Net O2 exchange rates under dark and light conditions across different stem compartments  

不同茎部组织在黑暗和光照条件下的净氧气交换速率  

来源：New Phytologist (2024) 243:72-81  

《新植物学家》2024年第243卷第72-81页  

 

摘要内容：  

本研究通过微传感器技术和荧光寿命成像显微镜（FLIM），首次系统评估了木本植物（以花楸树为例）茎部不同组织（树皮和木材）的光合作用能力及其对氧气释放的贡献。研究发现，光照条件下茎部整体、树皮和木材均能产生氧气，且年轻茎的氧气产量和暗呼吸速率高于老茎。树皮是茎部净氧气生产的主要贡献者，但木材叶绿体也具有光合活性。FLIM分析显示木材叶绿体的PSI比例低于树皮，表明茎部叶绿体能够适应内部光谱环境。研究揭示了茎部光合作用在维持局部氧气平衡中的作用。  

 

研究目的：  

明确茎部不同组织（树皮和木材）的光合作用功能特性及其对整体茎部光合能力的贡献。  

 

揭示茎部叶绿体对内部光谱环境（红光/远红光为主）的适应性机制。  

 

评估茎部光合作用在缓解缺氧和维持代谢中的作用。  

 

研究思路：  

实验材料与处理：以花楸树（Fraxinus ornus）为对象，采集不同年龄茎段（当年生、1年生、2年生）的树皮和木材样本。  

 

色素分析：测定叶、茎、树皮和木材的叶绿素和类胡萝卜素含量（表1）。  

 

 

FLIM成像：通过荧光寿命差异量化PSI与PSII的叶绿素比例（图1）。  

 

氧气交换速率测量：利用微传感器技术测定黑暗和光照条件下茎部整体、树皮和木材的净氧气交换速率（图2、3）。  

 

 

 

 

径向氧气分布分析：通过高分辨率微传感器绘制茎部径向氧气浓度梯度（图4）。  

 

 

测量数据及研究意义（对应图表）：  

色素含量（表1）：  

茎部叶绿素含量随茎龄增加而降低，当年生茎的树皮叶绿素含量最高（0.76 mg/g），木材叶绿素极低（0.03 mg/g）。  

 

意义：量化茎部光合能力的基础，解释年轻茎光合活性更高的原因。  

PSI:PSII叶绿素比例（图1）：  

 

木材叶绿体的PSI比例（0.55-0.63）显著低于树皮（0.78-0.82），PSI:PSII比值在木材中更低。  

 

意义：表明茎部叶绿体通过调整光系统比例适应内部红光/远红光主导的光环境，支持其功能性光合作用。  

氧气交换速率（图2、3）：  

 

光照下当年生茎整体净氧气产量为2.0 nmol O2/g FM/s，树皮贡献主要部分（1.2 nmol O2/g FM/s），木材光合作用仅补偿其呼吸消耗的20%。  

 

意义：证实树皮是茎部光合作用的主要场所，木材光合作用对局部氧气平衡有微弱贡献。  

径向氧气分布（图4）：  

 

光照下茎部氧气浓度从树皮向髓部递减，树皮层氧气浓度峰值显著高于黑暗条件，髓部仍接近缺氧状态。  

 

意义：揭示茎部光合作用缓解内部缺氧的局部效应，但无法完全消除髓部缺氧。  

 

结论：  

茎部光合作用主要由树皮驱动，年轻茎的光合活性显著高于老茎。  

 

木材叶绿体具有功能性光合能力，但其PSI比例低，适应内部红光富集的光环境。  

 

茎部光合作用通过释放氧气缓解局部缺氧，但无法完全消除髓部缺氧。  

 

茎部光合作用对整体碳平衡贡献有限，但对维持茎部细胞代谢（如呼吸作用）至关重要。  

 

丹麦Unisense电极测量数据的研究意义：  

高分辨率氧气分布分析：Unisense微传感器（OX-50）的尖端尺寸仅3-5μm，可精确测量茎部径向25μm步长的氧气浓度梯度（图4），首次揭示树皮、木材和髓部的氧气动态变化。  

 

验证光合作用活性：通过对比黑暗与光照条件下的氧气浓度变化，直接证明茎部组织（尤其是树皮）的光合产氧能力，数据支撑图2和图3的净氧气交换速率结果。  

 

缺氧缓解机制解析：光照下树皮层氧气浓度显著升高，表明光合作用是缓解茎部缺氧的关键机制，但木材光合作用微弱，髓部仍处缺氧状态，为理解茎部代谢的氧气限制提供依据。  

 

方法学创新：通过钻孔填充脱氧琼脂和氮气冲洗，排除大气氧气干扰，首次实现茎部内部光合产氧的精准测量，为后续研究提供技术范式。  

 

这些数据不仅量化了茎部光合作用的时空异质性，还为评估木本植物在干旱或洪水胁迫下的代谢适应性提供了关键参数。