הנוגע לתכונות מוליכות הפיוניות פונקציונליות ליף

Summary

התרת איך פיזיולוגיה ומורפולוגיה צמודות מאפשרת הבנה עמוקה יותר של תפקוד מכניסטית של צמח עלים. אנו מציגים שני הליך לגזור פרמטרים של רגולציה הפיוניות ממדידות הפיוניות מוליכות ומתאמים עם תכונות עלה פונקציונליות מסורתיות.

Abstract

תכונות פונקציונליות עלה חשובות משום שהם משקפים פונקציות פיסיולוגיות, כגון דיות והטמעת פחמן. בפרט, יש לי תכונות מורפולוגיות עלה הפוטנציאל לסכם אסטרטגיות צמחים במונחים של יעילות שימוש במים, דפוס צמיחה ושימוש תזונתי. ספקטרום כלכלת העלה (LES) הוא מסגרת שהוכרה באקולוגיה צמח פונקציונלית ומשקף שיפוע של הגדלת אזור ספציפי עלה (SLA), חנקן עלה, זרחן ותוכן קטיון, ויורד תוכן עלה יבש עניין (LDMC) ויחס חנקן פחמן ( CN). LES מתאר אסטרטגיות שונות הנעות בין זה של עלים קצרים-חי עם קיבולת פוטוסינתזה גבוהה למסה עלה לעלי חיים ארוכים עם שיעורי התבוללות פחמן מבוסס מסה נמוכה. עם זאת, תכונות שאינם כלולים בLES עשויות לספק מידע נוסף על הפיסיולוגיה של המינים, כגון אלה הקשורים לשליטה הפיוניות. פרוטוקולים מוצגים למגוון רחב של functio העלהתכונות סופיות, כולל תכונות של LES, אלא גם תכונות שאינן תלויים בLES. בפרט, שיטה חדשה הוא הציג המתייחסת להתנהגות הרגולציה "הצמחים במוליכות הפיוניות לגירעון לחץ אדים. פרמטרים הנובעים מרגולציה הפיוניות אז יכולים להיות בהשוואה לLES ותכונות פונקציונליות צמח אחרות. התוצאות מראות כי תכונות עלה פונקציונליות של LES היו גם מנבאים תקפים לפרמטרים של רגולציה הפיוניות. לדוגמא, ריכוז פחמן עלה היה חיובי קשור לגירעון לחץ אדים (VPD) בנקודת הפיתול והמקסימום של עקומת המוליכות-VPD. עם זאת, תכונות שאינם כלולים בLES הוסיפו מידע במסבירים פרמטרים של שליטה הפיוניות: VPD בנקודת הפיתול של עקומת המוליכות-VPD היה נמוך יותר עבור מינים עם צפיפות גבוהה יותר הפיוניות ומדד הפיוניות גבוה יותר. בסך הכל, תכונות הפיוניות והווריד היו מנבאים חזקים יותר לt רגולציה הפיוניות מסבירתכונות האן השתמשו בLES.

Introduction

כדי לקדם את ההבנה הפונקציונלית של צמח העלים, רבים מחקרים שנעשו לאחרונה ניסו להתייחס מורפולוגיים, אנטומיים ותכונות כימיות עלה לתגובות פיסיולוגיות, כגון מוליכות הפיוניות עלה _(S ז) ^1-4. בנוסף, לתכונות עלה, מוליכות הפיוניות מושפעות מאוד על ידי תנאים סביבתיים, כגון צפיפות פוטון הפעיל photosynthetically שטף, טמפרטורת האוויר וVPD ^5. דרכים שונות הוצעו למודל GS - עקומות VPD ^6-8 המבוססים בעיקר על רגרסיה ליניארית של GS על VPD ^6. לעומת זאת, המודל שהוצג במחקר זה נסוג logits של מוליכות הפיוניות היחסית (כלומר, היחס של _S גרם לז המרבי הפיוניות מוליכות _SMAX) על VPD ומסביר את אי-ליניאריות על ידי הוספת VPD כמונח regressor ריבועית.

בהשוואה למודלים אחרים, המודל החדש מאפשר לגזירת פרמטרים המתאריםVPD בי _S G הוא למטה מוסדר תחת מחסור במים. באופן דומה, VPD מתקבל בי _S G הוא מקסימאלי. כפי שניתן לצפות פרמטרים פיסיולוגיים כגון להיות קשורה קשר הדוק להטמעת פחמן ^9,10 קשר הדוק בין פרמטרים אלה המודל ותכונות עלה מפתח להקצאה תזונתית ומשאבים כפי שהיא משתקפת בLES צריך להיות צפוי ^3,11. כתוצאה מכך, לא צריך להיות גם מערכת יחסים הדוקות בין האסטרטגיות של רגולציה הפיוניות עם תכונות LES. כגון יחסים צפויים בפרט להרגל עלה (ירוק לעומת נשיר) כהרגל עלה שני מתואמים עם LES ועם יעילות שימוש במים ^12,13. מינים ירוקים נוטים לגדול לאט יותר, אבל יעילים יותר בסביבות עניות בחומרים מזינים ^14. לפיכך, הרגל עלה צריכה לתרגם שונה דפוסי רגולציה הפיוניות, עם אסטרטגית שימוש במים שמרנית יותר מאשר מינים נשירים.

Comparing קבוצה גדולה של מיני עצים רחבי עלים במצב גינה משותף, ההשערות הבאות נבדקו: 1) פרמטרים דגם _מS G - דגמי VPD מחוברים לתכונות עלה הקשורים לספקטרום כלכלת עלה. יש לי 2) מיני אוורגרין ערכי _S G ממוצע נמוך יותר וגרמתי _SMAX מאשר מינים נשירים.

Protocol

1. הפיוניות מוליכות

1. מדידות של מוליכות הפיוניות
   הערה: המחברים עשו שימוש בסוג פשוט של porometer מצב היציב (דקאגון SC1). יש העיצוב של porometer את היתרון של גודל קטן, הפעלה ידנית אינטואיטיבית ואמינות גבוהה. כאשר מודדים מוליכות הפיוניות בתחום, לוודא כדי למזער את המרחק בין אנשים נמדדים למחזור מדידה חוזר ונשנה להיות אפשריים היעילה ביותר.
2. בחר עלים של מינים ואנשים שונים בהתאם לדפוס לשחזור (אותו גובה, אותו חשיפה, אותה תנוחה בתוך המפעל, אם אפשר רק מאותה הצומת, ורק מקטגוריה אחת; עלים שמש או בצל, וכו ').
   1. מדד היחיד משאיר במצב בריא, שאינו פגוע ומפותח. סמן את העלים על יחידים (למשל, עם קשרי כבל או קלטת צבע), כדי להבטיח שהמדידות החוזרות נעשות באותו העלה.
      הערה: measur ements של מוליכות הפיוניות צריך להיעשות רק על פני השטח עלה תוך הימנעות midrib וורידי עלה חזקים.
   2. התחל מדידות בשעות הבוקר המוקדמות לפני הזריחה לוקחת 5-10 מדידות חוזרות עד ערכי מוליכות הפיוניות מראים ירידה ברורה בצהריים.
      הערה: כמובן יומי של מדידות יספק נתונים טובים לניתוח היחסים בין VPD ומוליכות הפיוניות.
3. מדידות VPD
   1. עם כל מדידת _S G, טמפרטורת שיא ולחות היחסית רצוי עם אוגרי ניידים למדידה באופן ישיר את התנאים במיקום של אותו עלה. לחישוב גירעון לחץ האדים להשתמש בנוסחת אוגוסט-רוש מגנוס ^15.

לחץ אדי מים = הרוויה _של הדואר [hPa]

התחת = "jove_content"> T = טמפרטורה [מעלות צלזיוס]

4. _S G דגם - תגובת VPD
   1. עכשיו מינים חכמים עלילה כל נתוני _S G נגד VPD, המשלבים את כל הקורסים היומיים של עלים בודדים לניתוח אחד לכל מינים. לחלץ את הערך המרבי שנצפה מנתוני מוליכות הפיוניות על ידי חיפוש את הערך המקסימאלי. כדי לשנות את גודל המודל להשוואת מינים חכמים, לחלק את הערכים שנצפו דרך הערך המרבי שנצפה למינים ש( ז _S / g _SMAX).
   2. לכל מין, לסגת logits של _S ז (ז _S / g _SMAX) לVPD והביטוי הריבועי של VPD תוך שימוש במודל ליניארי כללי עם הפצת שגיאה הבינומי (, B ו- C מייצג פרמטרים רגרסיה):

איור 1. דוגמא לערכים זממו והמודל המצויד _לS G -. VPD מוליכות הפיוניות זממו כפונקציה של גירעון לחץ אדים למינים formosana Liquidambar. נקודות ריקות מייצגות את הערכים שנצפו. מוליכות הפיוניות המרבית (), VPD במוליכות הפיוניות המרביות ואומרים מוליכות הפיוניות הופק מהמוליכות מוחלטות כך שאינו מדורגות הפיוניות _(S ז) נתונים. (ב) נתונים מוליכות הפיוניות Scaled (ז _S / g _SMAX) היו זמם כדי לחלץ את הפרמטרים יחסי (מוצג כנקודות מלאות) ^20. Re-ההדפסה באישור ^20. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. מודלים איור כל מצוידים לכל המינים. גרפים מודל לנתונים מוליכות הפיוניות לרגרסיה VPD לכל המינים. מינים ירוקים מיוצגים על ידי קווים שחורים, מינים נשירים בקווים אדומים ^20. להדפיס מחדש באישור ^20.

הערה: שימוש בlogits במקום רגרסיה _S גרם ישירות לVPD, מובילה לנקודה שמודל ערכים מרביים לא יעלה גרם _{SMAX ושS} G מתקרב 0 בVPD הגבוה.

5. לחלץ פרמטר של רגולציה הפיוניות לכל מינים
   1. לחשב ערכי _SMAX גרם במתכונת מוחלטת (MaxFit באיור 1). כדי לעשות זאת, לחשב את VPD במוליכות הפיוניות מרביים מהגדרת הנגזרת הראשונה של 1.4.2 לאפס, מה שנותן _gsMaxFit = -b / 2a VPD. הכנס VPD _gsMaxFit לנוסחא של 1.4.2 ולהעלות לשלטון של דואר כדי לקבל MaxFit. חישוב מ 'EAN של כל מדידות המוליכות למינים (ראה איור 1 א).
      הערה: R תוכנה הסטטיסטי השתמש (http://www.r-project.org).
   2. כדי לחשב ערכים יחסי, מהמודל בקנה המידה (ז _S / g _SMAX), לחלץ מוליכות הפיוניות וערכי VPD לשתי הנקודות הבאות: (1) מוליכות הפיוניות וVPD במקסימום של המודל (MaxFit) ו- (2) VPD בנקודת הפיתול של העקומה השנייה (ראה איור 1). להכפיל את הערכים הללו על ידי ז _SMAX להשיג ערכי _S G מוחלטים לנקודות אלה. ראה איור 2 לכיסוי של הדגמים בודדים של כל 39 המינים ניתחו מלא.

2. מדידות של תכונות הפיוניות

1. לקחת דגימות רצוי מבדיוק אותו דבר עלים שהיו בשימוש למדידה של מוליכות הפיוניות. אם זה לא אפשרי, להחיל את אותו הליך הבחירה שיושם לבחור עליםלמדידות מוליכות הפיוניות, רצוי באותו יחידים.
2. למרוח שכבה דקה של לק ייבוש במהירות חסרת צבע, (עושה בדיקה שונה, חלקם מתאימים יותר מאשר לאחרים) למדגם טרי. אם לא ניתן לעבד את הדגימות מייד, לאחסן אותם באלכוהול 70%. לאחר לק התייבש, לקלף בעדינות את הרושם של מהעלים ולהמשיך לניתוח המיקרוסקופי, כמו עם מדגם עלה רגיל.
   הערה: במקרה של עלים עם צפיפות גבוהה trichome צעד הקודם של יישום נתרן הידרוקסידי או 1: 1 פתרון של מי חומצה אצטית וחמצן יכול להוביל לתוצאות טובות יותר.
3. ניתוח מיקרוסקופ אופטי
   1. חבר מצלמה למיקרוסקופ אופטי מסוגל הגדלה בין 40X ל400X. לאחר חיבור המצלמה למיקרוסקופ, להתאים את התמונות שצולמו להגדלה האופטית והרזולוציה של התמונה, למשל, בעזרת קנה מידה.
   2. העסקת אני קוד פתוחתוכנת עיבוד קוסם כמו ImageJ ¹⁶ לנתח את התמונות האלה.
      1. ציור צורה עם כלי צורה מכלי ניתוח תמונה על התמונה באזור ללא לכלוך, הדפסי אגודל, אזורים שנפגעו, או ורידי עלה גדולים. רוזן הפיוניות בתחום זה ובסכום הכולל של לפחות 50,000 מיקרומטר ² מדגם ב.
      2. למדוד אורך תא שומר הפיוניות ואורך נקבובית. לחשב את מספר הפיוניות למ"מ ^2. חישוב מדד הפיוניות כיחס בין הצפיפות הפיוניות לאפידרמיס מספר תאים למ"מ ^2.

3. הערכה של תכונות וריד עלה

הערה: להערכה של תכונות וריד עלה, שינוי פרוטוקול מהשק וScoffoni ¹⁷ הועסק.

1. לדוגמא הכנה
   הערה: כדי לייעל את הנראות של ורידי העלה, העלים הראשונים מולבנים ולאחר מכן מוכתם בsafranine וירוק מלכיט.
   1. כדי להלבין את להפקירes, להשאיר אותם לפחות 72 שעות בפתרון של 50% decolorizer (גורם אחר בדיקה, שוב אולי קצת לעבוד טוב יותר). לחלופין, להשתמש בפתרון 5% או 10% פתרון פתרון KOH או 25% NaOH H ₂ O _2.
   2. מחממים את הפתרון עד 30 מעלות צלזיוס או לשלב את הפתרונות השונים מצעד 3.1.1 לאפקטים טובים יותר. יש לשטוף מספר פעמים במים לאחר מכן. להתאים את תהליך ההלבנה למינים הספציפיים, בהתאם למאפייניהם עלה.
      הערה: עלים עבים עשויים להזדקק תקופות ארוכות יותר של אמבטיה פתרון ואו הפתרונות אגרסיביים יותר. עלים דקים יותר ויותר מכרז ניתן מולבנים במידה משביעת רצון בפחות מ 72 שעות.
   3. לצבע העלים למקם אותם באתנול 100%. צבע אותם 2 - 30 דקות ב -1% פתרון safranine. כדי לשפר את צביעה, להוסיף טיפול נוסף עם פתרון ירוק מלכיט 1% בלבד במשך כמה שניות. להתאים את הפרוטוקול לכל מינים במונחים של תזמון ועוצמה כדי להשיג תוצאות אופטימליות. יש לשטוף seפעמים veral במים לאחר מכן. אם העלים למוכתמים עמוק, כמה זמן באתנול או decolorizer עשוי לעזור.
2. ניתוח מדגם
   1. סרוק את העלים עם סורק תאורה אחורית ברזולוציה של dpi 1200 בקירוב. התאם את הסריקות נלקחו לרזולוציה של התמונה, למשל, בעזרת קנה מידה, על מנת להבטיח שאורך פיקסל יכול להיות נעוצים באמצעים אורך מוחלטים של העלה הסרוק.
   2. למדוד את שטח, היקף, אורך ורוחב של העלים. לחשב כמה מדדים, למשל, אורך / רוחב האזור והיקף ² /. חותך 1 על ידי 1 סנטימטר מלבן מאמצע התמונה. למדוד קוטר של הוורידים של צו הראשון והשני (לא כולל את וריד האמצע העיקרי). מדוד את האורך של כל הוורידים של הצו הראשון בquadrat (צפיפות וריד) זה.

4. הערכה של תכונות עלה אחרות

הערה: אתונות תכונות עלה טיפוסיות כגון ספציפיאזור העלה (SLA), תוכן העלה יבש עניין (LDMC), אזור עלה, תוכן אלמנט, הרגל עלה, pinnation העלה, סוג תרכובת עלה, סוג שולי עלה וכו 'הבא הוקמה פרוטוקולי ^18,19.

1. תכונות עלה תצפית
   1. להעריך pinnation עלה, סוג תרכובת עלה, סוג שולי עלה ואת הנוכחות של צופני extrafloral ^18,19 באמצעות תצפית בתחום.
2. תכונות עלה אנליטית
   1. לאסוף דגימות עלים טריות, רצוי באותו יחידים כמשמשים למדידות האחרות, לקביעת אזור מסוים עלה (SLA), אזור עלה ותוכן העלה היבש עניין (LDMC) ^18,19. לאחר 48 שעות בתנור הייבוש על 80 מעלות צלזיוס, למדוד תוכן אלמנט ויחסים, רצוי באותו עלים.

תוצאות

פרמטרים של רגולציה מוליכות והפיוניות הפיוניות רבים נמצאו כקשורים למורפולוגיים, אנטומיים ותכונות עלה כימיות. בחלק הבא, הדגש יהיה על הקישורים לVPD בנקודת הפיתול, שירדה עם צפיפות הפיוניות (p = 0.04) ומדד הפיוניות (p = 0.03) וגדל עם תוכן פחמן עלה (p = 0.02, ראה איור 3). התוצאות מראות כי עם הירידה בVPD בנקודת הפיתול חלה ירידה בצפיפות הפיוניות ומדד הפיוניות. לעומת זאת, אין פרמטר של מוליכות הפיוניות הראה קשר ברור להרגל עלה. הגבוהה הווריאציה בתוך שתי הקבוצות של הרגל עלה מראה שמנגנוני פיקוח שונים קיימים גם בתוך קבוצת אוורגרין והרגלי עלה נשירים.

איור איור 3. תוצאה עבור הקישורי דואר בין הדפוסים של תכונות רגולציה מוליכות ועלה הפיוניות גירעון לחץ אדים (VPD) בנקודת הפיתול של g _S -. עקומת VPD (VpdPoi) כפונקציה של מדד הפיוניות () צפיפות הפיוניות, (ב), ו תוכן פחמן עלה (C) ^20. Re-ההדפסה באישור ^20. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

הפרמטרים של רגולציה הפיוניות שחולצו על ידי השיטה שהוצגה במאמר זה מדגישים את החשיבות של תכונות הפיוניות, כגון צפיפות הפיוניות ומדד הפיוניות. יחסי רומן אלה מדגימים את הפוטנציאל של קישור פרמטרים ממודלים פיסיולוגיים למורפולוגיים, אנטומי ועלה כימי תכונות ^20. בהשוואה לשיטות אחרות, הגישה הנוכחית נושאת את היתרון של לכידת ערך VPD ייחודי וחד-משמעי שבמוליכות הפיוניות היא למטה מוסדרות למחצית המרבית גרם דגם _של.

מכל מתוארים בפרוטוקול הצעדים הקריטי ביותר הן המדידות של מוליכות הפיוניות. בשל הרגולציה multifactorial של תנאי מזג אוויר הסביבה מוליכות הפיוניות יש השפעה חזקה על _S ז. מדידות מוליכות הפיוניות בלחות היחסית גבוהה ועוצמת אור נמוכה עשויות להיות לא אמינות ^21-23. עם כל כבוד למורפולוגיים וענתתכונות omical, הפרוטוקול תמיד צריכה להיות מותאמים למיני היעד שנכללו במחקר. בפרט בניתוח צפיפות וריד, את משך הזמן של הלבנה וצביעה של עלים צריך להיות מגוון, בהתאם למבנה עלה וקשיחות. מגבלות פוטנציאל של השיטה כוללות מינים, שלמדידות של מוליכות הפיוניות הן בלתי אפשריות או מסובכות ונוטים לטעויות בשל צורות עלה יוצאות דופן. זה עשוי לכלול עצי מחט ועשבים עם להבי עלה צרים מאוד.

התוצאות שלנו לאשר באופן חלקי את ההשערה הראשונה של קשר בין פרמטרים מוליכות הפיוניות ותכונות עלה של ספקטרום כלכלת עלה (LES), אשר תואם את מספר מחקרים אחרים. לדוגמא, Poorter וBongers (2006) ²⁴ דיווחו על קשר הדוק בין _S G והתכונות המיוצגות על ידי LES, למשל, עם _S G יורד עם תוחלת חיים עלה וגובר. בהתאם לכך, אל. Demonst (1994) ¹ שולץ ואחקישורים ברורים מדורגים בין תוכן חנקן עלה וגרם _SMAX. באופן דומה, Juhrbandt et al. (2004) ²⁵ מצאו קשר משמעותי בין g _SMAX ותוכן אזור העלה וחנקן עלה.

ההשערה השנייה שלנו של הבדלים ברורים בכל קשור לרגל עלה לא יכולה להיות מאושרת. הווריאציה הגבוהה בפרמטרים שנמדדו ותכונות בתוך ירוק והרגל עלה נשיר מצביעה על כך שרגל עלה היא לא מתאר טוב של LES. Brodribb והולברוק (2005) ²⁶ דנו כי אסטרטגיות פיסיולוגיות הרגל עלה ועלה לא יכולות להיות מחוברות באופן בלתי נמנע מאז הווריאציה תכונה הרחבה היא נפוצה בכל סוגי הרגל עלה.

הגישה ניתנת להארכה לתכונות ומאפיינים פיסיולוגיים של איברי צמח אחרים מאשר עלים, למשל לתכונות הקשורות להידראוליקה עצה כגון מוליכות הידראוליות עצה ספציפית ועץ מיקרוסקופיה תכונות ^27. באופן דומה, אחרסוגים של תכונות עלה כפי שנגזר ממיקרוסקופיה כגון מבנה parenchyma משוכה ומבנה שכבת שעוות epicuticular יכולים להיכלל ^28.

לסיכום, מחקר זה אישר את הקשר ההדוק בין LES והרגולציה הפיוניות. בנוסף, השיטה שהוצגה כאן מתגלה היבטים של דפוסי רגולציה הפיוניות שאינם קשורים לLES. מגיעות לי תכונות עלה במיוחד ספציפיות כגון גודל הפיוניות, צפיפות ומדד כמו גם אורך וריד תשומת לב בעתיד במחקרי צמח פונקציונליים.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
SC 1 Porometer	Decagon	NA	Any other porometer is suitable
Cable ties to mark leaves	NA	NA	NA
Plastic sample bags	NA	NA	NA
Paper sample bags	NA	NA	NA
Hygrometer	Trotec	NA	Any other is suitable
Nail polish	NA	NA	NA
Axioskop 2 plus	Zeiss	NA	Any other is suitable
Ethanol	NA	NA	NA
Bleach	NA	NA	NA
5% NaOH	NA	NA	NA
10% KOH	NA	NA	NA
25% H2O2	NA	NA	NA
Malachite green	NA	NA	NA
Safranine	NA	NA	NA