木本植物叶内水力结构及水力学性状对叶大小的影响

Leaf size is the results of the plant individual long-term evolution and adaptation to the environment, and will directly affect light interception efficiency and carbon gain of plants, then indirectly affect the fitness of plant. However, the theories and models about leaf size evolution are still not perfect, one of the significant problem is that since water is an important factor restricting leaf size, why the relative studies demonstrated that leaf size was not related to leaf hydraulic conductance. The hypothesis of this project is the hydraulic architecture of leaves and their cost-benefit correlations might affect leaf size and associated plant functional relationships, make the different size leaves can achieve good water condition to meet the needs of the photosynthetic and gas exchange.. In this study, we intend to investigate the anatomical structures, morphological and hydraulic characteristics of leaves in subtropical broad-leaved woody species. We aim to explore how hydraulic architectures of leaves constrain leaf size and associated functional relationships. Our study may contribute to the understanding of the leaf size evolution and biogeographic distribution of plants based on the hydraulics, as well as providing a theoretical basis for drought tolerance mechanism of plants.

叶大小既是植物个体长期进化和适应环境的结果，又会通过直接影响植物光拦截效率和碳获取间接影响植物的适合度。然而，关于叶大小进化的理论和模型都仍有不足。其中一个显著的问题是：既然水分是限制叶大小的重要因素，为什么现有的研究结果都表明叶大小与叶的水分导度之间无关呢？本项目的假设解释是：与叶的水分供应能力密切相关的叶内水力结构特征以及他们的构建成本-收益关系可能随叶大小协变，使各种大小不同的叶片都能够达到光合和气体交换所需要的水分条件。本项目拟采用植物形态、生理和解剖的研究方法，对亚热带常绿阔叶林中优势木本植物叶内水力结构的解剖学特征及相关水力学性状与叶大小变化之间的关系进行研究，从叶水平上探讨植物叶片的水力结构及水分运输和利用效率对叶大小变化的影响，为理解叶大小的进化和解释植物的生物地理分布提供直接的、水分学基础上的变化机制，进而为探讨植物的耐旱机制和选育耐旱植物新品种提供理论依据。

本项目以浙江省天童国家森林公园40种阔叶木本植物为研究对象，运用植物形态学、生理学、解剖学和生态学的研究方法，对叶内水力结构的解剖学特征、相关水力学性状及构建成本与叶片大小变化之间的关系进行深入研究。通过研究发现：1）叶片大小相关性状与叶脉的结构、配比方式、细脉网络性状以及木质部细胞壁干重的分配格局普遍相关，表明叶片大小变化不仅与叶脉结构有关，还要受到叶脉木质部生物量投资分配的调节。2）叶片大小与叶自身的构建成本、非结构性碳水化合物含量及各组分的配比、元素含量及比值等生理生化性状普遍相关，如单位面积的构建成本、去灰分热值与叶片面积、叶片体积均呈显著负相关(p<0.05)，表明在叶片生长过程中存在明显的成本-收益权衡关系，并要受到叶内元素含量计量特征的显著影响。3）气孔密度与叶片面积、叶片干重以及叶片厚度均呈显著的负相关关系，即叶片越大，气孔密度越低，表明不论是在大叶还是小叶中，叶片上的气孔数量是比较恒定的，可能在叶片形成初期就已经基本确定，在展叶后期主要通过气孔长度的变化来适应叶片面积的增加。4）茎、叶的水分运输效率与叶片大小之间并不是完全耦合的关系，单位边材面积上的叶水分导度无论是在大叶还是小叶中都将保持恒定，但叶片厚度与中午水势绝对值之间则是斜率与-1无显著差异的负等速生长关系，表明厚实的叶片有利于在午间保持叶片内良好的水分状况。5)不同生活型植物叶片的形态、叶脉结构、水力学特征、构建成本、非结构性碳水化合物含量及配比、元素计量特征等差异明显，表明常绿和落叶物种具有不同的环境适应策略。上述研究结果为理解叶大小的进化和解释植物的生物地理分布提供了直接的、水分学基础上的变化机制，而且为解释植物的耐旱机制和选育耐旱植物新品种提供理论依据。