植物尺度输运物理：关于木质部流动稳态与干旱应激的洞见

我们研究了在干旱应激下将营养液通过 Brassica juncea 木质部血管的流动动力学。为此，我们进行实验以获得干旱受压下的木质部血管形态特征，同时发展数学框架来建模木质部内的流动，考虑到与植物系统相关的多个特征。通过使用最先进的仪器进行实验，我们测量了木质部血管的形态、理化和力学性质及干旱受压条件。我们的实验结果揭示，干旱会同时降低木质部直径和木质部孔径大小，暗示植物对干旱应激的水力调整。我们发现，干旱受压木质部血管中纤维素含量的降低降低了zeta电位并降低了血管区的弹性。此外，干旱应激会改变代谢物活性，增加活性氧，减少叶绿素含量，并限制必需金属元素摄取。此外，我们进行三维数值模拟，以评估干旱受压木质部血管的局部流场、力学应力、水力导数和径向输运效率。模拟结果显示，在干旱条件下，木质部血管中轴向流动的阻力显著增加，这反过来促进了木质部的径向营养物质输运，使植物能够在干旱应激下生存。我们表明，干旱应激下的木质部径向流动效率显著高于充足灌溉对照植物。总体而言，本次研究提供了新的见解，阐明了木质部血管的几何调整如何在缺水条件下修改流动行为，从而增强了植物生存环境压力的能力。