遮蔭條件下黃檗生長和生理響應的性別差異研究

張 玲 張東來

(1.黑龍江省林業(yè)科學研究所，哈爾濱 150081； 2.黑龍江省林業(yè)科學院，哈爾濱 150081)

光照是植物生命活動中最重要的生態(tài)因子之一。光照過強或過弱均可對植物造成顯著影響[1]。為了有效利用異質(zhì)光資源，植物不僅可以相應地改變?nèi)~片厚度、比葉面積大小等,還可改變植冠構(gòu)型,從而相應改變?nèi)~的空間配置，以提高對光的吸收和利用[2]。生物量反映植物的生長狀況，遮蔭會導致光合利用的能量不足，葉綠素參與光合作用中光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，其含量是衡量植物耐陰性的重要指標[3]。植物通過調(diào)節(jié)體內(nèi)保護酶活性來主動適應環(huán)境帶來的傷害，SOD、POD和CAT是酶促系統(tǒng)中重要的保護酶，是一個完整的防氧化系統(tǒng)，可作為檢測植物是否受脅迫的一個生理指標[4]。丙二醛是膜系統(tǒng)脂質(zhì)過氧化的終產(chǎn)物，其含量可以反映膜脂過氧化程度和植物對逆境抗性的強弱[5]?？扇苄蕴呛涂扇艿矸凼侵参锿ㄟ^光合作用產(chǎn)生的重要能源和碳源，對維持細胞膜的完整性、調(diào)節(jié)植物組織滲透壓和增強植物抗逆性具有重要作用[6]。

雌雄異株植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，自然種群中其雌雄個體的性別比例通常是1∶1，但隨水分、養(yǎng)分、光照、溫度、CO2和干擾水平等的不同而有所不同，引起性別間在生長、形態(tài)、生理、生殖及抗逆性等方面表現(xiàn)出明顯的差異[7～11]。

黃檗(PhellodendronamurenseRupr.)，雌雄異株植物，喜光，但幼苗都生活在一種光照不足的逆境群落,這種遮蔭環(huán)境導致其幼苗更新生境發(fā)生變化，自然生境的破壞可能是其野生資源瀕危的主要原因[12]?；诖?，開展遮蔭環(huán)境下黃檗幼苗雌雄的形態(tài)、生理及代謝物質(zhì)變化規(guī)律研究，通過測定這些指標，可以分析出雌雄異株植物抗逆能力差異，探索黃檗雌雄在苗期對遮蔭條件響應策略，為黃檗野生資源保護及雌雄分配格局研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

試驗材料來源于哈爾濱市勞動公園同一種源同一樹齡雌雄大樹當年萌生枝，通過人工扦插獲得的雌雄植株，2018年4月末選取生長良好、高矮一致的40株幼樹，分別為雌株20株、雄株20株。草炭土裝入試驗盆(直徑35 cm，高40 cm)，每盆裝土5 kg。遮蔭處理為：自然光和用遮蔭紗網(wǎng)調(diào)節(jié)光強分別為35%遮蔭(輕度)、65%遮蔭(中度)、85%遮蔭(重度)處理。土壤濕度控制為同時、同量噴水，遮蔭處理從4月30日到8月30日。于8月30日，采集成熟新鮮葉片為實驗材料，每項指標采3株雌雄，每株3個重復。

1.1 測定項目與方法

1.1.1 形態(tài)指標測定

葉的性狀指標測定：相同條件下，各處理組隨機選取雌雄各3株，選取植株頂尖第3對葉片10片，游標卡尺測定葉長、葉寬、株高。

生物量的測定：挖取每個處理組的完整植株5株，清洗莖、葉，將每株葉、葉柄、莖、根(粗根、細根)分離并分別裝袋，在105℃下烘至恒重后稱量。干重為各構(gòu)件的生物量。

1.1.2 葉綠素含量測定

采用乙醇比色法測定葉綠素含量。

1.1.3 抗氧化酶活性和MDA含量的測定

SOD活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定；CAT活性采用過氧化氫法測定；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測定。

1.1.4 可溶性糖和可溶性淀粉含量的測定

可溶性糖和可溶性淀粉含量采用苯酚法測定。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003和SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用雙因素方差分析法(two-way ANOVA)、單因素方差分析法(one-way ANVOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較α=0.05。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮蔭環(huán)境對黃檗生長的影響

由表1可知，在85%遮蔭處理黃檗葉長最大，顯著高于對照(P<0.01)，性別差異不顯著。雄株葉寬、株高在85%遮蔭處理最大(P<0.01)，雌株在65%遮蔭處理最大。雄株葉生物量在65%遮蔭處理最大，雌株在35%遮蔭處理最大，顯著高于其他處理(P<0.01)。雄株莖生物量在85%遮蔭處理最大，顯著高于對照處理(P<0.01)，雌株莖生物量在65%遮蔭處理最大，顯著高于其他處理(P<0.05)。雌雄株葉柄生物均在65%遮蔭處理最大，總生物量、根生物量在對照處理最大，顯著高于遮蔭處理(P<0.01)，雌株在35%遮蔭和65%處理生物量積累顯著高于雄株，重度遮蔭后雄株生物量積累大于雌株?？傊?，遮蔭處理更有利于黃檗形態(tài)生長，輕度遮蔭雌株生物量積累大于雄株，重度遮蔭后雄株大于雌株，說明雌株對輕度遮蔭具有更敏感的適應性，對重度遮蔭雄株的適應性比雌株強。

表1 不同遮蔭條件下黃檗雌雄植株形態(tài)學特征

注：同列表示不同遮蔭處理與對照間差異顯著性*P<0.05

Note:Different small letters mean significant difference between CK and different shading treatment at 0.05 level

2.2 不同遮蔭處理下黃檗株葉綠素含量的差異

由方差分析表明(見表2)，黃檗葉綠素a含量在遮蔭條件下差異極顯著(P<0.01)，性別與遮蔭協(xié)同作用差異不顯著；葉綠素b含量性別間差異不顯著，遮蔭條件和性別與遮蔭協(xié)同作用差異極顯著(P<0.01)；遮蔭條件下總?cè)~素含量達到極顯著水平(P<0.01)。由圖1可看出，與對照相比，重度遮蔭處理(85%)顯著增加了黃檗幼苗的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量，黃檗葉綠素含量在對照處理時性別差異顯著(P<0.01)，重度遮蔭比對照處理雄株的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量相對增加56.50%、36.56%和49.28%，雌株增加46.56%、59.49和51.25%?？梢姡谑a處理有利于促進黃檗葉綠素積累。

圖1 遮蔭處理下黃檗幼苗葉片的葉綠體色素含量Fig.1 Chlorophyllpigments content of male and female P.amurense under different shading

圖2 遮蔭條件對黃檗雌雄株抗氧化酶活性Fig.2 The effects on antioxidant enzyme contents of P.amurense under different shading

2.3 不同遮蔭處理下黃檗株抗氧化酶活性和MDA含量差異

如圖2所示，黃檗雄株SOD、POD、CAT酶活性顯著高于雌株，SOD酶活性均隨遮蔭強度的增強而增大，POD和CAT酶活性結(jié)果相反，即隨遮蔭強度的增強而減小的趨勢，MDA含量在對照處理時最高，為26.99±0.42 nmol·g-1FW(雄株)，26.81±0.15 nmol·g-1FW(雌株)。

由圖3可以看出，遮蔭處理對黃檗酶活性影響差異顯著(P<0.01),性別對SOD、POD酶活性影響差異不顯著，性別和遮蔭協(xié)同作用對SOD、POD酶活性影響差異不顯著；性別、遮蔭處理對CAT酶活性影響差異顯著(P<0.01)，性別和遮蔭協(xié)同作用對CAT酶活性影響不顯著。MDA含量性別間差異顯著(P<0.05),遮蔭處理對MDA含量影響差異極顯著(P<0.01)，性別和遮蔭協(xié)同作用差異不顯著。黃檗在自然光下SOD酶活性為雄株大于雌株，35%遮蔭處理為雌株大于雄株，65%、85%遮蔭處理SOD酶活性為雄株大于雌株；POD酶活性均為雄株大于雌株，遮蔭處理沒有影響POD酶活性在性別間的差異；CAT酶活在自然光照條件下為雄株大于雌株，35%遮蔭處理為雌株大于雄株，65%、85%遮蔭處理為雄株大于雌株；MDA含量自然光照為雄株大于雌株，遮蔭處理均為雌株大于雄株，說明遮蔭對黃檗雄株細胞抗氧化能力強于雌株。

2.4 不同遮蔭處理下黃檗株可溶性糖和可溶性淀粉含量的差異

由圖4可以看出，黃檗在35%遮蔭處理可溶性糖含量最高，為0.283 3±0.112 6 μg·mg-1(雄株)、0.251 9±0.007 0 μg·mg-1(雌株)，雄株大于雌株，性別間差異不顯著，遮蔭對可溶性糖含量影響差異顯著(P<0.05)，遮蔭和性別間協(xié)同作用不顯著；可溶性淀粉含量在35%遮蔭條件下最高，為1.944 6±0.416 4 μg·mg-1(雄株)、2.056 3±0.325 7 μg·mg-1(雌株)，雌株大于雄株，遮蔭、性別及協(xié)同作用均不顯著。

圖3 遮蔭條件對黃檗雌雄株MDA含量影響Fig.3 The effects on malondialdenhyde contents of P.amurense under different shading

圖4 遮蔭條件對黃檗幼苗雌雄株可溶性糖可溶性淀粉含量影響Fig.4 The effects on starch and sugar contents of P.amurense Rupr. under different shading

3 討論

3.1 遮蔭條件對黃檗幼苗雌雄株形態(tài)和生物量的影響

植物應對遮蔭環(huán)境采取改變構(gòu)件性狀的生存策略[13]，研究認為適當遮蔭的環(huán)境更有利于幼苗的生長及生物量積累[14]，例如胡桃楸[15]，金蕎麥[1]、薇甘菊和雞屎藤[16]。由于植物對養(yǎng)分的吸收和積累依賴于光合作用提供能力量，因而地上部對光的競爭間接影響到地下根系競爭[7]。本研究中，遮蔭處理有利于黃檗雌雄株地上形態(tài)生長，限制地下生物量積累，說明黃檗幼苗利用增加地上部分構(gòu)件的生長，捕獲更多的光能，以提高對光能的吸收與利用，減少地下部分的投入，降低自身的根冠比來增加幼苗地上部分接觸面積，爭取更多的光照資源，適應遮蔭環(huán)境。相同樹齡、環(huán)境條件下黃檗雌雄株形態(tài)特性、抗氧化防御酶活性、內(nèi)源激素等指標存在顯著差異，黃檗雌雄株葉寬、CAT酶活性、SOD酶活性、內(nèi)源生長素、赤霉素、玉米素含量差異顯著[17]，遮蔭環(huán)境條件下其葉寬、酶活性等指標差異均不顯著。說明遮蔭弱化了性別間的形態(tài)和生理差異，是雌雄異株植物對遮蔭環(huán)境而采取的適應性生存策略。即黃檗在幼齡期為適應遮蔭環(huán)境，改變形態(tài)特征和生理指標，適應遮蔭環(huán)境條件，逐步提高對光的利用能力。

研究證實雌雄株在脅迫環(huán)境下生理、生殖、生態(tài)響應存在著性別差異[18]。雌株往往容易受到逆境的干擾，例如青楊雌株的生長和光合能力對干旱脅迫更為敏感[19]，雌株的胸徑、冠幅、最大光合速率、表觀量子效率等均比雄株高，雌株具有更高的光能捕獲能力[20]。生物量越大，積累的干物質(zhì)越多，苗木的質(zhì)量就越好，對逆境環(huán)境的適應能力就越強[21]，本研究輕度遮蔭雌株生物量積累大于雄株，雌株適應遮蔭環(huán)境能力強于雄株，與眾多研究結(jié)果一致[6,8]。進一步分析葉綠素含量、酶活性及MDA含量后發(fā)現(xiàn)，遮蔭處理下雌株的大多數(shù)性狀均高于雄株，與先前的研究結(jié)果類似[17,20,22]。隨著遮蔭時間和強度的增加，雄株采用增大生物量應對遮蔭脅迫的生存策略，可能是雌雄株的生物學特性及物質(zhì)貯藏過程有關(guān)。

3.2 遮蔭條件對黃檗幼苗雌雄株葉綠素含量的影響

葉綠素是光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量組成極易受生境影響[11]。遮蔭提高了各草坪草葉片的葉綠素含量，隨著遮蔭程度的加大，其葉綠素含量呈顯著上升趨勢[23]。遮蔭條件可以提高金蕎麥葉綠素含量和葉綠素熒光參數(shù)，并能夠較好地保護光反應系統(tǒng)[1]。杜鵑、紅山茶幼苗葉片中總?cè)~綠素、葉綠素a及葉綠素b含量在50%～80%的遮光條件下最高，在全光照條件下最低，說明遮蔭條件有利于葉綠素的積累[24]。本研究中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均在85%遮蔭條件下最高，原因是葉綠素總是處于一個不斷合成和分解的動態(tài)變化中，在強光下比在遮蔭下合成和分解達到平衡的濃度低，從而葉綠素含量往往隨遮蔭強度的增大而升高，黃檗幼苗在重度遮蔭條件下積累更多葉綠素，為提高光能捕獲能力，保證葉片的光合功能。環(huán)境脅迫下葉綠素含量性別間差異不顯著[8～9,25]，與本研究結(jié)果一致，需要延長遮蔭的時間進一步研究雌雄株光合物質(zhì)基礎(chǔ)對性別間的影響。

3.3 遮蔭條件對黃檗幼苗雌雄株抗氧化酶活性和MDA含量的影響

植物體內(nèi)的活性氧會在植物受到脅迫時增生，在一定程度增加酶類活性及抗氧化物質(zhì)含量，保護植物細胞免受傷害[26]。MDA含量高低是膜脂過氧化作用強弱的一個重要指標，可作為生理參數(shù)的變量來反映脅迫下植物受傷害的程度[27]。本研究中黃檗雌雄植株SOD酶活性隨遮蔭強度的增強而增大，POD、CAT酶活性隨遮蔭強度的增加而減少,說明黃檗在幼苗期更適合遮蔭環(huán)境條件，強光照條件不利于黃檗幼苗生長，這與狹葉景天和文冠果幼苗的研究結(jié)果相似[28]。桑樹雄株在鉛脅迫下SOD活性調(diào)節(jié)能力大于雌株，并表現(xiàn)出比雌株更強的適應能力[4]。本研究對照條件下SOD和POD活性為雄株大于雌株，一方面說明雄株抗氧化能力強于雌株，另一方面說明遮蔭條件弱化了雄株的抗氧化能力，因為植物應對外界脅迫的保護酶系統(tǒng)相當復雜。本實驗只遮蔭處理一個生長期，長期的遮蔭環(huán)境能否使黃檗幼苗雌雄株合理配置資源且協(xié)調(diào)生長，適應遮蔭環(huán)境，還有待進一步研究。研究表明在植物組織多種酶和膜系統(tǒng)遭到破壞時，MDA含量會大幅度提高。對照處理MDA含量為雄株大于雌株，遮蔭處理均為雌株大于雄株，說明遮蔭對黃檗幼苗雄株細胞抗氧化能力強于雌株，黃檗幼苗當受到強光脅迫時，代謝速度加快引起活性氧積累，在遮蔭條件下雄株維持細胞膜完整性的能力和抵抗脅迫能力大于雌株，這一結(jié)果與許多研究相一致[19,29]。不同遮蔭處理下黃檗雌雄株MDA含量隨遮蔭強度的增大而減小，說明遮蔭對黃檗幼苗生物膜系統(tǒng)傷害不嚴重，不影響植株的正常代謝，也正說明了黃檗幼苗期適應遮蔭環(huán)境條件。

3.4 遮蔭條件對黃檗雌雄株可溶性糖和可溶性淀粉含量的影響

可溶性糖和可溶性淀粉(NSC)是碳水化合物代謝、暫時貯藏和運輸?shù)闹饕问剑彩呛粑饔玫闹饕孜?，參與植物代謝和滲透調(diào)節(jié)功能，與植物的抗性密切相關(guān)[30]。研究表明遮蔭、干旱等因素均可能造成植物碳攝取障礙，進而會影響到植物的生長、碳素分配及抗逆能力[31]。遮蔭后影響光合作用和可溶性糖的合成或分解、運轉(zhuǎn)和積累，進而影響呼吸作用和細胞滲透壓[30]。本研究黃檗幼苗在35%遮蔭處理時可溶性糖和可溶性淀粉含量最高，隨著遮蔭強度的增加逐漸降低，可能的原因是重度遮蔭降低了光合作用，呼吸作用加強而造成糖分和淀粉的消耗。遮蔭處理下可溶性糖與可溶性淀粉含量與POD酶活性和MDA含量變化趨勢一致，說明黃檗幼苗期適應遮蔭條件下，遮蔭處理對葉片起到了一定的保護作用。

研究表明遮蔭下葉片可溶性糖、可溶性淀粉含量下降，以80%遮蔭下降最顯著，遮蔭強度的增加使MDA含量下降，植物通過降低葉綠體活動來減少光能吸收和激活一系列酶促和非酶促反應以消除體內(nèi)活性氧，減少葉片的傷害[32]。葉片的可溶性代謝物質(zhì)水平、葉綠體功能都受不同光強和低溫的調(diào)節(jié)，使其能適應不同的環(huán)境條件生長[33]?？扇苄蕴呛孔兓梢耘袛嘀参锷L狀態(tài)，作為植物生理活動評價的參考指標，并間接反映苗木的生長情況。本研究遮蔭處理的苗木葉綠素含量最高但其可溶性糖含量卻相對較低，這可能是由于幼苗隨著遮蔭程度的增加，其透光度太低，導致光合作用強度減弱，光合產(chǎn)物減少，糖含量也會有所下降，遮蔭條件下黃檗幼苗可溶性糖和可溶性淀粉含量在性別間差異不顯著，可能原因是本實驗僅對一個生長季的黃檗幼苗期雌雄株進行了研究，隨著遮蔭時間的推移，遮蔭對其形態(tài)及生理必然有不同的影響，還有待進開展更深層次的研究。