【Nature Plants】奥地利研究人员等提出植物光合作用和水力学的大一统理论

2022年10月27日，Nature Plants在线发表了奥地利国际应用系统分析研究所、印度科学理工学院和日本冲绳科学技术大学院大学Jaideep Joshi及其合作者题为“Towards a unified theory of plant photosynthesis and hydraulics”的研究论文。该研究以水平衡原理、光合协调假说和利润最大化假说为基础提出了植物光合作用和水力学的大一统理论，并通过该模型准确预测了植物气孔和光合作用对土壤干旱的响应，以及植物光合作用对蒸汽压不足、温度、光照强度和二氧化碳的依赖性；为研究全球性植物光合作用和水力学之间的关系，开辟了新的途径。

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01244-5

全球的碳和水循环，可通过陆地植物平衡碳增益和水力风险的适应性调控机制，从而使叶片对二氧化碳的获取和水蒸气交换耦合在一起。C3植物光合作用途径的基本困境是，当气孔打开吸收二氧化碳进行碳同化时，水分会通过蒸腾作用流失；而植物的蒸腾作用需要由根部、运输组织和叶子中的负水势来维持。如果根区的可用水下降或叶片表面的蒸汽压不足，会诱导植物通过关闭气孔以响应干燥的土壤和大气条件来避免水力衰竭。然而，关闭气孔也会导致碳同化下降，从而使二氧化碳吸收和水分流失之间形成紧密耦合。然而，植物生理是如何适应每日到每周时间尺度上土壤水分干旱的影响的，这种长期适应又是如何影响气孔对短期水分胁迫的敏感性的，目前仍不清楚。

为了解决上述问题，并准确预测植物光合作用和水力学之间的耦合机制，研究人员首先提出了一个植物光合作用和水力学的大一统理论。该理论以水平衡原理、光合协调假说和利润最大化假说为基础，将光合协调假说与植物水力学原理结合在一个单一的最优框架内，从而同时预测叶片对多个时间尺度变化的气孔反应和生化适应性（Figure 1）。

Figure 1. 大一统理论的模型示意图

通过在18个物种中检测，该研究发现该模型可正确预测植物光合作用对土壤水分的响应；包括碳同化率（A）、气孔导度（gs）、叶内外的CO2比（ci:ca或χ）和土壤与叶间的水势差（Δψ）的变化。与已发表实验数据对比表明，该模型预测的植物光合作用对土壤水分的依赖关系与干旱期实验中观察到的非常相似。另外，对渐进性土壤干旱的光合反应的预测也与观察到的实验结果一致，碳同化率、气孔导度和光合能力同时下降（Figure 2）。

Figure 2. 大一统理论预测与渐进性土壤干旱实验数据的比较

该研究进一步利用该模型对蒸汽压不足的植物光合作用响应进行预测，并显示该模型预测的函数关系与实验数据结果非常匹配。最后，研究人员将植物水力性状中几种广泛观察到的数据模式与相应的模型预测模式进行了比较，包括1）18种植物的叶中水势与土壤中水势的斜率预测与全球102种植物的实验数据库；2）7种植物的水力脆弱性预测与实验观察到的膨胀压丢失点的关系；3）植物水力脆弱性（ψ50）预测与植物水力传导率（Kp）预测的关系；4）18种植物气孔关闭点的预测与实验观察到的木质部水力脆弱性的关系。一种水力效率的衡量标准。结果显示，与观察到的实验数据模式一致，该模型可准确预测植物气孔和光合作用对土壤干旱的响应，以及植物光合作用对蒸汽压不足、温度、光照强度和二氧化碳的依赖性（Figure 3）。

Figure 3. 模型预测与广泛观察到的数据模式一致

综上所述，该研究提出了一个植物光合作用和水力学耦合的大一统理论，并通过比较18种植物的相关预测与实验数据模式表明，该大一统理论模型可正确预测植物光合作用响应和水力策略相关的实验观察结果；为可靠地模拟土壤干燥和大气CO2上升对全球植物光合作用和蒸腾作用的相互影响，开辟了新的研究途径。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01244-5

转自：“iPlants”微信公众号

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