Betrekking stomatale geleidbaarheid om Leaf functionele kenmerken

Samenvatting

Ontrafelen hoe fysiologie en morfologie worden gekoppeld staat een dieper inzicht in de mechanistische werking van de bladeren van de planten. We presenteren zowel een procedure om de parameters van stomataire regelgeving ontlenen stomatale geleidbaarheid metingen en correlaties met traditionele functionele blad kenmerken.

Samenvatting

Leaf functionele kenmerken zijn belangrijk omdat zij fysiologische functies, zoals transpiratie en koolstofassimilatie weerspiegelen. In het bijzonder, morfologische blad kenmerken hebben de potentie om planten strategieën samen te vatten in termen van efficiëntie van watergebruik, groeipatroon en voedingsstoffen gebruiken. Het blad economie spectrum (LES) is een erkend kader functionele plantaardige ecologie en weerspiegelt een gradiënt van toenemende specifieke bladoppervlak (SLA), blad stikstof, fosfor en gehalte aan kationen en dalende blad drogestofgehalte (LDMC) en koolstof stikstofverhouding ( CN). De LES beschrijft verschillende strategieën, variërend van dat van korte duur bladeren met een hoge fotosynthetische capaciteit per blad massa om langlevende bladeren met een lage massa gebaseerde koolstofassimilatie tarieven. Het is echter mogelijk eigenschappen die niet zijn opgenomen in de LES aanvullende informatie over de fysiologie van de soort ', zoals die in verband met stomatale controle te bieden. Protocollen worden gepresenteerd voor een breed scala van blad functional eigenschappen, met inbegrip van eigenschappen van de LES, maar ook eigenschappen die onafhankelijk zijn van de LES zijn. In het bijzonder wordt een nieuwe methode geïntroduceerd die regelgevende gedrag van de planten in stomatale geleidbaarheid aan damp tekort druk betreft. De resulterende parameters van stomatale regeling kan dan worden vergeleken met de LES en andere planten functionele kenmerken. De resultaten laten zien dat bladeren functionele kenmerken van de LES ook geldig voorspellers de parameters van stomatale regelgeving. Zo blad koolstofconcentratie was positief gerelateerd aan de dampdrukdeficiet (VPD) met het buigpunt en het maximum van de conductantie-VPD curve. Echter, eigenschappen die niet zijn opgenomen in de LES toegevoegde informatie in het verklaren van stomatal control parameters: de VPD bij het buigpunt van de conductantie-VPD curve was lager voor soorten met hogere dichtheid en hogere stomatale stomatale index. Overall, huidmondjes en ader trekken waren sterker voorspellers voor het verklaren van stomatale regulatie than eigenschappen gebruikt in de LES.

Inleiding

Om de functionele kennis te bevorderen van de bladeren van de planten, zijn vele recente studies geprobeerd om morfologische, anatomische en chemische blad kenmerken betrekking hebben op fysiologische reacties, zoals het blad stomatale geleidbaarheid (g _S) ^1-4. Bovendien, om blad trekken, stomatale geleidbaarheid wordt sterk beïnvloed door omgevingsfactoren, zoals fotosynthetisch actieve foton flux dichtheid, temperatuur en VPD ^5. Verschillende manieren voorgesteld model gs - VPD curves ^6-8 die hoofdzakelijk gebaseerd op lineaire regressie van gs op VPD ^6. In tegenstelling, het model in dit onderzoek verhoging neemt het logits relatieve stomatale geleidbaarheid (dat wil zeggen de verhouding van G _S maximale stomatale geleidbaarheid g _SMAX) met VPD en verklaart de niet-lineariteit door toevoeging VPD als een kwadratische term regressor.

In vergelijking met andere modellen, het nieuwe model maakt het afleiden van parameters die beschrijvende VPD waar g _S is down-gereguleerd onder watertekort. Evenzo wordt de VPD verkregen waarbij g _S maximaal is. Als zodanig fysiologische parameters kan worden verwacht dat nauw worden gekoppeld aan koolstofassimilatie ^9,10 een nauwe band tussen deze modelparameters en de sleutel blad trekken om voedingsstoffen en toewijzing van middelen, zoals weerspiegeld in de les moet worden verwacht ^3,11. Als gevolg daarvan zou er ook een nauwe relatie tussen strategieën van stomatale regelgeving met LES trekken zijn. Zo'n relatie wordt verwacht in het bijzonder voor het blad gewoonte (groenblijvend versus bladverliezende) als blad gewoonte wordt zowel gecorreleerd met de LES en met water efficiëntie ^12,13. Groenblijvende soorten hebben de neiging om langzamer groeien, maar zijn efficiënter in omgevingen arm aan voedingsstoffen ^14. Daarom moet blad gewoonte vertalen in verschillende stomatale regelgeving patronen, met een meer conservatieve watergebruik strategie dan bladverliezende soorten.

CompAring een groot aantal loofbomen soorten in een gemeenschappelijke tuin situatie, werden de volgende hypotheses getest: 1) Model parameters g _{S -} VPD-modellen zijn aangesloten op blad kenmerken in verband met het blad economie spectrum. 2) Evergreen soorten hebben een lagere gemiddelde g _S en g _SMAX waarden dan bladverliezende soorten.

Protocol

1. stomatale geleidbaarheid

1. Metingen van stomatale geleidbaarheid
   LET OP: De auteurs gebruik gemaakt van een eenvoudige vorm van steady state porometer (Decagon SC1). Het ontwerp porometer's heeft het voordeel van kleine omvang, intuïtieve handbediening en hoge betrouwbaarheid. Bij het meten van stomatale geleidbaarheid in het veld, zorg ervoor dat de afstand tussen de gemeten individuen te minimaliseren voor een herhaalde meetcyclus om zo efficiënt mogelijk te zijn.
2. Kies bladeren van verschillende soorten en individuen volgens een reproduceerbaar patroon (dezelfde hoogte gelijkwaardige blootstelling dezelfde positie binnen de plant, indien enkel mogelijk van hetzelfde knooppunt, en slechts op één categorie, zon of schaduw bladeren, enz.).
   1. Enige maatregel laat in gezonde, niet-beschadigd en volledig ontwikkelde toestand. Markeer de bladeren van de individuen (bijvoorbeeld met kabelbinders of kleur tape), zodat de herhaalde metingen uitgevoerd op hetzelfde blad.
      OPMERKING: MEASURements van stomatale geleidbaarheid mag alleen worden gedaan op bladoppervlak, terwijl het vermijden van de hoofdnerf en sterk blad aderen.
   2. Start metingen in de vroege ochtend uren voor zonsopgang nemen vijf tot tien herhaalde metingen totdat stomatale geleidbaarheid waarden toont een duidelijke daling op de middag.
      LET OP: Een dagelijkse gang van metingen goede gegevens leveren voor het analyseren van de relatie tussen de VPD en stomatale geleidbaarheid.
3. VPD metingen
   1. Bij elke _gram G meting opnemen temperatuur en relatieve vochtigheid voorkeur met draagbare loggers direct meten van de condities ter plaatse van hetzelfde blad. Voor het berekenen van de dampdruk tekort gebruik maken van de augustus-Roche Magnus formule ^15.

e _s = verzadigde waterdampdruk [hPa]

T = [° C]

4. Model g _S - VPD reactie
   1. Nu plot species-wise alle g _S data tegen VPD, het combineren van alle dagelijkse cursussen van losse bladeren in een analyse per soort. Pak de waargenomen van de stomatale geleidbaarheid gegevens door te zoeken naar de maximale waarde maximumwaarde. Om het model voor soort-wise vergelijkbaarheid schaal, verdeel de waargenomen waarden door de waargenomen voor die soort (g _S / g _SMAX) maximale waarde.
   2. Voor elke soort, achteruit de logits van g _{S (g S} / g _SMAX) naar VPD en de kwadratische term van VPD met behulp van een veralgemeend lineair model met een binomiale fout distributie (a, b en c vertegenwoordigen regressie parameters):

Figuur 1. Voorbeeld van de geplotte waarden en het aangepaste model g _S -. VPD stomatale geleidbaarheid uitgezet als functie damp tekort druk de soort Liquidambar formosana. Lege stippen geven de gemeten waarden. (A) Maximale stomatale geleidbaarheid, de VPD bij maximale stomatale geleidbaarheid en betekenen stomatale geleidbaarheid werd geëxtraheerd uit de absolute dus niet geschaald stomatale geleidbaarheid (g _S) gegevens. (B) Scaled stomatale geleidbaarheid data (g _S / g _SMAX) werden uitgezet om de relatieve parameters extract (weergegeven als gevulde punten) ^20. Re-print met toestemming van ^20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2. Alle gepaste modellen voor alle soorten. Model grafieken voor de stomatale geleidbaarheid gegevens VPD regressie van alle soorten. Groenblijvende soorten worden vertegenwoordigd door de zwarte lijnen, bladverliezende soorten door rode lijnen ^20. Re-print met toestemming van ^20.

Opmerking: De logits plaats van regressie g _S direct VPD, leidt tot het punt dat maximale waarden gemodelleerde niet overschrijden g _SMAX en g _S 0 nadert bij hoge VPD.

5. Extract parameter van stomatale regeling voor elke soort
   1. Bereken absolute gemodelleerde g _SMAX waarden (MaxFit in Figuur 1B). Om dit te doen, het berekenen van de VPD bij maximale stomatale geleidbaarheid van het instellen van de eerste afgeleide van 1.4.2 naar nul, wat VPD _gsMaxFit = -b / 2a geeft. Plaats VPD _gsMaxFit in de formule van 1.4.2 en het verhogen van de kracht van e tot MaxFit verkrijgen. Bereken de mean van geleidbaarheid metingen per soort (zie figuur 1A).
      LET OP: Het gebruik van statistische software R (http://www.r-project.org).
   2. (1) stomatale geleidbaarheid en VPD aan het maximum van het model (MaxFit) en (2) VPD: om de relatieve waarden van het schaalmodel (g _S / g _SMAX), extract stomatale geleidbaarheid en VPD waarden voor de volgende twee punten te berekenen bij de tweede buigpunt van de curve (zie figuur 1B). Vermenigvuldig deze waarden door g _SMAX absolute g _S waarden voor deze punten te behalen. Zie figuur 2 voor een volledige bedekking van de enkele modellen van alle 39 soorten geanalyseerd.

2. Metingen van huidmondjes Traits

1. Neem monsters voorkeur exact gelijk bladeren die zijn gebruikt voor de metingen van stomatale geleidbaarheid. Indien dit niet mogelijk is, op dezelfde selectieprocedure die werd toegepast op de bladeren te kiezende stomatale geleidbaarheid metingen, bij voorkeur op dezelfde individuen.
2. Breng een dun laagje van kleurloos, snel drogende nagellak (test verschillende merken, sommige zijn meer geschikt dan anderen) om een ​​vers monster. Indien de monsters niet onmiddellijk kan worden verwerkt, opslaan in 70% alcohol. Na de nagellak droog is, voorzichtig schil de indruk van het blad en ga voor de microscopische analyse, net als bij een normaal blad monster.
   OPMERKING: Bij blad met een hoge dichtheid trichoom een ​​voorafgaande stap van het aanbrengen natriumhydroxide of een 1: 1 oplossing van azijnzuur en zuurstof peroxide kan leiden tot betere resultaten.
3. Optische microscoop analytics
   1. Sluit een camera aan een optische microscoop in staat vergrotingen tussen 40X tot 400X. Nadat de camera is aangesloten op de microscoop, die overeenkomen met de op de optische vergroting en resolutie van het beeld, bijvoorbeeld met behulp van een schaal afbeeldingen.
   2. Gebruikmakend van open source image processing software zoals ImageJ ¹⁶ analyseren deze foto's.
      1. Teken een vorm met de vorm tool van het beeld analyse-instrument op de afbeelding in een gebied met geen vuil, duim afdrukken, beschadigde gebieden, of grote blad aderen. Telling huidmondjes op dit gebied en in totaal ten minste 50.000 um ² per monster.
      2. Meet stomataire bewaker cel lengte en de poriën lengte. Bereken het aantal huidmondjes per mm ^2. Bereken stomatal index als de verhouding van de stomatale dichtheid celaantal epidermale per ^mm2.

3. Beoordeling van Bladnerf Traits

LET OP: Voor de beoordeling van bladader trekken, een aangepaste een protocol van Sack & Scoffoni ¹⁷ werd gebruikt.

1. Monstervoorbereiding
   OPMERKING: Om de zichtbaarheid van het blad aderen te optimaliseren, zijn de bladeren eerst gebleekt en toen gekleurd met Safranine en malachietgroen.
   1. Om de leav blekenes, laat ze ten minste 72 uur in 50% oplossing van ontkleuringsmiddel (test verschillende merken, weer wat misschien beter werkt). U kunt ook gebruik maken van 5% NaOH oplossing of 10% KOH oplossing of 25% H _{2 O 2-oplossing.}
   2. Verwarm de oplossing tot 30 ° C of combineren verschillende oplossingen uit stap 3.1.1 voor betere effecten. Meerdere malen te spoelen in het water achteraf. Pas het bleekproces voor specifieke soorten, afhankelijk van de bladkarakteristieken.
      OPMERKING: Dikkere bladeren kunnen langere oplossing bad en of de meer agressieve oplossingen nodig. Dunner en tere blaadjes kunnen worden gebleekt om een ​​bevredigende graad in minder dan 72 uur.
   3. Om de kleur van de bladeren plaats ze in 100% ethanol. Kleur ze voor 2-30 min in 1% Safranine oplossing. Om kleuren verbeteren, voeg een extra behandeling met 1% malachietgroen oplossing slechts enkele seconden. Aanpassing van het protocol voor elke soort in termen van timing en intensiteit om optimale resultaten te bereiken. Spoel seVeral keer in het water achteraf. Als de bladeren zijn diep gekleurd, kan enige tijd in ethanol of ontkleuringsmiddel helpen.
2. Monsteranalyse
   1. Scan de bladeren met een backlight-scanner met een resolutie van ongeveer 1200 dpi. Overeenkomen met de maatregelen om de resolutie van de foto, zoals scans, met behulp van een schaal, om ervoor te zorgen dat de pixel lengte kan worden teruggevoerd naar de absolute lengte maatregelen van het gescande blad.
   2. Meet gebied, omtrek, lengte en breedte van het blad. Bereken verschillende indices, bijvoorbeeld, lengte / breedte en omtrek ² / omgeving. Snij een 1 op 1 cm rechthoek uit het midden van het beeld. Meet de diameter van de aders van de eerste en tweede orde (omvatten niet de belangrijkste midden ader). Meet de lengte van alle aderen van de eerste orde in dit Quadrat (ader dichtheid).

4. Beoordeling van Other Leaf Traits

OPMERKING: Asses typische blad kenmerken, zoals de specifiekebladoppervlak (SLA), blad drogestofgehalte (LDMC), bladoppervlak, inhoud element, blad gewoonte, blad pinnation, blad het type verbinding, bladrand soort etc. volgende vastgestelde protocollen ^18,19.

1. Observationele blad trekken
   1. Beoordelen blad pinnation, blad het type verbinding, bladrand type en de aanwezigheid van extraflorale nectariën ^18,19 door observatie in het veld.
2. Analytische blad trekken
   1. Verzamel vers blad monsters, bij voorkeur op dezelfde individuen als voor de andere metingen voor de bepaling van specifieke bladoppervlak (SLA), bladoppervlak en blad drogestofgehalte (LDMC) ^18,19. Na 48 uur in de droogoven bij 80 ° C, gemeten inhoud en verhoudingen element, bij voorkeur op de bladeren.

Resultaten

Veel parameters van stomatale geleidbaarheid en stomataire regelgeving bleken te zijn gerelateerd aan morfologische, anatomische en chemische blad trekken. In het volgende zal de nadruk liggen op de links voor VPD aan het buigpunt, die daalde met stomataire dichtheid (p = 0,04) en stomataire index (p = 0,03) en een toename met blad koolstofgehalte (p = 0,02, zie Figuur 3). De resultaten tonen aan dat bij afnemende VPD op het buigpunt was er een afname van de stomatale dichtheid en stomatale index. In contrast, geen parameter van stomatale geleidbaarheid toonde een duidelijke relatie te bladeren gewoonte. De hoge variatie binnen de twee groepen van het blad gewoonte blijkt dat verschillende regulerende mechanismen bestaan, zowel binnen de groep van groenblijvende en bladverliezende blad gewoonten.

Figuur 3. Resultaat cijfer voor the banden tussen patronen van stomatale geleidbaarheid regulering en blad kenmerken dampdrukdeficiet (VPD) met het buigpunt van de G _S -. VPD curve (VpdPoi) als functie van (A) huidmondjes dichtheid (B) huidmondjes index, en (C) blad koolstofgehalte ^20. Re-print met toestemming van ^20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

De parameters van stomatale regelgeving door de in dit document methode gewonnen onderstrepen het belang van stomatale eigenschappen, zoals huidmondjes dichtheid en huidmondjes index. Deze nieuwe relaties tonen het potentieel van het koppelen parameters van fysiologische modellen morfologische, anatomische en chemische blad ²⁰ trekjes. In vergelijking met andere methoden, de huidige aanpak draagt ​​het voordeel van het vastleggen van een unieke en eenduidige VPD waarde waartegen stomatale geleidbaarheid is down-gereguleerd tot de helft van de maximale de gemodelleerde g _s.

Van alle stappen in het protocol de meest kritische daarvan zijn de metingen van de stomatale geleidbaarheid. Als gevolg van de multifactoriële regulering van stomatale geleidbaarheid ambient weersomstandigheden hebben een sterke invloed op de g _S. Stomatale geleidbaarheid metingen bij een hoge relatieve vochtigheid en lage lichtintensiteit kan onbetrouwbaar ^21-23 zijn. Wat morfologische en anatomical trekken, het protocol moet altijd worden aangepast aan de doelsoort opgenomen in de studie. Met name in de ader dichtheidsanalyse, de duur van het bleken en kleuren van bladeren worden gevarieerd, afhankelijk van de bladstructuur en taaiheid. Mogelijke beperkingen van de werkwijze omvatten species, die metingen van stomatale geleidbaarheid onmogelijk of gecompliceerd en gevoelig voor fouten als gevolg van buitengewone bladvormen. Dit kan onder coniferen en grassen met een zeer smalle blad bladen.

Onze resultaten bevestigen deels de eerste hypothese van een verband tussen de stomatale geleidbaarheid parameters en blad kenmerken van het blad economie spectrum (LES), wat overeenkomt met een aantal andere studies. Bijvoorbeeld Poorter en Bongers (2006) ²⁴ rapporteerde een nauw verband tussen g _{S en} trekken vertegenwoordigd door de LES, bijvoorbeeld met g _S afneemt met toenemende blad levensduur. Dienovereenkomstig Schulze et al. (1994) ¹ demonstgewaardeerd duidelijke verbanden tussen blad stikstofgehalte en g _SMAX. Evenzo Juhrbandt et al. (2004) ²⁵ vonden significante verbanden tussen g _SMAX en blad stippellijn blad stikstofgehalte.

Onze tweede hypothese van duidelijke verschillen met betrekking tot blad gewoonte kon niet worden bevestigd. De hoge variatie in de gemeten parameters en eigenschappen binnen groenblijvende en bladverliezende blad gewoonte geven dat blad gewoonte is niet een goede descriptor van de LES. Brodribb en Holbrook (2005) ²⁶ beschreven die leaf gewoonte en blad fysiologische strategie niet noodzakelijkerwijs zijn verbonden aangezien breed kenmerkvariatie gemeenschappelijk in allerlei leaf gewoonte.

De benadering kan worden uitgebreid tot eigenschappen en fysiologische kenmerken van andere dan bladeren, bijvoorbeeld om kenmerken in verband met xyleem hydraulische plantenorganen zoals specifieke xyleem doorlaatbaarheid en microscopie hout trekjes ^27. Evenzo kunnen anderesoorten blad kenmerken zoals afgeleid uit microscopie zoals palissade parenchym structuur en epicuticular waslaag structuur kunnen worden opgenomen ^28.

Kortom, deze studie bevestigde de nauwe band tussen de LES en stomatale regelgeving. Bovendien is de hier voorgestelde werkwijze geopenbaard facetten van stomatale regulatie patronen die niet gerelateerd zijn aan de LES. Vooral specifieke blad kenmerken, zoals de huidmondjes grootte, de dichtheid en de index evenals ader lengte verdienen toekomst aandacht in functionele fabriek studies.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
SC 1 Porometer	Decagon		Elk ander porometer is geschikt
Kabelbinders om bladeren te markeren
Kunststof steekproefzakken
Papieren steekproefzakken
Hygrometer	Trotec		Elk ander is geschikt
Nagellak
Axioskop 2 plus	Zeiss		Elk ander is geschikt
Ethanol
Bleekmiddel
5% NaOH
10% KOH
25% H2O2
Malachietgroen
Safranine