竹類作為全球生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一，兼具碳匯、水土保持等重要生態(tài)功能，但由于竹類植物其淺根系與高的需水量使其易對(duì)干旱敏感。此前學(xué)界對(duì)竹類水分調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)知多集中于根系或莖稈，葉片結(jié)構(gòu)在其干旱應(yīng)對(duì)中的作用尚未明確。

近日，中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園(以下簡(jiǎn)稱“版納植物園”)植物逆境生態(tài)學(xué)研究組研究人員選擇了9種具有不同最大高度(2.6米至40.8米)竹子，通過(guò)穩(wěn)定性同位素分析、葉片持水能力及解剖結(jié)構(gòu)研究，系統(tǒng)測(cè)定其水分吸收深度、葉片保水能力及干旱響應(yīng)過(guò)程中泡狀細(xì)胞形態(tài)特征的變化。研究結(jié)果表明所有供試竹類50%的水分來(lái)自30厘米以上的淺層土壤，且葉片飽和含水量低、脫水速度快(到達(dá)70%含水量的脫水時(shí)間74.5-250.4分鐘)，表明竹類植物普遍具有淺根系及較弱的葉片持水能力(圖1)。進(jìn)一步研究表明，葉片保水能力與旱季正午水勢(shì)呈顯著正相關(guān)，而泡狀細(xì)胞占葉橫截面積比例是影響葉片卷曲效率與保水能力的關(guān)鍵解剖性狀。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，干旱過(guò)程中葉片泡狀細(xì)胞密度高且細(xì)胞體積較大的竹種，能在失水早期快速驅(qū)動(dòng)葉片卷曲以減少暴露面積，顯著提升旱季黎明前葉片水勢(shì)。并在正午最大限度降低蒸騰失水，使其正午維持相對(duì)較好的葉片水分條件(圖2)。值得注意的是，竹類株高與葉片水勢(shì)無(wú)顯著關(guān)聯(lián)，提示高大竹種可能通過(guò)莖稈儲(chǔ)水等補(bǔ)償機(jī)制抵消高度帶來(lái)的水力劣勢(shì)(圖3)。

該研究首次揭示泡狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)與葉片保水能力在竹類植物干旱響應(yīng)過(guò)程中的協(xié)同作用，為竹類抗旱育種提供了研究靶點(diǎn)。未來(lái)需進(jìn)一步探索泡狀細(xì)胞形態(tài)變化與水分運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制，以更精準(zhǔn)預(yù)測(cè)氣候變化下竹類生態(tài)系統(tǒng)的韌性。相關(guān)研究成果以“Bulliformcell- induced leaf curling contributes to water loss and water potential regulation of bamboos during dry season”為題發(fā)表于國(guó)際植物生理學(xué)Physiologia Plantarum上。版納植物園植物逆境生態(tài)學(xué)研究組副研究員Amy Ny Aina Aritsara為第一作者，陳亞軍研究員為通訊作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、云南省科學(xué)基金、版納植物園“十四五”專項(xiàng)的聯(lián)合支持，并得到版納植物園園林園藝中心的大力協(xié)助。

圖1.9種竹類植物的葉片失水趨勢(shì)

圖2.泡狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)、葉片保水能力和葉片儲(chǔ)存能力對(duì)葉片水勢(shì)的日間和季節(jié)變化的影響

圖3.竹類植物葉片的卷曲行為以及其對(duì)葉片水分和水勢(shì)調(diào)控的作用