景天酸代谢（CAM）强度与角质层蒸腾屏障的进化关联：来自莲花掌属植物的证据

本文研究了莲花掌属植物中景天酸代谢（CAM）强度与角质层最小导度（gmin）及多浆性的关系，发现更强的CAM表达需要有效的角质层蒸腾屏障，但不一定需要高度多浆的叶片。研究通过气候箱实验和叶片干燥曲线揭示了CAM进化与水分保持性状的功能整合。

引言

植物的生存高度依赖于其性状与环境的相互作用。景天酸代谢（CAM）作为一种复杂的生存策略，其进化涉及一系列相关性状的协同演化。CAM——即夜间将CO₂固定为四碳有机酸作为白天光合作用碳库的代谢途径——已知与多浆性相关联，因为更大的液泡潜在地为有机酸提供了更高的存储容量。与CAM类似，多浆性本身是对环境水分稀缺（特别是季节性干旱）的有效适应。

CAM的一般适应价值源于其在更凉爽、湿度更高的夜间（延伸至黎明）开放气孔，而非在白天。然而，CAM植物通常也通过更常见的C₃光合途径在白天吸收一部分CO₂。因此，CAM的表达存在一个连续谱，从可能在胁迫条件下诱导出CAM的C₃光合作用（即兼性CAM）到本身通常也伴随可变比例的白天C₃光合作用的组成型CAM。CAM植物避免白天高蒸腾并保持等水的能力取决于通过角质层和“泄漏气孔”最小化水分流失的能力。因此，在CAM进化背景下，选择压力可能倾向于降低角质层导度和气孔完全关闭后的最小残留气孔导度。

多浆性在CAM植物的水分关系中无疑也扮演重要角色，因为它关系到可利用水量，即在无水分供应期间可用于光合作用和养分运输的水量。如上所述，多浆性是高效CAM途径的功能基础，并最大化作为白天光合作用碳源的有机酸的夜间存储容量。

莲花掌属是形态和生态高度多样的属，包含41个物种，主要辐射分布于加那利群岛。该群落在CAM表达、多浆性和水力性状方面表现出巨大的变异性，使其成为检验关于CAM表达程度与g_min（负相关）以及多浆性（正相关）假设的理想体系。

材料与方法

研究涵盖了莲花掌属尽可能多的物种，最终样本覆盖了广泛的生长形式、光合多样性和属内各个组别。植物个体通过营养繁殖或种子繁殖获得。将繁殖的个体分成六个不同的实验组（冷-对照、冷-干旱、冷-转换、暖-对照、暖-干旱、暖-转换），进行气候箱实验。实验的第一阶段，植物被驯化至不同的昼夜温度 regime。在所有实验阶段，在光周期结束前90分钟和随后暗周期结束前90分钟采集叶片样本，通过滴定法量化夜间酸化（ΔH⁺）以评估CAM活性。

通过叶片干燥曲线实验推断g_min。采集年轻但完全展开的叶片，脱水后密封叶基，通过称重和扫描叶面积来测定蒸腾速率和导度。g_min计算为膨压损失点之后且任何致命脱水之前测定的所有导度值的平均值。多浆度（DS）计算为完全水合叶片中的水质量与叶表面积（即完全水合时的双倍投影叶面积）的商。此外，还使用数字卡尺测量了新鲜叶片的叶片厚度（LT）。

系统发育分析基于已发表的莲花掌属物种树。使用系统发育广义最小二乘（PGLS）回归分析来检验ΔH⁺、g_min与各种生物气候变量之间的关系，以及g_min、DS与ΔH⁺之间的关系。

结果

可滴定酸度和叶片干燥曲线

总共515株来自36个莲花掌属分类群的植物经历了气候箱实验，获得了1520个ΔH⁺数据点。ΔH⁺值范围很广，大多数分类群可被表征为低水平的组成型CAM，并具有兼性上调CAM表达的能力。更高度多浆的白霜莲支系+Arboreum II支系的物种在胁迫解除后，其ΔH⁺显著降低的情况少于其他莲花掌属物种。

干燥曲线实验在247片个体叶片上进行。g_min的个体值差异达两个数量级，DS和LT范围也很广，且两者显著相关。

夜间酸积累与最小导度和多浆度的相关性

在所有实验阶段（除了一个例外），平均ΔH⁺与平均g_min的对数存在显著负相关，这与我们关于较低g_min与较强CAM活性相关的预期一致。相比之下，平均DS和平均ΔH⁺在除冷-干旱处理阶段外的任何实验条件下均无显著相关，并且该相关性为显著负相关，这与我们关于ΔH⁺和DS正相关的假设相矛盾。

性状在莲花掌系统发育中的演化

在所有测量的变量中，只有DS、LT和一种特定实验条件（即冷-干旱处理）下的ΔH⁺表现出显著不同于零的Pagel‘s λ。这些结果表明，DS和LT的系统发育模式，以及干旱诱导CAM的能力，比其他研究的变量更接近于布朗运动演化模型。将ΔH⁺演化映射到莲花掌系统发育上显示，当植物暴露于胁迫实验条件时，Pagel’s λ总体较大。

ΔH⁺（在热处理下）与物种分布数据中的所有生物气候变量的PGLS回归分析显示，与五个温度相关的生物气候变量以及夏季潜在太阳辐射存在显著相关性。g_min与生物气候变量的PGLS回归分析均不显著。

讨论

最小导度（g_min）是一个新的CAM相关性状

一项填补CAM相关性状协同进化知识空白的新发现是，在几乎所有实验处理下，CAM表达与log(g_min)均存在显著负相关。我们的结果指出了低g_min和高CAM表达之间强烈的功能相互依赖性。当CAM活性被诱导时，兼性CAM植物几乎总是表现出白天气孔导度的降低。气孔对水蒸气导度的降低增加了角质层导度在总导度中的比例。因此，随着CAM典型的白天气孔导度降低，角质层作为蒸腾屏障的作用变得更加重要。

尽管在低ΔH⁺范围内缺乏低log(g_min)的数据点，但这并不意味着弱CAM或甚至C₃光合作用与高效的蒸腾屏障不相容。事实上，有许多C₃植物具有高效的角质层蒸腾屏障特性。然而，在已测量的叶片最小导度最低的物种中，有一半属于具有充分证据的CAM活性的属。这强烈表明，多浆植物在角质层特性方面的研究尚不充分，可能代表了具有最有效蒸腾屏障特性的生活型类群。

多浆性是一个基本的CAM相关性状，与干旱和高温下的CAM表达存在 contrasting 关系

与g_min相反，多浆性与CAM活性的关系已被许多作者研究。多浆性通常被定义为内部储水的存在，使植物“能够暂时不依赖外部水源”。我们采用多浆度（DS）作为一个可靠且易于测量的量。

一个令人惊讶的结果是，在恒定冷或恒定暖条件下，DS与莲花掌属的ΔH⁺不相关。我们没有发现ΔH⁺和DS之间存在显著的正相关关系。相反，我们发现在冷-干旱处理阶段，ΔH⁺和DS之间存在显著的负相关关系。这种负相关的一个可能解释是，高度多浆的物种可能没有像较少多浆的物种那样严重地经历所施加的干旱，后者中有许多强烈增加了它们的CAM活性。另一种可能的解释是多浆叶片核心中略微含水组织产生的稀释效应。

虽然许多早期研究显示了CAM与多浆性指数之间的正相关关系，但我们的结果表明这种关联不那么普遍。多浆性被认为一旦达到某个阈值就能够实现CAM活性。我们的结果表明，这个阈值相对于莲花掌属的多浆谱来说应该较低，因此大多数莲花掌属物种都能满足。远超过这个假设阈值的DS值似乎并没有显著增强莲花掌属中最大的潜在CAM活性。

干旱胁迫下CAM表现能力在系统发育上是保守的

将ΔH⁺（用于冷-转换处理阶段）的变化映射到整个莲花掌系统发育上清楚地表明，无蜜腺支系和Goochiae支系（作为其余莲花掌属的连续姐妹群）的夜间酸积累能力或CAM诱导能力较低。较高的CAM表现能力在Arboreum I支系的一个分支、A. glutinosum以及Leuconium支系中进化而来。

我们的研究结果表明，干旱胁迫下CAM表达的能力在莲花掌系统发育中更为保守，因此可能更受祖先多浆性和g_min条件的限制。同时，在适应当前环境条件下驯化的莲花掌属植物的基线CAM活性是一个系统发育不稳定的性状，可能经历了高速率的多样化。我们在此得出结论，g_min是与CAM生理协同进化以适应莲花掌所占据的不同气候生态位的环境需求的。