Mätning av Leaf Hydraulisk konduktans och stomata Konduktans och deras svar till irradians och uttorkning Använda Evaporativ Flux metoden (EFM)

Summary

Vi beskriver en relativt snabb (30 min) och realistisk metod för samtidig mätning av blad hydraulisk konduktans (

Abstract

Vatten är en viktig resurs och anläggningen vattnet transportsystemet sätter gränser för maximal tillväxt och torka tolerans. När växter öppnar klyvöppningarna att uppnå en hög konduktans stomata (g _s) för att fånga koldioxid ₂ för fotosyntes, vatten förloras genom avdunstning ^1,2. Vatten avdunstar från luftrummen ersätts från cellväggar, som i sin tur drar vatten från xylem av bladnerver i sin tur ritning från xylem i stjälkar och rötter. Eftersom vatten dras genom systemet, upplever det hydrauliska motstånd, skapar spänningar i hela systemet och en låg blad vattenpotential (Ψ _löv). Bladet i sig är en kritisk flaskhals i hela anläggningen systemet står för i genomsnitt 30% av anläggningen hydrauliska motståndet ^3. Blad hydraulisk konduktans (K _blad = 1 / blad hydrauliskt motstånd) är förhållandet mellan vattenflöde till vattnet potentialgradienten tvärs bladet, och sammanfattarbeteende av ett komplext system:. vattnet rör sig genom bladskaft och genom flera order av vener, lämnar in bunten manteln och passerar genom eller runt mesofyllceller innan avdunstning i luftrummet och som framkommit från klyvöppningarna K _blad är av stort intresse som en viktigt fysiologisk egenskap för att jämföra arter, kvantifiera effektiviteten i bladet struktur och fysiologi för vatten transporter och en viktig variabel för att undersöka om dess förhållande till variation i struktur (t.ex. i löv ÅDRING arkitektur) och dess inverkan på fotosyntesen gasutbyte. Vidare svarar K _blad starkt till den interna och externa blad miljö ^3. K _blad kan öka dramatiskt med strålningen uppenbarligen på grund av förändringar i uttrycket och aktivering av aquaporiner de proteiner involverade i vatten transport genom membranen ⁴ och K _blad minskar kraftigt under drborde, på grund av kavitation och / eller kollaps av xylem ledningar och / eller förlust av permeabilitet i de extra xylem vävnader på grund av mesophyll och bunt slida celler krympning eller akvaporin deaktivering ^5-10. Eftersom K _blad kan begränsa g _s och fotosyntetiska hastighet mellan arter i väl vattnade förhållanden och under torka, och därmed begränsa hel-anläggningens prestanda de kan tänkas besluta arter distributioner särskilt som torka ökar i frekvens och svårighetsgrad ^11-14.

Vi presenterar en enkel metod för samtidig bestämning av _K-blad och g _s på exciderade blad. En transpirerande blad genom sin bladskaft till slang kör till en vattenkälla på en våg. Förlusten av vatten från jämvikten antecknas att beräkna flödeshastigheten genom bladet. När steady state transpiration (E, mmol • m ^-2 • s ^-1) nås, g K _blad genom att dividera med vattenpotentialen drivkraft med användning av en tryckkammare (K _blad = E / - Δψ _löv, MPa) ^15.

Denna metod kan användas för att bedöma K _blad svar på olika irradiances och sårbarhet av K _blad till uttorkning ^14,16,17.

Protocol

1. Mätning Leaf Hydraulisk konduktans för hydratiserade Löv (K _max)

1. Samla skott helst på kvällen eller natten så att xylem spänningar är låga, skurna i luft och plats i mörker plastpåse fylld med våta pappershanddukar. I labbet, skäras minst två noder från slutet av varje skott under vatten. Låt skjuta rehydrera natten i rent vatten, eller annan lösning som skall användas för K _blad mätningar. Ultrarent vatten rekommenderas som ett flöde lösning om inte effekterna av olika lösningar som ska utredas som en faktor.
2. Skär blad från inspelningen med en ny rakblad i delvis avgasade flöde lösning. Ultrarent vatten rekommenderas som ett flöde lösning om inte effekterna av olika lösningar som ska utredas som en faktor. Vi rekommenderar avgasning av lösningen över natten i en kolv med användning av en vakuumpump, men andra metoder kan användas.
3. Wrap försträckt parafilm runt petiole för att säkerställa en god tätning mellan bladskaft och slang. Detta steg är särskilt användbart för icke-runda bladskaft, som omslag extra parafilm hjälper runt bladskaft att passa in i slangen. Tandvård pasta kan appliceras på bladskaft innan inslagning parafilm för att fylla spåren i bladskaft.
4. Anslut blad till silikonslang enligt ultrarent vatten för att förhindra att luft kommer in i systemet. Eftersom bladet lyfts ovanför vattenkällan, är vattnet i slangen under undertryck, och sålunda tätningen är bra om ingen luft dras in i röret under mätningen. Alternativt till tätning av bladskaft direkt i silikonslang, kan en klämringskoppling med gummipackning användas (t.ex. (Omnifit A2227 hål adapter, Omnifit, Cambridge, UK), detta tillvägagångssätt är användbart för bladskaft med särskilt komplexa former, eller för grässtråna , som kan lindas runt en glasstav och förseglas med klämringskoppling. När så är möjligt, täta bladskaft direkt till silicone slang har fördelen av att vara snabb och lämnar en bladskaft-slang korsningen som är öppet, så att bubblor är lättare att uppfatta. Slangen ansluts bladet till hårt rör kör till en graderad cylinder på en våg (± 10 mikrogram upplösning), som loggar data varje 30 sekunder till en dator (t.ex. med "Balance Link" Programvara, Mettler-Toledo GmbH Greifensee, Schweiz) för beräkning av flödeshastigheten genom bladet.
5. Bladen ska hållas adaxial ytan uppåt i trä ramar uppträdda med lina över en stor låda fläkt och under en ljuskälla (> 1000 pmol • m ² • s ^-1 fotosyntetiskt aktiv strålning för hög irradians mätningar), något över nivån för menisken i den graderade cylindern. Bladet bör placeras ovanför vattnet i den graderade cylindern för att säkerställa att vatten flyttar till bladet drivs av transpiration, och inte in i bladet under tryck på grund av tyngdkraften, såsom skullevara fallet om bladet placerades under menisken av vattnet i cylindern. Små behållare fyllda med våt pappershandduk är placerade inuti kammaren balans för att säkerställa att luften i balansen är vatten-mättad, därmed undvika avdunstning från vattenkällan till atmosfären i balans. Denna möjlighet kan kontrolleras genom att stoppa flöde in i bladet med en fyrvägs avstängningsventilen i slangen, och kontroll av att massan av vatten-cylindern på balansen inte minskar.
6. Placera en tydlig Pyrex behållare fylld med vatten ovanför bladet att absorbera värmen från lampan.
7. Upprätthåll blad temperatur mellan 23 ° C och 28 ° C under hela experimentet genom att lägga mer kallt vatten till Pyrex behållaren så att värmen lampan inte värmer Pyrex behållaren tillräckligt för att värma luften runt bladet nedan.
8. Låt löv visa sig på apparaten i minst 30 minuter, vilket ger tillräckligt med tid för att anpassa sig till höga irradians och additionally tills flöde har stabiliserats, utan uppåt eller nedåt trend, och med en variationskoefficient <5% för minst 5-10 mätningar som gjorts vid 30 sek flöde intervaller. Det är viktigt för flödet att nå ett stabilt tillstånd eftersom denna metod förutsätter en stabil Ψ _löv. Tidigare studier fann att dessa kriterier är tillräckliga för stabilisering av flödet (E), Ψ _löv och K _blad, tester med längre mätperioder efter stabilt flöde bildades visade inget samband K _blad för mätning för varje av sju arter av en bred utbud av löv kapacitans ^17,18. Stabilisering tar i allmänhet 30 minuter eller mindre, men i vissa arter kan kräva mer än en timme för vissa arter.

Obs: Om flödeshastigheten är mycket låg (<8 | ig s ^-1), kan stabilitet bestämmas med användning av löpande medelvärde för de senaste fem 30 sekunders intervall.

Släng mätningar om flödet plötsligt förändras, antingen på grund av plötslig stomata nedläggning eller uppenbar läckage från tätningen eller blockering i systemet av partiklar eller luftbubblor.

När flöde stabiliserar, spela blad temperatur med ett termoelement.

Snabbt avlägsna bladet från röret, sandskädda torka bladskaft och placera bladet i en förslutningsbar påse som tidigare hade utandas i, att stoppa transpiration.

Låt bladet jämvikt i påsen under minst 20 minuter.

Genomsnitt de sista 10 mätningar flödeshastighet. Detta kommer att vara din e mätning.

När bladet är jämvikt, mäter den slutliga potentialen blad vatten (Ψ _slutlig) med en tryckkammare.

Mät bladyta med en flatbäddsskanner och bildbehandlingsprogram, eller med en bladyta mätare.

K _blad beräknas som E /-ΔΨ _blad (där ΔΨ _blad = Ψ _slutlig -2 s ^-1 MPa ^-1. Eftersom bladet är placerad precis ovanför vattennivån i den graderade cylindern, skulle effekten av tyngdkraften för att minska trycket av vatten som tränger bladet vara försumbar, speciellt i förhållande till Ψ _slutlig, som alltid> -0,1 MPa.

För att korrigera för förändringar i K _blad inducerade genom temperaturberoendet av vatten viskositet ^15,19,20, standardisera K _blad värden till 25 ° C genom användning av följande ekvation:

18. Stomata konduktans (g _s) kan bestämmas som E dividerat med blad-till-luft-ångtryck skillnad motsvarande ångan pressure underskott (VPD), bestämd med hjälp av en temperatur och relativ fuktgivare intill bladet. VPD beräknas med användning av följande ekvation ²¹

där RH är den relativa fuktigheten är VP mättnaden ångtryck i luften (i kPa, en funktion av temperatur, enligt Arden Buck ekvation ^22), och AP atmosfärstryck (i kPa).

2. Mätning Leaf Hydraulisk konduktans för dehydratiserat Leaves

1. Samla skott helst på kvällen eller natten så att xylem spänningar är låga, skurna i luft och plats i mörka plastpåsar fyllda med våta pappershanddukar. I labbet, skäras minst två noder från slutet av varje skott under vatten. Låt skjuta rehydrera natten i rent vatten, eller annan lösning som skall användas för K _leaf mätningar. Ultrarent vatten rekommenderas som ett flöde lösning om inte effekterna av olika lösningar som ska utredas som en faktor.
2. Skär skott i segment med minst tre blad enligt ultrarent vatten och torka skott med en fläkt för olika tidsperioder till en rad Ψ _blad värden.
3. När skott är uttorkad, placera förseglingsbara påsar (Whirl-Pak, Nasco, Fort Atkinson, WI, USA), som tidigare har utandad i) runt varje blad av skott, och sedan placera hela inspelningen i en stor förslutningsbar påse med vått papper handduk.
4. Låt skjuta jämvikt under åtminstone 30 minuter (för starkt uttorkade skott längre ekvilibreringstider kan vara nödvändigt).
5. Efter ekvilibrering, excidera övre och nedre blad och mäta inledande Ψ _blad (= Ψ _o) med användning av en tryckkammare.
6. Kassera skjuta om skillnaden i Ψ _blad av dessa två blad är större än 0,1 MPa (för stronGly torkade blad kan detta intervall förlängas till 0,3 MPa).
7. Den tredje bladet används sedan för att bestämma K _löv och g _är med EFM, följa steg 1,2 -1,18 ovan. Noterbart kan steady state E erhållas även för löv som har svårt uttorkade blad, som klyvöppningar fortfarande öppna och generera g _värderingar väsentligt högre än cuticular konduktans ^17.
8. För att konstruera hydrauliska sårbarhet kurvor, beräkna K _blad med Ψ _sista som i steg 1,16, och sedan plot K-värden _blad mot vilket som är lägst, Ψ _o eller Ψ _slutlig, dvs den starkaste uttorkning upplevs av bladet under försöket (= Ψ _lägst). På liknande sätt kan minskningen av g _s svar på blad dehydratisering bestämmas genom plottning g _s mot Ψ _lägst. Tidigare arbete har sh egna som uttorkning inducerar åtminstone delvis irreversibla nedgångar i K _löv och g _är ^14,16.
9. Vi rekommenderar att få minst 6 värden K _blad per 0,5 MPa intervall Ψ _lägsta (detta intervall kan minskas till 0,25 MPa om arten du arbetar med är verkligen känslig för uttorkning).
10. Utför Dixon avvikare test på K _blad värden för varje 0,5 MPa vattenpotential intervall Ψ _lägsta ta bort avvikande från din sårbarhet kurvan ^23.
11. Eftersom arter skiljer sig i sina svar av K _blad och g _s till uttorkning ^14,16, passar olika funktioner för varje art och välja maximal sannolikhet (lägsta AIC värde, se ¹⁴ för detaljer). Vi rekommenderar montering minst fyra funktioner som tidigare använts i litteraturen: linjär (PG "FO: content-width =" 1.4in "FO: src =" / files/ftp_upload/4179/4179eq3highres.jpg "/>), sigmoidal ( ), Logistik ( ) Och exponentiell ( ).

3. Representativa resultat

Nedgången av blad hydrauliska konduktans med uttorkning varierar kraftigt mellan arter (Fig. 1). Torka känsliga arter upplever en starkare nedgång på mindre negativ vatten potentialer än mer torka toleranta arter, mätt under högt irradians (PAR> 1.000 mikromol • m ^-2 • s ^-1). Vattnetpotential vid 80% förlust av hydraulisk konduktans (P ₈₀₎ för frisk ört Helianthus annuus var 3 MPa mindre negativ än Heteromeles arbutifolia, hemma i Kalifornien Chaparral. Heteromeles arbutifolia svarade linjärt på nedgången i vatten potential, medan Helianthus annuus visade en icke -linjär nedgång.

Både stomata konduktans (g _s) och blad hydrauliska konduktansen (K _blad) kan också svara dramatiskt att irradians (fig. 2). För Raphiolepis indica sjönk stomata konduktans starkt med uttorkning för blad mätt under högt irradians (PAR> 1.000 mikromol • m ^-2 • s ^-1) och under lab ljus (PAR <6 nmol • m ^-2 • s ^-1). Under hög irradians, blad mäts med EFM som hade varit uttorkad till vattnet potential som är typiskt för välupplysta leaves på intakta växter på mitt på dagen visade liknande g _ar som för blad mätt på intakta anläggningar med en Porometer (stjärna i figur. 2). Noterbart för löv vid maximal återfuktning var K _blad fyra gånger högre för löv utsatta för hög än låg irradians (11 vs 2,8 mmol m ^-2 s ^-1 MPa ^-1), och därför K _löv visade en starkare ljus svar i väl hydratiserade blad än g _s. Vidare, under högt irradians minskade K _blad starkare med uttorkning. _P-80 blev 0,93 MPa mindre negativ under högt än lågt irradians.

Figur 1. Leaf hydrauliska sårbarhet kurvor för torka känslig (överst) och torka toleranta (botten) art (från ^14,24). Varje punkt representerar en syndGLE mätning av blad hydrauliska konduktans (K _löv) på en fristående blad med evaporativ flux-metoden (EFM). De vertikala staplarna representerar vattnet potential vid vilken arten förlorade 80% av den ursprungliga blad hydrauliska konduktans (P _80). Bästa passning funktioner med maximal sannolikhet ritas för båda arterna.

Figur 2. Svaret från stomata konduktans (g _s) och av löv hydraulisk konduktans (K _blad) till sjunkande löv vatten potential för Raphiolepis indica mätt under högt vs lågt irradians (från ^16). (PAR> 1.000 och <6 mmol • m ^-2 • s^-1). Varje punkt representerar en enda mätning på en fristående blad med evaporativ flux-metoden (EFM), med vita och svarta prickar som representerar löv uppmätta under hög och låg irradians respektive. Ekvationer för stomata konduktans kurvor i hög vs låg irradians: och . Ekvationer för sårbarhet kurvor i hög vs låg irradians: och . Den grå stjärnan i den övre panelen representerar medelvärdet ± standard fel för g _s och löv vatten potential mätt på blad intakta växter på mitt på dagen med en Porometer. Grå och svarta vertikala streck i nedre panelen representerar vattnet potential vid vilken arten förlorade 80% av den ursprungliga blad hydrauliska konduktans (P ₈₀₎ under hög och låg irradians respektive.

Discussion

Den evaporativa flöde metoden som presenteras här ger relativt snabb (30 min) fastställande av blad hydrauliska konduktans i laboratoriet med samtidig mätning av stomata konduktans.

EFM är hittills den metod som bäst följer den naturliga vägen för vatten i bladen, med tanke på att vatten avdunstar i bladet luftrummen och diffunderar från klyvöppningarna ^15. Ett antal andra experimentella metoder för K _blad bestämning existerar ^25, med tre är särskilt vanligt. (1) I det höga trycket flöde metod (HPFM), vatten trycks genom bladet under högt tryck ^15,26. Emellertid kan sårbarhet kurvor inte erhållas med denna metod eftersom tillämpade positiva tryck kan fylla emboli och rehydrera mesophyll vävnad. (2) I rehydrering kinetik metoden (RKM), K _blad beräknas med analogin mellan rehydrering av torkade blad med lmarging av en kondensator i serie med ett motstånd ^27,28. Denna metod är snabb, men inte reproducera hela systemet av naturliga transpirational vägar i bladet och inte lätt ändras så att mätning av löv acklimatiserad till hög irradians. (3) I vakuumpumpen metoden (VPM) bladet placeras i en kammare, dess bladskaft är ansluten till en vattenkälla på en balans, medan dammsugare med olika intensitet tillämpas på bladet drivande vattnet förlust från bladet ^15,26. Denna metod kan vara tidskrävande. Mätningar med alla tre metoder har visat sig ge konsekventa resultat ^15,28,29, och därmed EFM används ofta med tanke på dess bygger på transpirational vatten rörelse, och dess relativa snabbhet och dess ändringar för att mäta K _blad under olika förhållanden.

Alla de typiska metoder används för att bestämma K _löv innebär en osäkerhet att kvantifiera enlurately den drivande kraft som motsvarar transpiration ^25. I EFM använde ΔΨ _blad att beräkna K _blad är lägre än den verkliga drivkraft, eftersom den är baserad på huvuddelen Ψ _blad efter blad jämviktas för tryckbomb. Vid denna punkt, inte huvuddelen Ψ _blad inte nödvändigtvis representerar vattnet potentialen av cellerna i slutet av den hydrauliska vägen, där vattnet avdunstar, utan snarare en volymviktade genomsnittliga för de relativt få celler med låg vattenpotential där vatten är flytta och indunstning, och för de mer talrika cellerna med hög vattenpotential som kan isoleras från transpiration strömmen. Hur mycket Ψ _blad skiljer sig från den verkliga drivkraften alltså beror på var vattnet avdunstar i bladet. Om vatten avdunstar hela blad, kan huvuddelen Ψ _blad vara nära den sanna drivkraften, och om vatten avdunstar endast från relativt få Calnar nära stomata kan huvuddelen Ψ _blad underskatta väsentligt den sanna drivkraften, dvs vatten potentialen av dessa celler kan i själva verket vara mycket lägre, och därmed den faktiska K _blad skulle vara lägre än vad som bestäms med EFM. Sålunda, är den grad att K _blad bestäms av EFM representerar den sanna K _bladet känsligt för de vägar vattenflödet, som fortfarande inte är väl förstådd. Medan EFM tillhandahåller data som matchar de andra metoder för att mäta K _blad (se ovan), och är utmärkt för jämförande bruk, möjligheten art-variation i vägar vattenflödet genom mesophyll behöver utredas ytterligare. Ja, även för blad av viss art, kan dessa vatten vägar varierar under olika betingelser, t.ex. under olika irradiances och laster värme ^4,30 eller av olika vattenstatus (given vävnad krympning) ^31. Ytterligare kunskapav vägar sjötransport skulle således göra det möjligt EFM som ska användas för att lösa effekterna av de förändrade vägar på den totala blad hydrauliska transporter.

Mätningen av stomata konduktans i EFM har fördelarna med att tillåta bestämning av svaren på irradians och uttorkning, och tillhandahålla matchade svar av g _s med _K-blad. Dessutom kan effekten av tidigare blad uttorkning, följt av rehydrering på g _s bedömas med denna metod. Emellertid har denna metod två potentiella nackdelar. Först är denna g. _s mätning på en utskuren blad, snarare än på en intakt växt, och för det andra är bestämning av stomata konduktans baserad på klimat mätning visst avstånd från bladet, snarare än nära bladet som i en kammare Porometer , även om ventilationen i blad med fläkten jämvikt bladet ytan med omgivande luft. För vissa arter, skarsbladen kan visa olika stomatal svar än för löv på en intakt fabrik ^16,32. Emellertid, för flera arter g _s uppskattas med användning EFM liknade värden uppmätta på intakta plantor med en Porometer för blad vid tvåtimmars Ψ _blad ¹⁶ (fig. 2).

EFM kan sökas fysiologisk insikt, dvs undersöka dynamiken i K _blad, sin grund i struktur och anatomi, och dess svar på miljöfaktorer. Dessutom kan metoden användas för att jämföra plantor av viss art som odlas under olika förhållanden, eller av olika åldrar, eller jämföra plantor av olika arter som är anpassade till olika miljöer.

Genom att konstruera kurvor blad sårbarhet kan en få inblick i mekanismerna för arter toleranser för torka. Under torka, har kavitation och cellkollaps visats förekomma i bladet xylem av vissa arter och cell krympning i mesophyll under uttorkning kan också påverka vatten rörelse (granskas ^14). Framtida studier kommer att behövas för att bestämma den relativa betydelsen av varje av dessa processer i körning nedgången av K _blad och stomata stängning.

Irradians är också en stark faktor som påverkar _K-blad och EFM är mycket lämpad för mätningar under högt irradians. Den kombinerade svar aquaporiner till irradians och torka bör få stort intresse. Hög irradians leder till ökat uttryck och / eller aktivering av aquaporiner som tillåter snabbare vattenflödet genom levande celler, vilket ökar _K-blad, medan uttorkning leder till minskat uttryck och / eller de-activatation av aquaporiner, minskar K _blad. De kombinerade effekterna av irradians och vattenförsörjning på K _blad kräver ytterligare utredning ^4,10,16,33.

tält "> Dessutom, över arter, har K _blad och dess sårbarhet har anknytning till arter distributioner när det gäller leverans av lätta vatten och andra resurser ^3,13,24. Arter från torra områden tenderar att visa större motstånd mot hydrauliska nedgång, inför mer negativa markvatten potentialer, och genom att upprätthålla en hög K _blad på mer negativa vatten potentialer, kan de upprätthålla hög g _s och fortsätta ta CO ₂ för fotosyntes ^13,14. Således ger studien av blad hydrauliska egenskaper insikter i nivå med cell, blad, och hela anläggningen och dess svar på miljön och kommer sannolikt att ge ett stort antal nya viktiga upptäckter på alla skalor.