Plant Physiology | 北京林业大学席本野团队揭示杨树根系内蒸发驱动的水力再分配及其抗旱新机制

以下文章来源于植物生理PlantPhysiol ，作者PP

近日，北京林业大学席本野教授研究团队在Plant Physiology在线发表了题为Evaporation-driven internal hydraulic redistribution alleviates root drought stress: mechanisms and modeling的研究论文。该论文基于长期田间试验监测，利用模型构建与数值模拟的方法，对毛白杨侧根内存在的“蒸发驱动的水力再分配现象（EDHR）”现象进行了模拟与验证，揭示了该现象的发生过程与抗旱机制，为木质部结构与植物水力学之间关系提供了新见解。

毛白杨是中国北方重要的用材与防护树种。在团队前期研究中，发现了一项全新且从未被报道过的根系水力再分配模式，并将其命名为了“蒸发驱动的水力再分配（EDHR）”（Liu et al., 2021, Plant Physiology）。为了进一步探究该现象的发生机制、影响因子与生理生态学意义。本研究对毛白杨的根系液流展开了长期监测，并利用micro-CT技术对侧根导管网络进行重建，在此基础上构建了不同水力构架的根系吸水模型，对EDHR现象进行了模拟与验证，揭示了其发生机制，量化了其生理生态学意义。

毛白杨侧根木质部由向上连接和向下连接的两种类型导管组成。在侧根发育早期，两种类型导管呈现为上下对称分布，随着侧根逐渐发育成熟，新形成的导管均为向上连接（图1）。基于观测到的侧根导管结构，构建了不同水力构架的根系吸水模型，模型模拟结果揭示了EDHR现象的本质是由植物木质部网络内部的水势梯度引起的内部水力再分配。该现象的发生需要三个的必要条件：高蒸发需求（蒸腾）、不同土层间存在较大的水势梯度、特殊的木质部结构。在浅层土壤极端干燥的条件下，EDHR可以使木质部水势提高38.9%–41.6%，极大程度缓解了浅层根系所面临的干旱胁迫。此外，不同水力构架的侧根存在着水力“安全–效率”权衡策略（图2）。

图1 毛白杨侧根导管网络结构

A, 侧根的体积绘制; 根据生长年轮, 侧根木质部被划分为了三个发育阶段; B, 导管网络; C, D, E, 三个发育阶段的导管网络; F, G, H, 三个发育阶段的导管结构示意图; 比例尺= 1.0 mm。

综上所述，该研究提出了新根系吸水模型，从物理角度模拟并验证了EDHR现象的发生，揭示了EDHR在提高植物抗旱性方面的重要生态生理意义。新提出的模型为根系复杂木质部结构及其对水分运动的影响提供了新的见解，有助于增强对木质部结构与植物水力学之间关系的理解。

图2 侧根木质部结构与水力“安全–效率”权衡策略

HA1和HA2代表不同水力构架的侧根结构; 左侧图代表侧根处于湿润的土壤条件，右侧图代表侧根处于干旱的土壤条件; 虚线箭头表示通过导管间纹孔的周向（横向）水输送。箭头方向代表侧根内部水分运输方向，箭头粗细代表水分运输量。

北京林业大学林学院博士生刘洋为论文第一作者，林学院席本野教授为本文的通讯作者。该项研究由捷克布尔诺孟德尔大学Nadezhda Nadezhdina教授、新西兰植物与植物研究所胡伟研究员、新西兰皇家科学院主席与中国工程院外籍院士Brent Clothier、北京林业大学林学院段劼副教授、中央民族大学生命与环境科学学院李熙萌副教授共同参与，并且得到了国家自然科学基金（32171763, 31872702）的支持。研究团队特别感谢北京时域通科技有限公司，为本研究的田间监测提供设备与技术支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad364

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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