Plant Physiology: 植物根系對「節約用水」 的崇高追求

2021-02-11 壯根美顏

2021年1月29日，北京林業大學席奔野老師課題組在國際高水平期刊 Plant Physiology 發表題為「 An undiscovered facet of hydraulic redistribution driven by evaporation — A study from a Populus tomentosa plantation」 的文章。

正如年年歲歲花相似，歲歲年年人不同。只道是不悔夢歸處，只恨太匆匆。

      目前，水分再分配（hydraulic redistribution， HR）包括幾種類型：垂直型 HR（包括根系提水和水分下傳），水平型 HR，葉吸收和組織脫水。水分再分配的機制對植物和生態系統具有至關重要的作用。通過 HR 在根區土壤重新分配水分，可以改善土壤水分的存儲和利用，從而實現根系區域的水分分布均勻化。HR 不僅有助於避免木質部栓化，並保護淺根系在乾燥的土壤中存活來維持其功能，而且可以促進表層土壤中有機質的分解和氮循環。中國白楊樹具有水平擴展的側根和深根系，能佔據更多土層。      我們在研究毛白楊的水力再分配特徵時，偶然發現了未知的根系水分運輸模式。即，白天在某些根系表面中同時存在雙向水分運輸。為了對這種現象有一個基本的理解，本研究在不同灌溉方式下種植的毛白楊人工林進行兩年的研究，以回答三個關鍵問題：1）這種現象是否發生在所有根系表面？2）發生這種現象需要跟系構型具有哪些形態學特徵？3）土壤和植物的哪些因素導致根系表面發生的雙向水分運輸？

1、雙向的水力再分配特徵僅存在於表層土壤中生長的側根。 

2、從長遠來看，雙向水分流動與土壤含水量相關。然而，在一天之內，它與蒸騰作用有關。 

3、白天根系表面的水分雙向流動是由蒸騰作用驅動的，這進一步表明側根木質部中存在周向水運動，即蒸騰驅動的水分再分配（EDHR）。

4、EDHR 可能是關鍵的耐旱機制，通過在極端乾燥的條件下促進根系水分補給，植物可以維持淺層根系的存活和活性。

       

Figure 1. Soil water content (SWC) in 2019. No irrigation treatment (A), control irrigation treatment (B), and full irrigation treatment (C).

Figure 2. Plan view of measured roots and their cross-sections at measured positions. Roots in no irrigation treatment in 2018 (A) and 2019 (D), control irrigation treatment in 2018 (B), and full irrigation treatment in 2018 (C) and 2019 (E).
Figure 3. The long-term relationship between daily root sap flow and daily soil water content (SWC). Root 1 (A), root 2 (B), and root 9 (C). The shaded area indicates positive sap flow, and the white area indicates reverse sap flow.
Figure 4. Diurnal sap-flow relationship between stem and root 1 and within the measured positions in root 1.

Figure 5. The root system of Populus tomentosa and water transport model. Actual root system of a five-year-old P. tomentosa tree (A), where the shaded area highlights two root types (I, II). Shallow soil water status progresses from wet (B) to dry (C).  

       EDHR 可能是通過促進根系內水分流動來維持淺根存活和植物活性的基本抗旱機制。這種植物抗旱策略對於乾旱和半乾旱地區的森林生態系統維持其功能可能至關重要。此外，我們假設，如果滿足以下條件，則在具有 dimorphic 根系的植物中以及其他生態系統類型中也可能觀察到 EDHR：通過在非常乾燥的土壤（以避免因夜晚提水作用對土壤水分補償的影響）中設置多點傳感器檢測大量側根中（不包括垂直生長的側根）的液流。  因此，本研究主張應針對不同的樹種和森林生態系統更徹底地調查 EDHR。

文章題目：

An undiscovered facet of hydraulic redistribution driven by evaporation—A study from a Populus tomentosa plantation

文章連結：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiab036

 

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