فيما الثغور المواصلة إلى ورقة الصفات الوظيفية

Summary

كشف كيفية ارتباط علم وظائف الأعضاء ومورفولوجية يسمح لفهم أعمق لعمل الآلية من أوراق النبات. نقدم على حد سواء الداخلي لاشتقاق معايير التنظيم الثغور من القياسات تصرف الثغور والعلاقات المتبادلة مع الصفات ورقة الوظيفية التقليدية.

Abstract

الصفات الوظيفية ورقة مهمة لأنها تعكس وظائف فسيولوجية، مثل النتح واستيعاب الكربون. على وجه الخصوص، والصفات المورفولوجية ورقة لديها القدرة على تلخيص استراتيجيات النباتات من حيث كفاءة استخدام المياه، ونمط النمو واستخدام الأسمدة. الطيف ورقة الاقتصاد (LES) هو إطار المعترف بها في ظيفية البيئة النباتية ويعكس التدرج في زيادة مساحة محددة ورقة (SLA)، ورقة النيتروجين والفوسفور ومحتوى الموجبة، وخفض ورقة محتوى المادة الجافة (LDMC) ونسبة النيتروجين الكربون ( CN). يصف LES استراتيجيات مختلفة تتراوح من أن الأوراق قصيرة الأجل مع القدرة الضوئي عالية لكل ورقة كتلة لأوراق طويلة الأمد مع انخفاض معدلات الاستيعاب الكربون على أساس الكتلة. ومع ذلك، والصفات التي لم يتم تضمينها في LES قد تقدم معلومات إضافية عن علم وظائف الأعضاء والأنواع، مثل تلك المتعلقة بمكافحة الثغور. يتم عرض بروتوكولات لمجموعة واسعة من ورقة functioالصفات نال، بما في ذلك الصفات من LES، ولكن أيضا الصفات التي تكون مستقلة عن LES. على وجه الخصوص، هو عرض طريقة جديدة التي تتعلق السلوك التنظيمي والنباتات في تصرف الثغور إلى عجز ضغط البخار. ويمكن بعد ذلك مقارنة المعلمات الناتجة من تنظيم الثغور إلى LES والصفات النباتية الأخرى وظيفية. وأظهرت النتائج أن الصفات ورقة الوظيفية للLES كانت أيضا تنبئ صالحة للمعلمات التنظيم الثغور. على سبيل المثال، كان تركيز الكربون ورقة ذات الصلة بشكل إيجابي في عجز ضغط البخار (VPD) عند نقطة انعطاف والحد الأقصى من منحنى تصرف VPD. ومع ذلك، والصفات التي لم يتم تضمينها في LES أضافت المعلومات في شرح المعلمات السيطرة الثغور: كان VPD عند نقطة انعطاف في منحنى تصرف VPD أقل الأنواع مع ارتفاع الكثافة الثغور ومؤشر الثغور العالي. عموما، كانت الثغور والوريد الصفات تنبؤ أكثر قوية لشرح اللائحة الثغور رالصفات هان المستخدمة في LES.

Introduction

لتعزيز فهم وظيفية من أوراق النبات، وقد حاول العديد من الدراسات الحديثة أن تتصل الصرفي، والصفات التشريحية ورقة الكيميائية إلى الاستجابات الفسيولوجية، مثل ورقة الثغور تصرف (ز _S) ^1-4. بالإضافة إلى ذلك، لالصفات ورقة، ويتأثر تصرف الثغور بشدة الظروف البيئية، مثل الفوتون الضوئي النشطة كثافة تدفق، درجة حرارة الهواء وVPD ^5. وقد اقترحت وسائل مختلفة لالموديل GS - منحنيات VPD ^6-8 والتي تقوم أساسا على الانحدار الخطي للع على VPD ^6. في المقابل، فإن النموذج المقدم في هذه الدراسة يرتد على logits من تصرف الثغور النسبي (أي نسبة ز _S إلى أقصى الثغور تصرف ز _SMAX) على VPD وحسابات لغير الخطي بإضافة VPD كمصطلح regressor الدرجة الثانية.

بالمقارنة مع النماذج الأخرى، فإن النموذج الجديد يسمح لاشتقاق المعايير التي تصفوVPD الذي ز _S ينظم إلى أسفل تحت نقص المياه. وبالمثل، يتم الحصول على VPD الذي ز _S هو الحد الأقصى. كما يمكن أن يتوقع أن تكون مرتبطة بإحكام على استيعاب الكربون ^9،10 هذه القياسات الفسيولوجية ينبغي أن يتوقع ^3،11 صلة وثيقة بين هذه المعايير النموذجية وسمات ورقة رئيسية لتوزيع المواد الغذائية والموارد على النحو المبين في LES. ونتيجة لذلك، يجب أن تكون هناك أيضا وجود علاقة وثيقة بين استراتيجيات التنظيم الثغور مع الصفات LES. ومن المتوقع لمثل هذه العلاقة ولا سيما بالنسبة للأوراق العادة (دائمة الخضرة مقابل نفضي) كما ورقة العادة وكلا المترابطة مع LES ومع كفاءة استخدام المياه ^12،13. الأنواع دائمة الخضرة تميل إلى النمو أبطأ، ولكن أكثر كفاءة في بيئات فقيرة في العناصر الغذائية ^14. وبالتالي، يجب رقة العادة تترجم إلى اختلاف أنماط التنظيم الثغور، مع استراتيجية استخدام المياه أكثر تحفظا من الأنواع المتساقطة.

شركاتaring مجموعة كبيرة من أنواع الأشجار عريضة الأوراق في وضع حديقة مشتركة، تم اختبار الفرضيات التالية: 1) معلمات نموذج من ز _S - ترتبط نماذج VPD إلى الصفات ورقة تتعلق طيف ورقة الاقتصاد. 2) أنواع الخضرة لها أدنى متوسط ​​ز _S ز _SMAX القيم من الأنواع المتساقطة.

Protocol

1. الثغور الموصلية

1. قياسات تصرف الثغور
   ملاحظة: الكتاب استفادت من نوع بسيط من ثابت porometer الدولة (عشري الأضلاع SC1). تصميم porometer لديه ميزة من صغر حجمها، وبديهية التشغيل اليدوي وموثوقية عالية. عند قياس تصرف الثغور في الميدان، للتأكد من تقليل المسافة بين الأفراد تقاس لدورة القياس المتكرر ليكون من الممكن الأكثر كفاءة.
2. اختيار الأوراق الأنواع المختلفة والأفراد وفقا لنمط استنساخه (نفس الطول ونفس التعرض، ونفس الموقف داخل المصنع، وإذا كان ذلك ممكنا فقط من نفس العقدة، وفقط من فئة واحدة؛ الشمس أو الظل الأوراق، الخ).
   1. يترك المقياس الوحيد في صحية، حالة غير التالفة وتطويرها بشكل كامل. بمناسبة الأوراق على الأفراد (على سبيل المثال، مع علاقات كابل أو لون الشريط)، للتأكد من أن القياسات المتكررة تتم على نفس ورقة.
      ملاحظة: قياس آثافة ينبغي بذل بيانات أدلى من الثغور تصرف فقط على سطح ورقة في حين تجنب الضلع الأوسط والأوردة ورقة قوية.
   2. بدء القياسات في ساعات الصباح الباكر قبل شروق الشمس مع الأخذ 09:55 القياسات المتكررة حتى تظهر القيم تصرف الثغور انخفاضا واضحا في الظهر.
      ملاحظة: دورة يوميا من القياسات تقديم بيانات جيدة لتحليل العلاقات بين VPD وتصرف الثغور.
3. قياسات VPD
   1. مع كل ز _S قياس درجة حرارة قياسية والرطوبة النسبية ويفضل أن يكون مع قطع الاشجار المحمولة لقياس مباشر على الأوضاع في موقف من نفس ورقة. لحساب العجز ضغط البخار استخدام صيغة أغسطس روش ماغنوس ^15.

= تشبع ضغط بخار الماء ه _ق [باسكال]

الحمار = "jove_content"> T = درجة الحرارة [° C]

4. نموذج ز _S - استجابة VPD
   1. الآن نوعا من الحكمة مؤامرة جميع البيانات ز _S ضد VPD، والجمع بين كل الدورات اليومية للأوراق الفردية في تحليل واحد لكل الأنواع. استخراج القيمة القصوى لوحظ من بيانات تصرف الثغور من خلال البحث عن القيمة القصوى. لتوسيع نطاق نموذج للمقارنة بالأنواع الحكيمة، تقسيم القيم المرصودة من خلال القيمة القصوى التي لوحظت أن الأنواع (ز _S / ز _SMAX).
   2. لكل نوع، التراجع في logits من ز _S (ز _S / ز _SMAX) لVPD وعلى المدى الدرجة الثانية من VPD باستخدام نموذج خطي معمم مع توزيع ذي الحدين الخطأ (أ، ب، ج تمثل المعلمات الانحدار):

الشكل 1. مثال على القيم المرسومة والنموذج المجهزة للز _S -. VPD تصرف الثغور تآمر بوصفها وظيفة من عجز ضغط البخار للأنواع Liquidambar formosana. وتمثل النقاط فارغة القيم المرصودة. (A) الحد الأقصى تصرف الثغور، تم استخراج VPD في أقصى الثغور تصرف ويعني تصرف الثغور من المطلق تصرف الثغور وبالتالي غير تحجيم (ز _S) البيانات. (B) بيانات الثغور تصرف مقيس (ز _S / ز _SMAX) تم التخطيط لاستخراج المعلمات النسبية (كما هو موضح النقاط شغل) ^20. إعادة طبع بإذن من ^20. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2. نماذج جميع المجهزة لجميع الأنواع. البيانية نموذج للبيانات تصرف الثغور إلى الانحدار VPD لجميع الأنواع. يتم تمثيل الأنواع دائمة الخضرة بخطوط سوداء، والأنواع المتساقطة من قبل الخطوط الحمراء ^20. إعادة طباعة بإذن من ^20.

ملاحظة: استخدام logits بدلا من التقهقر ز _S مباشرة إلى VPD، ويؤدي إلى درجة أن غرار القيم القصوى لا تتجاوز ز _SMAX وأن ز _S النهج 0 في VPD عالية.

5. استخراج المعلمة التنظيم الثغور لكل الأنواع
   1. حساب ز المنمذجة القيم _SMAX المطلقة (MaxFit في الشكل 1B). للقيام بذلك، وحساب VPD في أقصى تصرف الثغور من وضع أول مشتق من 1.4.2 إلى الصفر، مما يعطي VPD _gsMaxFit = -b / 2A. إدراج VPD _gsMaxFit إلى صيغة 1.4.2 ورفع إلى قوة الإلكترونية للحصول على MaxFit. حساب مEAN جميع القياسات تصرف في الأنواع (انظر الشكل 1A).
      ملاحظة: استخدام الإحصائي برنامج R (http://www.r-project.org).
   2. لحساب القيم النسبية، من طراز تحجيم (ز _S / ز _SMAX)، واستخراج تصرف الثغور والقيم VPD لالنقطتين التاليتين: (1) تصرف الثغور وVPD في الحد الأقصى من طراز (MaxFit) و (2) VPD في النقطة الثانية من انعطاف المنحنى (انظر الشكل 1B). تتكاثر هذه القيم التي كتبها g _SMAX الحصول على قيم ز _S المطلقة لهذه النقاط. انظر الشكل 2 لتراكب كاملة من النماذج واحدة من جميع الأنواع 39 تحليلها.

2. قياسات الثغور الصفات

1. ويفضل أخذ عينات من بالضبط نفس الأوراق التي استخدمت لقياس تصرف الثغور. إذا لم يكن ذلك ممكنا، وتطبيق إجراءات الاختيار نفسه الذي تم تطبيقه على اختيار الأوراقللقياسات تصرف الثغور، ويفضل أن يكون على نفس الأفراد.
2. تطبيق طبقة رقيقة من عديم اللون، وتجفيف طلاء الأظافر بسرعة (اختبار مختلف الماركات، وبعضها أكثر ملاءمة من غيرها) على عينة جديدة. إذا لا يمكن معالجة عينات فورا، وتخزينها في 70٪ كحول. بعد طلاء الأظافر قد جفت، بلطف قشر الانطباع من ورقة والمضي قدما لتحليل مجهري، كما هو الحال مع عينة ورقة عادية.
   ملاحظة: في حالة من الأوراق مع ارتفاع كثافة شعري الشكل الخطوة التي تسبق تطبيق هيدروكسيد الصوديوم أو 1: 1 حل من حمض الخليك والأكسجين بيروكسيد يمكن أن يؤدي إلى نتائج أفضل.
3. تحليلات المجهر الضوئي
   1. توصيل الكاميرا إلى المجهر الضوئي قادر على تكبير 40X بين ل400X. بعد أن يتم توصيل الكاميرا إلى مجهر، وتتطابق مع الصور التي التقطت في التكبير البصري ودقة الصورة، على سبيل المثال، مع مساعدة من الحجم الكبير.
   2. توظيف ط مفتوحة المصدربركه برامج معالجة مثل يماغيج ¹⁶ تحليل هذه الصور.
      1. رسم شكل مع أداة شكل من أداة تحليل الصورة على الصورة في منطقة لا الأوساخ وبصمات الإبهام، المناطق المتضررة، أو عروق نبات كبيرة. عد الثغور في هذا المجال ومجموعه 50000 ميكرون ² على الأقل لكل عينة.
      2. قياس حارس الثغور طول الخلية وطول المسام. احسب عدد الثغور في ² مم. حساب مؤشر الثغور كما أن نسبة كثافة الثغور إلى البشرة عدد الخلايا في مم ^2.

3. تقييم ورقة الوريد الصفات

ملاحظة: للحصول على تقييم الصفات ورقة الوريد، وهو تعديل بروتوكول من كيس وScoffoni ¹⁷ كان يعمل.

1. إعداد عينة
   ملاحظة: لتحسين وضوح عروق نبات، والمبيض أول الأوراق ثم ملطخة safranine والمواد المسرطنة.
   1. لتبييض اوراقوفاق، وتركهم لا يقل عن 72 ساعة في 50٪ محلول من مزيل اللون (اختبار مختلف الماركات، ومرة ​​أخرى قد تعمل بعض أفضل). بدلا من ذلك، استخدم 5٪ محلول هيدروكسيد الصوديوم أو 10٪ محلول KOH أو 25٪ H _{2 O 2} حل.
   2. تسخين حل تصل إلى 30 درجة مئوية أو الجمع بين حلول مختلفة من الخطوة 3.1.1 لتأثيرات أفضل. شطف عدة مرات في الماء بعد ذلك. التكيف مع عملية التبييض لأنواع محددة، اعتمادا على خصائص نبات بها.
      ملاحظة: أثخن الأوراق قد تحتاج فترات أطول من حمام حل وأو حلول أكثر عدوانية. يمكن تبييض أوراق أرق وأكثر عطاء لدرجة مرضية في أقل من 72 ساعة.
   3. للون الأوراق وضعها في الإيثانول بنسبة 100٪. لون لهم عن 2-30 دقيقة في 1٪ محلول safranine. لتعزيز التلوين، إضافة إلى مزيد من المعالجة مع 1٪ محلول الأخضر المرمر فقط لعدة ثوان. تكييف بروتوكول لكل الأنواع من حيث التوقيت وكثافة لتحقيق أفضل النتائج. شطف حد ذاتهامرات veral في الماء بعد ذلك. إذا كانت الأوراق هي ملطخة عميق، بعض الوقت في الإيثانول أو مزيل اللون قد يساعد.
2. تحليل عينة
   1. مسح الأوراق مع ماسح ضوئي الخلفية في القرار كاليفورنيا 1200 نقطة في البوصة. تطابق بالاشعة اتخاذها لهذا القرار من الصورة، على سبيل المثال، مع مساعدة من نطاق، للتأكد من أن طول بكسل يمكن ارجاعه الى تدابير طول المطلقة للأوراق الممسوحة ضوئيا.
   2. قياس المجال، محيط، طول وعرض الأوراق. حساب عدة مؤشرات، على سبيل المثال، طول / عرض ومحيط ² / المنطقة. قطع 1 بنسبة 1 سم مستطيل من منتصف الصورة. قياس قطر الأوردة من الدرجة الأولى والثانية (لا تشمل الوريد منتصف الرئيسي). قياس طول كل عروق الدرجة الأولى في هذا QUADRAT (كثافة الوريد).

4. تقييم أخرى ورقة الصفات

ملاحظة: المؤخرات الصفات ورقة نموذجية مثل محددةمساحة الورقة (SLA)، ورقة محتوى المادة الجافة (LDMC)، مساحة الورقة، محتويات عنصر، ورقة العادة، ورقة pinnation، ورقة نوع مركب، ورقة نوع هامش الخ بعد ثبوت بروتوكولات ^18،19.

1. الصفات رقة المراقبة
   1. تقييم pinnation ورقة، ورقة نوع مركب، ورقة نوع الهامش وجود الرحيق extrafloral ^18،19 من خلال الملاحظة في هذا المجال.
2. الصفات رقة تحليلية
   1. جمع عينات رقة جديدة، ويفضل أن يكون على نفس الأفراد المستخدمة للقياسات أخرى لتحديد منطقة معينة ورقة (SLA)، مساحة الورقة ورقة محتوى المادة الجافة (LDMC) ^18،19. بعد 48 ساعة في فرن التجفيف في 80 ° C، وقياس محتويات العنصر والنسب، ويفضل أن يكون على نفس الأوراق.

النتائج

تم العثور على العديد من المعلمات من الثغور تصرف والثغور التنظيم يجب أن تكون متصلة الصرفي، والصفات التشريحية ورقة الكيميائية. في ما يلي، سيتم التركيز على روابط لVPD عند نقطة انعطاف، والتي انخفضت مع كثافة الثغور (ع = 0.04) ومؤشر الثغور (ع = 0.03) وزيادة مع محتوى الكربون ورقة (ع = 0.02، انظر الشكل 3). وأظهرت النتائج أن مع تناقص VPD عند نقطة انعطاف كان هناك انخفاض في كثافة الثغور ومؤشر الثغور. في المقابل، لم تظهر أي المعلمة من تصرف الثغور علاقة واضحة إلى ورقة العادة. تباين عال داخل المجموعتين من أوراق العادة يظهر أن آليات تنظيمية مختلفة موجودة داخل مجموعة من الخضرة والعادات ورقة المتساقطة.

الشكل 3. النتيجة الرقم لعشرالروابط الإلكترونية بين أنماط التنظيم تصرف ورقة الصفات الثغور عجز ضغط البخار (VPD) عند نقطة انعطاف من ز _S -. VPD منحنى (VpdPoi) كدالة لل(A) الكثافة الثغور، (B) مؤشر الثغور، و (C) ورقة محتوى الكربون ^20. إعادة طبع بإذن من ^20. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

المعلمات من تنظيم الثغور المستخرجة من الطريقة المعروضة في هذه الورقة تؤكد على أهمية الصفات الثغور، مثل كثافة الثغور ومؤشر الثغور. هذه العلاقات جديدة تثبت إمكانية ربط المعلمات من النماذج الفسيولوجية لالمورفولوجية والتشريحية والكيميائية ورقة الصفات ^20. بالمقارنة مع الطرق الأخرى، فإن النهج الحالي يحمل ميزة التقاط قيمة VPD فريدة من نوعها والتي لا لبس فيها التي الثغور تصرف ينظم إلى أسفل إلى نصف ز غرار _الصورة كحد أقصى.

جميع الخطوات المذكورة في البروتوكول هم الأكثر أهمية هي قياسات تصرف الثغور. نظرا لتنظيم متعدد العوامل الظروف الجوية المحيطة تصرف الثغور يكون لها تأثير قوي على ز _S. قياسات تصرف الثغور في الرطوبة النسبية العالية والمنخفضة شدة الضوء قد لا تكون موثوقة ^21-23. وفيما يتعلق المورفولوجية وأناتالصفات omical، ينبغي دائما أن تتكيف على بروتوكول للأنواع المستهدفة التي شملتها الدراسة. ولا سيما في تحليل كثافة الوريد، ينبغي أن تختلف مدة تبيض وتلطيخ للأوراق، اعتمادا على هيكل ورقة وصلابة. وتشمل القيود المحتملة للطريقة الأنواع، التي قياسات تصرف الثغور هي مستحيلة أو معقدة وعرضة للخطأ بسبب أشكال ورقة غير عادية. ويمكن أن تشمل هذه الصنوبريات والأعشاب مع ريش ورقة ضيقة جدا.

نتائجنا تؤكد جزئيا الفرضية الأولى على وجود صلة بين المعلمات الثغور تصرف والصفات ورقة من الطيف ورقة الاقتصاد (LES)، والتي تتطابق مع العديد من الدراسات الأخرى. على سبيل المثال، Poorter وBongers (2006) ²⁴ ذكرت وجود صلة وثيقة بين ز _S والصفات التي يمثلها LES، على سبيل المثال، مع ز _S تتناقص مع زيادة عمر ورقة. وفقا لذلك، شولز وآخرون (1994) ¹ demonstتصنيف صلات واضحة بين المحتوى ورقة النيتروجين وز _SMAX. وبالمثل، Juhrbandt وآخرون (2004) ^{25 وجدوا} علاقة ذات دلالة بين ز _SMAX ومساحة الورقة ورقة النيتروجين المحتوى.

ولم يتسن التأكد فرضيتنا الثانية من اختلافات واضحة فيما يتعلق أوراق العادة. والتباين الكبير في المعايير والصفات التى تمت دراستها ضمن دائمة الخضرة والمتساقطة الأوراق عادة تشير إلى أن ورقة العادة ليست اصف جيد من LES. Brodribb وهولبروك (2005) ²⁶ ناقش هذه العادة ورقة ورقة استراتيجيات الفسيولوجية قد لا تكون مرتبطة حتما منذ التباين سمة واسع هو شائع في جميع أنواع أوراق العادة.

يجوز تمديد نهج الصفات والخصائص الفسيولوجية للأجهزة النباتية الأخرى من الأوراق، على سبيل المثال إلى الصفات المتعلقة الخشب الهيدروليكية مثل الخشب محدد التوصيل الهيدروليكي والخشب المجهر الصفات ^27. وبالمثل، وغيرهاويمكن إدراج أنواع من الصفات ورقة على النحو المستمد من المجهري مثل هيكل السور حمة وepicuticular الشمع بنية الطبقة ^28.

باختصار، أكدت هذه الدراسة على صلة وثيقة بين LES وتنظيم الثغور. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الطريقة المعروضة هنا كشف جوانب من أنماط التنظيم الثغور التي لا ترتبط LES. الصفات أوراق خاصة محددة مثل حجم الثغور، والكثافة ومعامل وكذلك طول الوريد تستحق الاهتمام في المستقبل في الدراسات النباتية وظيفية.

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