陆生植物气孔参数与大气CO_2浓度变化

陆生植物的起源与演化与全球气候和环境的变化密不可分,利用植物气孔参数(气孔密度和气孔指数)来指示或重建古大气CO2浓度变化是近年来全球变化研究的热点之一。就陆生植物气孔参数的研究进行了概述,对研究中存在的问题及其前景作了简要探讨,并对植物生物学方法在定量研究古气候和古环境变化的趋势进行了分析。     

植物叶片气孔性状变异的影响因素及研究方法

气孔是陆生植物与外界环境进行水分和气体交换的主要通道,在全球水和碳循环中发挥着重要作用.植物的气孔性状包括气孔密度、气孔形状和大小、气孔指数等,是植物在进化过程中对外界环境因子长期适应的结果,并对环境因子变化表现出高度的敏感性.本文评述了国内外近30年来植物气孔性状与大气CO₂浓度、温度、水分、光照等环境因素的关系研究的主要方法和成果,展望了今后植物气孔性状对气候变化响应的主要研究方向.     

植物叶片化石气孔参数与古海拔定量重建: 方法与进展

古海拔的定量重建在推演地球动力学模型、大气循环模式、古气候变化以及地球化学循环过程方面都具有十分重要的作用,但是迄今为止在古植物学和古环境研究领域中古海拔的定量重建仍然存在许多难点。本文在介绍目前古海拔定量重建领域几种方法的基础上,重点对植物叶片化石气孔参数及其应用与进展进行了讨论,着重介绍:(1)如何利用植物叶片化石气孔参数法恢复古海拔;(2)方法实践过程中的误差来源与分析;(3)应用实例及展望。     

植物对环境的响应——定量重建古气候的研究进展

生物演化的本质是生物遗传物质与外部环境的辩证统一。一方面,植物和环境的协调发展推动植物界自身的演化;另一方面,外部环境的改变在植物的形态结构、生理功能、繁衍机理,以至最终在遗传物质上留下痕迹,这就是植物对环境的响应。从长时间尺度上（可以达到上亿年）研究植物界的发生发展,是一个探讨和理解植物起源与演化的生命科学问题,也是从宏观角度认识生物演化和全球变化的相关关系的环境科学问题。目前,国际上对全球环境变化的研究,正在加大研究的时间尺度和提高研究的精确程度,即在距今百万年至数千万年,甚至更长的时间范围内,从定性到定量的研究和理解全球变化的过程、规律和机制,以便更有效地预测气候的未来变化。本文介绍了最近10年里,采用特有种气候分析法、共存分析法、叶相分析法、植物气孔参数与古大气CO2浓度变化的相关性,定量研究古环境和古气候方面所取得的进展。     

植物对环境的响应--定量重建古气候的研究进展

生物演化的本质是生物遗传物质与外部环境的辩证统一。一方面,植物和环境的协调发展推动植物界自身的演化;另一方面,外部环境的改变在植物的形态结构、生理功能、繁衍机理,以至最终在遗传物质上留下痕迹,这就是植物对环境的响应。从长时间尺度上(可以达到上亿年)研究植物界的发生发展,是一个探讨和理解植物起源与演化的生命科学问题,也是从宏观角度认识生物演化和全球变化的相关关系的环境科学问题。目前,国际上对全球环境变化的研究,正在加大研究的时间尺度和提高研究的精确程度,即在距今百万年至数千万年,甚至更长的时间范围内,从定性到定量的研究和理解全球变化的过程、规律和机制,以便更有效地预测气候的未来变化。本文介绍了最近10年里,采用特有种气候分析法、共存分析法、叶相分析法、植物气孔参数与古大气CO2浓度变化的相关性,定量研究古环境和古气候方面所取得的进展。     

植物气孔发育的分子调控机制

气孔是陆生植物表皮上可以调节的小孔,也是植物进行气体交换的主要通道。气孔不仅对植物的光合作用起着非常关键的作用,而且对全球的碳循环和水循环具有重要的影响。气孔分布和形态结构在单、双子叶植物间也有较大的差异,这些差异因植物种类不同影响着气孔发育的精细调控。本文综述了调控气孔前体细胞命运的分子网络、细胞极性分裂和表观遗传机制,归纳了外界环境信号通过与内源信号通路互作介导气孔发育的过程,提出了气孔发育基于多水平控制的气孔发育模型。     

苏铁属植物叶表皮特征及其分类学和古生态学意义

苏铁属(Cycas)作为一类古老的裸子植物,经历了漫长的演化历史,因此,深入研究其形态特征与环境的相互关系,有望为古环境重建提供重要参考依据。本文分析西双版纳和深圳两地植物园栽培环境下27种苏铁属植物的叶表皮特征及气孔参数的差异,并进一步探讨气孔参数与系统发育的关系。结果表明:(1)苏铁属内叶表皮特征保守稳定,具有一定的分类学意义:依据表皮细胞及气孔器特征划分了四种叶表皮类型,可为苏铁现生植物或化石的鉴定提供参考。(2)四种叶表皮类型指示了不同的原生生境特征,对古环境具有一定的指示意义。(3)同一环境下,气孔参数在属内的种间差异显著,其次,气孔指数在属内变化与系统发育有关,除气孔指数具显著的系统发育信号外,其余气孔参数均无显著系统发育信号。本研究结果表明气孔参数法重建古大气CO2浓度时,需尽可能利用亲缘关系相近、叶表皮和生境皆相似的代理种,并明确气孔参数与大气CO2分压的相关关系在种间的异同,从而提高该方法的有效性。     

植物叶片形态解剖结构对环境变化的响应与适应

叶片是植物进化过程中对环境变化比较敏感且可塑性较大的器官,环境变化常导致叶的长、宽及厚度,叶表面气孔、表皮细胞及附属物,叶肉栅栏组织、海绵组织、胞间隙、厚角组织和叶脉等形态解剖结构的响应与适应。本文综述了陆生植物叶片上述形态解剖结构对水分、温度、光照、CO2浓度和UV-B辐射等环境因子变化以及多因子复合作用的响应与适应,分析了该领域的研究特点及其存在的问题,指出了未来研究的重点和方向。     

气孔发育机制及其内外调控因子的研究进展

气孔是植物与外界环境进行气体与水分交换的重要通道,调节着植物的蒸腾与光合作用。在长期进化过程中,植物通过调节气孔行为和气孔发育机制来适应环境变化。不同植物气孔系的形成方式不尽相同,但过程均受到气孔发育信号网络系统的调节作用。近年来关于气孔发育机制的研究层出不穷,现重点综述各类转录因子、信号肽以及环境因子和植物激素对气孔发育的调节作用。该领域的研究为在微观层面揭示植物对环境变化的适应机制提供了科学基础。     

气孔特征与叶片功能性状之间关联性沿海拔梯度的变化规律——以长白山为例

气孔是陆生植物与外界环境进行水分和气体交换的主要通道,控制着植物的光合作用和蒸腾过程。植物往往通过多种性状的组合来适应变化的环境,叶片功能性状之间的紧密关系已经在不同尺度得到证实。然而,植物气孔特征与叶片其它功能性状是否存在关联性以及这种关联性是否会受到环境变化梯度的影响仍鲜少报道。沿长白山北坡6个海拔梯度,测定了150种植物的气孔特征和叶片功能性状。结果发现,气孔密度(SD)与比叶面积(SLA)负相关,与单位面积的叶氮含量(N_(area))正相关;除了SLA和N_(area)外,气孔长度(SL)与SLA、叶片厚度(LT)和单位质量的叶氮含量(N_(mass))均存在显著的相关性(P0.05)。然而,气孔特征与叶片功能性状的相关性只在部分海拔梯度存在。此外,发现SD与SL之间存在稳定一致的负相关关系。这些结果表明,植物气孔特征与叶片形态和化学特征对环境变化的适应存在一定的协同变异性,但这种关系不具有普适性,主要与气孔特征和叶片功能性状的选择压力存在差异以及物种分布范围相关。未来仍需要在更多物种和不同区域内来验证气孔特征与植物功能性状之间的关联关系。     

近一世纪黄土高原区植物气孔密度变化规律

以黄土高原地区 4种典型 C3植物辽东栎 (Quercus liaotungensis)、虎榛子 (Ostryopsis davidiana)、酸枣 (Zizyphus jujubavar.spinosa)和狼牙刺 (Sophora viciifolia)植物腊叶样品标本为材料 ,利用数码图像显微镜处理系统 ,研究了从 2 0世纪 30年代至 2 0 0 2年中不同年代植物气孔密度的变化情况。结果表明 ,在近百年中 ,4种植物气孔密度随环境变化的演变规律不同 ,辽东栎气孔密度升高率为 1.31% ,几乎没有变化 ,虎榛子气孔密度降低率为 9.79% ,下降也不十分明显 ,而酸枣和狼牙刺的气孔密度降低率分别为 32 .35 %、4 6 .85 % ,下降非常明显。 4种植物气孔密度变化率比较 :狼牙刺 >酸枣 >虎榛子 >辽东栎。说明不同植物对气候环境因子的敏感性不同 ,具有不同的适应环境变化的策略 ,环境变化对气孔密度的影响 ,其效应因植物种类而异     

植物气孔对全球环境变化的响应及其调控防御机制

气孔是植物与环境发生联系的重要门户,控制着植物与外界的气体和水分交换。本文针对全球大气CO2浓度升高、气候变暖、干旱加剧等环境问题,分析了气孔对全球水循环、碳循环的重要贡献。系统总结了气孔的形态发育和生理功能对大气高CO2浓度、干旱、土壤盐渍化、病虫害等的响应及其调控防御机制。综述了脱落酸（ABA）、Ca2＋、H2O2、一氧化氮（NO）和光信号调控气孔运动的分子机制。从理论和实践两方面,提出了通过调控气孔运动协调CO2同化和水分散失的矛盾,在不影响光合效率的前提下提高水分利用率等未来的研究方向。     

不同植物叶片水分利用效率对光和CO2的响应与模拟

植物叶片水分利用效率的高低取决于气孔控制的光合作用和蒸腾作用两个相互耦合的过程,模拟水分利用效率对环境变化的响应特征和机制是理解生态系统碳循环和水循环及其耦合关系的基础。研究通过人工控制光强和CO₂浓度,对叶片水分利用效率进行了研究。提出了植物水分利用效率在光强和CO₂浓度共同作用下的估算模型。数据分析表明,该模型在包括C3和C4植物、草本和木本植物在内的9种植物上能很好地模拟水分利用效率对光强和CO₂浓度共同作用的响应。该模型可以用于估算CO₂浓度升高条件下光合速率的提高和蒸腾速率的降低对水分利用效率提高的贡献量。CO₂浓度变化条件下,水分利用效率在不同植物之间有巨大差异,研究区域尺度植物的水分利用效率时至少需要将植物区分为C4植物和C3植物,其中C3植物区分为草本和木本植物3种生态功能型才能较为准确地估算植物的整体水分利用效率。应用本研究提出的水分利用效率估算模型和植物水分利用效率生态功能型分类标准,可以为建立以植物的水分利用效率为基本参数的陆地生态系统水循环模型和陆地生态系统生产力模型提供重要依据。     

Megacycles of atmospheric carbon dioxide concentration correlate with fossil plant genome size

Tectonic processes drive megacycles of atmospheric carbon dioxide (CO(2)) concentration, c(a), that force large fluctuations in global climate. With a period of several hundred million years, these megacycles have been linked to the evolution of vascular plants, but adaptation at the subcellular scale has been difficult to determine because fossils typically do not preserve this information. Here we show, after accounting for evolutionary relatedness using phylogenetic comparative methods, that plant nuclear genome size (measured as the haploid DNA amount) and the size of stomatal guard cells are correlated across a broad taxonomic range of extant species. This phylogenetic regression was used to estimate the mean genome size of fossil plants from the size of fossil stomata. For the last 400 Myr, spanning almost the full evolutionary history of vascular plants, we found a significant correlation between fossil plant genome size and c(a), modelled independently using geochemical data. The correlation is consistent with selection for stomatal size and genome size by c(a) as plants adapted towards optimal leaf gas exchange under a changing CO(2) regime. Our findings point to the possibility that major episodes of change in c(a) throughout Earth history might have selected for changes in genome size, influencing plant diversification.     

The role of ion channels in light-dependent stomatal opening

Stomatal opening represents a major determinant of plant productivity and stress management. Because plants lose water essentially through open stomata, volume control of the pore-forming guard cells represents a key step in the regulation of plant water status. These sensory cells are able to integrate various signals such as light, auxin, abscisic acid, and CO(2). Following signal perception, changes in membrane potential and activity of ion transporters finally lead to the accumulation of potassium salts and turgor pressure formation. This review analyses recent progress in molecular aspects of ion channel regulation and suggests how these developments impact on our understanding of light- and auxin-dependent stomatal action.     

Plant-insect herbivore interactions in elevated CO(2) environments

The increasing concentration of CO(2) in the atmosphere is expected to lead to global changes in the physical environment of terrestrial organisms. We are beginning to understand how these changes are transmitted into pervasive effects on the interactions between plants and their leaf-feeding insect herbivores. An elevated CO(2) atmosphere often stimulates plant carbon assimilation and growth and alters carbon allocation patterns. This, in turn, determines the quality of plants as resources for herbivorous insects. These 'quality' factors include: the concentrations of water, nitrogen and allelochemicals in host-plant leaves, and the toughness and starch and fiber content of leaf tissue. Because these parameters change in plants grown in enriched CO(2) environments, the doubled CO(2) levels anticipated for the next century will alter the dynamics of plant-insect herbivore interactions because herbivore consumption, growth and fitness are affected by the typically lower quality of plants grown under these conditions.