植物木质部导水率,栓塞以及脆弱曲线的原理和测量

2019-08-02 13:53:49 90

植物木质部结构和功能:

结构:

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功能:是运输水分和无机盐的通道。茎里的导管与根、叶中的导管相通,水分和无机盐在导管中能自下而上地向枝端运输。

 

植物细胞水势组成

植物细胞水势Ψt=Ψp+Ψπ+Ψg(Ψp为压力势,Ψπ为渗透势,ψg为重力水势)

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植物水势测量相关仪器:


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植物导水率Hydraulic conductance(K)

f植物导水率【又称植物水分传导,Plant hydraulic conductance ( K)】 表示单位压力梯度(MPa)下植物传导水分的通量(kg·s-1)。是根系吸收及传导水分能力的一个重要生理生态指标。

f植物导水率的大小与根区土壤水分、养分、盐分和温度等因素有关, 环境因素的胁迫会降低植物根系导水率,  导致叶水分亏缺、气孔开度减小并抑制生长

f 在干旱条件下,  适当调节植物导水率,  调控气孔开度和叶片失水,  对维持植物体内水分平衡有重要作用

植物导水率原理Hydraulic conductance (K)

f 欧姆定律

f V=IR ( V是电压,I 为电流,R为电阻)

f 欧姆定律类推

f R=1/K

f ΔP = JR( ΔP 是水压,J是水流速,R为阻力值)

f 得出结论 K=J/ΔP

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导水率的引申1

f导水率Conductance  (K) 衡量的是单位长度单位面积下的导水能力,于枝干的长度和表面面积无关

f 比导水率Conductivity(Kh)   Kh=1/R*L=J*L/ΔP

fSpecific Conductivity(Ks) Ks=K h/xylem area

fLeaf spectific Conductivity(KL)KL=K h/supported leaf area

导水率的引申2

f根据泊松公式

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f 代入后

Kh=πd 4/128η

r为半径,d为流通水的导管的直径,η是液体粘度。

由此可知,导水率受直径的影响很大


测量导水率的方法

f1、传统方法,天平,温度计,量尺

f 2、压力室法,逐渐增加根部压力,并用天平记录液体流速

f 3、根压力传感器法,测量植物根部和茎秆压力,用天平记录流速

f 4、高压流速仪法,将植物根部水压增大到一定高压,时刻记录压力和流速,得出导水率(例如XYL’EM)

 

XYL'EM (Bronkhors)

法国国家农业研究院发明,委托Brankhors的分公司生产

用途:可以测量起始导水率,全饱和导水率,以及栓塞程度

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  仪器原理及示意图

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AB是对照CD是模拟干旱处理(PEG6000处理)

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相关数据表格

气穴和栓塞

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植物气穴栓塞发生

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气穴如何产生

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Pb=2T/r+P x(ifP b>2T/r+P x bubble will expand)

   △P代表产生气泡所需的压力差 ,T代表木质部液体的表面张力,Θ代表液体水的接触角度 ,D代表壁孔的直径

   Pb代表气泡内部压力,T代表液体的表面张力,r代表气泡的半径,Px代表木质部液体压力,因此r越大和P越负,就越容易膨胀

 

干旱VS 冷冻胁迫

f 壁孔直径在干旱诱导的栓塞中起主导作用

f 茎秆或者根的尺寸(直径和长度)在冷冻诱导的栓塞中起主导作用

 

栓塞的测量

f  可以通过染色,声波,以及低温扫描电镜进行观察,但是通过测量导水率的减少来测量栓塞可以量化栓塞程度,该方法由Sperry于1988年提出。木质部导水率的损失百分

比(PLC)可以由下方公式表达出:

PLC=100*(1-K /K)

K′为初始导水率,K为全饱和导水率

PLC=0时无栓塞,PLC=1时表明所有导管都发生了栓塞

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脆弱曲线

f 脆弱曲线是表征植物随着木质部压力的增大发生栓塞的脆弱程度,即是PLC和Px的关系曲线

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脆弱曲线相关仪器

       f干燥台干燥法

大枝条放在干燥台干燥并测量水势,当到达一定水势后,将枝条放在水中切割样本,并测量PLC,需要多根枝条绘制VCs曲线,耗时比较长

        f超级室法(Model 600-EXP)

将切断的一头放在开放端口,维持一定压力直到切断头不再有液体流出,加压结束后塑料袋套住枝条防止蒸腾并允许气体溢出和大气平衡,水中收集样本并测量PLC。需要多根树枝。但气压可控,且与干燥台干燥法结果非常吻合

         f气穴室法(1505D-EXP):

  • 先通过XY’lem Plus测量PLC

  • 对组织进行加压,到达目标压力并维持一段时间后,放气,测量PLC

  • 施加更大的压力,测量PLC.

  • 重复以上动作直至实验完成,并绘制曲线

  • 测量时间快,但是结果不是非常精确,因为枝干两端会有气泡,有时候需要环切和去掉树皮,方便空气进入,长枝条结果偏大。需要用干燥平台法来衡量该方法是否合适。