雌雄構(gòu)樹幼苗光合能力對干旱脅迫響應(yīng)的性別差異

茍蓉, 游明鴻, 白史且, 劉金平*, 曾曉琳

1. 西華師范大學(xué)西南野生動植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637009；

2. 四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611731

雌雄異株植物受性別分株影響，維持種群穩(wěn)定性的能力較弱[1]，雌雄個體對生境脅迫的適應(yīng)和抵抗能力，決定著個體存活、種群特征、物種延續(xù)及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。諸多研究說明，雌雄個體對干旱、養(yǎng)分缺乏、重金屬及鹽脅迫等環(huán)境脅迫，表現(xiàn)出顯著的抗性性別差異[2-5]。多數(shù)雌雄異株植物開花之前很難分辨性別，依株高、葉型、葉色等外部形態(tài)辨別的準(zhǔn)確度不高，依易受環(huán)境因素及植物發(fā)育狀況影響的生理指標(biāo)鑒定的可靠性較差[6,7]，依染色體組型和同工酶鑒定的局限性明顯[8,9]，依特異蛋白質(zhì)和分子標(biāo)記鑒定的可信度高，但鑒定程序復(fù)雜、成本高、耗時長，難以大范圍推廣，故目前關(guān)于雌雄異株植物抗性研究多是在成年植株上完成。幼苗是生活史中最敏感、最脆弱階段，幼苗對生境脅迫的適應(yīng)性及抗性性別差異，對種群密度、年齡結(jié)構(gòu)、性比、出生率和死亡率及空間格局等種群特征影響深遠(yuǎn)。故開展幼苗抗性研究，對雌雄異株植物個體發(fā)育、種群形成研究及瀕危度評價有指導(dǎo)價值，對該類植物保護(hù)、開發(fā)和利用有重要意義。

構(gòu) 樹（Broussonetia papyrifera） 為 桑 科（Moraceae）構(gòu)樹屬（Broussonetia）雌雄異株植物，具有材用、飼用、藥用、食用等開發(fā)價值。關(guān)于其形態(tài)特征、群落分布、化學(xué)成分、飼用及藥用價值[10-13]，及脅迫下的適應(yīng)性和抗性已進(jìn)行了大量研究[14-18]，但諸多研究未區(qū)分雌雄株進(jìn)行，未關(guān)注雌雄個體生長、生理、生殖及抗性等方面的性別差異。遺傳特性、生理特化、環(huán)境因子及生殖成本共同作用，導(dǎo)致了雌雄個體適應(yīng)性和抗逆性差異[3,5]。通過葉片特征[19]和同工酶[20]分析，初步表明雌雄構(gòu)樹形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理代謝有差異，關(guān)于其生長、生理、生殖及抗性基礎(chǔ)的性別差異研究極少。光合作用是決定植物生產(chǎn)性能和抵御能力的物質(zhì)與能量根本來源，干旱是植物幼苗期最易遭受的生境脅迫，幼苗光合作用對干旱脅迫的響應(yīng)速度和應(yīng)對策略，對植株存活與否、生長速度及抗性強(qiáng)弱起決定性作用。

干旱對光合作用的影響，體現(xiàn)在光合葉面積、光合色素、光合參數(shù)及同化效益等方面。本研究以構(gòu)樹雌雄扦插幼苗為材料，經(jīng)60 d 干旱處理后，通過測定葉片數(shù)、葉長、葉寬、葉厚、葉面積等葉性狀，測定Chla、Chlb 和 Caro 等色素含量，及Pn、Gs、Tr、Ci等光合參數(shù)，分析干旱下雌雄株光合葉面積、光合色素組成及光合速率變化規(guī)律，研究干旱脅迫對構(gòu)樹幼苗光合能力影響的性別差異。以期為構(gòu)樹品種選育、栽培養(yǎng)護(hù)、開發(fā)利用及資源保護(hù)提供依據(jù)，為雌雄異株植物的開發(fā)、利用和保護(hù)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

于2019 年4 月，在上年標(biāo)記性別的中齡雌雄構(gòu)樹上，剪取半木質(zhì)化枝條，選取長3±0.2 cm，粗0.5±0.1 cm，含1 芽、芽距兩端各約1.5 cm、重量0.65±0.01 g 的插穗，生根劑處理后，扦插于以沙土:紫色土：腐殖土1∶1∶1 為基質(zhì)，高40 cm、口徑30 cm 塑料花盆中。每盆同性別扦插5 株，雌雄各12 盆，置相對濕度60%、光照16 h·d?1、28 ℃的培養(yǎng)箱，期間保持土壤濕潤，育苗培養(yǎng)40 d 后，移出培養(yǎng)箱。

在室溫自然蒸發(fā)下，以1 018 mL·盆?1(飽和持水量)澆水48 h、72 h、144 h 和192 h 后，測得土壤水分(土壤含水量測定儀TDR300)為飽和含水量的62.15%、48.33%、32.62%和21.89%，為水分充足(CK)、輕度干旱、中度干旱、重度干旱4 個水分梯度。每性別隨機(jī)3 盆為1 組，分為4 組。分別進(jìn)行干旱處理。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

葉的形狀：每組隨機(jī)選擇9 株，測葉片數(shù)，自上而下測第3 葉片的葉長、葉寬、葉厚(YH-1 型葉厚儀)、單葉面積(YMJ-C 型葉面積測定儀)和株總?cè)~面積。

葉綠素含量采用乙醇丙酮混合提取法[21]。用LI-6400 便攜式光合儀，光照強(qiáng)度1300lx 下測現(xiàn)實(shí)光合參數(shù)，在有效輻射為850 μmol·m?2·s?1（光響應(yīng)曲線表明該光照下Pn 最大）的內(nèi)置光源下測潛在光合速率，于第3 葉片中部隨機(jī)3 點(diǎn)連續(xù)采集3 個值。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理與處理

用SPSS 19.0 軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并用Duncan 法對各參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（SNK 檢驗(yàn)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對葉性狀影響的性別差異

干旱顯著影響幼苗的葉數(shù)、葉長、葉寬、葉厚、單葉面積和總?cè)~面積(P＜0.05)(見表1)。與水分充足(CK)比較，輕度干旱顯著降低葉長和總?cè)~面積，中度干旱顯著降低葉寬、單葉面積而增加葉厚，重度干旱則顯著降低葉數(shù)(P＜0.05)，使重度干旱下葉數(shù)、葉長、葉寬、單葉面積與總?cè)~面積顯著低于其他處理(P＜0.05)，而葉厚最厚。4 個水分下，雌株葉長與葉厚大于雄株，葉數(shù)和總?cè)~面積小于雄株(P＜0.05)，而葉寬和單葉面積無性別差異。

方差分析F值表明，干旱度間葉性狀差異大于性別間 (見表2)，干旱影響大小為葉長＞總?cè)~面積＞單葉面積＞葉寬＞葉厚＞葉數(shù)；性別影響大小為葉長＞葉數(shù)＞總?cè)~面積＞葉厚＞葉寬＞單葉面積。干旱脅迫使葉長和葉寬、單葉面積和總?cè)~面積表現(xiàn)出極顯著性別差異(P＜0.01)，使葉數(shù)和葉厚表現(xiàn)出顯著性別差異(P＜0.05)。雌株主要通過降低葉數(shù)、增加葉厚應(yīng)對干旱，雄株主要通過降低葉長與單葉面積應(yīng)對干旱，干旱度越嚴(yán)重雄株光合總?cè)~面積越顯著大于雌株。

2.2 干旱對光合色素影響的性別差異

干旱對Chla、Chlb、Caro、Chla+b 和Chla/b 均有顯著影響(P＜0.05)(見表3)。3 個干旱處理Chla、Chla+b 和Chla/b 顯著大于水分充足(CK)，輕度干旱下Chlb 達(dá)最大值，中度干旱下Chla 和Chla+b 達(dá)最大值，重度干旱下Caro 和Chla/b 達(dá)最大值。Chla、Chlb、Chla+b 隨干旱度增大顯著先增后降，Caro 和和Chla/b 隨干旱度增大不斷增加。輕、中度干旱間Chlb 無顯著差異，中重度干旱間Caro 和Chla/b 無顯著差異(P＞0.05)。4 個水分下，雌株Chla 和Chla+b大于雄株(P＜0.05)，而Chlb、Caro 和Chla/b 無性別差異(P＞0.05)。

表 1 干旱對葉性狀影響的SNK 檢驗(yàn)Tab. 1 SNK test of leaf traits under different drought degrees

表 2 葉性狀差異的雙因素方差分析Tab. 2 Two-factor variance analysis about differences of leaf traits

表 3 干旱對光合色素含量影響的SNK 檢驗(yàn)Tab. 3 SNK test of photosynthetic pigment content under different drought degrees

方差分析F值表明，干旱度間光合色素差異大于性別間 (見表4)，干旱對色素影響大小為Caro＞Chla+b＞Chla＞Chlb＞Chla/b，性別對色素影響為Chla＞Chla+b＞Chlb＞Chla/b＞Caro。干旱脅迫極顯著改變了Chla、Caro 和Chla+b 的性別差異(P＜0.01)，顯著改變了Chlb 和Chla/b 的性別差異(P＜0.05)。干旱度越重雄株Chla 和Chla+b 越大于雌株，而Caro 越小于雌株。干旱是影響色素含量的主要因子，雌雄株均通過提高Caro 和Chla/b 應(yīng)對干旱。

2.3 干旱對光合參數(shù)的性別差異

干 旱 對Pn、Gs、Tr、Ci和PPn有均顯著影響(P＜0.05)(見表5)。輕度干旱Pn、Gs、Tr、Ci均大于CK(P＜0.05)，中度干旱Tr 和Ci 達(dá)最大值 而Pn和Gs低于輕度干旱，重度干旱Pn、Gs、Tr、Ci均低于中度干旱(P＜0.05)。輕中度干旱對PPn無影響，重度干旱下PPn下降(P＜0.05)。4 個水分下，雄株P(guān)n、Gs、Tr、Ci均大于雌株，而PPn小于雌株。輕度干旱利于Pn和Gs，中度干旱利于Tr和Ci，重度干旱造成光合系統(tǒng)破壞使Pn和PPn最低。

表 4 光合色素含量差異的雙因子方差分析Tab. 4 Two-factor variance analysis about differences of photosynthetic pigment content

表 5 干旱對光合參數(shù)影響的SNK 檢驗(yàn)Tab. 5 SNK test of photosynthetic parameters under different drought degrees

方差分析F值表明，干旱度間光合參數(shù)差異大于性別間 (見表6)，干旱對色素參數(shù)影響大小為Tr＞Pn＞Gs＞Ci＞ PPn，性別影響為Pn＞Ci＞PPn＞Gs＞Tr。干旱脅迫極顯著增大或縮小了Pn、Gs、Tr、Ci的性別差異，顯著縮小了PPn的性別差異。干旱與性別互作極顯著影響Pn和Tr，顯著影響Ci。

3 討論與結(jié)論

諸多研究表明，植物通過降低葉片位置、減少葉片數(shù)和葉面積、停止或延緩分蘗數(shù)、縮短節(jié)間長和莖長、增加根長和根數(shù)等構(gòu)件調(diào)節(jié)方式應(yīng)對干旱[22-24]，本試驗(yàn)中構(gòu)樹雌雄幼苗均通過降低株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬、單葉面積和總?cè)~面積，增加葉厚、莖粗和根長應(yīng)對干旱脅迫，與其他植物研究結(jié)果相似。干旱下葉性狀變化表現(xiàn)出顯著性別差異，雌株通過降低葉片數(shù)，雄株通過縮小葉長、葉寬及葉面積應(yīng)對干旱，雖雌雄株葉性狀適應(yīng)策略不同，結(jié)果都減少總?cè)~面積來抑制蒸騰水分消耗作用。雄株葉片表皮厚度、柵欄組織厚度、主脈維管束木質(zhì)部厚度及維管束厚度均顯著大于雌株葉片[25]，與本研究雄株葉片厚度大于雌株一致。雄株葉片結(jié)構(gòu)使其具有更高的水分儲存能力和更強(qiáng)的水分輸送能力，故干旱下雄株比雌株保留了更多的總?cè)~面積，使其光合葉面積優(yōu)于雌株。干旱影響分生組織和幼嫩組織發(fā)育，葉面積減少是應(yīng)答缺水早期的表現(xiàn)，同時幼葉向老葉吸水，加速老葉枯萎死亡[26]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱下雌株單葉面積未減少而老葉衰老，雄株單葉面積縮小而老葉健康，表明在老葉與新葉水分整合也有性別差異。

構(gòu)樹常通過缺刻數(shù)、缺刻裂度和表面絨毛密度，形成與生境相適應(yīng)的光合葉面積。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，種群間、個體間、枝條間及葉片位置間，缺刻數(shù)和缺刻裂度有明顯差異。缺刻不受性別影響，且與植株或枝條年齡無關(guān)，干旱生境下幼苗常有淺裂出現(xiàn)。本試驗(yàn)在光照柔和、空氣濕度相對穩(wěn)定的室內(nèi)完成，幼苗葉片均無缺刻出現(xiàn)。缺刻由不完全顯性基因控制[27]，或葉片分化時遭遇的空氣濕度和光照強(qiáng)度，是引起葉片缺刻性狀差異的主要原因。缺刻不僅減少單葉面積，改變?nèi)~片水分運(yùn)輸、散失與利用效率，同時可提高樹冠透光率與空氣流通性，從而影響整株的光合能力。探究葉片缺刻的遺傳基礎(chǔ)及生境影響機(jī)理，對認(rèn)知構(gòu)樹光合葉面積調(diào)節(jié)能力具有重要意義。

植物常依據(jù)生境條件，改變吸收和傳遞光量子的光合色素含量和比例，維持正常光合所需，同時防止過剩光能的過量積累[28]。干旱脅迫下光合色素變化可反映植物對干旱的敏感度和抵御干旱的能力[29]。諸多研究表明，干旱脅迫使葉綠素合成受阻，降解加快，導(dǎo)致隨干旱度加重葉綠素含量迅速下降[30-31]，其中Chla/b 對干旱更為敏感降低更快[32]。本試驗(yàn)中，輕中度干旱Chla、Chlb、Chla+b 含量顯著增加，重度干旱雖降低葉綠素含量，但Chla 和Chla+b 含量大于水分充足時，其中Chla 比Chlb 更易受干旱影響。Chla/b 隨干旱增加而顯著增加，表明構(gòu)樹為抗旱能力較強(qiáng)的陽生樹種。Caro 具有保護(hù)葉綠素及抗氧化和延緩衰老的作用，常把Caro 增加當(dāng)作植物受傷或衰老的表現(xiàn)，干旱下Caro 與葉綠素含量并線性增減，或許Caro 具有更多未知功能。雌雄株均通過提高Caro 和Chla/b 應(yīng)對干旱，但干旱越嚴(yán)重雌株Chla 和Chla+b 含量越大于雄株，說明雌株吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的色素基礎(chǔ)強(qiáng)于雄株。

短期或輕度干旱使植物葉片水勢降低、氣孔關(guān)閉、降低CO2攝取量使光合作用降低[33]，構(gòu)樹幼苗在輕度干旱下Pn、Gs、Tr和Ci均顯著大于CK，或因葉面積縮小使葉綠體密度和光合色素含量增加，或因輕微水勢降低激活了光合相關(guān)酶的活性所致。植物通過關(guān)閉氣孔或降低光合器官活性應(yīng)對干旱[34]，中度干旱顯著降低了Gs，雖顯著增加了葉綠素含量和Ci，因系統(tǒng)活性降低先抑制了Pn。嚴(yán)重干旱導(dǎo)致光合色素分解，影響光能吸收和轉(zhuǎn)化效率等[35]，對幼苗光合系統(tǒng)造成不可逆的傷害，致使光合參數(shù)顯著降低。有研究認(rèn)為，雌雄異株植物光合指標(biāo)在水分充足時無性別差異，但也有研究證明雌雄異株植物光合指標(biāo)一直存在性別差異[3]。構(gòu)樹幼苗光合面積、光合色素和光合參數(shù)表現(xiàn)出顯著的性別差異，雌株Chla 與Chla+b 大于雄株，干旱使Chlb無性別差異的降低，使雌株Chla/b 增大而影響電子傳遞效率，故雌株P(guān)n小于雄株。本試驗(yàn)4 個干旱條件下，雌株光合色素含量大于雄株，而Pn均小于雄株，但PPn則大于雄株。僅因光源不同使雌雄株P(guān)n和PPn表現(xiàn)大相徑庭，是雌雄株光響應(yīng)能力、光飽和點(diǎn)和表觀量子數(shù)存在性別差異，還是因水分利用率性別差異，導(dǎo)致Pn和PPn呈相反表現(xiàn)，有待于深入研究。

表 6 光合參數(shù)差異的雙因子方差分析Tab. 6 Two-factor variance analysis about differences of photosynthetic parameters