Flood tolerance of wheat- the importance of leaf gas films during complete submergence

小麥的耐淹性——完全淹沒期間葉片氣膜的重要性

來源：Functional Plant Biology, 2017, Volume 44, Pages 888-898

《功能植物生物學》，2017年，第44卷，888-898頁

 

摘要

摘要闡述了淹沒對植物造成多種脅迫，其中組織與洪水之間的氣體交換受阻是最大挑戰。小麥等陸生植物具有超疏水葉片角質層，能在淹沒時保留薄氣膜，增強氣體交換。但淹沒期間葉片疏水性喪失，氣膜消失。本研究將小麥（有或無氣膜）完全淹沒達14天，發現有氣膜的植物存活時間顯著更長（13天 vs 10天），且恢復期后死組織較少。研究還揭示氣膜反射光導致有氣膜葉片的水下凈光合作用光補償點更高（有氣膜52 vs 無氣膜35 μmol photons m?2 s?1），但在約5%全日照光強下，氣膜的益處克服負面影響。表明旱地作物小麥在淹沒時也受益于葉片氣膜，這一性狀應被納入以提高耐淹性。

 

研究目的

研究目的是評估葉片氣膜對小麥完全淹沒生存的重要性，并探討其機制，包括氣膜對氣體交換、水下光合作用及植物生理的影響，以揭示氣膜在增強小麥耐淹性中的作用。

 

研究思路

研究思路包括：使用小麥品種‘JB Asano’，通過刷洗葉片去除氣膜（實驗組）與保留氣膜（對照組）進行對比。植物被完全淹沒在人工洪水中達14天，監測生存時間、恢復期生長。同時，測量氣膜厚度、組織孔隙度、葉綠素濃度、水下凈光合作用（PN）和暗呼吸（RD）的CO2及光響應曲線，以分析氣膜對氣體交換的機制。實驗在控制條件下進行，數據通過統計方法（如ANOVA）分析。

 

測量的數據及研究意義

1. 生存時間：數據來自Fig.2，顯示有氣膜植物中位生存時間13天，無氣膜10天，差異顯著。研究意義是直接證明氣膜延長淹沒生存，為耐淹育種提供依據。

 

2. 氣膜厚度和組織孔隙度：數據來自Fig.3a和Fig.3b，顯示氣膜厚度在淹沒3天后消失，組織孔隙度隨淹沒時間下降。研究意義是氣膜短暫存在但關鍵，孔隙度變化反映組織完整性喪失，與生存相關。

 

3. 葉綠素濃度：數據來自Fig.3c，顯示隨淹沒時間下降。研究意義是葉綠素降解指示衰老進程，氣膜延緩此過程，維持光合能力。

4. 相對生長率和死組織比例：數據來自Fig.4a和Fig.4b，顯示有氣膜植物在淹沒6天后生長率更高，死組織較少。研究意義是氣膜改善碳平衡和恢復能力，支持長期生存。

 

5. 水下凈光合作用CO2和光響應：數據來自Fig.5、Fig.6和Table 1，顯示有氣膜時PN更高，CO2吸收阻力更低，但光補償點更高。研究意義是量化氣膜增強氣體交換的效率，揭示其在生態相關條件下的優勢。

 

 

 

 

結論

1. 葉片氣膜顯著延長小麥完全淹沒生存時間，改善恢復期組織完整性。

2. 氣膜通過降低CO2和O2交換阻力，增強水下光合作用和黑暗呼吸，改善內部通氣及碳平衡。

3. 氣膜反射光導致光補償點升高，但在低光下益處主導，表明其生態適應性。

4. 氣膜是小麥耐淹性的關鍵性狀，應通過遺傳改良延長氣膜保留時間。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（如OX-500型號）測量溶解O2濃度，用于評估水下凈光合作用（PN）和暗呼吸（RD）。研究意義在于：電極提供高精度、實時O2數據，使能量化氣體交換速率。例如，在CO2和光響應曲線中，電極測量O2產生/消耗，計算PN和RD，揭示氣膜降低氣體交換阻力（有氣膜阻力92,884 s m?1 vs 無氣膜1,659,541 s m?1）。這直接證明氣膜機制，即通過“物理鰓”效應增強氣體擴散，支持水下代謝。數據還顯示光補償點差異，突出氣膜在低光下的權衡。總體，Unisense電極數據為耐淹機制提供實證，指導作物改良。