覃蘭麗， 龐玉堃， 張?zhí)旌疲?安倚東， 蔣國(guó)鳳*

( 1. 廣西大學(xué) 林學(xué)院， 廣西森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004； 2. 廣西大學(xué)亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004 )

水分是植物生存之本，決定植物的光合作用和生長(zhǎng)，植物木質(zhì)部導(dǎo)管(管胞)必須承受較強(qiáng)的負(fù)壓(張力)將水分從土壤運(yùn)送至葉片，即張力-內(nèi)聚力學(xué)說(shuō)(Cohesion-Tension theory)(Dixon & Joly, 1895)。根據(jù)張力-內(nèi)聚力學(xué)說(shuō)，植物通過(guò)根系吸收的土壤水分在張力的作用下以亞穩(wěn)態(tài)形式通過(guò)木質(zhì)部向上運(yùn)輸，形成連續(xù)的水柱。當(dāng)受到干旱脅迫時(shí)，從木質(zhì)部的周邊組織液或空氣空間逸出的氣體通過(guò)紋孔進(jìn)入導(dǎo)管(管胞)，破壞水柱連續(xù)性造成氣穴化(cavitation)(Tyree & Zimmermann, 2002)。植物的抗氣穴化能力通過(guò)測(cè)定木質(zhì)部脆弱性曲線(xiàn)(vulnerability curve, VC)來(lái)表征，表示木質(zhì)部導(dǎo)管的導(dǎo)水率隨著干旱水勢(shì)降低而下降直至完全喪失的過(guò)程，典型的曲線(xiàn)呈“S”型(Cochard et al., 2013)。隨著干旱加劇，水勢(shì)下降，木質(zhì)部導(dǎo)管形成更多的氣穴使導(dǎo)水率不斷降低，當(dāng)導(dǎo)水率降低50%或88%對(duì)應(yīng)的水勢(shì)值(,)，是評(píng)價(jià)植物抗旱性的關(guān)鍵指標(biāo)(李吉躍和翟洪波, 2000; 樊大勇和謝宗強(qiáng), 2004; Brodribb et al., 2017; Choat et al., 2018)。目前認(rèn)為，木質(zhì)部導(dǎo)管的氣穴化過(guò)程是不可逆的，針葉樹(shù)一旦經(jīng)歷低于的水勢(shì)，或者被子植物經(jīng)歷低于的水勢(shì)就會(huì)死亡(Brodribb et al, 2019; Liang et al., 2021)。在全球氣候變化的背景下，干旱頻度和強(qiáng)度顯著增加，全球不同地區(qū)的樹(shù)木因干旱脅迫，水勢(shì)不斷降低，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的水力功能失調(diào)而死亡的事件日益增加(Adams et al., 2010; Allen et al., 2010; Brodribb et al., 2020)。

然而，對(duì)于的獲取，目前多數(shù)都是通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)定方法，如注氣法(air-injection method)、離心法(cavitron method)和自然干燥法(bench dehydration method)(Sperry et al., 1988; Sperry & Saliendra, 1994; Cochard et al., 2005)，上述傳統(tǒng)測(cè)定方法都引入了壓力沖洗導(dǎo)管的步驟，該步驟通過(guò)高壓氯化鉀溶液沖洗導(dǎo)管中形成的氣穴而獲得最大導(dǎo)水率(Sperry et al., 1988; Cochard et al., 2013)。然而，正常植物部分導(dǎo)管不具備導(dǎo)水功能，沖洗會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的最大導(dǎo)水率，最終獲得誤差較大的脆弱性曲線(xiàn)(Rockwell et al., 2014)。隨著技術(shù)的發(fā)展，X-射線(xiàn)斷層掃描(X-ray computed microtomography, microCT)、冷凍掃描電鏡(cryo-scanning electron microscopy, cryo-SEM)、核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)和光學(xué)測(cè)定(optical light methods, OV)等可視化技術(shù)方法相應(yīng)被報(bào)道(Hukin et al., 2005; Brodersen et al., 2010; Brodribb et al., 2016; Knipfer et al., 2019)，可以直接可視化氣穴化形成過(guò)程，但上述方法大多成本高，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能廣泛推廣。最近報(bào)道的抽氣法(pneumatic method)能簡(jiǎn)單快速地測(cè)定植物的VC，該方法假設(shè)并證實(shí)了枝條木質(zhì)部的栓塞程度與抽取的枝條中氣體量(即栓塞產(chǎn)生的氣體)一致，通過(guò)抽取的氣體量與所測(cè)的木質(zhì)部水勢(shì)構(gòu)建VC，人為引入的干擾少(Pereira et al., 2016; Pereira et al., 2019)。雖然有極少報(bào)道稱(chēng)抽氣法不能完全抽取導(dǎo)管內(nèi)氣體，導(dǎo)致與有些方法測(cè)定結(jié)果不符(Chen et al., 2021)，但許多學(xué)者已運(yùn)用抽氣法測(cè)定植物根、莖、葉的VCs，在裸子植物和被子植物中與其他方法進(jìn)行驗(yàn)證，都獲得了很好的一致性(Zhang et al., 2018; Wu et al., 2020; Guan et al., 2021)。

基于的定量數(shù)據(jù)，結(jié)合植物的正午水勢(shì)()，可以計(jì)算植物的水力安全邊界(hydraulic safety margins, HSM)，評(píng)估植物在干旱時(shí)期水力失調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)程度(Choat et al., 2012; 譚鳳森等, 2019)。較低的HSM表示木質(zhì)部水勢(shì)接近于水力失調(diào)閾值，相反，較高的HSM說(shuō)明物種木質(zhì)部栓塞化程度風(fēng)險(xiǎn)較低。研究表明，大多數(shù)物種都具有較低的HSMs，表明物種在更干旱的生境中容易死亡(Choat et al., 2012; Engelbrecht, 2012)。

蘇鐵植物具有特殊的進(jìn)化地位(Nagalingum et al., 2011; Jiang et al., 2016; Lei et al., 2018)，雖然現(xiàn)存蘇鐵植物分化時(shí)間較短(Nagalingum et al., 2011)，但因其獨(dú)特的介于蕨類(lèi)植物和被子植物的古老的中間形態(tài)，仍被認(rèn)為是“活化石”(Brenner et al., 2003)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于全球變化和人類(lèi)活動(dòng)，現(xiàn)存被認(rèn)可的10屬334種蘇鐵植物，有多種蘇鐵瀕危，特別是蘇鐵屬植物40%的物種在國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)紅色名錄上(Marler & Marler, 2015)，因此，急需對(duì)現(xiàn)有蘇鐵植物開(kāi)展研究工作。目前，對(duì)蘇鐵植物的研究主要集中在系統(tǒng)發(fā)育及分類(lèi)地位(Feng et al., 2016, 2021)、解剖學(xué)(Tomlinson et al., 2018)、光合作用(Zhang et al., 2017)等方面，對(duì)其存活和分布至關(guān)重要的抗旱性研究較少，未見(jiàn)蘇鐵植物HSMs的報(bào)道。

本試驗(yàn)選取蘇鐵()、越南篦齒蘇鐵()和摩瑞大澤米蘇鐵()三種同質(zhì)園蘇鐵植物進(jìn)行研究。蘇鐵分布范圍較廣，在亞洲、非洲、大洋洲和南北美洲均有分布，越南篦齒蘇鐵主要分布在越南南部，摩瑞大澤米蘇鐵主要分布在澳大利亞(Jones, 2002)，后者與前兩者分布地區(qū)的最干季度降雨量極小值有較大差異，分別為67、19.6、12.15 mm [氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于WorldClim version 2(http://www.worldclim.org)]。蘇鐵植物主要以木質(zhì)部管胞運(yùn)輸水分(Norstog & Nicholls, 1997)，管胞為單細(xì)胞結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度在0.1～1 cm之間(Choat et al., 2008)。為了探究蘇鐵植物HSMs，結(jié)合蘇鐵自身木質(zhì)部結(jié)構(gòu)和實(shí)際蘇鐵植物材料的稀缺性，本試驗(yàn)選用認(rèn)可度較高的自然干燥法和最新發(fā)表的抽氣法測(cè)定三種同質(zhì)園蘇鐵的VCs，獲得和抗旱指標(biāo)。此外，為了檢驗(yàn)兩個(gè)方法測(cè)得的和的一致性，與已報(bào)道的五個(gè)木質(zhì)部管胞結(jié)構(gòu)植物 [地中海柏木()、巴西林仙()、北美喬柏()、海岸松()、歐洲赤松()]進(jìn)行分析(Pereira et al., 2016；Zhang et al., 2018)，其中地中海柏木水力學(xué)法的數(shù)據(jù)來(lái)自于Delzon等(2010)和Choat等(2012)的報(bào)道，北美喬柏?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于Delzon等(2010)、 Choat等(2012)和 McCulloh等(2014)的報(bào)道。結(jié)合管胞性狀和，旨在探究蘇鐵植物的水力安全邊界，闡明兩種方法測(cè)定結(jié)果的異同及可靠性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南寧植物園中的蘇鐵園位于廣西壯族自治區(qū)南寧市青秀區(qū)(108°38′ E、22°78′ N)，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候分布帶。海拔77.2 m，年均氣溫29 ℃，年降雨量1 300 mm，園區(qū)通過(guò)引種栽培了大量蘇鐵。

1.2 植物材料

由于自然干燥法需要使用大量材料，結(jié)合實(shí)際蘇鐵植物材料的有限性，本試驗(yàn)材料選用蘇鐵科(Cycadaceae)植物 [蘇鐵()、越南篦齒蘇鐵()]和澤米鐵科(Zamiaceae)植物 [摩瑞大澤米蘇鐵()]三個(gè)物種進(jìn)行測(cè)定。所選的試驗(yàn)個(gè)體都生長(zhǎng)在園區(qū)相近地點(diǎn)。于2021年3月至11月采樣，在傍晚太陽(yáng)落山之后，剪下帶羽片葉軸后立即用濕紙巾包住切口端，用黑色塑料袋帶回廣西大學(xué)亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。將切口端放置在水下剪斷3～5 cm，置于黑暗環(huán)境下復(fù)水一夜。

1.3 管胞長(zhǎng)度測(cè)量

管胞長(zhǎng)度測(cè)量依據(jù)(Jansen et al., 1998)標(biāo)準(zhǔn)步驟操作。將5 cm葉軸段放入離析液(HO∶CHCOOH= 1∶2)浸泡，于70 ℃烘箱放置72 h。清水清洗樣品3次，使用1%阿力新藍(lán)溶液染色10 min，制成臨時(shí)切片，用光學(xué)顯微鏡(Leica DM2500, Germany)觀察拍照，結(jié)合ImageJ 1.53c圖形處理軟件測(cè)量管胞長(zhǎng)度，每種至少測(cè)量50個(gè)管胞。

1.4 自動(dòng)抽氣法

基于文獻(xiàn)(Pereira et al., 2019; Trabi et al., 2021)報(bào)道的方法，每種選取5～7株個(gè)體，分別從頂端往下剪取復(fù)水好的長(zhǎng)約為50 cm含羽片葉軸。將葉軸連接到抽氣裝置上，裝置設(shè)置為每隔10 min進(jìn)行一次抽氣，每次抽氣1 min，每次自動(dòng)記錄120個(gè)數(shù)據(jù)，直到抽取氣體體積穩(wěn)定不再變化，停止抽氣。本試驗(yàn)經(jīng)過(guò)約為20 000 min的抽氣后，數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定值，此時(shí)羽片枯萎變黃，葉軸完全栓塞，達(dá)到最大氣體抽取量，取第15秒數(shù)據(jù)為最終壓力()(Pereira et al., 2016)進(jìn)行后續(xù)分析。

根據(jù)Pereira等(2016)的方法及理想氣體定律，從葉軸抽出的氣體摩爾量()根據(jù)以下公式計(jì)算：

=(-)

(1)

式中：為初始?jí)毫Γ粸楣艿荔w積；為氣體常數(shù)(8.314 kPa·L·mol·K)；為室溫(25 ℃ = 293.15 K)。在大氣壓力(= 99.6 kPa，南寧海拔77.2 m)下，氣體抽取體積(air discharged，，mL)計(jì)算如下：

(2)

氣體抽取量百分比(percentage of air discharged，，%)根據(jù)以下公式計(jì)算：

=(-)/(-)×100%

(3)

式中：為各個(gè)時(shí)間的氣體抽取量；為最大氣體抽取量；為最小氣體抽取量。

1.5 自然干燥法

根據(jù)(Sperry et al., 1988; Wheeler et al., 2013)報(bào)道的自然干燥法測(cè)定脆弱性曲線(xiàn)。本試驗(yàn)所不同的是，將一根約1 m長(zhǎng)葉軸分別干燥至不同水勢(shì)，剪取大于管胞長(zhǎng)度的短葉軸進(jìn)行測(cè)量。不同種若干葉軸自然干燥不同時(shí)間使其達(dá)到不同木質(zhì)部水勢(shì)，切取大于管胞長(zhǎng)度約為10 cm的短葉軸，將其羽片剪下，使用502膠水堵住切口和Parafilm封口膜包裹，放置在0.05%甲醛和0.01 mol L草酸溶液中(Sperry et al., 1988)，每隔30 min剪切兩端，長(zhǎng)約為1 cm，共3次，以達(dá)到釋放張力的效果。1 h后，使用流量計(jì)(LiquiFlow L13-AAD-11-K-10S; Bronkhorst High-Tech BVA, Ruurlo, Netherlands)結(jié)合流量分析程序FlowDDE 4.81和FlowPlot 3.35記錄流量，流量為穩(wěn)定后第一個(gè)30 s的數(shù)據(jù)，獲得實(shí)際導(dǎo)水率()。由于摩瑞大澤米蘇鐵存在黏液，將切取的短葉軸放在溶液2 h，發(fā)現(xiàn)其切口端黏液不再產(chǎn)生，再進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量后，將短葉軸連接到?jīng)_洗裝置，在約為2 kPa的壓力下使用草酸和甲醛混合溶液沖洗，待末端沒(méi)有氣泡產(chǎn)生且均勻出水時(shí)停止。沖洗后，測(cè)量最大導(dǎo)水率()。根據(jù)以下公式計(jì)算出導(dǎo)水率喪失百分比(percentage loss of hydraulic conductivity，，%):

(4)

摩瑞大澤米蘇鐵采集10根葉軸獲得24個(gè)有效數(shù)據(jù)，而蘇鐵和越南篦齒蘇鐵采集約20根葉軸分別獲得28個(gè)和38個(gè)有效數(shù)據(jù)。

1.6 木質(zhì)部水勢(shì)測(cè)量

在抽氣法測(cè)量水勢(shì)前兩個(gè)小時(shí)，用錫箔紙包住羽片，使得葉軸與羽片水勢(shì)平衡。剪切羽片后，立即使用膠水封住切口，以免氣體進(jìn)入葉軸木質(zhì)部造成漏氣，使用壓力室水勢(shì)儀(PMS 1505 D-EXP; Corvallis, OR, USA)測(cè)量木質(zhì)部水勢(shì)，記錄水勢(shì)和測(cè)量水勢(shì)的時(shí)間，采用插值法(每?jī)牲c(diǎn)水勢(shì)之間進(jìn)行一次曲線(xiàn)擬合)擬合(Pereira et al., 2019)。測(cè)量自然干燥法的水勢(shì)時(shí)，也需提前兩個(gè)小時(shí)使用錫箔紙包住羽片，并將整根葉軸放到黑色塑料袋中，利用壓力室水勢(shì)儀對(duì)平衡后的羽片進(jìn)行測(cè)量。

1.7 正午水勢(shì)及水力安全邊界的測(cè)定

在2021年7月至10月期間不連續(xù)(不少于3次)進(jìn)行正午水勢(shì)監(jiān)測(cè)，每次選擇連續(xù)晴朗一周后的12:00—14:00，采集每種3株個(gè)體，每個(gè)個(gè)體測(cè)量3片羽片，取多次測(cè)定的最低平均值作為正午水勢(shì)()。枝條水力安全邊界(HSM)=-。

1.8 數(shù)據(jù)分析

使用R(version 4.1.0, R Development Core Team, Vienna, Austria)的fitplc包和威布爾累計(jì)函數(shù)對(duì)、和水勢(shì)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合(Pammenter & Van, 1998; Duursma & Choat, 2017)，曲線(xiàn)擬合公式和、計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：為水勢(shì)()時(shí)相應(yīng)的導(dǎo)水率；為導(dǎo)水率喪失/氣體抽取量時(shí)的水勢(shì)()(如、為導(dǎo)水率喪失/氣體抽取量分別為50%、80%時(shí)的水勢(shì))；為的斜率(如為處曲線(xiàn)的斜率)。

為了比較兩種方法的差異性，使用R的fitplc包依據(jù)(Gauthey et al., 2020)非參數(shù)輔助程序法(nonparametric bootstrap)，計(jì)算兩種方法各2 500次，獲得的95%置信區(qū)間范圍，對(duì)比兩種方法的95%置信區(qū)間范圍是否存在重疊，若存在重疊，則無(wú)顯著差異。使用Sigmaplot 12.0軟件進(jìn)行相關(guān)性繪圖，SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘇鐵植物葉軸形態(tài)及管胞性狀

蘇鐵科(蘇鐵、越南篦齒蘇鐵)與澤米鐵科(摩瑞大澤米蘇鐵)的羽片形狀差異較明顯，即蘇鐵、越南篦齒蘇鐵羽片均為條形，且為單脈，摩瑞大澤米蘇鐵羽片為劍形，具有平行脈(圖1: A, B, C)。蘇鐵、越南篦齒蘇鐵和摩瑞大澤米蘇鐵管胞均為單細(xì)胞結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度分別為(4 413±378)、(5 146±730)、(6 954±862) μm，摩瑞大澤米蘇鐵的管胞長(zhǎng)度比蘇鐵、越南篦齒蘇鐵更長(zhǎng)，具有顯著差異(<0.05)，蘇鐵科兩個(gè)種的管胞長(zhǎng)度沒(méi)有顯著差異(圖1: D,E,F；表1)。

A, D. 蘇鐵; B, E. 越南篦齒蘇鐵; C, F. 摩瑞大澤米蘇鐵。A, D. Cycas revoluta; B, E. C. elongata; C, F. Macrozamia moorei.圖 1 三種蘇鐵植物的羽片形態(tài)和管胞長(zhǎng)度Fig. 1 Pinnae shape and tracheid lengths of three cycads

表 1 三種蘇鐵植物的管胞長(zhǎng)度、水力安全邊界和P50 95%置信區(qū)間(95% CI)Table 1 Tracheid length, hydraulic safety margins and 95% confidence interval (95% CI) of P50 for three cycads

2.2 木質(zhì)部脆弱性曲線(xiàn)

2.2.1 自然干燥法和抽氣法脆弱性曲線(xiàn)形態(tài)和參數(shù)的比較 自然干燥法和抽氣法測(cè)定三個(gè)物種脆弱性曲線(xiàn)，VCs均為“S”型(圖2)。蘇鐵、越南篦齒蘇鐵、摩瑞大澤米蘇鐵的和分別為-2.5、(-2.4±0.5) MPa，-2.3、(-3.6±0.7) MPa，-1.5、(-1.8±0.2) MPa，和分別為-4.0、(-3.7±0.6) MPa，-3.5、(-5.2±0.8) MPa，-2.2、(-2.3±0.3) MPa(圖2，表2)?？偟膩?lái)說(shuō)，除了越南篦齒蘇鐵外，蘇鐵和摩瑞大澤米蘇鐵兩種方法計(jì)算的差異不顯著，即95%置信區(qū)間(95% CI)不顯著(圖2，表1)，表明兩個(gè)物種的和一致。蘇鐵、越南篦齒蘇鐵和摩瑞大澤米蘇鐵的變異系數(shù)分別為13.7%、16.5%、2.1%(表2)。

A. 蘇鐵; B. 越南篦齒蘇鐵; C. 摩瑞大澤米蘇鐵。黑色圓形. 自然干燥法所測(cè)的點(diǎn); 灰色圓形. 抽氣法所測(cè)的點(diǎn); 灰色區(qū)域. 脆弱性曲線(xiàn)95%的置信區(qū)間(自然干燥法); 虛線(xiàn)區(qū)域. 脆弱性曲線(xiàn)95%的置信區(qū)間(抽氣法)。A. Cycas revoluta; B. C. elongata; C. Macrozamia moorei. Black dot. Data measured through bench dehydration method; Gray dot. Data measured through pneumatic method; Grey area. 95% confidence interval of the vulnerability curve (bench dehydration method); Dotted area. 95% confidence interval of the vulnerability curve (pneumatic method).圖 2 自然干燥法(黑色)和抽氣法(灰色)測(cè)定三種蘇鐵植物的脆弱性曲線(xiàn)Fig. 2 Vulnerability curves of three cycads measured through bench dehydration method (black) and pneumatic method(gray)

表 2 不同物種的P50 、P88及變異系數(shù)Table 2 P50 and P88 and coefficient of variation for different species

2.2.2 不同物種和的相關(guān)性 所測(cè)三個(gè)物種的和與已發(fā)表物種的和顯著相關(guān)(=0.72,=0.008 1;=0.87,=0.000 7; 圖3: A, B)。與已發(fā)表物種的數(shù)據(jù)相比，三個(gè)物種的和未偏離1∶1線(xiàn)，蘇鐵和摩瑞大澤米蘇鐵的和幾乎完全落在1∶1線(xiàn)上。

A. 導(dǎo)水率喪失或氣體抽取量為50%時(shí)的木質(zhì)部水勢(shì)(P50); B. 導(dǎo)水率喪失或氣體抽取量為88%時(shí)的木質(zhì)部水勢(shì) (P88)。虛線(xiàn). 1∶1線(xiàn)。不同物種用不同符號(hào)表示 . 地中海柏木; . 巴西林仙; . 北美喬柏; . 海岸松; . 歐洲赤松; . 蘇鐵; . 越南篦齒蘇鐵; . 摩瑞大澤米蘇鐵。A. Xylem water potential at 50% loss of hydraulic conductivity or air discharged (P50); B. Xylem water potential at 88% loss of hydraulic conductivity or air discharged (P88). Dotted lines. 1∶1 lines. Different species are represented by different symbols . Cupressus sempervirens; . Drimys brasiliensis; . Thuja plicata; . Pinus pinaster; . P. sylvestris; . Cycas revoluta; . C. elongata; . Macrozamia moorei.圖 3 不同方法測(cè)定的P50和P88的相關(guān)性 Fig. 3 Relationship between P50 and P88 measured through different methods

2.3 蘇鐵植物的水力安全邊界

摩瑞大澤米蘇鐵的水力安全邊界(HSM、HSM)分別為-0.62、-0.32 MPa， 表明該物種的木質(zhì)部水勢(shì)已經(jīng)低于；蘇鐵的HSM、HSM分別為0.19、0.08 MPa；越南篦齒蘇鐵的HSM、HSM分別為0.21、1.59 MPa(圖4，表1)。兩種方法計(jì)算蘇鐵、越南篦齒蘇鐵的HSM均為正值，摩瑞大澤米蘇鐵為負(fù)值，具有顯著差異(表1)。

HSMH. 水力安全邊界(自然干燥法)； HSMP. 水力安全邊界(抽氣法)。HSMH. Hydraulic safety margins (bench dehydration method); HSMP. Hydraulic safety margins (pneumatic method).圖 4 兩種方法計(jì)算的水力安全邊界Fig. 4 Hydraulic safety margins calculated through two methods

3 討論與結(jié)論

3.1 蘇鐵植物的抗旱性及兩種方法的比較

本試驗(yàn)兩種方法測(cè)得三種蘇鐵植物的VC均為典型的“S”型，這與大多數(shù)研究對(duì)其他植物類(lèi)群VC報(bào)道一致(Cochard et al., 2013; Chen et al., 2021; Guan et al., 2021)。三個(gè)物種的在已報(bào)道的裸子植物類(lèi)群范圍內(nèi)(: -0.61～-11.32 MPa)(Gleason et al., 2016)，相較于蘇鐵、越南篦齒蘇鐵，摩瑞大澤米蘇鐵的更高(較弱的抗氣穴化能力)，推測(cè)與其生境有關(guān)。隨著年均降雨量的增加而增高，通常濕潤(rùn)地區(qū)的物種比干旱地區(qū)的物種具有較弱的抗氣穴化能力(Choat et al., 2012； Brodribb et al.,2019)， 而摩瑞大澤米蘇鐵分布地區(qū)的最干季度降雨量極小值遠(yuǎn)大于蘇鐵、越南篦齒蘇鐵分布的地區(qū)(如前言所述)，而其較長(zhǎng)的管胞也可能導(dǎo)致更強(qiáng)的脆弱性(Tyree & Zimmermann, 2002)，這需要將來(lái)測(cè)定更多的蘇鐵物種來(lái)證實(shí)。

蘇鐵、摩瑞大澤米蘇鐵的95%置信區(qū)間沒(méi)有顯著性，且和、和與已發(fā)表的其他物種相關(guān)性結(jié)果一致，表明自然干燥法和抽氣法都能較好地測(cè)定蘇鐵植物的VCs。當(dāng)前研究報(bào)道抽氣法適合用于測(cè)定被子植物脆弱性曲線(xiàn)，對(duì)于裸子植物的測(cè)定則是嚴(yán)重高估了值，即低估了裸子植物的抗氣穴化能力(Zhang et al., 2018; Sergent et al., 2020)，是由于紋孔塞結(jié)構(gòu)和黏液的存在(Bouche et al., 2014)。管胞間紋孔膜在壓差0.01～0.3 MPa時(shí)產(chǎn)生偏移(aspiration)，當(dāng)相鄰的兩個(gè)管胞受到壓差時(shí)，紋孔塞產(chǎn)生偏移堵住紋孔口，使得氣體難以從一個(gè)管胞流向另一個(gè)管胞(Choat et al., 2008)，表明在使用裝置進(jìn)行抽氣時(shí)，紋孔塞極有可能產(chǎn)生偏移，使得植物在更高的水勢(shì)(接近零)下就可以獲得最大氣體量，從而低估木質(zhì)部抗氣穴化能力。而在蘇鐵植物類(lèi)群中，尚未發(fā)現(xiàn)存在紋孔塞結(jié)構(gòu)(周崟等, 1990)。Pereira等(2016)利用抽氣法測(cè)量不具有紋孔塞結(jié)構(gòu)的無(wú)導(dǎo)管被子植物的VCs，與傳統(tǒng)水力學(xué)法具有很高的一致性，因此抽氣法不會(huì)低估蘇鐵植物的抗氣穴化能力。另外，在摩瑞大澤米蘇鐵的葉軸中發(fā)現(xiàn)有黏液，而在蘇鐵和越南篦齒蘇鐵兩個(gè)物種中尚未發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)該物種葉軸切口端進(jìn)行切割(Trabi et al., 2021)，在失水初期切割幾次后切口端黏液不再產(chǎn)生，和、和也完全落在1∶1線(xiàn)上，表明黏液對(duì)測(cè)定結(jié)果無(wú)影響。

越南篦齒蘇鐵與具有顯著差異，推測(cè)可能有兩方面的原因?qū)е拢阂环矫妫噍^于另外兩個(gè)年齡較小的種，園區(qū)收集的越南篦齒蘇鐵個(gè)體年齡較大且個(gè)體間年齡差異也大，大多為100～1 000 a的個(gè)體(許恬，2021)。樹(shù)木年齡被認(rèn)為是影響抗氣穴化能力的一個(gè)重要因素，因個(gè)體年齡差異可能會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)部結(jié)構(gòu)本身的變化，導(dǎo)致變異較大(Jansen et al., 2015)，越南篦齒蘇鐵的變異系數(shù)為16.7%，可能是兩種方法測(cè)定差異的主要原因。另一方面，自然干燥法引入的人為切割以及壓力沖洗等因素，被證實(shí)容易低估植物的抗氣穴化能力(Wheeler et al., 2013; Torres-Ruiz et al., 2017; Skelton & Diaz, 2020)。當(dāng)然，這需要將來(lái)對(duì)更多的個(gè)體和物種進(jìn)行測(cè)定來(lái)證實(shí)。

3.2 三種蘇鐵植物的水力安全邊界

蘇鐵和越南篦齒蘇鐵(蘇鐵科)的HSMs均為正值，摩瑞大澤米蘇鐵(澤米鐵科)的HSM為負(fù)值，表明在同質(zhì)園生長(zhǎng)的不同種蘇鐵表現(xiàn)出不同的水力安全邊界。兩種方法測(cè)定的有一定差異，但最終計(jì)算的HSMs(-和-)具有相同趨勢(shì)，且都處于已報(bào)道物種HSMs的較低水平(-4.31～8.87 MPa)(Choat et al., 2012)。三種蘇鐵的水力安全邊界低，尤其是摩瑞大澤米蘇鐵為負(fù)值，表明較輕的干旱脅迫會(huì)使蘇鐵植物面臨水力功能失調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)。兩種方法計(jì)算的HSMs都表明摩瑞大澤米蘇鐵與蘇鐵、越南篦齒蘇鐵存在顯著差異。一方面，課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，由于其本身的表型結(jié)構(gòu)差異，澤米鐵科的葉軸理論導(dǎo)水率與氣孔密度呈正相關(guān)，而在蘇鐵科中，葉軸理論導(dǎo)水率與氣孔密度不存在關(guān)聯(lián)(雷金艷, 2020)，當(dāng)受到干旱脅迫時(shí)，澤米鐵科氣孔密度高，蒸騰耗水大，可能導(dǎo)致負(fù)的HSMs。另一方面，具有高水容的物種可以釋放更多水分緩沖蒸騰作用引起的木質(zhì)部水分虧缺，從而維持穩(wěn)定的水勢(shì)和保持高的HSMs(Meinzer et al., 2009; Xiong & Nadal, 2020)。在本試驗(yàn)的三個(gè)物種中，摩瑞大澤米蘇鐵的HSM小于蘇鐵和越南篦齒蘇鐵，有研究發(fā)現(xiàn)其葉片水容也小于另外兩個(gè)種(未發(fā)表數(shù)據(jù), 2021)。綜上結(jié)果表明，在同質(zhì)園種植的不同種蘇鐵有迥異的水力安全邊界，澤米鐵類(lèi)在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要更好的水分管理。在全球氣候變化的背景下，未來(lái)需對(duì)更多蘇鐵物種的水力性狀與功能進(jìn)行測(cè)定，為蘇鐵植物保育工作提供更好的科學(xué)依據(jù)。