Garten Situation wurden folgende Hypothesen getestet: 1) Modellparameter aus g _{S -} VPD-Modelle sind mit Blattmerkmale an der Blatt Wirtschaftswissenschaften Spektrums verbunden. 2) Immergrüne Arten haben niedrigere Durchschnitts g _{S und} g _SMAX-Werte als Laubbaumarten.

Protokoll

1. stomatäre Leitfähigkeit

1. Messungen der stomatäre Leitfähigkeit
   HINWEIS: Die benutzte eine einfache Art von stationären Porometer (Decagon SC1) Autoren. Die Porometer-Design hat den Vorteil der geringen Größe, intuitive manuelle Bedienung und hohe Zuverlässigkeit. Bei der Messung stomatäre Leitfähigkeit im Bereich, stellen Sie sicher, um den Abstand zwischen der gemessenen Individuen für eine wiederholte Messzyklus zu minimieren, die effizienteste möglich sein.
2. Wählen Blättern von verschiedenen Arten und Individuen nach einer reproduzierbaren Musters (gleiche Höhe, gleiche Exposition derselben Position innerhalb der Anlage, wenn möglich nur von dem gleichen Knoten und nur von einer Kategorie, Sonne und Schatten Blätter, etc.).
   1. Nur Maßnahme Blätter in gesunden, nicht beschädigt ist und voll entwickelten Zustand. Markieren die Blätter an den Personen (beispielsweise durch Kabelbinder oder Farbband), um sicherzustellen, dass die wiederholten Messungen werden auf dem gleichen Blatt gemacht.
      HINWEIS: Measurements der stomatäre Leitfähigkeit sollte nur auf Blattoberfläche vorgenommen werden, während die Vermeidung der Mittelrippe und starke Blattadern.
   2. Starten Sie Messungen in den frühen Morgenstunden vor Sonnenaufgang unter fünf vor zehn Wiederholungsmessungen bis Stomata Leitwerte zeigt einen deutlichen Rückgang am Mittag.
      HINWEIS: Eine tägliche Verlauf der Messungen gute Daten für die Analyse der Beziehungen zwischen VPD und stomatäre Leitfähigkeit zu liefern.
3. Vpd Messungen
   1. Mit jedem g _S-Messung, Aufzeichnung Temperatur und relative Feuchtigkeit vorzugsweise mit tragbaren Logger, um die Bedingungen an der Position des gleichen Blatt direkt zu messen. Für die Berechnung der Dampfdruck Defizit verwenden Sie die August-Roche Magnus Formel ^15.

E _{s =} Sättigungswasserdampfdruck [hPa]

4. Modell g _{S -} VPD Antwort
   1. Jetzt Grundstück Arten weise alle g _S Daten gegen VPD, die Kombination aller täglichen Kurse der einzelnen Blätter in einer Analyse pro Spezies. Entpacken Sie die für die Suche nach dem maximalen Wert aus den stomatäre Leitfähigkeit Daten beobachtet Maximalwert. So skalieren Sie das Modell für Arten weise Vergleichbarkeit, teilen die beobachteten Werte durch die für diese Spezies (g _{S /} g _SMAX) beobachtete Maximalwert.
   2. Für jede Art, die zurückbilden Logits von g _{S (g S /} g _SMAX) bis VPD und dem quadratischen Term der VPD Verwendung eines verallgemeinerten linearen Modell mit einer binomischen Fehlerverteilung (a, b und c Regressionsparameter):

Abbildung 1. Beispiel der aufgetragenen Werte und des angepassten Modells für g _{S -.} VPD stomatäre Leitfähigkeit als Funktion der Dampfdruckdefizit für die Gattung Liquidambar formosana. Leere Punkte stellen die beobachteten Werte. (A) Maximale stomatäre Leitfähigkeit wurde die VPD bei maximaler stomatäre Leitfähigkeit und meine stomatäre Leitfähigkeit von der absoluten daher nicht skaliert stomatäre Leitfähigkeit (g _S) Daten extrahiert. (B) Scaled stomatäre Leitfähigkeit Daten (g _{S /} g _SMAX) wurden aufgetragen, um die relativen Parameter zu extrahieren (wie gefüllte Punkte dargestellt) ^20. Re-print mit Genehmigung aus ^20. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. Alle Einbaumodelle für alle Arten. Modell Graphen für die stomatäre Leitfähigkeit Daten VPD Regression für alle Tierarten. Immergrünen Arten sind durch schwarze Linien, Laubbaumarten durch rote Linien ²⁰ dargestellt. Re-Print mit Genehmigung aus ^20.

HINWEIS: Mit den Logits statt Regression g _S direkt an VPD, führt zu dem Punkt, dass Höchstwerte modelliert weiß g _SMAX nicht überschreitet und g _S gegen 0 bei hohen VPD.

5. Auszug Parameter der Spaltöffnungsregelung für jede Art
   1. Berechnen absolute modellierten g _SMAX-Werte (MaxFit in 1B). Um dies zu tun, die Berechnung der VPD bei maximaler stomatäre Leitfähigkeit von der Einstellung der ersten Ableitung 1.4.2 auf Null, die VPD _gsMaxFit = -b / 2a gibt. Legen VPD _gsMaxFit in die Formel von 1.4.2 und anzuheben, um die Macht des E um MaxFit erhalten. Berechnen Sie die mean aller Leitfähigkeitsmessungen pro Art (siehe 1A).
      HINWEIS: Verwenden Sie Statistiksoftware R (http://www.r-project.org).
   2. (1) stomatäre Leitfähigkeit und VPD am Maximum des Modells (MaxFit) und (2) VPD: Um relative Werte, von der skalierten Modells (g _{S /} g _SMAX), extrahieren stomatäre Leitfähigkeit und VPD Werte für die folgenden zwei Punkte berechnen an dem zweiten Wendepunkt der Kurve (siehe 1B). Multiplizieren Sie diese Werte von g _SMAX um absolute g _S-Werte für diese Punkte zu erhalten. Siehe Abbildung 2 für eine vollständige Überlagerung der einzelnen Modelle aller 39 Arten analysiert.

2. Messungen der Stomata Traits

1. Proben nehmen vorzugsweise genau den gleichen Blättern, die für die Messungen der Leitfähigkeit Stomata verwendet wurden. Wenn dies nicht möglich ist, gelten die gleichen Selektionsverfahren, das angewendet wurde, um die Blätter zu wählenfür die Spaltöffnungsleitfähigkeitsmessungen, vorzugsweise auf den gleichen Individuen.
2. Eine dünne Schicht aus farblosem, schnell trocknend Nagellack (Test verschiedener Marken, einige sind besser geeignet als andere), um einer frischen Probe. Werden die Proben nicht sofort verarbeitet werden, speichern sie in 70% igem Alkohol. Nach der Nagellack ausgetrocknet ist, vorsichtig schälen den Eindruck von dem Blatt und gehen für die mikroskopische Analyse, wie bei einem normalen Blattprobe.
   Hinweis: Im Fall von Blättern mit hoher Dichte trichome einem vorhergehenden Schritt des Aufbringens Natriumhydroxid oder eine 1: 1-Lösung von Essigsäure und Sauerstoff Peroxid zu besseren Ergebnissen führen.
3. Lichtmikroskop analytics
   1. Schließen Sie eine Kamera an einem optischen Mikroskop in der Lage Vergrößerungen zwischen 40X zu 400X. Nachdem die Kamera mit dem Mikroskop verbunden ist, passen Sie die Bilder zur optischen Vergrößerung und Auflösung des Bildes, zum Beispiel genommen, mit Hilfe einer Skala.
   2. Verwendung Open Source image Verarbeitungssoftware wie ImageJ ¹⁶ analysiert diese Bilder.
      1. Zeichnen Sie eine Form mit der Form-Werkzeug aus der Bildanalyse-Tool auf das Bild in einem Gebiet ohne Schmutz, Daumen druckt, Schadstellen oder großen Blattadern. Zählen Spaltöffnungen in diesem Bereich und in der Summe von mindestens 50000 & mgr; m ² pro Probe.
      2. Messen Sie Stomata Schutzzelle Länge und Porenlänge. Berechnen Sie die Anzahl der Spaltöffnungen ^pro mm 2. Berechnen stomatal Index als das Verhältnis der Dichte der Stomata auf die Zellzahl ^pro mm 2 epidermale.

3. Bewertung der Nervatur Traits

HINWEIS: Für die Bestimmung der Blattader Züge, ein modifiziertes ein Protokoll von Sack & Scoffoni ¹⁷ eingesetzt wurde.

1. Probenvorbereitung
   HINWEIS: Um die Sichtbarkeit der Blattadern zu optimieren, werden die Blätter zunächst gebleicht und anschließend mit Safranin und Malachitgrün gefärbt.
   1. Um die leav bleichenes, lassen Sie sie mindestens 72 Stunden in 50% Lösung von Entfärber (Test verschiedener Marken, wieder einige vielleicht besser funktionieren). Alternativ dazu 5% NaOH-Lösung oder 10% iger KOH-Lösung oder 25% H _{2 O 2 -Lösung.}
   2. Die Lösung wird bis zu 30 ° C oder kombinieren Sie die verschiedenen Lösungen aus Schritt 3.1.1 für eine bessere Wirkung. Mehrmals gründlich in Wasser danach. Anpassung des Bleichverfahrens für den spezifischen Art abhängig von ihrer Blatteigenschaften.
      HINWEIS: Dickere Blätter müssen längere Lösung Badewanne und oder den aggressiveren Lösungen. Dünner und zarten Blätter können zu einer zufrieden Grad in weniger als 72 Stunden gebleicht werden.
   3. Färben die Blätter legen Sie sie in 100% Ethanol. Färben sie für 2-30 min in 1% Safraninlösung. Zur Färbung zu verbessern, fügen Sie eine zusätzliche Behandlung mit 1% Malachitgrün-Lösung nur für einige Sekunden. Passen Sie das Protokoll zu jeder Art in Bezug auf Zeitpunkt und Intensität, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Spülen seVeral mals in Wasser danach. Wenn die Blätter tief gefärbt sind, kann es einige Zeit in Ethanol oder Entfärber helfen.
2. Probenanalyse
   1. Scannen Sie die Blätter mit einer Hintergrundbeleuchtung-Scanner mit einer Auflösung von ca. 1200 dpi. Ordnen Sie die Scans auf die Auflösung des Bildes, zum Beispiel genommen, mit Hilfe einer Skala, um sicherzustellen, dass Pixellänge lassen sich auf absolute Länge Maßnahmen des gescannten Blattes zurückverfolgt werden.
   2. Messen Fläche, Umfang, Länge und Breite der Blätter. Berechnen mehrerer Indizes, zB Länge / Breite und Umfang ^{2 /} Fläche. Schneiden Sie ein 1 von 1 cm Rechteck aus der Mitte des Bildes. Messen Sie den Durchmesser der Venen von erster und zweiter Ordnung (beinhalten nicht die Hauptmittel Vene). Messen Sie die Länge aller Adern der erste Auftrag in diesem Quadrat (Venendichte).

4. Bewertung der Andere Blatt Traits

HINWEIS: Asses typischen Blatt Merkmale wie spezifischesBlattfläche (SLA), Blatttrockensubstanzgehalt (LDMC), Blattfläche, Elementgehalte, Blatt Gewohnheit, Blatt Fiederung, Blattverbindungstyp, der Rand des Blattes Typ usw. folgenden etablierten Protokollen ^18,19.

1. Beobachtungsblattmerkmale
   1. Beurteilen Blatt Fiederung, Blattverbindungstyp, der Rand des Blattes Art und das Vorhandensein von Nektarien extrafloralen ^18,19 durch Beobachtung im Feld.
2. Analytische Blattmerkmale
   1. Sammeln frischen Blattproben, vorzugsweise auf den gleichen Personen wie bei den anderen Messungen, zur Bestimmung der spezifischen Blattfläche (SLA), die Blattfläche und Blatttrockensubstanzgehalt (LDMC) ^18,19. Nach 48 Stunden im Trockenschrank bei 80 ° C, gemessen Elementgehalte und Verhältnisse, vorzugsweise auf den gleichen Blättern.

Ergebnisse

Viele Parameter stomatäre Leitfähigkeit und Stomata Verordnung wurde festgestellt, morphologischen, anatomischen und chemischen Blatt Merkmale bezogen werden. Im Folgenden wird der Schwerpunkt auf die Links sein, an der Wendepunkt, der mit Spaltöffnungsdichte (p = 0,04) und Stomata-Index (p = 0,03) verkleinert und mit Blattkohlenstoffgehalt (p = 0,02 VPD, siehe Abbildung 3). Die Ergebnisse zeigen, dass mit abnehmender VPD am Wendepunkt gab es eine Abnahme der Spaltöffnungsdichte und Stomata Index. Im Gegensatz dazu kein Parameter des stomatäre Leitfähigkeit zeigte eine klare Beziehung zu Blatt Gewohnheit. Die hohe Variation innerhalb der beiden Gruppen von Blatt Gewohnheit zeigt, dass verschiedene Regulationsmechanismen existieren sowohl innerhalb der Gruppe von immergrünen und Laubblatt Gewohnheiten.

Abbildung 3. Ergebnis Zahl für the Verbindungen zwischen Muster stomatäre Leitfähigkeit Regulierung und Blattmerkmale Dampfdruckdefizit (VPD) am Wendepunkt des g _{S -.} VPD-Kurve (VpdPoi) als Funktion der (A) Stomata Dichte, (B) Stomata Index und (C) Blattkohlenstoffgehalt ^20. Re-print mit Genehmigung aus ^20. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Diskussion

Die Parameter der Stomata Regulierung durch die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren extrahiert streichen die Bedeutung der Stomata Merkmalen, wie Stomata Dichte und Stomata Index. Diese neuen Beziehungen zeigen das Potenzial der Verknüpfung von Parametern aus physiologischen Modelle zur morphologischen, anatomischen und chemischen Blatt traits ^20. Im Vergleich zu anderen Methoden der vorliegende Ansatz hat den Vorteil der Erfassung eine einzigartige und eindeutige VPD Wert, bei dem stomatäre Leitfähigkeit auf die Hälfte des modellierten g _s maximale herunterreguliert.

Aller Schritte im Protokoll erläutert die kritischsten sind die Messungen der stomatäre Leitfähigkeit. Aufgrund der multifaktoriellen Regulierung der stomatäre Leitfähigkeit Umgebungswetterbedingungen haben einen starken Einfluss auf g _S. Stomatäre Leitfähigkeit Messungen bei hohen relativen Luftfeuchte und niedrige Lichtintensität kann unzuverlässig ^21-23 sein. In Bezug auf die morphologischen und Anatomical Züge sollte das Protokoll immer den in die Studie aufgenommen Zielarten angepasst werden. Insbesondere in der Vene Dichteanalyse sollte die Dauer des Bleichens und Färbung der Blätter variiert werden, abhängig von Blattstruktur und Zähigkeit. Potenzielle Einschränkungen der Methode sind Arten, für die Messungen der stomatäre Leitfähigkeit unmöglich oder kompliziert und anfällig aufgrund außergewöhnlicher Blattformen Irrtum. Dies kann Koniferen und Gräser mit sehr schmalen Blattspreiten sind.

Unsere Ergebnisse bestätigen zum Teil die erste Hypothese einer Verbindung zwischen stomatäre Leitfähigkeit Parameter und Blattmerkmale des Blattes Wirtschaftswissenschaften Spektrum (LES), die sich auf mehrere andere Studien entspricht. Zum Beispiel Poorter und Bongers (2006) ²⁴ berichtet, eine enge Verbindung zwischen g _S und Charakterzüge von der LES, beispielsweise dargestellt, wobei g _S Abnahme mit zunehmender Blatt Lebensdauer. Dementsprechend Schulze et al. (1994) ¹ demonstbewertet klare Verbindungen zwischen Blattstickstoffgehalt und g _SMAX. Ebenso Juhrbandt et al. (2004) ²⁵ fanden signifikante Zusammenhänge zwischen g _SMAX und Blattfläche und Blattstickstoffgehalt.

Unsere zweite Hypothese deutliche Unterschiede in Bezug auf Blatt Gewohnheit, konnte nicht bestätigt werden. Die hohe Variation in der gemessenen Parameter und Eigenschaften innerhalb von immergrünen und Laubblatt Gewohnheit zeigen, dass Blatt Gewohnheit ist nicht eine gute Beschreibung des LES. Brodribb und Holbrook (2005) ²⁶ diskutiert, dass Blatt Gewohnheit und Blatt physiologische Strategien können nicht zwangsläufig verbunden sein, da breiten Merkmalsvariation ist auf alle Arten von Blatt Gewohnheit verbreitet.

Der Ansatz kann auf Eigenschaften und physiologische Eigenschaften von anderen als Blätter, beispielsweise um Merkmale zu Xylem Hydraulik bezogen Pflanzenorganen wie spezifische Xylem hydraulische Leitfähigkeit und Mikroskopie Holz traits ²⁷ verlängert werden. Ähnlich anderenArten von Blattmerkmalen, wie aus der Mikroskopie wie Palisadenparenchym Struktur und epikutikulären Wachsschicht-Struktur ableiten könnte enthalten ²⁸ werden.

Zusammenfassend bestätigt diese Studie die enge Verbindung zwischen der LES und Stomata Regulierung. Darüber hinaus ist die hier vorgestellte Verfahren ergab Facetten stomatal Regulationsmuster, die nicht dem LES in Zusammenhang stehen. Besonders spezifische Blattmerkmale wie Stomata Größe, Dichte und Index sowie Venenlänge verdienen Zukunft Aufmerksamkeit in funktionellen Pflanzenstudien.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
SC 1 Porometer	Decagon		Jedes andere Porometer ist geeignet
Kabelbinder zum Markieren von Blättern
Probenbeutel
aus Kunststoff Probenbeutel
Hygrometer	Trotec		Alle anderen sind geeignet
Nagellack
Axioskop 2 plus	Zeiss		Jedes andere ist geeignet
: Ethanol
Bleiche
5% NaOH
10% KOH
25% H2O2Malachitgrün
Safranin