近年来,全球气温逐步升高,水汽压差(vapor pressure deficit, VPD)大幅度增加,严重影响作物生长。

2023年7月,Vegetable Research在线发表了西北农林科技大学园艺学院李建明教授团队题为Systemic effects of the vapor pressure deficit on the physiology and productivity of protected vegetables的综述论文。系统综述了VPD变化对蔬菜作物水分运输动力、解剖结构、气孔、光合、营养吸收和产量品质的影响,解析了VPD对蔬菜作物生理功能和生产力的作用机理,阐明降低VPD能有效克服极端天气对蔬菜作物造成的伤害。

在VPD变化对蔬菜作物水分运输动力的影响中,大量研究揭示了在高VPD环境下,大气蒸腾拉力增强,土壤-植物-大气连续体(SPAC系统)间水势差增大,叶-汽边界处水势差明显增加。降低VPD有效降低大气蒸发需求,降低叶-汽边界水势差,从而提高植物水势并改善植物水分状况。在VPD变化对蔬菜作物解剖结构的影响中发现,长期在高VPD下生长的植物为减少蒸腾耗水,增加储水能力具有较厚的叶片和海绵组织,降低VPD有效增加栅栏组织厚度和栅海比。在高VPD处理下细胞排列紧密,减少了CO2与叶绿体的有效接触面积,增大了叶绿体与细胞膜间的距离,增长了CO2在细胞质中的扩散路径,减少了CO2进入叶绿体。植物解剖结构的变化增加了CO2运输阻力,降低了叶肉导度,最终降低了光合速率。在VPD变化对蔬菜作物气孔和光合的影响中发现,VPD的快速增加导致气孔孔径和气孔导度降低,而气孔对环境变化的敏感性提高。高VPD下气孔导度的降低引起了胞间CO2浓度减少,进而限制了叶片光合速率。通过将光合作用的下降分解为由气孔限制、叶肉限制和生化限制导致的下降,并进行定量分析发现高VPD下光合作用的降低主要是由气孔限制和叶肉限制导致的,并且光合作用的大幅下降主要是气孔限制的结果。在VPD变化对蔬菜作物营养吸收的影响中发现,降低VPD提高了植物对氮、磷、钾、钙等营养元素的积累,提高了对硝酸盐的吸收,有效降低了植株能量损失,提高番茄氮素吸收同化效率。降低VPD有效降低高温环境下的施钾量,提高钾肥利用效率。高VPD环境下果实易缺钙,造成脐腐病。降低VPD可以增加果实对钙的吸收,减少脐腐病的发生,从而提高产量。不同栽培品种对VPD变化的响应趋势不同,为增加产量,减少脐腐病的发生,一方面采用降低VPD的环境调控方式,另一方面通过选育抗高VPD的优良栽培品种。在VPD变化对蔬菜作物产量品质的影响中发现,高VPD严重降低了蔬菜作物的产量、营养品质和水分利用效率,但提高了果实颜色和风味品质。综合分析调控VPD对蔬菜作物生长的影响对蔬菜优质高效生产提供了重要的指导意义。

图1 水汽压差(VPD)对蔬菜作物水分运输、植物生理和生产力的影响

图2 降低VPD通过增加木质部导管面积和叶脉密度增加水分运输,以及通过降低气孔和叶肉CO2扩散阻力提高光合能力的示意图

团队介绍

西北农林科技大学园艺学院李建明教授团队长期开展VPD对SPAC系统水分运移的研究,该团队以SPAC系统为主线,系统解析了VPD调控对蔬菜水分吸收、运输与蒸腾的动力关系,观察并分析了水分运输途径器官解剖结构的变化;阐述了VPD变化对蔬菜光合作用、CO2耦合效应、营养元素吸收、土壤水分胁迫、蔬菜水分利用效率及产量品质的影响机制。同时,运用物理动力学方法、数学方法分别分析了水分运输动力与环境条件变化的关系、器官解剖结构变化与环境条件变化的关系;通过将土壤、植物、大气作为一个物理连续体,构建了一系列温室环境因子驱动的作物水分运移变化的模型;综合分析了土壤和大气环境与植物茎流、光合速率、养分吸收、干物质积累变化的关系,明确了水分运输阻力产生的主要因素及其对光合作用、主要营养元素吸收运输的影响机制。研究揭示了调控大气VPD提高蔬菜水分吸收与运输的生物学动力机制,为温室环境蔬菜水分的科学管理提供理论依据。相关工作得到了国家大宗蔬菜产业技术体系岗位专家项目(CARS-23-C05)、陕西省技术创新引导专项(基金)(2021QFY08-04)、陕西省科技创新驱动项目-优势产业技术研发(NYKJ-2020-YL-08)的支持。

团队合照

https://doi.org/10.48130/VR-2023-0020

关于 Vegetable Research

Vegetable Research是一本开放获取的期刊,致力于传播蔬菜作物研究进展。欢迎蔬菜研究所有领域的原始研究论文、方法、资源和综述等投稿,主题范围包括(但不限于)遗传、育种、组学、分子生物学、生物技术、与环境和其他生物系统的相互作用以及采收前/后的生产。期刊主编由中国农业大学张小兰教授和法国图卢兹国立理工学院Julien Pirrello博士共同担任。

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