干旱脅迫是植物生產(chǎn)的環(huán)境限制因子之一。土壤-植物水力學(xué)分析是解釋和預(yù)測(cè)植物在缺水條件下行為的重要手段(Javaux et al., 2008; Sperry et al., 2002)。葉片水勢(shì)（ψ leaf）被認(rèn)為是植物水分狀況的一個(gè)指標(biāo)，通常用于研究植物對(duì)不同土壤和大氣干燥的響應(yīng)(Matin et al., 1989; O’Toole et al., 1984)。

    有多種不同的方法被用來測(cè)定葉片水勢(shì)。 Scholander等人(1965)引入了一種壓力室，用于在實(shí)驗(yàn)室和田間條件下測(cè)量植物組織中的水勢(shì) (Parent et al., 2010; Richter, 1997;Tyree and Hammel, 1972)。 雖然該方法可以測(cè)量不同的植物種類和組織大小， 但它具有破壞性，并且不能在同一植物組織上重復(fù)測(cè)量(O’Toole et al., 1984)。 采用干濕計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)莖葉水勢(shì)(Iwasaki et al., 2019; Kirkham, 2005; Oosterhuis et al., 1983; Wullschleger et al.,1988)， 濕芯和熱電偶的敏感性仍然存在問題(Chen and Chen, 2017; Montgomery andMcDowall, 2008)。利用根部壓力室來測(cè)量葉片水勢(shì) (Passioura, 1980)，雖然只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)植物幼株進(jìn)行測(cè)量，但是可以精確的測(cè)量出全天或者在土壤變干的幾天內(nèi)葉片水勢(shì)和蒸騰速率(E)之間的關(guān)系(Matzner and Comstock, 2001; Saliendra et al., 1995)，利用該技術(shù)可以從葉片水勢(shì)與蒸騰速率的關(guān)系中得到植物的水力導(dǎo)度。 (Passioura, 1980)
    利用根部壓力室， Passioura (1980) 發(fā)現(xiàn)在潮濕土壤中小麥的葉片水勢(shì)和蒸騰速率成線性相關(guān)，隨著土壤變得 干燥，這種關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性相關(guān)。 隨即在有根毛和沒有根毛的大麥中也測(cè)得了類似的關(guān)系 (Carminati et al., 2017)。高蒸騰速率下干燥土壤葉片水勢(shì)的下降可以解釋為根際水勢(shì)的下降。這種下降最終限制了根系的供水量，并進(jìn)一步限制了蒸騰速率，我們的目標(biāo)是利用根壓法調(diào)查出土壤水力對(duì)蒸騰作用的影響。將這種方法應(yīng)用在耐旱度高的珍珠粟品系中( Kholovet al., 2010 ? )，目的是測(cè)試新的根部壓力室系統(tǒng)在測(cè)葉片水勢(shì)和蒸騰速率關(guān)系時(shí)的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法

根部壓力室系統(tǒng)

     根部壓力室系統(tǒng)（ RPCS）由兩個(gè)部分組成：一個(gè)根壓室與上面的試管結(jié)合，一個(gè)主控制器用于參數(shù)調(diào)節(jié)（圖1） 。根壓室由鋼制成，高31.5cm，內(nèi)徑14.5cm，外徑17.5cm。上面的試管由亞克力玻璃制成，高50厘米，內(nèi)徑19厘米，外徑20厘米。這些植物種植在PVC管中。然后將樣品放置在RPCS中，根和土壤位于壓力室中，而芽位于試管中。蒸騰速率是通過調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度來改變的，將進(jìn)入空氣的流速乘以進(jìn)入空氣和排出空氣之間的濕度差可以得出蒸騰速率。利用安裝在比色皿兩端的溫濕度傳感器（ GalltecMela， Bondorf， Germany）每隔10s監(jiān)測(cè)進(jìn)出空氣的相對(duì)濕度（ RH）和溫度。四組發(fā)光二極管（ LED）燈從外部安裝在試管上。光強(qiáng)由輻射傳感器（ Gamma Scientific, San Diego，USA）在試管頂部?jī)?nèi)部測(cè)量，值范圍為0至1180μmol m-2 s-1。通過的空氣被安裝在輻射傳感器上方的風(fēng)扇攪動(dòng)。

     葉片水勢(shì)是通過對(duì)土壤和根系施加氣壓，使葉片中的水分達(dá)到大氣壓力而確定的。這個(gè)壓力被稱為平衡壓力(P)，它對(duì)應(yīng)于木質(zhì)部的吸力，等于葉片水勢(shì)的流體靜力分量（ Passioura, 1980）。來自氮?dú)夂蛪嚎s空氣的壓力范圍為0-20bar， 分辨率為0.01bar。壓力室中的氣體調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)蒸騰速率的不同參數(shù)通過主控制器中的監(jiān)視器進(jìn)行控制（圖1a） 。 P的測(cè)量從密封在壓力室中的柱開始。根據(jù)土壤的干燥程度，在根部施加大約0 0-3bar的壓力，直到被切割的葉子上出現(xiàn)液滴。剪下的葉片隨后被夾在毛細(xì)管（內(nèi)徑=1mm）上。將活頁(yè)夾掛在一根垂直擰在試管底部密封盤上的棍子上。該管用于保持葉片和毛細(xì)管之間的水力連續(xù)性，其中空氣-水界面的半月板用紅外探測(cè)器測(cè)量。半月板的位置用來指示植物對(duì)施加壓力的加壓狀態(tài)。當(dāng)半月板保持恒定（波動(dòng)≤ ±2mm）至少1分鐘時(shí)，確定葉片水勢(shì)。監(jiān)視器可以對(duì)半月板、進(jìn)出空氣的相對(duì)濕度以及施加的壓力的變化做出快速反應(yīng)。

根部壓力室靈敏度測(cè)試及測(cè)定 葉片水蒸騰速率和P

我們比較了根壓室系統(tǒng)測(cè)量的進(jìn)氣和出氣的濕度和溫度，并與兩個(gè)無線溫濕度傳感器進(jìn)行了測(cè)量。此外，我們比較了從根壓室系統(tǒng)的氣體交換測(cè)量中計(jì)算的蒸騰速率與通過天平測(cè)量的植物水分損失。為了測(cè)試半月板對(duì)施加壓力的敏感性，在恒定的光照強(qiáng)度下，對(duì)土壤和根系施加0.1-0.2bar范圍內(nèi)的一系列壓力。

圖1. (a)設(shè)備外觀 和 (b) 根部壓力室系統(tǒng)示意圖(RPCS).

(b)中的設(shè)備草圖不是按照實(shí)際尺寸繪制的。 氮?dú)夂蛪嚎s空氣的混合物用于施加高壓 (P>15 bars)， 而氮?dú)鈨H用于施加較低的壓力(P<15 bars). 進(jìn)入試管的干燥空氣或潮濕空氣由主控制器中的閥門調(diào)節(jié)。對(duì)一種珍珠谷子品種( Pennisetum glaucum)進(jìn)行了蒸騰速率和P的測(cè)量( Kholov et al.,2010)，將它的種子播種在高3cm，內(nèi)徑9.4cm的PVC管中，管內(nèi)用肥沃的土和石英砂以5:3的比例混合進(jìn)行填充，混合土被篩至0.1cm。 通過管上直徑為5mm的5個(gè)孔進(jìn)行土壤濕度測(cè)量， 此外管底均勻分布5 個(gè)直徑為1 .5mm用于排水的孔。 柱子用0 .8cm厚的鋁板覆蓋，中間有直徑1 .4厘米的播種孔。 在光照時(shí)間為14h的氣候室中生長(zhǎng)，晝夜溫度30/18.5℃，晝夜?jié)穸葹?7/65%，光照強(qiáng)度為600μmol m^-2 s^-1 13h， 360μmol m^-2 s^-1 0.5h，三周后將植株的根莖沖洗，晾干一到兩天，然后用膠水密封在板孔內(nèi)( UHU plus Endfest 300, Bòhl,Germany) 。需要注意的是，膠水在短時(shí)間內(nèi)（例如兩周）對(duì)植物不應(yīng)有毒，并要能承受高達(dá)20bar的壓力。通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)來改變蒸騰速率，從100μmol m^-2 s^-1逐步上升到1000μmolm^-2 s^-1，然后回落到100 μmol m^-2 s^-1，每個(gè)步驟的測(cè)氣壓的時(shí)間約為30-50分鐘。土壤水分由時(shí)域反射儀（TDR）在加壓前后測(cè)量(E-Test,Lublin,Poland)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根部壓力室系統(tǒng)的靈敏度

圖2說明了根部壓力室系統(tǒng)測(cè)量的總體精度。 根壓室系統(tǒng)測(cè)得的RH和進(jìn)風(fēng)口溫度與無線傳感器測(cè)得的溫度匹配良好( r2=0.94and 0.79,respectively)(Figure2a, b)。根壓室系統(tǒng)的傳感器對(duì)溫度的微小變化（如0.2℃）更為敏感。根壓室系統(tǒng)測(cè)得的蒸騰量與天平測(cè)得的失水量也吻合得很好( r2=0.96) (Figure 2c)。 植物對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)如圖3所示。 在光強(qiáng)增加后1分鐘內(nèi)RHin保持不變， RHout增加，說明光強(qiáng)一變化，植物就開始調(diào)節(jié)氣孔。 RHout的變化表明，完全更換試管內(nèi)的空氣并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的e 需要5 到6 分鐘。然而，半月板并不是瞬間變化的，它的反應(yīng)較慢，有4 到5 分鐘的滯后。注意，在半月板顯示出明顯的移動(dòng)（例如， 3毫米）之前，壓力一直維持在P，這是根據(jù)之前的光強(qiáng)確定的。半月板反應(yīng)滯后的原因可能是由于蒸騰需求增加，葉片水勢(shì)降低，即從連接的毛細(xì)管中吸收水分需要幾分鐘的時(shí)間。

圖2. RPCS測(cè)得的進(jìn)入進(jìn)出空氣的(a) 相對(duì)濕度 (RH) 、 (b) 溫度 (T) 和(c) 通過RPCS和天平 測(cè)量的蒸騰作用

   半月板對(duì)相對(duì)較小的壓力變化的響應(yīng)如圖4所示。當(dāng)光強(qiáng)和流量不變時(shí)， 根壓室系統(tǒng)測(cè)得的蒸騰速率是穩(wěn)定的。壓力保持在平衡壓力。兩分鐘后，當(dāng)壓力增加0.1和0.2bar時(shí)，半月板上升。 需要注意， 0.1bar是閥門可以控制的最小精確壓力。當(dāng)壓力釋放并降低到平衡壓力時(shí)， 半月板停止上升并保持穩(wěn)定水平。這說明半月板對(duì)0.1bar的壓力變化很敏感，這又說明壓力的測(cè)量可以精確到0.1bar。這比Scholander bomb的測(cè)量值(0.5bar)和和干濕計(jì)的測(cè)量值(1bar)要高。 (Model 3115, Soil moisture Equipment Corp, USA; Model600, PMSInstrument, USA), (PSY1 Stem Psychrometer, ICT International, Australia)。

圖3. 出風(fēng)口相對(duì)濕度（ RHout）、蒸騰速率（E，用RPCS測(cè)量）和半月板對(duì)光強(qiáng)（LI）和施加壓力(P)變化的響應(yīng)。黑色和灰色箭頭之間的距 離表示光強(qiáng)改變后RHout和半月板變化的時(shí)間。

圖4. 在恒定的光強(qiáng)（ LI）和蒸騰速率(E)以及相應(yīng)的相對(duì)濕度（ RH）下，半月板對(duì)施加壓力(P)的響應(yīng)。RHin 和 RHout: 進(jìn)出空氣的相對(duì)濕度。

蒸騰速率和壓力之間的關(guān)系

不同土壤水分條件下，蒸騰速率與施壓力的關(guān)系如圖5所示。 無論是濕潤(rùn)土壤還是相對(duì)干燥土壤，施壓均隨蒸騰速率線性增加，這與均勻濕潤(rùn)土壤和干燥土壤中羽扇豆的研究一致(Hayat et al., 2019)。 在高蒸騰速率和干燥土壤中，蒸騰速率與施壓力的關(guān)系保持線性，這與之前對(duì)小麥和大麥的研究形成對(duì)比，在這些研究中，關(guān)系開始變得非線性(Carminati et al., 2017; Deery et al., 2013; Passioura, 1980)。 與小麥和大麥的遲滯現(xiàn)象相比珍珠谷子在蒸騰速率增加和減少階段的壓力差要小得多。隨著土壤含水量的降低，植物水力阻力（Rplant）的斜率逐漸增大。坡度稍陡表明干燥土壤中植物水力導(dǎo)度有中度降低（Kplant = 1/Rplant）。

圖 5. 土壤干燥過程中珍珠谷子蒸騰速率E與平衡壓力P的關(guān)系。D: 播種后第二天, θ: 土壤含水量.

結(jié)果與展望
   本研究建立了測(cè)量土壤干燥過程中葉片水勢(shì)與蒸騰速率關(guān)系的根壓室系統(tǒng)。該系統(tǒng)分辨率高（ 0.1bar），能準(zhǔn)確測(cè)量葉片水勢(shì)，測(cè)量蒸騰速率可靠。結(jié)果表明，無論在濕潤(rùn)土壤還是相對(duì)干燥土壤中，珍珠谷子的蒸騰速率與平衡壓力均呈線性關(guān)系，即使在高蒸騰速率下也是如此。隨著土壤干燥，植物水力導(dǎo)度略有下降。

    這項(xiàng)技術(shù)可以研究植物對(duì)嚴(yán)重的土壤干燥和灌溉的反應(yīng)。此外，人們可以研究植物的水力導(dǎo)度如何受到環(huán)境條件的影響，如土壤類型或空氣濕度，以及不同的根系性狀，如根長(zhǎng)密度或根毛(Carminati et al., 2017)。最后，可以測(cè)試不同耐旱性的植物的蒸騰速率(E)與平衡壓力(P)之間的關(guān)系，如Kholová 等（ 2010）測(cè)試的珍珠谷子。總之，該方法為研究植物對(duì)土壤水分脅迫的響應(yīng)提供了新的機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)

Carminati, A., Passioura, J.B., Zarebanadkouki, M., Ahmed, M.A., Ryan, P.R., Watt, M., and Delhaize, E. (2017). Roothairs enable high transpiration rates in drying soils. New Phytol. 216 (3), 771–781
https://doi.org/10.1111/nph.14715. PubMed

Chen, J., and Chen, C. (2017). Uncertainty analysis in humidity measurements by the psychrometer method.Sensors (Basel) 17 (2), 17 https://doi.org/10.3390/s17020368. PubMed

Deery, D.M., Passioura, J.B., Condon, J.R., and Katupitiya, A. (2013). Uptake of water from a Kandosol subsoil. II. Control of water uptake by roots. Plant Soil 368 (1-2), 649–667 https://doi.org/10.1007/s11104-013-1736-7.

Hayat, F., Ahmed, M.A., Zarebanadkouki, M., Cai, G., and Carminati, A. (2019). Measurements and simulation of leaf xylem water potential and root water uptake in heterogeneous soil water contents. Adv. Water Resour. 124, 96–105 https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2018.12.009.

Iwasaki, N., Hori, K., and Ikuta, Y. (2019). Xylem plays an important role in regulating the leaf water potential and fruit quality of Meiwa kumquat (Fortunella crassifolia Swingle) trees under drought conditions. Agric. Water Manage. 214, 47–54 https://doi.org/10.1016/j.agwat.2018.12.026.

Javaux, M., Schro? der, T., Vanderborght, J., and Vereecken, H. (2008). Use of a Three-Dimensional Detailed Modeling Approach for Predicting Root Water Uptake. Vadose Zone J. 7 (3), 1079–1088
https://doi.org/10.2136/vzj2007.0115.

Kholova?, J., Hash, C.T., Kumar, P.L., Yadav, R.S., Kocova?, M., and Vadez, V. (2010). Terminal drought-tolerant pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.] have high leaf ABA and limit transpiration at high vapour pressure deficit. J.Exp. Bot. 61 (5), 1431–1440 https://doi.org/10.1093/jxb/erq013. PubMed

Kirkham, M.B. (2005). 16 - Measurement of Water Potential with Thermocouple Psychrometers. In Principles of Soil and Plant Water Relations, M.B. Kirkham, ed. (Burlington: Academic Press), p.241–262.

Matin, M.A., Brown, J.H., and Ferguson, H. (1989). Leaf water potential, relative water content, and diffusive resistance as screening techniques for drought resistance in barley. Agron. J. 81 (1), 100–105
https://doi.org/10.2134/agronj1989.00021962008100010018x.

Matzner, S., and Comstock, J. (2001). The temperature dependence of shoot hydraulic resistance: implications for stomatal behaviour and hydraulic limitation. Plant Cell Environ. 24

https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2001.00785.x.  (12), 1299–1307    

Montgomery, R., and McDowall, R. (2008). Sensors and auxiliary devices. In Fundamentals of HVAC Control Systems,Chapter 4, R. Montgomery, and R. McDowall, eds. (Oxford: Elsevier), p.106–159.

O’Toole, J.C., Turner, N.C., Namuco, O.P., Dingkuhn, M., and Gomez, K.A. (1984). Comparison of some crop water stress measurement methods. Crop Sci. 24 (6), 1121–1128
https://doi.org/10.2135/cropsci1984.0011183X002400060028x.

Oosterhuis, D.M., Savage, M.J., and Walker, S. (1983). Field use of in situ leaf psychrometers for monitoring water potential of a soybean crop. Field Crops Res. 7, 237–248 

https://doi.org/10.1016/0378-4290(83)90033-3.

Parent, B., Suard, B., Serraj, R., and Tardieu, F. (2010). Rice leaf growth and water potential are resilient to evaporative demand and soil water deficit once the effects of root system are neutralized. Plant Cell Environ. 33
(8), 1256–1267 https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2010.02145.x. PubMed

Passioura, J. (1980). The transport of water from soil to shoot in wheat seedlings. J. Exp. Bot. 31 (1), 333–345
https://doi.org/10.1093/jxb/31.1.333.

Richter, H. (1997). Water relations of plants in the field: some comments on the measurement of selectedparameters. J. Exp. Bot. 48 (1), 1–7 https://doi.org/10.1093/jxb/48.1.1.

Saliendra, N.Z., Sperry, J.S., and Comstock, J.P. (1995). Influence of leaf water status on stomatal response to humidity, hydraulic conductance, and soil drought in Betula occidentalis. Planta 196 (2), 357–366
https://doi.org/10.1007/BF00201396.

Scholander, P.F., Bradstreet, E.D., Hemmingsen, E.A., and Hammel, H.T. (1965). Sap pressure in vascular plants:negative hydrostatic pressure can be measured in plants. Science 148 (3668), 339–346

https://doi.org/10.1126/science.148.3668.339. PubMed

Sperry, J.S., Hacke, U.G., Oren, R., and Comstock, J.P. (2002). Water deficits and hydraulic limits to leaf water supply.Plant Cell Environ. 25 (2), 251–263 https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2001.00799.x. PubMed

Tyree, M.T., and Hammel, H.T. (1972). The measurement of the turgor pressure and the water relations of plants by the pressure-bomb technique. J. Exp. Bot. 23 (1), 267–282 https://doi.org/10.1093/jxb/23.1.267.

Wullschleger, S.D., Dixon, M.A., and Oosterhuis, D.M. (1988). Field measurement of leaf water potential with a temperature-corrected in situ thermocouple psychrometer. Plant Cell Environ. 11 (3), 199–203
https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.1988.tb01137.x.