Evaporation-driven internal hydraulic redistribution alleviates root drought stress: Mechanisms and modeling

木质部 蒸腾作用 环境科学 根系 水运 蒸腾流 土壤水分 水流 含水量 土壤科学 植物 生物 地质学 光合作用 岩土工程
作者
Yang Liu,Nadezhda Nadezhdina,Wenhao Hu,Brent Clothier,Jie Duan,Ximeng Li,Benye Xi
出处
期刊:Plant Physiology [Oxford University Press]
卷期号:193 (2): 1058-1072
标识
DOI:10.1093/plphys/kiad364
摘要

Many tree species have developed extensive root systems that allow them to survive in arid environments by obtaining water from a large soil volume. These root systems can transport and redistribute soil water during drought by hydraulic redistribution (HR). A recent study revealed the phenomenon of evaporation-driven hydraulic redistribution (EDHR), which is driven by evaporative demand (transpiration). In this study, we confirmed the occurrence of EDHR in Chinese white poplar (Populus tomentosa) through root sap flow measurements. We utilized microcomputed tomography technology to reconstruct the xylem network of woody lateral roots and proposed conceptual models to verify EDHR from a physical perspective. Our results indicated that EDHR is driven by the internal water potential gradient within the plant xylem network, which requires 3 conditions: high evaporative demand, soil water potential gradient, and special xylem structure of the root junction. The simulations demonstrated that during periods of extreme drought, EDHR could replenish water to dry roots and improve root water potential up to 38.9% to 41.6%. This highlights the crucial eco-physiological importance of EDHR in drought tolerance. Our proposed models provide insights into the complex structure of root junctions and their impact on water movement, thus enhancing our understanding of the relationship between xylem structure and plant hydraulics.
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