水稻干旱胁迫下气孔优化与水分利用策略的碳-水力权衡机制研究

《Environmental and Experimental Botany》：Revealing the drought-induced variations in rice water use strategy through a hydraulic-based stomatal optimization model

本文针对水稻在干旱胁迫下气孔行为与水分利用策略的调控机制这一关键科学问题，开展了为期两年的盆栽实验，结合气孔优化模型和碳-水力权衡理论，系统研究了不同水分胁迫处理下水稻叶片气体交换参数的变化规律。研究发现，水稻通过调整气孔导度（gs）、最大羧化速率（Vcmax25）和最大水力导度（Kmax）等生理性状，形成了“节水型”和“耗水型”两种水分利用策略，并揭示了其与长期碳收益和水力安全之间的权衡关系。该研究为理解作物抗旱适应性机制提供了新视角，对优化农业水资源管理具有重要意义。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱事件频发对农业生产构成严重威胁。水稻作为全球主要粮食作物，其生长对水分供应极为敏感。在干旱胁迫下，植物如何通过调节气孔行为来平衡碳吸收与水分损失，即水分利用策略，直接关系到作物的生存和产量。传统研究多关注气孔导度（g_s）与光合速率（A）的瞬时响应，但对其长期适应性机制的理解仍不完善。特别是，水稻在经历干旱胁迫后，其气孔行为是否发生适应性调整，以及这种调整如何影响碳-水力权衡，尚缺乏系统研究。

为解决上述问题，研究人员在《Environmental and Experimental Botany》上发表论文，通过两年盆栽实验，结合气孔优化模型，系统研究了水稻在干旱胁迫下的水分利用策略变化及其生理机制。研究团队设置了不同干旱程度和持续时间的处理，测量了叶片气体交换参数，并采用基于最优性原理的气孔优化模型，量化了水稻的碳收益与水力风险之间的权衡关系。

关键技术方法包括：利用便携式光合作用测量系统（CI-340）获取叶片气体交换数据；采用气孔优化模型拟合气孔导度（g_s）、光合速率（A）等参数；结合土壤水分动态模型评估长期碳收益（Ave_A）和水力安全（Ave_PLC）；通过水力导度（K_max）和羧化容量（V_cmax25）等生理性状参数分析策略分化。

气孔优化模型的性能验证

模型较好地模拟了不同处理下水稻的气孔导度（g_s），确定系数（R²）达0.92以上。参数敏感性分析表明，模型对权重因子（α）的形状参数（m₁、m₂）最为敏感，但整体预测结果稳健。

干旱诱导的水分利用策略分化

研究发现，干旱胁迫导致水稻水分利用策略分化为“节水型”（Saver）和“耗水型”（Spender）两类。节水型策略通过快速降低气孔导度（g_s）来维持较高的叶片水势（ψ_leaf），但牺牲了部分碳收益；耗水型策略则保持较高的气孔开度，以获取更多碳收益，但面临更高的水力风险。

碳-水力权衡的长期效应

长期分析表明，耗水型策略虽然提高了碳收益（Ave_A），但显著降低了土壤水分有效性，增加了水力栓塞风险（Ave_PLC）；而节水型策略则通过保守的水分利用维持了较高的水力安全性。两类策略在水分利用效率（WUE）和氢景观面积（HSA）上表现出显著差异。

生理性状与策略的关联

最大水力导度（K_max）与气孔导度参数（g₁）显著正相关，且与氢景观面积（HSA）负相关，表明水力运输效率是调控水分利用策略的关键性状。叶片面积指数（LAI）和产量与碳收益（Ave_A）呈正相关，进一步验证了策略分化的生理基础。

研究结论表明，水稻通过调整气孔行为和水力性状来应对干旱胁迫，形成多样化的水分利用策略。这种策略分化是碳-水力权衡的结果，反映了植物在可变环境中的适应性优化。该研究不仅深化了对作物抗旱机制的理解，还为通过调控水分利用策略提高作物抗旱性提供了理论依据。未来研究可结合分子生物学和生态系统模型，进一步揭示策略分化的遗传基础及生态效应。