Article de méthode

Concernant la conductance stomatique de feuilles traits fonctionnels

DOI :

10.3791/52738

⸱

12 octobre 2015

 ,  ,  , 
1Institute of Biology / Geobotany and Botanical Garden, Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, 2German Centre for Integrative Biodiversity Research

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Démêler comment physiologie et la morphologie sont liés permet une meilleure compréhension du fonctionnement mécanique de feuilles de la plante. Nous présentons à la fois une procédure pour dériver des paramètres de régulation stomatique à partir de mesures de la conductance stomatique et des corrélations avec des traits traditionnels de feuille fonctionnelle.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Traits fonctionnels foliaires sont importantes parce qu'elles reflètent les fonctions physiologiques, tels que la transpiration et l'assimilation de carbone. En particulier, les traits morphologiques des feuilles ont le potentiel pour résumer les stratégies de plantes en termes d'utilisation efficace de l'eau, modèle de croissance et de l'utilisation des nutriments. Le spectre feuille de l'économie (LES) est un cadre reconnu en écologie végétale fonctionnelle et reflète un gradient d'augmentation de la surface foliaire spécifique (SLA), azote foliaire, teneur en phosphore et de cations, et en diminuant le contenu de la feuille de matière sèche (LDMC) et le rapport de l'azote de carbone ( CN). Le LES décrit les différentes stratégies allant de celle des feuilles de courte durée avec la capacité photosynthétique élevé par la masse foliaire sur les feuilles à long terme avec des taux d'assimilation de carbone faibles fondées sur la masse. Cependant, les traits qui ne sont pas inclus dans les ERP pourraient fournir des informations supplémentaires sur la physiologie de l'espèce, tels que ceux liés au contrôle stomatique. Les protocoles sont présentés pour une large gamme de feuilles functiotraits Nal, y compris les traits de la LES, mais aussi des traits qui sont indépendants de la LES. En particulier, une nouvelle méthode est introduit qui concerne le comportement de réglementation des plantes dans la conductance stomatique au déficit de pression de vapeur. Les paramètres résultant de régulation stomatique peuvent ensuite être comparés à l'ERP et d'autres traits fonctionnels de plantes. Les résultats montrent que les traits de feuille fonctionnelle de l'ERP étaient également des prédicteurs valables pour les paramètres de régulation stomatique. Par exemple, la concentration de carbone de la feuille était positivement corrélée au déficit de pression de vapeur (DPV) au point d'inflexion et le maximum de la courbe de conductance MEV. Cependant, les traits qui ne sont pas inclus dans les ERP ajoutés informations pour expliquer les paramètres de contrôle stomatique: le SPV au point d'inflexion de la courbe de conductance-vpj était plus faible pour les espèces dont la densité stomatique plus haut indice de stomates. Dans l'ensemble, les traits de stomates et la veine étaient des prédicteurs plus puissants pour expliquer la régulation stomatique than traits utilisés dans les ERP.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pour faire avancer la compréhension fonctionnelle des feuilles de la plante, de nombreuses études récentes ont tenté de relier morphologique, anatomique et traits foliaires chimique à des réponses physiologiques, comme la feuille de conductance stomatique (g S) 1-4. En outre, à des traits de feuilles, la conductance stomatique est fortement influencée par les conditions environnementales, telles que la densité de flux de photons photosynthétiquement actif, la température de l'air et vpj 5. Différents moyens ont été proposés pour modéliser gs - courbes vpj 6-8 qui sont principalement basés sur la régression linéaire de gs sur vpj 6. En revanche, le modèle présenté dans cette étude régresse logits de la conductance stomatique relative (à savoir le rapport de g S au maximum de la conductance stomatique g SMAX) sur VPD et représente la non-linéarité en ajoutant vpj comme un terme de variable explicative quadratique.

Comparé à d'autres modèles, le nouveau modèle permet pour dériver des paramètres qui décriventVPD à laquelle g S est régulée à la baisse sous la pénurie d'eau. De même, le SPV est obtenu à laquelle g S est maximale. Comme ces paramètres physiologiques peuvent être devraient être étroitement lié à l'assimilation de carbone 9,10 un lien étroit entre ces paramètres du modèle et les traits principaux de la feuille à la répartition des nutriments et des ressources telles que reflétées dans les ERP devrait être prévu 3,11. En conséquence, il devrait y avoir également une relation étroite entre les stratégies de régulation stomatique avec des traits ERP. Une telle relation est prévu en particulier pour les feuilles habitude (feuillage persistant par rapport à feuilles caduques) comme feuille habitude est à la fois corrélée avec les ERP et avec une utilisation efficace de l'eau 12,13. Evergreen espèces ont tendance à croître plus lentement, mais sont plus efficaces dans des environnements pauvres en éléments nutritifs 14. Ainsi, la feuille habitude devrait se traduire par différents modes de régulation stomatique, avec une stratégie d'utilisation de l'eau plus conservatrice que les espèces à feuilles caduques.

Comparation un grand ensemble d'espèces d'arbres à feuilles larges dans une situation de jardin commun, les hypothèses suivantes ont été testées: 1) Modèle paramètres de g S - modèles VPD sont reliées à des traits de feuilles liées au spectre feuille de l'économie. 2) espèces Evergreen ont moyenne inférieure g S et g SMAX valeurs que les espèces à feuilles caduques.

Protocole

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. conductance stomatique

  1. Les mesures de conductance stomatique
    REMARQUE: Les auteurs fait usage de un type simple de l'état porometer stable (Decagon SC1). La conception de la porometer a l'avantage de petite taille, opération manuelle intuitive et une grande fiabilité. Lors de la mesure de la conductance stomatique dans le domaine, assurez-vous de minimiser la distance entre les individus mesurées pour un cycle répété de mesure d'être le plus efficace possible.
  2. Choisissez des feuilles de différentes espèces et d'individus selon un modèle reproductible (même hauteur, même exposition, même position au sein de l'usine, si possible qu'à partir du même noeud, et seulement d'une catégorie; soleil ou l'ombre des feuilles, etc.).
    1. Seulement mesure laisse en bonne santé, condition non endommagé et entièrement développé. Marquez les feuilles sur les individus (par exemple, avec des attaches de câbles ou du ruban de couleur), afin d'assurer que les mesures répétées sont effectuées sur la même feuille.
      REMARQUE: Measurements de la conductance stomatique doivent être effectuées que sur la surface de la feuille tout en évitant la nervure centrale et les nervures des feuilles fortes.
    2. Lancer des mesures dans les premières heures du matin avant le lever de prendre cinq à dix mesures répétées jusqu'à ce que les valeurs de la conductance stomatique montre un net recul à midi.
      REMARQUE: Un cours quotidien de mesures livrera bonnes données pour analyser les relations entre VPD et la conductance stomatique.
  3. Mesures VPD
    1. Avec chaque mesure de g S, enregistrer la température et l'humidité relative de préférence avec des enregistreurs portables pour mesurer directement les conditions à la position de la même feuille. Pour le calcul du déficit de pression de vapeur, utiliser la formule Août-Roche 15 Magnus.

figure-protocol-1

= saturation à la pression de la vapeur d'eau e de [hPa]

  1. Modèle S g - réponse vpj
    1. Maintenant en espèces sages terrain toutes les données g de S contre vpj, combinant tous les cours quotidiens de feuilles individuelles en une seule analyse par espèce. Extraire la valeur maximale observée à partir des données de la conductance stomatique par la recherche de la valeur maximale. Pour redimensionner le modèle pour les espèces-sages comparabilité, diviser les valeurs observées par la valeur maximale observée pour cette espèce (g S / g SMAX).
    2. Pour chaque espèce, régresser les logits de g S (S g / g SMAX) VPD et le terme quadratique de vpj l'aide d'un modèle linéaire généralisé avec une distribution d'erreur binomiale (a, b et c représentent les paramètres de régression):

figure-protocol-2

figure-protocol-3 Figure 1. Exemple des valeurs tracées et le modèle ajusté pour g S -. Vpj La conductance stomatique tracée en fonction du déficit de pression de vapeur pour les espèces Liquidambar formosana. Points vides représentent les valeurs observées. (A) la conductance stomatique maximale, le SPV à la conductance stomatique maximale et moyenne conductance stomatique ont été extraites de la conductance absolue ainsi non réduite stomatique (g S) de données. (B) les données de conductance stomatique en écailles (S g / g SMAX) ont été tracées pour extraire les paramètres relatifs (représentés par des points noirs) 20. Re-print avec la permission de 20. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

figure-protocol-4 Figure 2. Tous les modèles ajustés pour toutes les espèces. Graphiques de modèle pour les données de la conductance stomatique à la régression vpj pour toutes les espèces. Evergreen espèces sont représentées par des lignes noires, espèces à feuilles caduques par des lignes rouges 20. Re-imprimer avec la permission de 20.

NOTE: En utilisant les logits lieu de régresser g S directement à vpj, mène au point qui a modelé les valeurs maximales ne dépassent pas g SMAX et que g S se rapproche de 0 à haute vpj.

  1. Extrait paramètre de la régulation stomatique pour chaque espèce
    1. On calcule les valeurs de SMAX g modélisée absolus (MaxFit sur ​​la figure 1B). Pour ce faire, calculer la vpj à conductance stomatique maximale de fixer la première dérivée de 1.4.2 à zéro, ce qui donne vpj gsMaxFit = -b / 2a. Insérez vpj gsMaxFit dans la formule de 1.4.2 et élever à la puissance de l'e pour obtenir MaxFit. Calculer la mean de toutes les mesures de conductance par espèces (voir la figure 1A).
      REMARQUE: Utilisez un logiciel statistique R (http://www.r-project.org).
    2. Pour calculer des valeurs relatives, du modèle réduit (g S / g SMAX), extraire la conductance stomatique et les valeurs VPD pour les deux points suivants: (1) la conductance stomatique et vpj au maximum du modèle (MaxFit) et (2) vpj au second point d'inflexion de la courbe (voir la figure 1B). Multipliez ces valeurs par g SMAX pour obtenir des valeurs absolues g de S pour ces points. Voir Figure 2 pour une superposition complète des modèles simples de tous les 39 espèces analysées.

2. Mesures de stomatiques Traits

  1. Prélever des échantillons de préférence de exactement les mêmes feuilles qui ont été utilisées pour les mesures de conductance stomatique. Si cela est impossible, d'appliquer la même procédure de sélection qui a été appliquée pour choisir les feuillespour les mesures de la conductance stomatique, de préférence sur les mêmes individus.
  2. Appliquer une fine couche de incolores, séchage rapide vernis à ongles (test différentes marques, certains sont plus appropriés que d'autres) à un échantillon frais. Si les échantillons ne peuvent pas être traitées immédiatement, rangez-les dans 70% d'alcool. Après le vernis à ongles a séché, retirez délicatement l'impression de partir de la feuille et de procéder à l'analyse microscopique, comme avec un échantillon de feuille normale.
    NOTE: Dans le cas de feuilles à haute densité de trichomes une étape précédente de l'application de l'hydroxyde de sodium ou une solution 1: 1 d'acide acétique et de l'oxygène de peroxyde peut conduire à de meilleurs résultats.
  3. Analyse au microscope optique
    1. Connectez un appareil photo à un microscope optique capable de grossissement 40X à 400X entre. Après l'appareil est connecté à un microscope, correspondre les photos prises à l'agrandissement optique et de la résolution de l'image, par exemple, à l'aide d'une échelle.
    2. Employant open source image logiciel de traitement comme ImageJ 16 analyser ces images.
      1. Dessiner une forme avec l'outil de forme de l'outil d'analyse d'image sur l'image dans une zone sans poussière, empreintes de pouce, les zones endommagées, ou de grandes nervures des feuilles. Comptez stomates dans ce domaine et au total d'au moins 50.000 um 2 par échantillon.
      2. Mesurer la garde stomatique longueur de la cellule et de la longueur des pores. Calculer le nombre de stomates par mm 2. Calculer indice stomatique comme le rapport de la densité des stomates à épidermiques nombre de cellules par mm 2.

3. Évaluation de la veine de la feuille Traits

REMARQUE: Pour l'évaluation des traits feuille de veine, un protocole de Sack un & Scoffoni 17 a été employé modifié.

  1. La préparation des échantillons
    REMARQUE: Pour optimiser la visibilité des nervures des feuilles, les feuilles sont d'abord blanchi puis coloré avec safranine et vert de malachite.
    1. Pour blanchir la leaves, les laisser au moins 72 heures dans 50% solution de décolorant (test différentes marques, à nouveau certains pourraient mieux travailler). En variante, utiliser une solution de NaOH à 5% ou une solution de KOH à 10% ou 25% de H 2 O 2 solution.
    2. Chauffer la solution jusqu'à 30 ° C ou de combiner les différentes solutions de l'étape 3.1.1 pour de meilleurs effets. Rincez plusieurs fois à l'eau par la suite. Adapter le processus de blanchiment pour les espèces spécifiques, en fonction de leurs caractéristiques des feuilles.
      NOTE: Plus épais feuilles peuvent avoir besoin de périodes de bain de solution et les solutions ou plus agressifs plus longues. Feuilles minces et plus tendres peuvent être blanchies à un degré satisfaisante en moins de 72 heures.
    3. Pour colorer les feuilles les placer dans 100% d'éthanol. Les colorer pendant 2 - 30 min dans une solution de safranine 1%. Pour améliorer la coloration, ajouter un traitement supplémentaire avec 1% de solution de vert de malachite seulement pour quelques secondes. Adapter le protocole à chaque espèce en termes de calendrier et de l'intensité pour atteindre des résultats optimaux. Rincer soisieurs fois dans l'eau par la suite. Si les feuilles sont profondément teinté, un certain temps dans l'éthanol ou décolorant peut aider.
  2. L'analyse des échantillons
    1. Balayez les feuilles avec un scanner de rétroéclairage à une résolution de 1200 dpi ca.. Faites correspondre les scans prises pour la résolution de l'image, par exemple, à l'aide d'une échelle, pour assurer que la longueur de pixel peut être retracée à des mesures de longueur absolue de la feuille numérisée.
    2. Mesurer zone, la circonférence, la longueur et la largeur des feuilles. Calculer plusieurs indices, par exemple, la longueur / largeur et la circonférence 2 / région. Découpez un rectangle 1 par 1 cm sur le centre de l'image. Mesurer le diamètre des veines de premier et de second ordre (ne pas inclure le principal milieu veine). Mesurer la longueur de toutes les veines de premier ordre dans ce quadrat (densité de veine).

4. évaluation d'autres feuilles Traits

NOTE: Asses typiques traits foliaires tels que spécifiquesurface foliaire (SLA), la teneur en matière sèche des feuilles (de LDMC), la surface foliaire, contenu de l'élément, feuille habitude, feuille pinnation, feuille type composé, feuille type de marges, etc. suivants établis protocoles 18,19.

  1. Traits de feuilles d'observation
    1. Évaluer pinnation des feuilles, type de composé, feuille type de marge et la présence de pseudonectaires 18,19 par l'observation sur le terrain.
  2. Des feuilles traits analytiques
    1. Recueillir des échantillons de feuilles fraîches, de préférence sur les mêmes individus que ceux utilisés pour les autres mesures, pour la détermination de la surface foliaire spécifique (SLA), la surface foliaire et le contenu de la feuille de matière sèche (LDMC) 18,19. Après 48 h dans l'étuve à 80 ° C, de mesurer le contenu et les ratios élément, de préférence sur les mêmes feuilles.

Résultats

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De nombreux paramètres de régulation de la conductance stomatique et stomatique ont été trouvés être lié à morphologique, anatomique et traits foliaires chimiques. Dans ce qui suit, l'accent sera mis sur les liens pour VPD au point d'inflexion, qui a diminué avec la densité des stomates (p = 0,04) et l'indice stomatique (p = 0,03) et augmente avec la teneur en carbone de la feuille (p = 0,02, Voir Figure 3). Les résultats montrent que avec la diminution vpj au point d'inflexion il y avait une diminution de la densité stomatique et l'indice stomatique. En revanche, aucun paramètre de la conductance stomatique a montré une relation claire à la feuille habitude. La forte variation dans les deux groupes de feuilles habitude montre que différents mécanismes de régulation existent à la fois dans le groupe de feuilles persistantes et à feuilles caduques habitudes.

figure-results-1
Figure Figure 3. Résultat èmeliens électroniques entre les modèles de traits de régulation et de feuilles conductance stomatique déficit de pression de vapeur (DPV) au point d'inflexion de la g S -. courbe VPD (VpdPoi) en fonction de (A) la densité des stomates, (B) l'indice de stomates, et (C) la feuille teneur en carbone 20. Re-print avec la permission de 20. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les paramètres de régulation stomatique extraites par la méthode présentée dans ce document soulignent l'importance de traits de stomates, tels que la densité des stomates et l'indice de stomates. Ces nouveaux rapports démontrent le potentiel de lier les paramètres de modèles physiologiques pour morphologiques, anatomiques et feuilles chimique traits 20. Comparé à d'autres méthodes, l'approche actuelle porte l'avantage de capturer une valeur unique et non équivoque vpj à laquelle la conductance stomatique est régulée à la baisse à la moitié du maximum du g modélisé.

De toutes les étapes décrites dans le protocole les plus critiques sont les mesures de conductance stomatique. En raison de la réglementation multifactorielle des conditions météorologiques conductance stomatique ambiante avoir une forte influence sur la g S. Mesures de conductance stomatique à une humidité relative élevée et à faible intensité de la lumière peuvent être peu fiables 21-23. En ce qui concerne morphologiques et anatomical traits, le protocole doivent toujours être adaptées à l'espèce cible inclus dans l'étude. En particulier dans l'analyse de la densité de la veine, la durée de blanchiment et la coloration des feuilles devrait être modifiée, en fonction de la structure de feuille et la ténacité. Limitations potentielles de la méthode comprennent les espèces pour lesquelles les mesures de la conductance stomatique sont impossibles ou complexe et sujette aux erreurs en raison de formes de feuilles extraordinaires. Cela peut inclure des conifères et des herbes avec des lames de feuilles très étroites.

Nos résultats confirment en partie la première hypothèse d'un lien entre les paramètres de conductance stomatique et traits foliaires du spectre feuille de l'économie (LES), qui correspond à plusieurs autres études. Par exemple, Poorter et Bongers (2006) 24 ont signalé un lien étroit entre la g S et les traits représentés par les ERP, par exemple, avec g S diminuant avec l'augmentation de la durée de vie de la feuille. En conséquence, Schulze et al. (1994) 1 demonstdes liens clairs entre notés teneur en azote des feuilles et g SMAX. De même, Juhrbandt et al. (2004) 25 ont trouvé des relations significatives entre g SMAX et la surface foliaire et de l'azote foliaire contenu.

Notre deuxième hypothèse de différences claires en ce qui concerne la feuille habitude n'a pu être confirmée. La forte variation dans les paramètres et les caractères mesurés au sein de feuilles persistantes et à feuilles caduques habitude de feuilles indiquent que la feuille habitude est pas un bon descripteur de l'ERP. Brodribb et Holbrook (2005) 26 ont discuté cette habitude des feuilles et des stratégies physiologiques peuvent pas être connectés depuis inévitablement large variation de trait est commun à tous les types de feuilles habitude.

L'approche peut être étendue à des traits et des caractéristiques physiologiques des organes végétaux autres que les feuilles, par exemple à des traits liés à l'hydraulique du xylème tels que xylème spécifique conductivité hydraulique et le bois de microscopie traits 27. De même, d'autrestypes de traits foliaires comme dérivée de la microscopie tels que la structure de palissade parenchyme et la structure de couche de cire épicuticulaire 28 pourraient être inclus.

En résumé, cette étude confirme le lien étroit entre les ERP et la régulation stomatique. En outre, la méthode présentée ici a révélé facettes de modèles de régulation stomatique qui ne sont pas liées à l'ERP. Surtout traits foliaires spécifiques tels que la taille des stomates, de la densité et de l'indice ainsi que la longueur de la veine méritent une attention future dans les études de plantes fonctionnels.

Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nous sommes redevables à Xuefei Yang, Sabine Both, Lin Chen et Kaitian Wang pour avoir coordonné le travail de terrain et établi l’expérience BEF-Chine. Nous sommes également reconnaissants à l’ensemble du groupe de recherche BEF-Chine pour son soutien général. BEF-Chine est principalement financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG FOR 891/1 et 2) et le financement de ce projet particulier a été fourni par la Fondation allemande pour la recherche à H.B. (DFG BR 1698/9-2). Nous sommes également reconnaissants pour les bourses de voyage et les cours d’été financés par le Centre sino-allemand pour la promotion de la recherche à Pékin (GZ 524, 592, 698, 699 et 785). De plus, nous tenons à remercier David Eichenberg, Michael Staab, Katja Grotius, Silvana Tornack, Lin Chen et Shouren Zhang pour leur soutien sur le terrain et en laboratoire.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
SC 1 PoromètreDecagonTout autre poromètre convient
Colliers de serrage pour marquer les feuilles
d’échantillons en plastique Sacs
d’échantillons en papier
HygromètreTrotecTout autre convient
Vernis
Axioskop 2 plusZeissTout autre est approprié
Éthanol
Javel
5 % NaOH
10 % KOH
25 % H2O2
Malachite vert
Safranine
Sacs à ongles

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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D ficit de pression de vapeurdensit stomatiquetraits des nervures foliairesspectre conomique des feuillessurface foliaire sp cifiqueteneur en carbone des feuillesindice stomatiquelongueur des cellules de garde

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