2017年2月由加州大學洛杉磯分校生態學和進化生物學系的ChristineScoffoni為一作及通訊作者在Plant Physiology發表了題為"木質部外部脆弱性，而不是木質部栓塞，控制脫水過程中葉片水力下降" 的研究論文，研究了八種被子植物的葉片水力特徵及顯微結構，表明葉片在乾旱脫水過程中其葉片脆弱性下降的主要是植物的木質部外水力脆弱性來決定的。
一、背景
葉片水力供應對於保持開放的氣孔以捕獲二氧化碳和植物生長至關重要。在乾旱脫水過程中，葉片水力導度(Kleaf)下降，導致氣孔關閉，最終可能導致葉片死亡。先前的研究傾向於將Kleaf的下降歸因於葉脈木質部的栓塞。人們普遍認為木質部導管的栓塞是乾旱期間水力下降的主要原因,它會導致氣體交換率下降並最終導致植物死亡。儘管栓塞是莖部水力功能衰竭的主要原因，但它在葉片中的作用尚不清楚。理解栓塞對葉片水力功能的作用可能甚比在莖中更為重要，因為葉片代表了水力瓶頸，可以決定植物的水力響應以及乾旱期間氣孔導度和光合作用的下降。葉片極易受到乾旱脫水的影響，葉片的水力傳導率（K葉片）通常在飽滿和失去飽滿點之間迅速下降，在極端脫水時這種下降則更為強烈。乾旱引起的Kleaf減少不僅可以通過減少靜脈木質部水力傳導來驅動（K x），還可以通過減少外部木質部的水導率（K ox）來實現。
研究表明，伴隨著木質部外部脫水或膜水通道蛋白失活的細胞皺縮會強烈降低Kleaf。然而，Kx和Kox的脆弱性及其對Kleaf的影響隨著脫水而下降，尚未得到明確的解開。一項研究將Kleaf的脆弱性分為Kx和Kox的脆弱性，發現兩者的貢獻取決於物種，但在低光照下進行測量，可使K ox在膨脹損失點之前的響應最小化。對Kx和Kox的相對作用的有力檢驗取決於對光照葉片的測定以及對木質部栓塞形成的直接觀察。為測定木質部栓塞的相對作用和木質部外部特性的變化來確定脫水過程中Kleaf下降提供了依據。
二、研究方法
1．植物材料
自8個科的8個被子植物，對八個物種的家系，起源，耐旱性等進行了測量（表1）
2．MicroCT
使用高解析度的MicroCT（Beamline8.3.2）以達到木質部的栓塞以及所有葉脈和葉肉組織的結構變化的直接可視化。對每種葉片進行了9至12次掃描，掃描了葉片中央的中脈和周圍葉肉組織，這些葉片的水勢橫跨了Kx脆弱性曲線所獲得的整個葉片水勢範圍。在沿著MicroCT主軸的底部，中部和頂部隨機選擇的三個橫截面圖像，使用ImageJ軟體對中脈導管栓塞以及葉肉細胞和組織尺寸進行了定量。使用從每種物種的相同植物；中採樣並通過光學顯微鏡觀察的三片葉子的橫截面的數據來估計這些葉子的橫截面中脈導管的總數。進而計算了給定葉片水勢下的中脈導管栓塞的百分比（％EMC）。
研究表明對於給定物種的水分充足的葉片，其中脈木質部導管的數量與中脈血管橫截面積成比例。從水分充足葉片的光學顯微鏡獲得的中脈橫截面中木質部導管的總數，進而得到其中脈導管面積。由此確定相應物種的水分充足葉片（CNA hydr）在每個區域的導管數量及面積。對於每個物種的掃描其脫水的葉片（必須考慮葉脈導管面積的收縮與水勢），繪製發生脫水葉片（ASdehyr）葉脈導管面積圖，並使用光學顯微鏡對三片完全水合的葉片水勢進行測量，從而估計相對於每片葉片的0 MPa值（ASdehyr）相對於面積收縮的比例。獲得的每個掃描葉片的導管數量（CN）為：
計算了每張掃描葉片中栓塞導管的數量（CN emb），並計算了％EMC為：
3．測量葉片和葉片木質部脆弱性曲線
使用先前的同一個人發布的本研究中的八個研究物種中七個物種的葉片脆弱性曲線。使用蒸發通量法對Kleaf脆弱性進行了測量。使用真空泵法，針對已經得到Kleaf脆弱性曲線的同一個體得到Kx的脆弱性曲線。使用R 3.1.0中的optim函數，選擇了最適合每個物種數據的最大似然函數，進行水力脆弱性曲線的構造。
4．葉片外部木質部脆弱性曲線的確定
基於下式，從Kleaf和K x值沿著給定物種測試的水勢範圍（即，從最大Kleaf直到其下降到可以忽略的水平）構建了K ox脆弱性曲線。
5．整株植物水力模型模擬
植物水力氣孔模型基於達西定律，假定為穩態流量，並在給定土壤水勢和VPD(增加的蒸氣壓虧缺)輸入以及全根水力傳導響應參數的情況下，同時解析每個植物成分的水勢和水力傳導率。對於給定了Kox和Kx的脆弱性曲線的物種，模擬了土壤水勢下降或VPD增加的影響。根據對先前的文獻，對於這些物種的莖，根或氣孔對脫水反應的數據使用估計值，對於這些物種的根、莖的水力進行建模。
6．脫水模擬部木質部外水分流動路徑
使用了葉片木質部外的水分流動路徑的空間顯式模型，該模型可以通過葉片解剖進行參數化，以研究脫水導致的K ox急劇下降的潛在原因。進而使用在膨脹損失點（通過測量PV曲線得到）處觀察到的葉片各組織尺寸值，模擬了在膨脹損失點處膜通透性，細胞連通性和細胞壁厚度下降對K ox的影響。
7.葉片內細胞和組織的光學顯微鏡
使用了先前發表的對四種本研究物種的同一個體進行的不同解剖學特徵研究的圖像。使用ImageJ，我們測量了葉脈的血管束面積，並計算了木質部導管的總數。對植物液壓-氣孔系統的模型模擬表明，一般來說，跨物種，對於四個物種中的三個物種，在大氣乾旱（VPD）或土壤乾旱的多種情況下，K ox的下降不僅決定了Kleaf的下降，而且決定了整株水力傳導率的下降（圖4）。事實上，整個植物液壓系統對任何一種乾旱的電導率損失百分比的軌跡都與Kox有很強的重疊。這樣的結果與以下假設相吻合：即強烈的Kox下降將作為保護瓶頸，在許多大氣和土壤乾旱的情況下保護葉片和莖木質部免受可能導致災難性栓塞的張力。另外，莖栓塞在大多數情況下都是不可逆的（Urli等，2013），這種保護作用對於高碳投資的長壽命葉片和莖最為重要，這在許多乾旱多發的系統（如叢林群落）中很常見。木質部外途徑對脫水更敏感的另一個潛在優勢是，與木質部中的導管栓塞相比，木質部外途徑水勢的恢復速度更快。因此，在乾旱和恢復周期中，木質部外部途徑的脫水比木質部栓塞更可逆。
如果葉肉中水勢的急劇下降影響氣孔關閉，K ox和K葉片的下降可能進一步保護莖木質部免受強張力和栓塞的影響，氣孔關閉的趨勢往往遠高於ΨTLP，因此ķox可能在氣孔控制中起重要作用。
2．脫水導致Kox下降的決定因素
在所有四個物種中，在質外體屏障的情況下膜通透性的降低是唯一可以直接說明脫水過程中Kox值下降的因素。模型模擬顯示，在質外性屏障作用下，膜滲透率降低80％，導致Kox值降低58％至86％，但是，如果沒有質外性障礙，Kox的降低由於膜滲透性的降低，將不足以克服組織收縮的不利影響（圖6）。前人研究表明，膜通透性的降低可能是由於細胞脫水導致水通道蛋白活性降低所致，因此本文發現與以下假設相吻合：水通道蛋白活性降低（可能由脫水過程中的膨大下降或脫落酸產生所致）會導致Kox下降。
3．Kox脆弱性與耐旱性有關
葉膨壓損失點（Ψ TLP）是跨物種的生態系統的乾旱耐受性的良好指標，最近，一些研究表明，在不同的被子植物物種中，P 50，Kleaf與Ψ TLP密切相關。在八個物種中Kox與Kleaf的脆弱性曲線更為相近，脆弱性Kleaf的脆弱性到脫水主要取決於由Kox的脆弱性,則Kox在很大程度上與植物的耐旱性相關。
四、結論
結合經驗，視覺和建模方法，在八個不同的物種中，觀察到的Kleaf在輕度脫水過程中的下降主要是由與木質部外的水力傳導損失所決定的。葉片通過調節K ox來避免災難性的木質部衰竭。氣孔關閉後在極端乾旱下，葉脈和莖栓塞可能不可避免，並導致災難性的水力衰竭。研究發現確定了包括束鞘在內的葉肉組織是進行性乾旱期間控制葉片和植物水分運輸的中心場所。
五、評述
本篇文章通過MicroCT對葉片木質部栓塞進行定量並得到Kox，用光學顯微鏡的方法對葉片組織進行可視化，並結合前人的研究數據採用建模的方法研究了脫水導致的K ox急劇下降的潛在原因。本篇文章揭示了在輕度乾旱脅迫下，葉片脫水過程中的水力下降是由木質部外部的脆弱性控制的。思考：本篇研究由於建模過程中使用到許多參數，並且有些參數無法進行測定，所得結果可能存在一定的偏差，但其也給我們對於在輕度乾旱脅迫下針對葉片的研究提供了一些新的想法及思路，並對日後進行Kox的研究提供了一定的方向。
文字|李一寧
排版|周慧榮