기온이 상승함에 따라 나무의 성장이 어떻게 영향을 받는지 이해하는 것은 미래의 더운 기후에서 산림의 운명을 예측하는 중요 요인이다.
온도 상승은 식물 생리학에 직접적인 영향을 미치며 뿐만 아니라 여러 시스템에서 온도에 따라 증발 수요가 증가하기 때문에 수분 제한의 간접적인 영향도 있다.
이 연구에서 우리는 Eucalyptus tereticornis의 성장과 광합성 반응에 대한 온도의 직·간접적 영향을 실험했다.
우리는 종의 기후 분포에 따라 18~35.5℃에 걸쳐 여섯 개의 온도로 구분하여 E. tereticornis의 성장을 측정했으며 두 가지의 관수 방법을 사용했다.
i) 온도의 직접적인 영향을 차단하면서 모든 온도 (Wincr)에서 식물의 수분 수요에 맞는 양의 관수를 실시함.
ii) 모든 온도에서 관수량은 일정하며, 그 양은 성장 온도가 가장 낮은 재배 식물(Wconst)의 수분 수요양에 맞췄다.
우리는 일정량 관수처리가 수요에 맞게 수분을 공급하는 처리에 비해 광합성과 성장에 대한 최적 온도를 3℃ 까지 감소한다는 것을 확인했다.
수분 공급 제한은 특히 Topt와 중간 성장 온도 조건에서 총 잎 면적량을 감소시켰다.
광합성의 감소는 잎의 수분포텐셜 감소와 그 결과로 일어나는 기공 폐쇄에 의한 것이다.
성장 감소는 광합성 감소, 총 잎 면적 감소 및 특정 잎 면적 감소의 결과이다.
수분 이용률은 온도 상승에 따른 줄기 및 뿌리 호흡의 반응에 영향을 미치지 않았지만, 높은 성장 온도 조건에서 일정한 양을 관수하는 경우, 물의 관수량을 조절하는 것애 비해 잎의 호흡율이 낮아지는 것을 관찰했다.
전반적으로 이 연구는 지구 온난화에 의해 간접적인 수분 제한이 심해지는 것이 수목 성장의 잠재적인 반응에 강하게 영향을 준다는 것을 보여준다.
Cleiton B eller et al. “Stomatal optimisation based on xylem hydraulics (SOX) improves land surface model simulation of vegetation responses to climate” (2020).
Land Surface Models (LSMs)은 일반적으로 경험적 기능을 사용하여 토양 가뭄에 대한 식생 반응을 나타낸다.
이 기능은 기후에 따른 식물 생태생리학의 기공 반응과 목부 수리(hydraulic) 기능의 연관성을 크게 무시한다.
우리는 가뭄에 대한 식물의 반응을 예측하기 위해, 목부 유압(SOX)을 기반으로 분석적 기공 최적화 모델을 개발했다.
Joint UK Land Environment Simulator (JULES) LSM에 SOX를 결합하여, 우리는 잎 수준과 생태계 수준에서의 관측치에 대해 SOX의 글로벌 평가를 수행했다.
SOX는 기후에 따른 잎의 기공 전도도를 기존 JULES 기공 전도도 모델보다 정확하게 예측했다. 70개의 에디 공분산 현장에서의 생태계 수준 평가에 따르면 SOX의 토양 수분에 따른 총일차생산량(GPP) 측정의 민감도를 감소시켜 관측과 모델의 일치를 개선하고 JULES와 관련된 연간 GPP 예측을 30% 증가시켰다.
SOX는 상록 열대림에서 GPP의 JULES 근평균제곱 오차를 최대 45% 감소시키며, 연구지에서 수관수분포텐셜과 토양수분구배의 패턴에 대한 시뮬레이션을 할 수 있었다.
SOX는 최근 식물의 수리 및 최적 이론과 경험적인 스트레스 요인을 LSMs에 통합하는 정확한 방법을 제공한다.
Colmer, Timothy David, et al. "Root O2 consumption, CO2 production and tissue concentration profiles in chickpea, as influenced by environmental hypoxia." New Phytologist (2019).
침수된 토양의 뿌리는 도관 내부에 O2 부족과 저산소증을 겪는다.
뿌리의 CO2 구배 측정에 대한 연구는 아직 많이 이루어지지 않았다.
호흡률(RQ; CO2 생산:O2 소비)은 O2 가용성이 감소함에 따라 증가할 것으로 예상된다.
새로운 CO2 마이크로 센서 및 O2 마이크로 센서는 산소 조건 또는 저산소 조건에서 chickpea 묘목 뿌리의 profile을 측정하는 데 사용되었다.
동시에, O2 감소에 따른 뿌리의 O2 소비, CO2 생산, RQ에 대한 non-destructive flux를 측정하였다.
Radial profiling은 뿌리의 도관 내에서 심각한 저산소증과 ≈0.8 kPa CO2를 나타냈다. O2가 뿌리를 관통하고 들어가는 거리는 낮은 산소 농도에서 감소했다.
CO2 구배는 뿌리와 확산 경계층을 경계로 O2 구배와 반대 방향이었다.
RQ는 외부 O2가 감소함에 따라 증가했다.
공기 평형 상태의 용액에 있는 chickpea 뿌리의 경우, O2는 매우 낮고 CO2는 도관 내에서 상승했다; hypoxic core의 범위는 외부 O2 감소에 따라 가파르게 증가했다.
외부 O2의 감소에 반응하여 뿌리의 증가된 RQ는 중증 저산소/산소 코어가 뿌리 조직에서의 비율이 증가함에 따라 호흡에서 에탄올 발효로의 이동을 촉진했다.
The temperature optima for tree seedling photosynthesis and growth depend on water inputs.pdf