Relacionar estomática conductancia de la hoja Rasgos funcionales

Resumen

Desentrañar cómo se vinculan la fisiología y morfología permite una comprensión más profunda del funcionamiento mecanicista de hojas de la planta. Se presenta tanto un procedimiento para derivar los parámetros de la regulación de los estomas de las mediciones de la conductancia estomática y correlaciones con rasgos tradicionales de hojas funcionales.

Resumen

Rasgos funcionales de la hoja son importantes porque reflejan las funciones fisiológicas, como la transpiración y asimilación de carbono. En particular, las características morfológicas de las hojas tienen el potencial para resumir las estrategias de las plantas en términos de eficiencia del uso del agua, el patrón de crecimiento y uso de los nutrientes. El espectro de la hoja de la economía (LES) es un marco reconocido en ecología vegetal funcional y refleja un gradiente de aumentar la superficie específica de la hoja (SLA), hoja de nitrógeno, fósforo y contenido de cationes, y la disminución de la hoja de contenido de materia seca (CMSH) y la relación de nitrógeno de carbono ( CN). El LES se describen diferentes estrategias que van desde la de las hojas de vida corta con alta capacidad fotosintética por masa de hojas de hojas de larga vida con bajas tasas de asimilación de carbono a base de masa. Sin embargo, los rasgos que no están incluidos en el LES pueden proporcionar información adicional sobre la fisiología de la especie, como los relacionados con el control de los estomas. Protocolos se presentan para una amplia gama de hoja functiorasgos nales, incluyendo rasgos de la LES, sino también rasgos que son independientes de la LES. En particular, un nuevo método se introduce que relaciona el comportamiento de regulación de las plantas en la conductancia estomática a déficit de presión de vapor. Los parámetros resultantes de la regulación de los estomas a continuación, se pueden comparar con el LES y otras características funcionales de plantas. Los resultados muestran que los rasgos de hojas funcionales de la LES también fueron predictores válidos para los parámetros de la regulación de los estomas. Por ejemplo, la concentración de la hoja de carbono estaba positivamente relacionado con el déficit de presión de vapor (DPV) en el punto de inflexión y el máximo de la curva de la conductancia vpd. Sin embargo, los rasgos que no están incluidos en el LES añaden información en la explicación de los parámetros de control de los estomas: la vpd en el punto de inflexión de la curva de la conductancia vpd fue menor para las especies con mayor densidad de estomas y más alto índice de estomas. En general, los estomas y la vena rasgos fueron predictores más potentes para explicar la regulación de los estomas trasgos de han utilizado en el LES.

Introducción

Para avanzar en la comprensión funcional de hojas de las plantas, muchos estudios recientes han intentado relacionar morfológicos, anatómicos y los rasgos de la hoja química a las respuestas fisiológicas, como la conductancia estomática (g _S) ^4.1. Además, a los rasgos de la hoja, la conductancia estomática se ve fuertemente afectado por las condiciones ambientales, como la densidad de flujo de fotones fotosintéticamente activa, temperatura del aire y vpd ^5. Se han propuesto diversas formas de Modelo GS - VPD ^6-8 curvas que se basan principalmente en la regresión lineal de gs en ​​VPD ^6. En contraste, el modelo presentado en este estudio retrocede los logits de conductancia estomática relativa (es decir, la proporción de g _S a la conductancia máxima g estomas _SMAX) en vpd y representa la no linealidad añadiendo vpd como término regresor cuadrática.

En comparación con otros modelos, el nuevo modelo permite derivar parámetros que describenel vpd a la que g _S es el regulado en virtud de la escasez de agua. Del mismo modo, se obtiene el VPD en la que g _S es máxima. Como se puede esperar que este tipo de parámetros fisiológicos estar estrechamente vinculada a la asimilación de carbono ^9,10 una estrecha relación entre estos parámetros del modelo y las características de la hoja clave para la asignación de los nutrientes y los recursos que se reflejan en el LES se debe esperar ^3,11. En consecuencia, debe haber también una estrecha relación entre las estrategias de regulación estomática con rasgos LES. Se espera que tal una relación, en particular, para la hoja de hábito (de hoja perenne contra caducifolio) como hoja hábito está tanto en correlación con el LES y con un uso eficiente del agua ^12,13. Especies de hoja perenne tienden a crecer más lentamente, pero son más eficientes en ambientes pobres en nutrientes ^14. Por lo tanto, hoja hábito debería traducirse en diferentes patrones de regulación de los estomas, con una estrategia de uso del agua más conservadoras que las especies de hoja caduca.

Comparación un gran conjunto de especies de árboles de hoja ancha en una situación jardín común, las siguientes hipótesis fueron probadas: 1) Los parámetros del modelo de g _S - modelos VPD están conectados a los rasgos foliares relacionadas con el espectro de la hoja de la economía. 2) especies de hoja perenne tienen valores promedio más baja g _{S y} g _SMAX que las especies de hoja caduca.

Protocolo

1. Conductancia estomática

1. Las mediciones de conductancia estomática
   NOTA: Los autores hicieron uso de un tipo simple de porómetro estado estacionario (Decagon SC1). El diseño de la porometer tiene la ventaja de pequeño tamaño, funcionamiento manual intuitivo y alta fiabilidad. Cuando se mide la conductancia estomática en el campo, asegúrese de reducir al mínimo la distancia entre los individuos medidos para un ciclo de medición repetida a ser la más eficiente posible.
2. Elija las hojas de diferentes especies y los individuos de acuerdo con un patrón reproducible (misma altura, la misma exposición, misma posición dentro de la planta, si es posible sólo desde el mismo nodo, y sólo de una categoría; sol o sombra hojas, etc.).
   1. Sólo medida deja en condición sana, no dañada y plenamente desarrollado. Marque las hojas de los individuos (por ejemplo, con las ataduras de cables o cinta de color), para asegurar que las mediciones repetidas se realizan en la misma hoja.
      NOTA: Measurelemen- de conductancia estomática deben hacerse sólo en la superficie de la hoja al mismo tiempo evitar la nervadura central y fuertes venas de las hojas.
   2. Comience mediciones en las primeras horas de la mañana antes del amanecer tomar de cinco a diez mediciones repetidas hasta que los valores de conductancia de estomas muestra una clara disminución al mediodía.
      NOTA: Un curso diario de las mediciones entregará buenos datos para el análisis de las relaciones entre vpd y conductancia estomática.
3. Mediciones VPD
   1. Con cada g de medición _S, registrar la temperatura y la humedad relativa preferiblemente con registradores portátiles para medir directamente las condiciones en la posición de la misma hoja. Para el cálculo del déficit de presión de vapor, utilizar la fórmula agosto-Roche Magnus ^15.

= saturación de presión de vapor de agua e _s [hPa]

4. Modelo g _S - respuesta vpd
   1. Ahora especies sabias argumentales todos los datos g _S contra vpd, combinando todos los cursos diarios de hojas individuales en un análisis por cada especie. Extraer el valor máximo observado en los datos de la conductancia estomática buscando el valor máximo. Para escalar el modelo para la comparabilidad especies sabias, dividir a los valores observados a través del valor máximo observado para la especie (g _S / g _SMAX).
   2. Para cada especie, regresar los logits de g _S (g _S / g _SMAX) para vpd y el término cuadrático de vpd utilizando un modelo lineal generalizado con una distribución de error binomial (a, byc representan parámetros de regresión):

Figura 1. Ejemplo de los valores trazados y el modelo ajustado a g _S -. Vpd conductancia estomática representa en función del déficit de presión de vapor para la especie Liquidambar formosana. Puntos vacíos representan los valores observados. (A) de la conductancia estomática máxima, el vpd a la máxima conductancia estomática y la media de la conductancia estomática se extrajo de la conductancia absoluta por lo tanto no escalado estomática (g _S) de datos. (B) los datos de conductancia estomática Scaled _(S / g _SMAX g) se representaron para extraer los parámetros relativos (que se muestra como puntos negros) ^20. Vuelva a imprimir con permiso de ^20. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Todos los modelos ajustados para todas las especies. Gráficos de modelo para los datos de la conductancia estomática a la regresión vpd para todas las especies. Especies de hoja perenne son representados por líneas negras, especies de hojas caducas por líneas rojas ^20. Vuelva a imprimir con permiso de ^20.

NOTA: El uso de los logits lugar de regresión g _S directamente a vpd, conduce hasta el punto que modeló valores máximos no superen g _SMAX y que g _S se aproxima a 0 a alta vpd.

5. Extraer parámetros de la regulación de los estomas para cada especie
   1. Calcule g modelado valores _SMAX absolutos (MAXFIT en la Figura 1B). Para ello, el cálculo de la vpd a la máxima conductancia estomática de ajuste de la primera derivada de 1.4.2 a cero, lo que da vpd _gsMaxFit = -b / 2a. Inserte vpd _gsMaxFit en la fórmula de 1.4.2 y elevar a la potencia de correo para obtener MAXFIT. Calcular el mean de todas las mediciones de conductancia por especie (ver Figura 1 A).
      NOTA: El uso de software estadístico R (http://www.r-project.org).
   2. Para calcular los valores relativos, del modelo a escala (g _S / g _SMAX), extraer la conductancia estomática y los valores VPD para los dos puntos siguientes: (1) la conductancia estomática y vpd en el máximo de la modelo (MAXFIT) y (2) vpd en el segundo punto de inflexión de la curva (véase la Figura 1B). Multiplique estos valores por g _SMAX para obtener valores absolutos g _S para estos puntos. Vea la Figura 2 para una superposición completa de los modelos individuales de los 39 especies analizadas.

2. Las mediciones de los estomas Rasgos

1. Tomar muestras preferiblemente de exactamente las mismas hojas que se han utilizado para las mediciones de conductancia estomática. Si esto no es posible, aplicar el mismo procedimiento de selección que se aplicó para elegir las hojaspara las mediciones de conductancia estomática, preferiblemente en los mismos individuos.
2. Aplicar una fina capa de incoloros, de secado rápido esmalte de uñas (prueba de diferentes marcas, algunos son más adecuados que otros) a una muestra fresca. Si las muestras no pueden ser procesadas de inmediato, guárdelos en un 70% de alcohol. Después de que el esmalte de uñas se ha secado, pelar suavemente la impresión de la hoja y de proceder para el análisis microscópico, como con una muestra normal de la hoja.
   NOTA: En el caso de las hojas con una alta densidad de tricomas una etapa anterior de la aplicación de hidróxido de sodio o una solución 1: 1 de peróxido de ácido acético y oxígeno puede conducir a mejores resultados.
3. Análisis microscopio óptico
   1. Conecte una cámara a un microscopio óptico capaz de aumentos entre 40X a 400X. Después de la cámara está conectada al microscopio, que coincida con las imágenes tomadas a la ampliación óptica y resolución de la imagen, por ejemplo, con la ayuda de una escala.
   2. Empleando i de código abiertosoftware de procesamiento de mago como ImageJ ¹⁶ analizar estas fotos.
      1. Dibuja una forma con la herramienta de forma de la herramienta de análisis de imagen en la imagen en un área sin suciedad, huellas digitales, las áreas dañadas, o grandes venas de la hoja. Cuente estomas en esta área y en total de al menos 50 000 m ² por muestra.
      2. Mida guardia estomática longitud de la célula y la longitud de los poros. Calcular el número de estomas ^por mm2. Calcular el índice estomático como la relación de la densidad de los estomas para el número de células epidérmicas por mm ^2.

3. Evaluación de la vena de la hoja Rasgos

NOTA: Para la evaluación de los rasgos de la vena de la hoja, una modificación de un protocolo de Saco y Scoffoni ¹⁷ fue empleado.

1. preparación de la muestra
   NOTA: Para optimizar la visibilidad de las venas de las hojas, las hojas se blanquea primero y luego se tiñeron con safranina y verde malaquita.
   1. Para blanquear el leaves, a dejar al menos 72 horas en el 50% de solución de decolorante (prueba de diferentes marcas, de nuevo algunos podrían trabajar mejor). Alternativamente, use solución al 5% o solución de KOH al 10% o 25% de solución de NaOH H _{2 O 2.}
   2. Calentar la solución hasta 30 ° C o combinar las diferentes soluciones de la etapa 3.1.1 para obtener mejores efectos. Enjuague varias veces con agua después. Adaptar el proceso de blanqueo para las especies específicas, dependiendo de sus características hojas.
      NOTA: Más grueso hojas pueden necesitar períodos de baño de solución y, o las soluciones más agresivas largos. Hojas tiernas más delgadas y más pueden ser blanqueados en un grado satisfactorio en menos de 72 horas.
   3. Para colorear las hojas colocarlos en etanol al 100%. Ellos Colorea por 2 - 30 min en solución safranina 1%. Para mejorar la coloración, añadir un tratamiento adicional con 1% de solución de verde de malaquita solamente durante varios segundos. Adaptar el protocolo para todas las especies en términos de tiempo y la intensidad para lograr resultados óptimos. Enjuague sítiempos Veral en el agua después. Si las hojas son de manchado profundamente, algún tiempo en etanol o decolorante puede ayudar.
2. Análisis de las muestras
   1. Analiza las hojas con un escáner de luz de fondo a una resolución de aproximadamente 1200 dpi. Coinciden con las exploraciones adoptadas para la resolución de la imagen, por ejemplo, con la ayuda de una escala, para asegurarse de que la longitud de píxeles se remonta a las medidas absolutas de longitud de la hoja escaneada.
   2. Medir el área, perímetro, longitud y anchura de las hojas. Calcula varios índices, por ejemplo, la longitud / anchura y la circunferencia ² / área. Corte un 1 por 1 cm rectángulo de en medio de la imagen. Medir el diámetro de las venas de primero y segundo orden (no incluya la principal vena central). Mida la longitud de todas las venas de primer orden en este cuadrante (densidad vena).

4. Evaluación de Otros Leaf Rasgos

NOTA: Los asnos rasgos foliares típicos como específicaárea foliar (SLA), hoja de materia seca (CMSH), área foliar, contenido de elementos, hoja hábito, hoja Pinnado, hoja de tipo compuesto, hoja tipo margen etc. siguientes establecido protocolos ^18,19.

1. Rasgos de la hoja de observación
   1. Evaluar Pinnado hoja, hoja de tipo compuesto, hoja tipo de margen y la presencia de nectarios extraflorales ^18,19 través de la observación en el campo.
2. Rasgos de la hoja de análisis
   1. Recoger muestras de hojas frescas, preferentemente en los mismos individuos que los utilizados para las otras medidas, para la determinación del área específica foliar (SLA), área foliar y la hoja de contenido de materia seca (CMSH) ^18,19. Después de 48 horas en el horno de secado a 80 ° C, mida el contenido de elementos y relaciones, de preferencia en las mismas hojas.

Resultados

Se encontraron muchos parámetros de la conductancia estomática y la regulación de los estomas estar relacionado con morfológica, anatómica y rasgos químicos de las hojas. En lo que sigue, la atención se centrará en los enlaces para VPD en el punto de inflexión, que disminuyó con la densidad de los estomas (p = 0,04) y el índice de estomas (p = 0,03) y aumentó con el contenido de la hoja de carbono (p = 0,02, Ver Figura 3). Los resultados muestran que con la disminución de VPD en el punto de inflexión se produjo una disminución en la densidad de los estomas y el índice de estomas. Por el contrario, ningún parámetro de conductancia estomática mostró una clara relación con la hoja de hábito. La alta variación dentro de los dos grupos de la hoja hábito muestra que existen diferentes mecanismos de regulación, tanto dentro del grupo de hoja perenne y hábitos de hojas caducas.

Figura Figura 3. Resultado ªE enlaces entre los patrones de regulación de la conductancia y de la hoja rasgos estomas déficit de presión de vapor (VPD) en el punto de inflexión de la _S g -. curva de VPD (VpdPoi) como una función de (A) la densidad de estomas, (B) índice de estomas, y contenido de carbono (C) de la hoja ^20. Vuelva a imprimir con permiso de ^20. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

Los parámetros de la regulación de los estomas extraídos por el método presentado en este trabajo ponen de relieve la importancia de los rasgos de los estomas, tales como la densidad de estomas y el índice de estomas. Estas nuevas relaciones demuestran el potencial de vincular los parámetros de los modelos fisiológicos para morfológicas, anatómicas y de la hoja química rasgos de ^20. En comparación con otros métodos, el presente enfoque tiene la ventaja de capturar un valor vpd única e inequívoca en la que la conductancia estomática es el regulado de la mitad de la g modelado _s máximo.

De todos los pasos descritos en el protocolo de las más críticas son las mediciones de conductancia estomática. Debido a la regulación multifactorial de las condiciones climáticas de la conductancia ambiente estomas tienen una fuerte influencia en g _S. Mediciones de conductancia estomática a alta humedad relativa y baja intensidad de luz pueden ser poco fiables ^21-23. Con respecto a morfológicas y anatrasgos omical, el protocolo siempre deben ser adaptados a las especies objetivo incluidas en el estudio. En particular en el análisis de la densidad de la vena, la duración de la decoloración y la tinción de las hojas debe ser variada, dependiendo de la estructura de la hoja y tenacidad. Posibles limitaciones del método incluyen especies, para los que son imposibles o complicado y propenso a errores debido a formas de hojas extraordinarias mediciones de conductancia estomática. Esto puede incluir coníferas y pastos con láminas foliares muy estrechos.

Nuestros resultados confirman en parte la primera hipótesis de una relación entre los parámetros de la conductancia estomática y rasgos de la hoja del espectro de la hoja de la economía (LES), que corresponde a varios otros estudios. Por ejemplo, Poorter y Bongers (2006) ²⁴ informaron de una estrecha relación entre g _S y rasgos representadas por la LES, por ejemplo, con g _S disminuye con el aumento de la vida útil de la hoja. En consecuencia, Schulze et al. (1994) ¹ demonstvínculos claros nominales entre el contenido de nitrógeno foliar y g _SMAX. Del mismo modo, Juhrbandt et al. (2004) ²⁵ encontraron relaciones significativas entre g _SMAX y el área foliar y la hoja de nitrógeno contenido.

Nuestra segunda hipótesis de diferencias claras con respecto a la hoja de hábito no pudo ser confirmada. La alta variación en los parámetros y características medidas dentro de hoja perenne y de hoja caduca hábito hoja indican que la hoja hábito no es un buen descriptor del LES. Brodribb y Holbrook (2005) ²⁶ discuten que las estrategias fisiológicas hábito de la hoja y de la hoja no se pueden conectar, inevitablemente, ya que la variación amplia rasgo es común en todos los tipos de hoja hábito.

El enfoque se puede extender a los rasgos y las características fisiológicas de los órganos de la planta que no sean hojas, por ejemplo, a los rasgos relacionados con la hidráulica del xilema como xilema específica conductividad hidráulica y madera microscopía rasgos de ^27. Del mismo modo, otrotipos de rasgos de la hoja que se deriven de la microscopía como la estructura de parénquima en empalizada y la estructura de capa de cera epicuticular podrían incluirse ^28.

En resumen, este estudio confirma la estrecha relación entre el LES y la regulación de los estomas. Además, el método presentado aquí reveló facetas de patrones de regulación de estomas que no están relacionados con el LES. Especialmente rasgos específicos de la hoja tales como el tamaño de los estomas, densidad y el índice así como la longitud de la vena futuro merecen atención en los estudios de plantas funcionales.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
SC 1 Porómetro	Decágono		Cualquier otro porómetro es adecuado
Bridas para marcar las hojas
Bolsas
Bolsas
Higrómetro	Trotec		Cualquier otro es adecuado
Esmalte
Axioskop 2 plus	Zeiss		Cualquier otro es adecuado
Blanqueador
etanol
5% NaOH
10% KOH
25% H2O2
Malaquita verde
Safranina