Net O2 exchange rates under dark and light conditions across different stem compartments  

不同莖部組織在黑暗和光照條件下的凈氧氣交換速率  

來源：New Phytologist (2024) 243:72-81  

《新植物學家》2024年第243卷第72-81頁  

 

摘要內(nèi)容：  

本研究通過微傳感器技術(shù)和熒光壽命成像顯微鏡（FLIM），首次系統(tǒng)評估了木本植物（以花楸樹為例）莖部不同組織（樹皮和木材）的光合作用能力及其對氧氣釋放的貢獻。研究發(fā)現(xiàn)，光照條件下莖部整體、樹皮和木材均能產(chǎn)生氧氣，且年輕莖的氧氣產(chǎn)量和暗呼吸速率高于老莖。樹皮是莖部凈氧氣生產(chǎn)的主要貢獻者，但木材葉綠體也具有光合活性。FLIM分析顯示木材葉綠體的PSI比例低于樹皮，表明莖部葉綠體能夠適應(yīng)內(nèi)部光譜環(huán)境。研究揭示了莖部光合作用在維持局部氧氣平衡中的作用。  

 

研究目的：  

明確莖部不同組織（樹皮和木材）的光合作用功能特性及其對整體莖部光合能力的貢獻。  

 

揭示莖部葉綠體對內(nèi)部光譜環(huán)境（紅光/遠紅光為主）的適應(yīng)性機制。  

 

評估莖部光合作用在緩解缺氧和維持代謝中的作用。  

 

研究思路：  

實驗材料與處理：以花楸樹（Fraxinus ornus）為對象，采集不同年齡莖段（當年生、1年生、2年生）的樹皮和木材樣本。  

 

色素分析：測定葉、莖、樹皮和木材的葉綠素和類胡蘿卜素含量（表1）。  

 

 

FLIM成像：通過熒光壽命差異量化PSI與PSII的葉綠素比例（圖1）。  

 

氧氣交換速率測量：利用微傳感器技術(shù)測定黑暗和光照條件下莖部整體、樹皮和木材的凈氧氣交換速率（圖2、3）。  

 

 

 

 

徑向氧氣分布分析：通過高分辨率微傳感器繪制莖部徑向氧氣濃度梯度（圖4）。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（對應(yīng)圖表）：  

色素含量（表1）：  

莖部葉綠素含量隨莖齡增加而降低，當年生莖的樹皮葉綠素含量最高（0.76 mg/g），木材葉綠素極低（0.03 mg/g）。  

 

意義：量化莖部光合能力的基礎(chǔ)，解釋年輕莖光合活性更高的原因。  

PSI:PSII葉綠素比例（圖1）：  

 

木材葉綠體的PSI比例（0.55-0.63）顯著低于樹皮（0.78-0.82），PSI:PSII比值在木材中更低。  

 

意義：表明莖部葉綠體通過調(diào)整光系統(tǒng)比例適應(yīng)內(nèi)部紅光/遠紅光主導(dǎo)的光環(huán)境，支持其功能性光合作用。  

氧氣交換速率（圖2、3）：  

 

光照下當年生莖整體凈氧氣產(chǎn)量為2.0 nmol O2/g FM/s，樹皮貢獻主要部分（1.2 nmol O2/g FM/s），木材光合作用僅補償其呼吸消耗的20%。  

 

意義：證實樹皮是莖部光合作用的主要場所，木材光合作用對局部氧氣平衡有微弱貢獻。  

徑向氧氣分布（圖4）：  

 

光照下莖部氧氣濃度從樹皮向髓部遞減，樹皮層氧氣濃度峰值顯著高于黑暗條件，髓部仍接近缺氧狀態(tài)。  

 

意義：揭示莖部光合作用緩解內(nèi)部缺氧的局部效應(yīng)，但無法完全消除髓部缺氧。  

 

結(jié)論：  

莖部光合作用主要由樹皮驅(qū)動，年輕莖的光合活性顯著高于老莖。  

 

木材葉綠體具有功能性光合能力，但其PSI比例低，適應(yīng)內(nèi)部紅光富集的光環(huán)境。  

 

莖部光合作用通過釋放氧氣緩解局部缺氧，但無法完全消除髓部缺氧。  

 

莖部光合作用對整體碳平衡貢獻有限，但對維持莖部細胞代謝（如呼吸作用）至關(guān)重要。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

高分辨率氧氣分布分析：Unisense微傳感器（OX-50）的尖端尺寸僅3-5μm，可精確測量莖部徑向25μm步長的氧氣濃度梯度（圖4），首次揭示樹皮、木材和髓部的氧氣動態(tài)變化。  

 

驗證光合作用活性：通過對比黑暗與光照條件下的氧氣濃度變化，直接證明莖部組織（尤其是樹皮）的光合產(chǎn)氧能力，數(shù)據(jù)支撐圖2和圖3的凈氧氣交換速率結(jié)果。  

 

缺氧緩解機制解析：光照下樹皮層氧氣濃度顯著升高，表明光合作用是緩解莖部缺氧的關(guān)鍵機制，但木材光合作用微弱，髓部仍處缺氧狀態(tài)，為理解莖部代謝的氧氣限制提供依據(jù)。  

 

方法學創(chuàng)新：通過鉆孔填充脫氧瓊脂和氮氣沖洗，排除大氣氧氣干擾，首次實現(xiàn)莖部內(nèi)部光合產(chǎn)氧的精準測量，為后續(xù)研究提供技術(shù)范式。  

 

這些數(shù)據(jù)不僅量化了莖部光合作用的時空異質(zhì)性，還為評估木本植物在干旱或洪水脅迫下的代謝適應(yīng)性提供了關(guān)鍵參數(shù)。