Måling af Leaf Hydraulisk ledningsevne og stomatakonduktans og deres respons på udstråling og dehydrering Brug af fordampning Flux Method (EFM)

Summary

Vi beskriver et forholdsvis hurtigt (30 min) og realistisk fremgangsmåde til samtidig måling af blad hydrauliske konduktans (

Abstract

Vand er en vigtig ressource, og planten vand transportsystem sætter grænser for maksimal vækst og tørke tolerance. Når planterne åbne deres stomata at opnå en høj stomatakonduktans (g _s) at fange CO ₂ til fotosyntesen, vand tabt ved transpiration ^1,2. Vand fordamper fra luftrum er erstattet af cellevægge, til gengæld trække vand fra veddet af blade årer, til gengæld tegning fra veddet i stængler og rødder. Da vand trækkes gennem systemet, oplever hydraulisk modstand, skaber spændinger i hele systemet, og en lav blad vandpotentiale (Ψ _blade). På bladet er en kritisk flaskehals i hele planten systemet og udgør gennemsnitligt 30% af anlægget hydrauliske modstand ^3. Blad hydrauliske konduktans (K _blad = 1 / blad hydrauliske modstand) er forholdet mellem den vandmængde til vandet spændingsgradient hen over bladet, og opsummereropførsel af et komplekst system:. vandet bevæger sig gennem bladstilk og gennem flere ordrer vener, udgange ind i bundtet kappe og passerer gennem eller omkring mesophyll celler før inddampning i luftrummet og blive fremgik fra stomata K _blad er af stor interesse som en vigtig fysiologisk træk at sammenligne arter, kvantificere effektiviteten af bladet struktur og fysiologi for vandtransport, og en central variabel til at undersøge landets forhold til variation i struktur (fx i blade årer arkitektur) og dens indvirkning på fotosyntetiske gas udveksling. Endvidere K _blad reagerer kraftigt på den interne og eksterne blad miljø ^3. K _blad kan stige dramatisk med bestråling tilsyneladende på grund af ændringer i ekspression og aktivering af aquaporiner, de proteiner, der er involveret i transport af vand gennem membraner ^4, og K _blad falder kraftigt i drbør, på grund af kavitation og / eller kollaps af xylem ledninger, og / eller tab af permeabilitet i de ekstra-xylem væv på grund af mesophyll og bundle sheath cell krympning eller aquaporin deaktivering ^5-10. Fordi K _blad kan begrænse g _s og fotosyntetiske rate på tværs af arter i godt vandes vilkår og under tørke, og dermed begrænse hel-plante ydeevne kan de muligvis bestemme arter distributioner især som tørke stige i hyppighed og sværhedsgrad ^11-14.

Vi præsenterer en simpel metode til samtidig bestemmelse af K _blade og g _s på udskårne blade. En åndende blad er forbundet ved sin stilk til slange kører til en vandkilde på en balance. Tabet af vand fra vægten registreres til at beregne strømningshastigheden gennem bladet. Når steady state transpiration (E, mmol • m ^-2 • s ^-1) er nået, g K _blade ved at dividere med vandpotentiale drivkraft bestemt under anvendelse af et trykkammer (K _blad = E / - Δψ _blad, MPa) ^15.

Denne metode kan bruges til at vurdere K _blad reaktioner på forskellige bølgelængder og sårbarheden af K _blad til dehydrering ^14,16,17.

Protocol

1. Måling Leaf Hydraulisk Ledningsevne for Hydratiserede Blade (K _max)

1. Saml skud fortrinsvis om aftenen eller om natten, således at veddet spændinger er lave, skåret i luft og plads i mørke plasticpose fyldt med våde papirhåndklæder. I laboratoriet, tilskåret igen mindst to noder fra udgangen af ​​hvert skud under vand. Lad skyde rehydrere natten over i rent vand eller en anden opløsning, der skal anvendes til K _blad målinger. Ultrarent vand anbefales som et flow løsning, medmindre virkningerne af forskellige løsninger skal undersøges som en faktor.
2. Skær blad fra shoot med en frisk barberblad under delvist afgasset flow løsning. Ultrarent vand anbefales som et flow løsning, medmindre virkningerne af forskellige løsninger skal undersøges som en faktor. Vi anbefaler afgasning af opløsningen natten over i en kolbe under anvendelse af en vakuumpumpe, men andre fremgangsmåder kan anvendes.
3. Wrap for-strakte parafilm omkring petiole for at sikre en god tætning mellem stilk og slangen. Dette trin er især nyttig for ikke-runde bladstilke, som indpakning ekstra parafilm vil hjælpe rundt bladstilken til at passe inde i slangen. Dental pasta kan anvendes til stilk før indpakningen parafilmen for at fylde fordybninger i bladstilke.
4. Tilslut blad til siliconerør under ultrarent vand for at forhindre luft ind i systemet. Da bladet løftet op over kilden til vand, vandet i røret er under undertryk, og dermed forseglingen er god, hvis ingen luft trækkes ind i røret under målingen. Alternativt til forsegling af bladstilken direkte ind silicone, kan en kompressionsfitting med gummipakning anvendes (fx, (Omnifit A2227 boring adapter, Omnifit, Cambridge, UK), denne fremgangsmåde er nyttig til stilke med særligt komplekse former eller til græsblade , som kan vikles omkring en glasstang og forseglet med kompressionsfitting. Når det er muligt, forsegling bladstilken direkte i silicone rør har den fordel, at den hurtigt og efterlader en bladstilk-rør junction, der er gennemsigtig, således bobler til lettere kan ses. Slangen forbinder blad til hård slange kører til et måleglas på en vægt (± 10 pg opløsning), der logger data hver 30 sek til en computer (f.eks ved hjælp af "Balance Link" Software, Mettler-Toledo GmbH, Greifensee, Schweiz) til beregning af strømningshastigheden gennem bladet.
5. Blade skal holdes adaxial overflade opad i trærammer hængte med fiskesnøre over en stor kasse fan og under en lyskilde (> 1.000 umol • m ² • s ^-1 fotosyntetisk aktiv stråling for high-irradians målinger), lidt over niveauet for menisken i måleglas. Bladet skal placeres over vandet i måleglas at sikre, at vandet bevæger sig til bladet drives af transpiration, og ikke ind i bladet under tryk på grund af tyngdekraften, og det sammevære tilfældet, hvis bladet var placeret under menisken af ​​vandet i cylinderen. Små beholdere fyldt med vådt papirserviet placeres inde i balance kammeret for at sikre, at luften i balancen er vand-mættet, og dermed undgå fordampning fra vandkilden til atmosfæren i balance. Denne mulighed kan kontrolleres ved at standse strømning ind i bladet under anvendelse af en fire-vejs stophane ventilen i røret, og kontrollere, at massen af ​​den vandcylinderen på vægten ikke falder.
6. Foretage en tydelig Pyrex beholder fyldt med vand over bladet til at absorbere varmen af ​​lampen.
7. Fastholde blade temperatur mellem 23 ° C og 28 ° C under hele forsøget ved tilsætning af mere koldt vand til Pyrex beholderen, således at varmelampe ikke opvarme Pyrex beholderen tilstrækkeligt til at opvarme luften omkring bladet nedenfor.
8. Tillade bladet vise sig, om apparatet i mindst 30 minutter, hvilket giver tilstrækkelig tid til at akklimatisere til høje bestrålingsstyrke, og additionally indtil strømningshastighed har stabiliseret sig, med ingen stigende eller faldende tendens, og med en variationskoefficient <5% for mindst 5-10 målinger foretaget ved 30 sekunder flow intervaller. Det er væsentligt for strømningshastigheden at nå en stabil tilstand, da denne metode forudsætter et stabilt Ψ _blad. Tidligere undersøgelser fandt disse kriterier for at være tilstrækkelig til stabilisering af strømningshastighed (E), Ψ _blade og K _blad, tests med længere måleperioder efter stabil strømning blev etableret viste ingen relation til K _blad til måletiden for hver af syv arter af en lang række blade kapacitans ^17,18. Stabilisering generelt tager 30 min eller mindre, men i nogle arter kan kræve mere end en time for nogle arter.

Bemærk: Når strømningshastigheden er meget lav (<8 ug ^s-1), kan stabiliteten bestemmes under anvendelse af løbende gennemsnit af de sidste fem 30 sek intervaller.

Kassér målinger hvis strømmen pludselig ændringer, enten på grund af pludselig stomatal lukning, eller tydeligt lækage fra segl eller blokering i systemet ved partikler eller luftbobler.

Når strømmen stabiliseres, optager blad temperatur med et termoelement.

Hurtigt fjerne bladet fra slangen, ising tørre bladstilken og placere bladet i en forseglbar pose, som i forvejen var blevet udåndet i, at standse transpiration.

Lad bladet ækvilibrere i sin taske i mindst 20 min.

Gennemsnitlig de sidste 10 målinger af strømhastigheden. Dette vil være din E måling.

Når bladet er bragt i ligevægt, måles den endelige blad vandpotentiale (Ψ _endelig) med et trykkammer.

Mål bladareal med en flatbed scanner og billedbehandling software, eller med en bladareal meter.

K _blad beregnes som E /-ΔΨ _blad (hvor ΔΨ _blad = Ψ _endelig -2 s ^-1 MPa ^-1. Idet bladet er anbragt lige over niveauet af vand i måleglasset, ville virkningen af tyngdekraften for at reducere trykket af indtrængning af vand bladet være ubetydelig, især i forhold til Ψ _endelige, som altid> -0,1 MPa.

At korrigere for ændringer i K _blade induceret af temperaturafhængighed af vand viskositet ^15,19,20, standardisere K _blad værdier til 25 ° C ved hjælp af følgende ligning:

18. Stomatakonduktans (g _s) kan bestemmes som E divideret med blad-til-luft damptryk forskel, svarende til damp pressure underskud (VPD), bestemt ved anvendelse af en temperatur og relativ fugtighed ved siden af ​​bladet. VPD beregnes ved hjælp af følgende ligning ²¹

hvor RH er relative fugtighed, VP er mætningsdamptryk luften (i kPa, en funktion af temperaturen ifølge Arden Buck ligning ^22), og AP det atmosfæriske tryk (i kPa).

2. Måling Leaf Hydraulisk Ledningsevne for kunsttørret Leaves

1. Saml skud fortrinsvis om aftenen eller om natten, således at veddet spændinger er lave, skåret i luft og plads i mørke plastikposer fyldt med våde papirhåndklæder. I laboratoriet, tilskåret igen mindst to noder fra udgangen af ​​hvert skud under vand. Lad skyde rehydrere natten over i rent vand eller en anden opløsning, der skal anvendes til K _leÅF målinger. Ultrarent vand anbefales som et flow løsning, medmindre virkningerne af forskellige løsninger skal undersøges som en faktor.
2. Skær skud i segmenter med mindst tre blade under ultrarent vand og dehydrere skud med en fan for forskellige tidsrum til en række Ψ _blad værdier.
3. Når skud er dehydreret, skal du placere forseglelige poser (Whirl-Pak, Nasco, Fort Atkinson, WI, USA), der tidligere er blevet udåndet i) omkring hvert blad af skuddet, og derefter placere hele skyde i en stor forseglelig pose med vådt papir håndklæde.
4. Lad skuddet ækvilibrere i mindst 30 minutter (for stærkt dehydrerede skud længere ækvilibreringstider kan være nødvendigt).
5. Efter ækvilibrering den øverste og nederste blad og måle oprindelige Ψ _blad (= Ψ _o) punktafgiftspligtige anvendelse af et trykkammer.
6. Kassér skud, hvis forskellen i Ψ _blade af disse to blade er større end 0,1 MPa (for strongly tørrede blade, kan dette område udstrækkes til 0,3 MPa).
7. Den tredje blad anvendes derefter til at bestemme K _blade og g _s med EFM efter trin 1,2 -1,18 ovenfor. Især kan steady state E opnås selv for blade, der har været alvorligt dehydrerede blade, som stomata stadig åbne og generere g _s værdier væsentligt højere end cuticular konduktans ^17.
8. Til konstruktion hydrauliske sårbarhed kurver, beregnes K _blad ved hjælp af Ψ _endelig som i trin 1,16, og derefter plot K _blad værdier mod hvis dette er lavere, Ψ _o eller Ψ _endelig, dvs, den stærkeste dehydratisering opleves af bladet under eksperimentet (= Ψ _lavest). Tilsvarende kan nedgangen i g _s som reaktion på blade dehydrering bestemmes ved at afbilde g _s mod Ψ _lavest. Tidligere arbejde har sh eget at dehydrering inducerer i det mindste delvist irreversible fald i K _blade og g _s ^14,16.
9. Vi anbefaler at få mindst 6 K _blad værdier pr 0,5 MPa interval på Ψ _lavest (dette interval kan reduceres til 0,25 MPa, hvis de arter, du arbejder med, er virkelig sårbar over for dehydrering).
10. Udfør Dixon outlier-test på K _blad værdier for hver 0,5 MPa vand potentiel interval på Ψ _laveste at fjerne outliers fra din sårbarhed kurve ^23.
11. Fordi arter er forskellige i deres besvarelser af K _blade og g _s til dehydrering ^14,16, passer til forskellige funktioner for hver art, og vælg den maksimale sandsynlighed (laveste AIC værdi, se ¹⁴ for detaljer). Vi anbefaler montering mindst fire funktioner, som tidligere anvendt i litteraturen: lineær (pg "fo: indhold-bredde =" 1.4in "fo: src =" / files/ftp_upload/4179/4179eq3highres.jpg "/>), sigmoidal ( ), Logistisk ( ) Og eksponentielle ( ).

3. Repræsentative resultater

Nedgangen i blade hydraulisk ledningsevne med dehydrering varierer kraftigt på tværs af arter (fig. 1). Tørke følsomme arter oplever en stærkere tilbagegang på mindre negative vand potentialer end mere tørke tolerante arter, når den måles under høj irradians (PAR> 1.000 pmol • m ^-2 • s ^-1). Vandetpotentiale på 80% tab af hydraulisk ledningsevne (P ₈₀₎ til Mesic urt Helianthus annuus var 3 MPa mindre negative end Heteromeles arbutifolia, indfødte til Californien Chaparral. Heteromeles arbutifolia reagerede lineært til faldet i vandet potentiale, hvorimod Helianthus annuus viste en non -lineært fald.

Både stomatakonduktans (g _s) og blad hydrauliske ledningsevne (K _blade) kan også reagere kraftigt til bestråling (fig. 2). For Raphiolepis indica faldt stomatakonduktans stærkt med dehydrering for blade målt under høj irradians (PAR> 1.000 pmol • m ^-2 • s ^-1) og under lab lys (PAR <6 pmol • m ^-2 • s ^-1). Under høj strålingsintensitet, målt blade med EFM der var blevet dehydreret til vandet potentiale, der er typisk for veloplyste leaves på intakte planter ved middagstid viste lignende g _s som for blade målt på intakte planter med en Porometer (stjerne i fig. 2). Især for blade på maksimal fugt, var K _blad fire gange højere for blade udsat for høj end lav irradians (11 vs 2,8 mmol m ^-2 s ^-1 MPa ^-1), og derfor K _blad viste en kraftigere lys reaktion i godt hydratiserede blade end g _s. Yderligere, under højt irradians, faldt K _blad stærkere med dehydrering. The P ₈₀ var 0,93 MPa mindre negativ under højt end lav bestråling.

Figur 1. Leaf hydrauliske sårbarhed kurver for en tørke følsom (øverst) og en tørketolerante (nederst) arter (fra ^14,24). Hvert punkt repræsenterer en syndGLE måling af blad hydraulisk ledningsevne (K _blade) på en fritliggende blad ved hjælp af fordampning flux metoden (EFM). De lodrette søjler repræsenterer vandet potentiale, ved hvilket de arter mistet 80% af initial blade hydrauliske konduktans (P _80). Best fit funktioner med maksimal sandsynlighed er plottet for begge arter.

Figur 2. Reaktionen af stomatakonduktans (g _s) og blad hydrauliske ledningsevne (K _blade) til faldende blade vand potentiale for Raphiolepis indica målt under højt vs lav bestråling (fra ^16). (PAR> 1.000 og <6 mmol • m ^-2 • s^-1). Hvert punkt repræsenterer en enkelt måling på et løsrevet blad ved hjælp af fordampning flux metoden (EFM), med hvide og sorte prikker, der repræsenterer blade målt under høj og lav bestråling hhv. Ligninger for stomatakonduktans kurver i høj vs lav irradians: og . Ligninger for sårbarhed kurver i høj vs lav irradians: og . Den grå stjerne i det øverste panel repræsenterer middelværdien ± standard fejl for g _s og blade vand potentiale målt på blade af intakte planter ved middagstid med et Porometer. Grå og sorte lodrette bjælker i det nederste panel udgør vandet potentiale, ved hvilket de arter mistet 80% af initial blade hydrauliske konduktans (P ₈₀₎ under høj og lav bestråling hhv.

Discussion

Den fordampningsemissionen flux metode præsenteres her tillader relativt hurtig (30 min) bestemmelse af blade hydraulisk ledningsevne i laboratoriet med samtidig måling af stomatakonduktans.

EFM er så langt den metode, der bedst følger den naturlige vej af vand i bladene, da vandet fordamper i bladet luftrum og diffunderer fra stomata ^15. En række andre eksperimentelle metoder til K _blad bestemmelse eksisterer ²⁵ med tre er særligt almindelig. (1) I det høje tryk flow metoden (HPFM), vand skubbes gennem bladet under højt tryk ^15,26. Imidlertid kan sårbarhed kurver ikke opnås med denne metode, fordi anvendte positive tryk kan påfylde emboli og rehydrere mesophyll tissue. (2) Ved rehydrering kinetik metoden (RKM), K _blad beregnes ved hjælp af analogi mellem rehydrering af dehydrerede blade med lmarging af en kondensator i serie med en modstande ^27,28. Denne metode er hurtig, men ikke gengiver hele systemet af naturlige transpirational veje i bladet og ikke let modificeres for at muliggøre måling af blade akklimatiseret til høj bestråling. (3) I vakuumpumpen metoden (VPM) Bladet anbringes i et kammer, dens stilk forbundet til en vandkilde på en vægt, mens støvsugere af forskellige intensiteter påføres på bladet kørsel vandtab fra bladet ^15,26. Denne metode kan være tidskrævende. Målinger under anvendelse af alle tre metoder har vist sig at give overensstemmende resultater ^15,28,29 og dermed EFM bruges ofte givet sin er baseret på transpirational vandbevægelse, og dens relative hurtighed og sin modifikation til måling K _blad under forskellige betingelser.

Alle de typiske metoder, der anvendes til bestemmelse af K _blad indebærer en grad af usikkerhed at kvantificere accurately den drivende kraft svarende til transpiration ^25. I EFM benyttede ΔΨ _blad til at beregne K _blad er lavere end den sande drivkraft, da den er baseret på hovedparten Ψ _blad når bladet ækvilibreres til trykbeholder. På dette tidspunkt indeholder hovedparten Ψ _blade ikke nødvendigvis den vandpotentiale af cellerne ved afslutningen af den hydrauliske pathway, når vandet fordamper, men snarere et volumen-vægtede gennemsnit for de relativt få celler med lav vandpotentiale, hvor vand er flytning og inddampning, og for de mere talrige celler med højt vandpotentiale, der kan isoleres fra transpiration stream. Hvor meget Ψ _blad afviger fra den sande drivkraft afhænger således af, hvor vandet fordamper i bladet. Hvis vand fordamper gennem hele bladet, kan hovedparten Ψ _blad være tæt på den sande drivkraft, og hvis vandet fordamper kun fra relativt få cAlen nær stomata, kan hovedparten Ψ _blad væsentlige undervurdere den sande drivkraft, dvs vandet potentiale af disse celler faktisk kan være meget mindre, og dermed faktiske K _blad ville være lavere end den, der bestemmes med EFM. Således er graden at K _blade bestemt ved EFM repræsenterer den sande Ki _blad er følsom over for strømningsforholdene veje, som stadig ikke godt forstået. Mens EFM giver data, der matcher de andre metoder til at måle K _blad (se ovenfor), og er fremragende til sammenlignende brug, muligheden for arts-variation i afstrømningen veje gennem mesophyll kræver yderligere undersøgelser. Selv for blade af given art, kan disse vand veje variere under forskellige forhold, fx under forskellige bølgelængder og varmebelastninger ^4,30 eller af forskellig vandtilstanden (givet væv svind) ^31. Yderligere videnaf vand transportveje ville således gøre det muligt for EFM der skal anvendes til løsning af virkningerne af de skiftende veje på den samlede blad hydraulisk transport.

Målingen af stomatakonduktans i EFM har fordelene ved at tillade bestemmelse af reaktioner på irradians og dehydrering, og give matchede reaktioner g _s med K _blad. Desuden kan virkningen af forudgående blad dehydrering efterfulgt af rehydrering den g _s vurderes med denne metode. Men denne metode har to potentielle ulemper. For det første er denne g _s måling foretaget på udskåret blad, frem for et intakt plante, og det andet er fastsættelsen af stomatakonduktans baseret på klima måling nogen afstand fra bladet frem tæt på bladet, som i en Porometer kammer , selv om ventilation af blade med ventilatoren ækvilibrerer bladoverfladen med omgivende luft. For visse arter, udskåretblade kan vise forskellige stomatale reaktioner end for blade på en intakt plante ^16,32. Men for flere arter g _s estimeres ved anvendelse af EFM svarede til værdier målt på intakte planter med en Porometer for blade ved middagstid Ψ _blad ¹⁶ (fig. 2).

EFM kan anvendes til fysiologisk indsigt, dvs undersøge dynamikken i K _blad, sit grundlag i struktur og anatomi, og dens reaktioner på miljømæssige faktorer. Derudover kan fremgangsmåden anvendes til at sammenligne planter af givne arter dyrket under forskellige betingelser, eller i forskellige aldre, eller at sammenligne planter af forskellige arter tilpasset forskellige miljøer.

Ved at konstruere blad sårbarhed kurver, kan man få et indblik i de mekanismer arter tolerancer i henhold til tørke. Under tørke, er kavitation og celle kollaps vist sig at forekomme i bladet veddet af nogle arter, og celle krympning i mesophyll under dehydrering kan også påvirke vandbevægelse (revideret i ^14). Fremtidige undersøgelser vil være nødvendige for at bestemme den relative betydning af hver af disse processer i kørsel nedgangen i K _blade og stomatal lukning.

Irradians er også en stærk faktor K _blad og EFM er særdeles velegnet til målinger under høj irradians. Den kombinerede reaktion aquaporiner til irradians og tørke bør vinde stor interesse. Høj irradians fører til øget ekspression og / eller aktivering af aquaporiner, der tillader hurtigere vandstrømning gennem levende celler, øget K _blad, hvorimod Dehydrering fører til reduceret ekspression og / eller de-activatation af aquaporiner, reducerer K _blad. De kombinerede virkninger af bestråling og vandforsyning på K _blad kræver yderligere undersøgelser ^4,10,16,33.

telt "> Yderligere, på tværs af arter, har K _blade og dens sårbarhed været relateret til arter distributioner med hensyn til levering af lys vand og andre ressourcer ^3,13,24. Arter fra tørre områder tendens til at vise større modstand mod hydraulisk tilbagegang, vender mere negative jordvæske potentialer, og ved at opretholde en høj K _blad på mere negative potentialer vand, kan de opretholde høje g _s og fortsætte med at opfange _CO2 i fotosyntesen ^13,14. Således studiet af blad hydrauliske egenskaber giver indsigt på niveauet for celle, blade, og hele anlægget og dets reaktioner på miljøet, og er tilbøjelige til at give en lang række vigtige nye opdagelser på alle skalaer.