16種蘇鐵屬植物葉片的水力學特征

中圖分類號：Q945 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3142（2025）06-1175-11

Leaf hydraulic characteristics of 16 Cycas species

WU Hongjia'，WANG Yangyan1，YANG Quanguang2，ZHU Shidan （1.GuangxiKbatofstoodCseaogilsdUestKbotoiaodt ofSubtropicalorestPlatation，ColegeofForestryGuangxiUiversity，Naing30o，hina;2.NaningBotaicalGaden， Nanning Qingxiu Mountain Scenic Spots Tourism Development Co.，Ltd.，Nanning 53O029，China）

Abstract：Cycads ofChina are mainlydistributedacrossdiverse habitats in tropicaland subtropical regions，withmost species are endangered.The study of leaf hydraulic traits in cycads species enhances our understanding of their adaptation tothe water environments and responses to climate change.Weselected16 nativeCycas species from Nanning Botanical Garden and measured leaf morphological andanatomical characteristics，pressre-volume curves，hydraulic conductance，andcavitationresistance.Additionally，wecollectedleaf traitsof tropical-subtropicalangiosperms fromthe sameregion for comparativeanalysis.Theresults wereas follows：（1）There was slight interspecific variation in hydraulic traits across the16 Cycas species，andno significantdiferences were found in hydraulic traits betweenthe two groups distributed in karstand non-karst.（2）Compared toangiosperms，Cycas species showed higher leaf maximum hydraulic conductance （ K_leaf-max ），lower cavitation resistance（ P_50leaf ），and smaller stomatal safety margin （ HSM_tlp ）， tend toadoptarisky stomatalregulation strategy.（3）Diferentfromangiosperms，we foundano significanttrade-off between K_leaf-max and P_50leaf in Cycas species，which partly due to the fact that leaf hydraulic traits of Cycas were less influencedbyanatomical structure.Thisstudyreveals thehydraulicstrategiesofCycas species，ilustrates the high leaf hydraulic risk of Cycas ，and there is an urgent need to conduct water physiological monitoring on natural distribution populations to enhance conservation management capabilities.

Keywords：tropical and subtropical，anatomical structure，hydraulic traits，Cycas，habitat

蘇鐵因其特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)和中生代祖先相似的形態(tài)特征，被稱為植物界的“活化石”（Brenneretal.，2003；Coiroetal.，2023）。我國熱帶亞熱帶地區(qū)是蘇鐵集中分布的中心，共有25種蘇鐵屬植物（席輝輝等，2022）。這些蘇鐵植物主要分布在熱帶亞熱帶森林的林下，但也有部分種分布在典型的喀斯特生境（Maetal.，2003；Xieetal.，2005），如德保蘇鐵（Cycasdebaoensis）、貴州蘇鐵（C.guizhouensis）和石山蘇鐵（C.miquelii）。目前，蘇鐵植物在系統(tǒng)發(fā)育（Brenneretal.，2003;Weietal.，2015）多樣性保護（Zhengetal.，2017;Fengetal.，2021）、繁育栽培（Salzmanetal.，2020）等方面的研究已受到廣泛重視，但是對蘇鐵植物生理生態(tài)適應(yīng)性的研究還較少。大部分蘇鐵植物分布在濕潤生境，對干旱敏感（Kriegetal.，2018），但是也有部分蘇鐵分布在干旱生境。另外，熱帶亞熱帶氣候干熱化也可能影響蘇鐵植物的生長。因此，蘇鐵植物水分關(guān)系的研究對了解其分布以及對氣候變化的響應(yīng)至關(guān)重要。

葉片是植物體水分運輸通路的瓶頸部位，占到植物體內(nèi)水分運輸阻力的 30%～80% （Sackamp;Holbrook，2006）。葉片水力學特征指植物在長期演化過程中形成的適應(yīng)生境水分條件的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能（Bourneetal.，2017;Lietal.，2018）。葉片導(dǎo)水率（ K_leaf ）是指葉片表面在蒸騰作用的驅(qū)動下，水流通過單位葉面積的流量，反映葉片的水分傳輸效率（Sackamp;Holbrook，2006），與氣孔指數(shù)和葉脈密度等特征顯著相關(guān)（Xiongetal.，2017;Caineetal.，2023）。葉片水力脆弱性（ P_50leaf ）指葉片導(dǎo)水率降低 50% 時所對應(yīng)的葉水勢，可反映葉片水分傳輸?shù)陌踩裕珊瞪车?P_50leaf 值比濕潤生境的更低（Brodribbamp;Cochard，2OO9;Nardiniamp; Luglio，2014;Blackmanetal.，2019）。水分運輸效率性和安全性之間的權(quán)衡關(guān)系反映了植物對不同水分環(huán)境的適應(yīng)（Scoffoniamp; Sack，2017；Oliveiraet al.，2021）。Gleason等（2016）基于全球數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)裸子植物和被子植物整體的水力權(quán)衡關(guān)系較弱，但是不同功能類群之間的權(quán)衡關(guān)系存在差異（Liuetal.，2021）。膨壓損失點水勢（ π_tlp ）指植物細胞發(fā)生初始質(zhì)壁分離時，對細胞壁不產(chǎn)生壓力，即膨壓為零時的水勢（Yanetal.，2013），反映植物耐失水的能力，與氣孔行為有關(guān)（Bartlettetal.，2012），其與 P_50leaf 之間的差值定義為氣孔安全邊界（ HSM_tlp ;Tanetal.，2020），反映氣孔調(diào)控葉片水力安全的策略（Chenetal.，2022）。這些水力指標可用于評估植物水分適應(yīng)策略（Martinez-Vilaltaet al.，2014;Scoffoni amp; Sack，2017;Oliveira et al.，2019）。

對比分析被子植物和裸子植物水力性狀的差異是植物生理生態(tài)學研究的經(jīng)典問題，有助于揭示2個類群水分利用策略（Maheralietal.，2004；Jinetal.，2019；Lietal.，2020）。作為裸子植物的重要類群，Meng等（2022）發(fā)現(xiàn)與被子植物相比，蘇鐵葉片更厚且更耐失水;Jiang等（2024）發(fā)現(xiàn)蘇鐵和被子植物表現(xiàn)出相似的栓塞抗性，并且蘇鐵植物葉軸結(jié)構(gòu)與栓塞抗性無相關(guān)性。但是，關(guān)于蘇鐵植物水力學的研究仍較少。本研究以種植在南寧植物園蘇鐵專類園且在我國熱帶亞熱帶分布的16種蘇鐵屬植物為研究對象，測定其葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)和水力學性狀，同時收集同區(qū)域典型木本被子植物的相關(guān)數(shù)據(jù)（與蘇鐵植物的分布區(qū)高度重合），主要研究以下內(nèi)容。（1）比較蘇鐵屬植物與被子植物葉水力學性狀的差異，假設(shè)與被子植物相比，蘇鐵屬植物表現(xiàn)為更耐旱特征，具有較低的 π_tlp 和 K_leaf ，較高的 P_50leaf 和 HSM_tlp 。（2）比較分布在喀斯特生境和非喀斯特生境的蘇鐵的葉性狀的差異，假設(shè)與非喀斯特生境的蘇鐵相比，喀斯特生境的蘇鐵碳投資較高、氣孔密度和導(dǎo)水率較低、耐旱性較強。（3）分析蘇鐵屬植物水力學性狀的權(quán)衡關(guān)系及其與葉片解剖結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系。假設(shè)蘇鐵屬葉片水力無權(quán)衡關(guān)系，并且水力功能性狀與解剖結(jié)構(gòu)之間解耦。本研究結(jié)果將揭示蘇鐵屬植物的水分生理生態(tài)策略。

1材料與方法

1.1研究地點與植物材料

本研究所有蘇鐵屬植物材料均采自南寧植物園蘇鐵類專類園（ 108^°23^′3.30^′′ E .22^°47^′12.93^′′ΔN? 。

該蘇鐵專類園于1998年建成，位于青秀山南坡，海拔 175～210m ，占地面積 6.6hm² ，目前共收集了2科9屬78種。園區(qū)地處南亞熱帶，屬于亞熱帶季風氣候，全年陽光充足，雨量充沛，年平均降水量為1 304.2mm ，極端最高氣溫 40.4⁴C ，極端最低氣溫-2.1°C ，年平均氣溫 21.6‰ 。蘇鐵園區(qū)域的土壤主要是由砂巖和砂頁巖發(fā)育而成的赤紅壤， ΔpH 呈弱酸性，范圍為5.5＼～7.0（歐振飛，2016;Mengetal.，2022）。本研究選取在我國自然分布的16種蘇鐵屬植物（表1），每個物種選取3＼～5個健康成熟個體用于葉片解剖結(jié)構(gòu)的測定，所有的測定均在雨季完成。從每個個體向陽處剪取發(fā)育成熟、健康的復(fù)葉，為防止樣品失水嚴重，剪下的復(fù)葉立即放入帶有濕潤紙巾的自封袋內(nèi)，統(tǒng)一封存于黑色塑料袋內(nèi)并送回實驗室放入 4^°C 冰柜中保存。

1.2測定方法

1.2.1葉片壓力-容積曲線采用自然干燥法測定P-V曲線（Tyreeamp;Hammel，1972；Nadal etal.，2023）。于傍晚剪取3＼～5片蘇鐵整張復(fù)葉，讓其復(fù)水整晚（復(fù)水后的葉片水勢均大于 -0.3MPa ）。第二天從復(fù)水的復(fù)葉上選取健康成熟完整的葉片測定其飽和鮮質(zhì)量（ W_s ）后放在實驗上進行自然干燥，依據(jù)葉片水勢下降的速度測定不同干燥時間下的葉質(zhì)量 Ξ（ΛW） 和水勢 （ψ） 。將 W 與 ψ 繪制散點圖，當出現(xiàn)明顯的拐點后再測4＼～5個點即可停止測定。最后將葉片利用LI-3000C葉面積儀器測定其面積后將葉片置于 70% 烘箱中烘干， ^72h 后測定其干質(zhì)量，每個種進行3次重復(fù)測量。利用對應(yīng)的飽和鮮質(zhì)量（ W_f） 和干質(zhì)量（ W_d ）將實驗過程中稱量得到的一系列鮮質(zhì)量（ W_f，i ）換算成對應(yīng)的相對含水量（relativewatercontent， RWC_i，%） 作為橫坐標，將其與對應(yīng)的水勢的倒數(shù)（ 1/ψ_i） 作為縱坐標，繪制壓力-容積曲線，根據(jù)標準方法（Bartletetal.，2012）計算當曲線截距為零時即可得到膨壓損失點水勢 （π_tlp，MPa） 。

1.2.2葉片導(dǎo)水率和脆弱性曲線葉片導(dǎo)水率和脆弱性曲線（vulnerabilitycurve）采用復(fù)水法進行測定（Brodribb amp; Holbrook，2003；Sack et al.，2003a）。從上述采集的樣品中選擇3＼～5張復(fù)葉（復(fù)葉上的葉片數(shù)量不少于40片），將整個復(fù)葉密封遮光復(fù)水至葉片吸水飽和。將復(fù)葉放置在實驗室自然干燥不同時間以得到不同的葉水勢梯度，將失水后的葉片分別放入黑色塑料袋中密封遮光至少 ¹h ，隨機選擇2個相鄰葉片測量其水勢，若差值小于 0.1MPa ，則視為整個葉片已達到水勢平衡并將2個相鄰葉片水勢的平均值為初始葉片水勢 （ψ₀，MPa） ，將葉柄放在水中，在水中剪下相鄰葉并使之復(fù)水一定的時間（復(fù)水的時間根據(jù)葉片初始水勢而定，高水勢復(fù)水時間短，低水勢復(fù)水時間長，一般不超過 180s） ，記錄準確的復(fù)水時間 （?_t，s） 。將復(fù)水后的葉片放人內(nèi)置濕紙巾的自封袋平衡 10～60min （葉片不與濕紙巾直接接觸），取出測定復(fù)水后的葉片水勢（ MPa ）。經(jīng)過自然干燥和復(fù)水操作，計算不同水勢（ ψ₀， 下的 K_leaf ，當 K_leaf 降至接近0時測定結(jié)束。葉片導(dǎo)水率（ K_leaf ）計算公式如下：

式中： Φ_t^t 是復(fù)水時間（s）； c 是葉片水容，可通過測定葉片的壓力-容積曲線（P-V曲線）計算，計算公式如下：

式中： ΔRWC/ΔΨ_leaf 表示相對含水量（ RWC_i ）與水勢（ ψ_i） 的斜率，即單位水勢變化引起的葉片相對含水量變化值； 為葉片飽和鮮質(zhì)量（g）；M為水的摩爾質(zhì)量（ （18g?mol^-1 ）； W_d 為葉片干質(zhì)量（g）; LA 為葉片面積（leaf area， m² ）

使用SigmaPlot 14.O 中 的Sigmiodthreeparameter方程擬合 與 K_leaf 之間的關(guān)系：

式中： a，b 為擬合方程中的系數(shù)；從擬合曲線中計算Ψr為0時的Kleaf為葉片最大導(dǎo)水率Kleaf-max ），同時計算最大導(dǎo)水率喪失一半時的水勢 （P_50leaf，MPa） 用于表征葉片的抗栓塞能力（Blackmanetal.，2014）。由于葉片氣孔關(guān)閉與膨壓變化有關(guān)（Bartlettetal.，2012），因此通過 π_t|p 和 P_50leaf 計算的安全邊際可用于評估植物水力安全，氣孔安全邊界（ HSM_tlp ，MPa）反映氣孔對葉片栓塞化的調(diào)節(jié)策略（Bartlettetal.，2016），計算公式如下：

HSM_tlp=π_tlp-P_50leaf°

1.2.3葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)測定每個物種選取5株長勢良好的植株，從不同的植株個體中取3＼～5張葉片，在葉片中間的部位（避開中脈）做徒手切片并制成臨時裝片，于光學顯微鏡下隨機選擇3個清晰的視野觀察葉片橫切結(jié)構(gòu)并進行拍照，使用ImageJ軟件（版本1.54e;Curtisetal.，2016）測量葉片厚度（leaf thickness，LT， μm ）、柵欄組織厚度（palisade tissuethickness，PT， μm ）、副轉(zhuǎn)輸組織厚度（accessory transfusion tissue thickness，CTT， μm ）、海綿組織厚度（spongy tissue thickness，ST， μm ）。同時，從葉片中部剪取面積約為 2cm² 的葉片并浸泡在體積分數(shù)為 30% 過氧化氫與冰乙酸的體積比為 1：1 的混合離析液中，于 70% 水浴鍋中放置3～9h 左右，待葉片變白，取出材料后經(jīng)過清水漂洗后放置于載玻片上，滴加丙三醇進行封片，之后將放有樣品的載玻片放置在光學顯微鏡下觀察氣孔并拍照，每張葉片隨機拍攝并保存5個視野，用ImageJ軟件測量保衛(wèi)細胞的長度即氣孔長度（stomatal guard cell length，SL， μm ），氣孔寬度（stomatal width，SW， μm ），同時統(tǒng)計視野內(nèi)所有的氣孔，再用氣孔數(shù)量除以視野面積得到氣孔密度（stomatal density，SD，ind.·mm^-2 ），根據(jù)測量所得的氣孔大小和氣孔密度計算氣孔面積指數(shù)（ stomatal area index，SAI， % ;Sack et al.，2003b），計算公式如下：

SAI=SD×（π/4×SL×SW×10^-4）

在每個植株上選擇3張完全伸展、沒有病蟲害的葉片，用剪刀剪下，在水下泡至飽和后，首先用萬分之一天平稱量葉飽和質(zhì)量，再使用LI-3000C葉面積儀器測定葉面積，而后將葉片樣品放置于70^qC 烘箱中烘干至恒重并稱量葉片干重。比葉面積（specific leaf area，SLA， cm²?g^-1 ）是葉面積與葉干質(zhì)量的比值；葉干物質(zhì)含量（leafdrymattercontent，L， g?g^-1 ）是葉干質(zhì)量與葉飽和質(zhì)量的比值。

1.3數(shù)據(jù)收集與分析

本研究收集的84種熱帶亞熱帶木本植物數(shù)據(jù)均來自前期已發(fā)表文章（譚鳳森等，2019；Tanetal.，2020;Zhang et al.，2021;Wang etal.，2023；萬春燕等，2023；余俊瑞等，2023；黃昶吟等，2024），其分布區(qū)與蘇鐵屬植物自然分布區(qū)域重合；水力性狀指標的測定方法和時間均與本文一致。

利用MicrosoftExcel軟件進行數(shù)據(jù)初步整理及生成表格。利用SPSS27.0.1進行獨立樣本 χ_t 檢驗比較蘇鐵屬植物與被子植物葉性狀差異顯著性，檢驗水平為 P=0.05 。葉片性狀之間的相關(guān)性使用SPSS27.0.1的皮爾遜（Pearson）相關(guān)分析，顯著性水平為 Plt;0.05 。使用R4.4.1軟件vegan包（版本2.5.7）對不同類群的蘇鐵葉性狀進行主成分分析（ π_tlp 和 P_50leaf 均取絕對值）。同時，利用V.PhyloMaker包（版本0.1.0）基于MegatreeGBOTB.extended.tre，生成16種蘇鐵植物的系統(tǒng)發(fā)育樹，并使用picante包（版本1.8.2）計算蘇鐵植物不同葉性狀的Blomberg’s K 值，進行系統(tǒng)發(fā)育信號檢測（Blomberg et al.，2003）。

2 結(jié)果與分析

2.1蘇鐵屬植物的葉片水力學性狀

由圖1可知， π_tlp 的范圍為 -1.39MPa （貴州蘇鐵） ～-2.18MPa （元江蘇鐵），平均值為-1.77MPa; P_50leaf 的范圍為-1.15MPa（德保蘇鐵）＼～-2.12MPa （叉葉蘇鐵），平均值為 -1.62MPa K_leaf-max 的范圍為 （四川蘇鐵） 尖尾蘇鐵），平均值為 HSM_tlp 的范圍為 -0.65MPa （十萬大山蘇鐵） ～0.58 MPa （叉葉蘇鐵），平均值為 -0.14MPa 。16種蘇鐵屬植物葉片的 和 K_leaf-max 變異系數(shù)分別為14% ） 14% 和 22% （附錄I）。

被子植物的 π_tlp?P_50leaf?K_leaf-max?HSM_tlp 平均值分別為 ·s^-1?MPa^-1?-0.01MPa 。蘇鐵植物和被子植物的π_tlp 和 HSM_tlp 無顯著性差異 （ Pgt;0.05） 。被子植物的 P_50leaf（ （數(shù)值更負）（ Plt;0.05 ）顯著低于蘇鐵植物（圖1：F），但蘇鐵植物的 K_leaf-max 顯著高于被子植物（ Plt;0.01 ;圖1：G）。

2.2不同類群的主成分分析

傳統(tǒng)主成分分析結(jié)果（圖2：A；附錄Ⅱ）表明，第一和第二成分軸可以解釋 67.2% 的性狀變異率。第一主成分軸解釋了總變異的 47.0% ，主要與葉片解剖相關(guān)性狀（SD、SAI、LT、ST、PT、CTT、P_50leaf ）呈正相關(guān)，與比葉面積（SLA）呈負相關(guān)。第二主成分軸解釋了 20.2% ，主要與葉抗栓塞能力（ P_50leaf ）和氣孔安全邊界（ HSM_tlp ）呈正相關(guān)，與葉片最大導(dǎo)水率（ K_leaf-max ）和膨壓損失點水勢 （π_tlp） （20呈負相關(guān)。通過獨立樣本 χ_t 檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分布在喀斯特生境和非喀斯特生境的蘇鐵植物沿第一主成分軸和第二主成分軸均不能顯著分為2個類群（ Pgt;0.05 ;圖2：B）。

通過對12個葉片性狀進行系統(tǒng)發(fā)育信號和顯著性檢驗，僅 P_50leaf 的Blomberg’s K 值為0.98（ P= 0.01），表現(xiàn)出弱系統(tǒng)發(fā)育保守性（Blombergetal.，2003；附錄Ⅲ），表明這一個性狀受演化因素的影響。其余11個性狀均未表現(xiàn)出顯著的系統(tǒng)發(fā)育信號（ Pgt;0.05 ）。系統(tǒng)發(fā)育后的主成分分析（圖1：C）表明，PC1和PC2的總變異分別解釋為 45.0% 和 23.8% ，與傳統(tǒng)PCA不同的是，第二主成分軸主要與葉抗栓塞能力（ P_50leaf ）和副轉(zhuǎn)輸組織厚度（CTT）呈正相關(guān)。

2.3蘇鐵屬植物葉片的結(jié)構(gòu)特征與水力學性狀的相關(guān)關(guān)系

Pearson相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，16種蘇鐵屬植物葉片的 P_50leaf 與 K_leaf-max 相關(guān)性不顯著（ R²=0.000 8 ，Pgt;0.05 ），無水力權(quán)衡關(guān)系。然而，熱帶亞熱帶木本被子植物葉片的 P_50leaf 與 K_leaf-max 呈極顯著正相關(guān)（圖 3，R²=0.52，Plt;0.001） 。

通過Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，16種蘇鐵屬植物葉片的 K_leaf-max 與葉片解剖結(jié)構(gòu)沒有顯著相關(guān)關(guān)系 Pgt;0.05 ，表2）。但是 P_50leaf 與柵欄組織厚度（PT）呈顯著正相關(guān)（ r=0.50，Plt;0.05） 。 P_50leaf 與葉片厚度（LT）和氣孔密度（SD）等解剖結(jié)構(gòu)均無顯著相關(guān)（ Pgt;0.05） ）。同時，PICs分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)水力性狀與解剖結(jié)構(gòu)均無顯著相關(guān)（表2）。

A.葉片膨壓損失點水勢（ π_up） ；B.葉片抗栓塞能力（ P_50leaf） ；C.葉片最大導(dǎo)水率（ K_leaf-max ）；D.氣孔安全邊界（ HSM_up ）；E、F、G和H分別表示蘇鐵屬植物與被子植物的 π_tlp?P_50leaf?K_leaf-max 和 HSM_tlp 的對比。物種縮寫同表1，下同。ns 表示 Pgt;0.05 ： 表示 Plt; （200.05; ** 表示 Plt;0.01 。圖A、B、E和F中單位的負號僅表示該數(shù)值為負。

A. Leaf water potential at turgor loss point （π_up） ； B.Leaf cavitation resistance （ P_50leaf） ； C.Leaf maximum hydraulic conductance （ K_leaf-max ；D.Stomatal safety margin （ HSM_tlp ）；E，F(xiàn)，G and H indicate comparisons of π_tlp ， P_soleaf ， K_leaf-max and HSM_tlp in Cycas and angiosperms，respectively.Species abbreviations are shown in Table1，the same below.ns indicates Pgt;0.05 * indicates Plt;0.05 ： ^** indicates Plt;0.01 . InA，B，E，andFdiagrams，the negative signof theunit merelyindicates that thevalue is negative.

圖116種蘇鐵屬植物葉片的水力學特征及其與同區(qū)域被子植物的對比

Fig.1Leaf hydraulic characteristics of 16 Cycas species and comparisons with angiosperms of the same region

12個性狀（A）和16種蘇鐵（B）的傳統(tǒng)主成分分析；B.黑 色和白色分別表示分布在喀斯特和非喀斯特生境的蘇鐵； C.系統(tǒng)發(fā)育主成分分析； π_up 膨壓損失點水勢； P_suleaf 葉 片抗栓塞能力； K_leaf-max .葉片最大導(dǎo)水率； HSM_up .氣孔安 全邊界；SLA.比葉面積；LDMC.葉干物質(zhì)含量；LT.葉 片厚度；SD.氣孔密度；SAI.氣孔面積指數(shù)；CTT.副轉(zhuǎn)輸 組織厚度；PT.柵欄組織厚度；ST.海綿組織厚度。 Conventional principal component analyses of the 12 traits（A） and 16Cycas species .Blackand whitecolours denote Cycas speciesdistributed in karst and non-karst habitats， respectively；C. Phylogenetic principal component analysis; （204 π_up .Leafwater potential at turgor losspoint； P_suleaf Leaf cavitationresistance； K_leaf-max .Leafmaximumhydraulic conductance; HSM_up . Stomatal safety margin；SLA. Specific leaf area；LDMC.Leaf dry matter content；LT.Leaf thickness; SD. Stomatal density; SAI. Stomatal area index; CTT. Accessory transfusion tissue thickness；PT. Palisade tissue thickness; ST. Spongy tissue thickness.

直線表示被子植物的線性回歸線。被子植物 P_50leaf-K_leaf-max 的權(quán)衡分析使用了已發(fā)表的84個物種的數(shù)據(jù)。ns表示 Pgt; 0.05; ??? 表示 Plt;0.001 。

Thestraightlineindicateslinearregressionlineforangiosperms. P_50leaf-K_leaf-max trade-off analysis of angiosperms usesthe published data from 84 species.ns indicates Pgt;0.05 ；***indicates Plt;0.001 ：

圖3被子植物和蘇鐵屬植物的葉片抗栓塞能力（ P_suleaf ）與葉片最大導(dǎo)水率（ K_leaf-max ）的權(quán)衡關(guān)系

Fig.3Trade-off relationshipbetweenleaf cavitation resistance （ P_50leaf ） and leaf maximum hydraulic conductance （ K_leaf-max ）in angiosperms and Cycas species

3 討論

3.1與被子植物相比，蘇鐵屬植物的葉片抗栓塞能力較弱、氣孔安全邊界較低

與研究假設(shè)相反，16種蘇鐵植物的抗栓塞能力 P_50leaf ）與熱帶亞熱帶木本被子植物相比較弱，同時，顯著低于溫帶針葉樹（ Plt;0.001 ;Rosner etal.，2019）。16種蘇鐵屬植物的氣孔安全邊界中 ?HSM_tlp ）與84種被子植物無顯著差異且10種蘇鐵的 HSM_tlp 均為負值，說明大部分蘇鐵較晚關(guān)閉氣孔，面臨干旱脅迫時氣孔調(diào)節(jié)能力較弱。前期Petek-Petrik等（2023）對落羽杉（Taxodiumdistichum）的研究也證實了裸子植物具有較小的氣孔安全邊際，對干旱脅迫較敏感。這說明蘇鐵屬植物可能通過維持氣孔開放以獲取最大的碳收益，而這會導(dǎo)致植物面臨高的水力風險（Zhangetal.，2015）。Meng等（2022）測定了20種蘇鐵科植物的膨壓損失點水勢（ π_up"）發(fā)現(xiàn)蘇鐵與被子植物無顯著性差異，這與本研究結(jié)果相同。 π_tp"主要由飽和滲透勢決定，即細胞中的溶質(zhì)濃度（Bartlettetal.，2012）。雖然蘇鐵屬植物葉片堅硬，但是低水容的物種其葉片中存在較少比例的儲水組織，可能對細胞中溶質(zhì)濃度產(chǎn)生較弱的“稀釋”作用，從而導(dǎo)致蘇鐵植物的 π_tp"較高，因此與被子植物的π_tlp"無顯著差異。與被子植物相比，裸子植物水分運輸結(jié)構(gòu)單一且輸水結(jié)構(gòu)以直徑較窄的管胞為主，所以裸子植物的導(dǎo)水能力通常被認為比被子植物弱（Sperryetal.，2006；Field amp; Wilson，2012）。然而，本研究發(fā)現(xiàn)蘇鐵屬植物的葉片最大導(dǎo)水率（ K_leaf-max"）顯著高于被子植物。但是，這與Brodribb等（2005）發(fā)現(xiàn)被子植物具有高葉導(dǎo)水率的研究結(jié)果相反，可能是蘇鐵在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上的高度多樣性，其大多數(shù)葉片中特有的副轉(zhuǎn)輸組織在一定程度上提高了水分運輸效率（Sackamp;Scoffoni，2013;Arbicheva etal.，2021）。

Note：TheupperprtisthecoelationsbsedonCsalysisetweentrits；helowerpartisthecoelaionbasdoPeasoncoelation analysis. π_up . Leaf water potential at turgor loss point; P_s0leaf . Leaf cavitation resistance; K_leaf-max . Leaf maximum hydraulic conductance; HSM_up . Stomatal safety margin； SLA.Specific leaf area;；LDMC.Leaf drymater content;LT.Leaf thickness；SD. Stomatal density; SAI.Stomatalareaindex；CT.Aesoryransfusiontissuethickness；P.Palisadetisueickness；ST.Sponytissuethcss. * indicates Plt;0.05 ; ** indicates Plt;0.01 ： ?=??? indicates Plt;0.001 ：

3.2不同生境蘇鐵葉片水力學性狀無顯著差異

本研究基于系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)，大部分水力性狀沒有較強的系統(tǒng)發(fā)育信號，說明水力性狀可能顯著受環(huán)境因素的影響。與研究假設(shè)相反，本研究發(fā)現(xiàn)基于葉片功能性狀不能顯著地區(qū)分16種蘇鐵屬植物中的喀斯特生境蘇鐵和非喀斯特生境蘇鐵，因此說明不同生境的蘇鐵葉片生理及結(jié)構(gòu)沒有顯著性差異。分布于相對干旱的喀斯特生境的蘇鐵，可能通過其他機制響應(yīng)水分匱缺，前期調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)在夏季高溫干旱時期，德保蘇鐵地上部分的葉片（包括葉軸）死亡，但是水分條件改善后能長出新葉。這可能與蘇鐵屬植物莖具有較強的栓塞抗性有關(guān)（覃蘭麗等，2022），即葉片栓塞是為了保證莖的水分安全（脆弱性分割機制；Zhuetal.，2016；Levionnoisetal.，2020）。此外，覃蘭麗等（2022）發(fā)現(xiàn)相較于蘇鐵和越南篦齒蘇鐵，分布在相對濕潤的非喀斯特生境的摩瑞大澤米蘇鐵的葉軸抗栓塞能力（ P₅₀ 為 -1.5MPa ，表現(xiàn)為較弱的抗栓塞能力。因此，下一步研究需要分析從蘇鐵植物整株水平的抗旱機制。

3.3蘇鐵屬植物葉片結(jié)構(gòu)-水力功能解耦

本研究發(fā)現(xiàn)蘇鐵屬植物的 K_leaf-max 與葉片結(jié)構(gòu)特征均無顯著相關(guān)性，基于PICs性狀相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)蘇鐵屬植物水力學性狀與結(jié)構(gòu)特征是解耦關(guān)系。這與Li等（2015）對中國熱帶亞熱帶森林木本植物的葉片性狀研究發(fā)現(xiàn)一致。缺乏葉結(jié)構(gòu)-功能的協(xié)同性葉部分解釋了為什么蘇鐵植物葉水力安全性與效率性之間無權(quán)衡關(guān)系。本研究僅發(fā)現(xiàn)柵欄組織厚度（PT）與 P_50leaf 顯著正相關(guān)（ Plt; 0.05），即柵欄組織越厚，植物的抗栓塞能力越強。高度發(fā)達的柵欄組織既可以避免強烈光照的灼傷，又有助于 CO₂ 等氣體從氣孔下室到光合作用場所的傳導(dǎo)，從而提高植物對水分匱缺的響應(yīng)（胡營等，2011）。

4結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，蘇鐵屬植物的抗栓塞能力較弱，大部分物種的氣孔安全邊界為負值，說明在干旱情況下氣孔關(guān)閉較晚，易發(fā)生水力失敗的風險。由于蘇鐵屬植物葉片結(jié)構(gòu)-功能解耦，導(dǎo)致其水力效率和安全性之間不存在權(quán)衡關(guān)系。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)分布于喀斯特和非喀斯特生境的蘇鐵植物葉片生理結(jié)構(gòu)無顯著性差異，分布在喀斯特生境的蘇鐵植物，其葉片并沒有表現(xiàn)出較耐旱的特征，在氣候變化背景下可能更容易遭受干旱致死的風險。因此，需要加強喀斯特生境蘇鐵植物的水分生理生態(tài)監(jiān)測，并針對性地采取水分管理措施。

參考文獻：

ARBICHEVAA，ANATOLYP，SALDANAA，2O21.Water storage andtransport in leaves of vesselless trees in the temperate rainforest of south-central Chile [J].Gayana Botanica，78（2）：141-155.

BARTLETT MK，KLEINT，JANSENS，etal.，2O16.The correlationsand sequenceofplantstomatal，hydraulic，and wiltingresponsestodrought[J].ProceedingsoftheNational AcademyofSciences，113（46）：13098-13103.

BARTLETT MK， SCOFFONI C， SACK L，2012.The determinants of leaf turgor loss point and prediction of droughttolerance of species and biomes：A global metaanalysis[J].EcologyLetters，15（5）：393-405.

BLACKMANCJ，CREEKD，MAIERC，etal.，2O19.Drought responsestrategiesandhydraulictraitscontributeto mechanistic understanding ofplant dry-down to hydraulic failure[J].Tree Physiology，39（6）：910-924.

BLACKMAN CJ，GLEASON SM，CHANG Y，et al.，2014. Leaf hydraulic vulnerability to drought is linked to site water availability across a broad range of species and climates [J].Annals of Botany，114（3）：435-440.

BLOMBERG SP，GARLAND T，IVES AR，2OO3. Testing for phylogenetic signal in comparative data ：Behavioral traits are more labile[J].Evolution，57（4）：717-745.

BOURNE AE， CREEK D， PETERS JMR， et al.， 2017. Species climate range influences hydraulic and stomatal traits in Eucalyptus species [J]. Annals of Botany，120（1）： 123-133.

BRENNER ED， STEVENSON DW， TWIGG RW，2003. Cycads：Evolutionary innovationsand the role of plantderived neurotoxins[J]. Trends in Plant Science，8（9）： 446-452.

BRODRIBB TJ， COCHARD H，2009. Hydraulic failure defines the recovery and point of death in water-stressed conifers [J].Plant Physiology，149（1）： 575-584.

BRODRIBB TJ，HOLBROOK NM， ZWIENIECKI MA，et al.， 2005.Leaf hydraulic capacity in ferns，conifersand angiosperms：Impacts on photosynthetic maxima [J].New Phytologist，165（3） ： 839-846.

BRODRIBB TJ，HOLBROOK NM，2003．Stomatal closure during leafdehydration， correlationwithotherleaf physiological traits[J].PlantPhysiology，132（4）： 2166-2173.

CAINE RS，HARRISON EL，SLOAN J，et al.，2023.The influences of stomatal size and density on rice abiotic stress resilience[J]. New Phytologist，237（6）：2180-2195.

CHEN ZC，LI S，WAN XC，et al.， 2022. Strategies of tree species to adapt to drought from leaf stomatal regulation and stem embolism resistance to root properties [J].Frontiers in Plant Science，13： 926535.

COIRO M，ALLIO R，MAZET N，et al.，2023.Reconciling fossilswithphylogeniesrevealstheoriginand macroevolutionary processes explaining the global cycad biodiversity[J]. New Phytologist，240（4）：1616-1635.

CURTIS TR，MARK CH，KEVIN WE，2016. ImageJ： Image AnalysisInteroperability for the Next Generationof Biological Image Data [J].Microscopy and Microanalysis， 22（S3） ： 2066-2067.

FIELD TS，WILSON JP， 2012. Evolutionary voyageof angiosperm vessel structure-function and its significance for early angiosperm success [J]. International Journal of Plant Sciences，173（6）： 596-609.

FENG XY，WANG XH，CHIANG YC，et al.， 2021. Species delimitation with distinct methods based on molecular data to elucidate species boundaries in the Cycas taiwaniana complex（cycadaceae）[J].Taxon，70（3）：477-491.

GLEASON SM，WESTOBY M， JANSEN S， et al.， 2016. Weak tradeoff between xylem safety and xylem-specific hydraulic effciency across the world’s woody plant species [J]. New Phytologist，209（1）：123-136.

HUANG CY， ZHANG F， ZHU SD， 2024. Comparative analysis of leaf traits of evergreen broad-leaved forest tree species from different elevations inlower-subtropical region[J]. Journal of Tropical and Subtropical Botany，32（2）：151- 160.［黃昶吟，張峰，朱師丹，2024.南亞熱帶不同海拔 常綠闊葉林樹種葉性狀的比較分析［J]．熱帶亞熱帶植 物學報，32（2）：151-160.]

HU Y，CHU HJ，LI JQ，2011. Response of leaf anatomy characteristicsand itsplasticity to different soil-water conditionsof Medicago ruthenica in fourpopulations [J].Plant Science Journal，29（2）：218-225.[胡營，楚海 家，李建強，2011.4個花苜蓿居群葉片解剖結(jié)構(gòu)特征及 其可塑性對不同水分處理的響應(yīng)［J].植物科學學報， 29（2）：218-225.]

JIANGGF，QINBT，PANGYK，etal.，2024.Limited effects of xylem anatomy on embolism resistance in cycad leaves [J].New Phytologist，243（4）：1329-1346.

JIN Y，WANG CK，ZHOU ZH，2019.Conifers but not angiospermsexhibit vulnerabilitysegmentation between leaves and branches in a temperate forest [J]. Tree Physiology，39（3）：454-462.

KRIEG C，WATKINS JE，CHAMBERS S，et al.，2018.Sexspecificdifferencesin functional traitsand resource acquisition in five cycad species[J].AoB Plants， 10（5）： ply049.

LEVIONNOIS S，ZIEGLER C，JANSEN S，et al.，2020. Vulnerability and hydraulic segmentations at the stem-leaf transition：Coordination across neotropical trees[J].New Phytologist，228（2）： 512-524.

LI L，MCCORMACK ML，MA CG，et al.，2015.Leaf economics and hydraulic traits are decoupled in five speciesrich tropical-subtropical forests[J].Ecology Letters， 18（9） ： 899-906.

LIU H，YE Q，GLEASON SM，et al.，2021.Weak tradeoff between xylem hydraulic efficiency and safety：Climatic seasonality matters[J]. New Phytologist，229（3）： 1440-1452.

LI X，BLACKMAN CJ，CHOATB，et al.，2018. Tree hydraulic traits are coordinated and strongly linked to climate-of-origin across a rainfall gradient [J].Plant Cell and Environment， 41（3） ： 646-660.

LI XY，PIAO SL，WANG K，et al.，202O.Temporal trade-off between gymnosperm resistance and resilience increases forest sensitivity to extreme drought [J].Nature Ecology amp; Evolution，4（8）：1075-1083.

MAHERALI H，POCKMAN WT，JACKSON RB，2004. Adaptive variationin the vulnerability of woody plants to xylem cavitation [J].Ecology，85（8）：2184-2199.

MARTINEZ-VILALTA J， POYATOS R，AGUADE D， et al.， 2014.A new look at water transport regulation in plants [J].New Phytologist，204（1）：105-115.

MA XY，LIUN，JIAN SG，et al.，2003.The population characters and conservation of Cycas debaoensis Y. C. Zhong et C.J.Chen.[J]．Environmental Science，23（2）： 123-126.

MENGYY，XIANG W，WENY，et al.，2022.Correlations between leaf economics，mechanical resistance and drought tolerance across 41 cycad species [J]. Annals of Botany， 130（3） ： 345-354.

NADAL M，CLEMENTE-MORENO MJ，PERERA-CASTRO AV，et al.，2023.Incorporatingpressure-volume raitsinto the leaf economics spectrum [J]. Ecology Letters，26（4）： 549-562.

NARDINI A，LUGLIO J，2O14. Leaf hydraulic capacity and drought vulnerability： Possble trade-offs and correlations with climate across three major biomes [J].Functional Ecology，28（4）： 810-818.

OLIVEIRA RS，COSTA FRC，BAALEN EV，et al.，2019. Embolism resistance drives the distribution of Amazonian rainforest tree species along hydro-topographic gradients [J].NewPhytologist，221（3）：1457-1465.

OLIVEIRA RS，ELLER CB，BARROSFV，etal.，2021. Linking plant hydraulics and the fast-slow continuum to understand resilience to drought in tropical ecosystems [J].New Phytologist，230（3）：904-923.

OU ZF，2O16.The ex-situ conservation of cycads in mountain Qingxiushan Scenic Spot in Nanning [J]. Journal of Green Science and Technology（13）：40-41.[歐振飛，2016.南 寧青秀山風景區(qū)蘇鐵植物遷地保育探討［J].綠色科技 （13）： 40-41.]

PETEK-PETRIK A，PETRIK P，LAMARQUE LJ，et al.， 2023.Drought survival in conifer species is related to the time required to cross the stomatal safety margin[J]. Journal of Experimental Botany，74（21） ： 6847-6859.

QIN LL，PANG YK， ZHANG TH，et al.，2022. Contrasting hydraulic safety margins of three cycads [J].Guihaia，42 （9）：1602-1611.［覃蘭麗，龐玉堃，張?zhí)旌疲龋?2022.三種蘇鐵植物呈現(xiàn)出迥異的水力安全邊界［J].廣 西植物，42（9）：1602-1611.]

ROSNER S， JOHNSON DM，VOGGENEDER K，et al.， 2019.The conifer-curve：Fast prediction of hydraulic conductivity loss and vulnerability to cavitation [J]. Annals of Forest Science，76（3）： 82.

SACKL，COWAN PD，JAIKUMAR N，et al.，2003a.The ‘hydrology’of leaves：Co-ordination of structureand function in temperate woody species[J]. Plant，Cellamp; Environment，26（8） ：1343-1356.

SACK L，COWAN PD，HOLBROOK NM， 2003b. The major veins of mesomorphic leaves revisited：Tests for conductive overload in Acer saccharum （Aceraceae） and Quercus rubra （Fagaceae）[J].American Journal of Botany，90（1）： 32-39.

SACKL，HOLBROOK NM，2006.Leaf hydraulics [J]. Annual Review of Plant Biology，57： 361-381.

SACK L，SCOFFONI C，2013.Leaf venation：Structure， function，development，evolution，ecology and applications inthepast，present and future[J].New Phytologist， 198（4）：983-1000.

SALZMAN S， CROOK D， CRALL JD， et al.，2020. An ancient push-pull pollination mechanism in cycads [J].Science Advances，6（24） ： eaay6169.

SCOFFONI C， SACK L，2017. The causes and consequences of leafhydraulic declinewith dehydration[J].Journalof Experimental Botany，68（13）： 4479-4496.

SPERRY JS，HACKE UG，PITTERMANN J，2OO6. Size and function in conifer tracheids and angiosperm vessels [J]. American Journal of Botany，93（10）：1490-1500.

TAN FS，SONG HQ，F(xiàn)U PL，et al.，202O. Hydraulic safety margins of co-occurring woody plants in a tropical karst forest experiencing frequent extreme droughts [J].Agricultural and Forest Meteorology，292/293：108107.

TAN FS，SONG HQ，LI ZG，et al.，2019.Hydraulic safety margin of 17 co-occurring woody plants in a seasonal rain forestin Guangxi’s Southwest karst landscape[J].Chinese Journal of Plant Ecology，43（3）：227-237.[譚鳳森，宋慧 清，李忠國，等，2019.桂西南喀斯特季雨林木本植物的 水力安全［J].植物生態(tài)學報，43（3）：227-237.]

TYREE MT，HAMMEL HT，1972. Measurement of the turgor pressure and the water relations of plants by the pressurebomb technique[J]． Journal of Experimental Botany， 23（1）：267-282.

WAN CY，YU JR，ZHU SD，2023.Differences in leaf traits and trait correlation network between karst and non-karst forest tree species [J]. Chinese Journal of Plant Ecology，47 （10）：1386-1397.［萬春燕，余俊瑞，朱師丹，2023.喀斯 特與非喀斯特森林喬木葉性狀及其相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)的差異 [J].植物生態(tài)學報，47（10）：1386-1397.]

WANG YQ，SONG HQ，CHEN YJ，et al.， 2023. Hydraulic determinants of drought-induced tree mortality and changes in tree abundance between two tropical forests with different water availability[J]. Agricultural and Forest Meteorology， J：147L

WEI Z，GUAN MM， GONG X，2015. Cycas chenii （Cycadaceae），a newspecies from China，and its phylogenetic position [J]. Journal of Systematics and Evolution，53（6）：489-498.

XI HH，WANG YQ，PAN YZ，et al.，2O22. Resources and protection of Cycasplants in China [J].Biodiversity Science，30（7）：21495.[席輝輝，王祎晴，潘躍芝，等， 2022.中國蘇鐵屬植物資源和保護［J].生物多樣性， 30（7） ： 21495.]

XIE JG，JIAN SG，LIU N，2OO5.Genetic variation in the endemic plant Cycas debaoensis on the basis of ISSR analysis [J].Australian Journal of Botany，53（2）：141-145.

XIONG D，F(xiàn)LEXAS J，YUT，et al.，2017. Leaf anatomy mediates coordination of leaf hydraulic conductance and mesophyll conductance to CO ² in Oryza[J].New Phytologist，213（2）： 572-583.

YAN MJ，YAMAMOTO M，YAMANAKA N，et al.，2013.A comparison of pressure-volume curves with and without rehydration pretreatment in eight woody species ofthe semiarid LoessPlateau [J].Acta Physiologiae Plantarum， 35（4）： 1051-1060.

YU JR，WAN CY，ZHU SD，2023.Hydraulic vulnerability segmentation in woody plant species from tropical and subtropical karst forests [J].Chinese Journal of Plant Ecology，47（11）：1576-1584.［余俊瑞，萬春燕，朱師 丹，2023.熱帶亞熱帶喀斯特森林木本植物的水力脆弱 性分割［J].植物生態(tài)學報，47（11）：1576-1584.]

ZHANG QW， ZHU SD， JANSEN S，et al.，2021. Topography strongly affects drought stress and xylem embolism resistance in woody plants from a karst forest in Southwest China [J].Functional Ecology，35（3）： 566-577.

ZHANG YJ，CAO KF，SACK L，et al.，2015. Extending the generality of leaf economic design principles in the cycads， anancient lineage[J].New Phytologist，206（2）： 817-829.

ZHENG Y， LIU J， FENG XY， et al.， 2017. The distribution， diversity，and conservation status of Cycasin China [J].Ecology and Evolution，7（9）：3212-3224.

ZHU SD，LIU H，XU QY，et al.，2016. Are leaves more vulnerable to cavitation than branches？［J].Functional Ecology，30（11） ： 1740-1744.

（責任編輯 周翠鳴 王登惠）