基于根系與繁殖特征的風(fēng)輪菜自我身份識(shí)別研究

刁 雪，宋會(huì)興

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，四川 成都）

【研究意義】克隆植物通過芽、枝條等無性繁殖方式產(chǎn)生出具有相同基因型的克隆分株，并能通過分株間的克隆整合和克隆分工等策略分擔(dān)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[1]，實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)生境的自我適應(yīng)，最大化利用環(huán)境資源并在群落生長中占取優(yōu)勢，使其在貧瘠地區(qū)的植被覆蓋、群落演替演化及生態(tài)系統(tǒng)功能維持方面發(fā)揮著重要作用?？寺≈参锓种觊g的克隆整合和分工等策略是通過間隔子（Spacer，匍匐莖或根狀莖等）來實(shí)現(xiàn)的[2]，而動(dòng)物啃食、踐踏以及人類活動(dòng)可能會(huì)破壞克隆植物間隔子的連接，使得植物面臨一株與自己基因型完全一致的鄰體植株。根據(jù)生態(tài)位分化假說[3]，具有相似資源需求的植物之間會(huì)產(chǎn)生較大競爭。克隆分株間相同的基因型使其個(gè)體發(fā)展具有相似的生態(tài)位需求，以及分株個(gè)體間相鄰的生存空間提供了潛在的種內(nèi)競爭可能性，而個(gè)體的最大化競爭促使植物將獲得的養(yǎng)分資源投入到營養(yǎng)生長中去，例如，像生物量和株高等競爭性狀，往往會(huì)形成“公地悲?。═ragedy of the commons）”而導(dǎo)致群體適合度的降低[4]。近年來有研究表明，植物間存在著親緣或自我/非我的身份識(shí)別機(jī)制[5-7]，植物個(gè)體間的遺傳距離能通過影響自身的表型可塑性來使其獲得更大的廣義適合度，且關(guān)系越近，這種“利他”行為效益越強(qiáng)[8-9]。因此，研究克隆植物分株間的自我身份識(shí)別對(duì)于理解克隆植物種群構(gòu)建與進(jìn)化發(fā)展具有重要理論意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Roiloa 等[10]對(duì)歐亞活血丹（Glechoma hederacea）和莫邪菊（Carpobrotus edulis）進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，歐亞活血丹親緣分株間根系產(chǎn)生回避行為，避免競爭；莫邪菊親緣分株根系生物量降低，但總生物量增加，2個(gè)物種都表現(xiàn)出了親緣間互助的現(xiàn)象。大葉落地生根（Kalanchoe daigremontianaHamet&Perrier）則通過根系表現(xiàn)出自我識(shí)別的能力，減少了克隆分株間的競爭對(duì)抗，根系生物量降低的同時(shí)促進(jìn)克隆繁殖[11]。但也有研究得到了相反的結(jié)果，如野草莓（Fragaria vesca）的親緣分株間表現(xiàn)出了更強(qiáng)的競爭能力[10,12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】植物通過根系覓食獲取生長所需養(yǎng)分，通過自身養(yǎng)分分配格局適應(yīng)環(huán)境資源的分布，影響種群的適合度，還能通過地下根系的接觸及分布感知鄰域植物的存在[13-17]，因此根系是植物身份識(shí)別機(jī)制實(shí)現(xiàn)的主要途徑之一。研究假設(shè)植物根系特征是植物對(duì)鄰域個(gè)體親緣關(guān)系的響應(yīng)，這種響應(yīng)會(huì)進(jìn)一步影響種群的繁殖特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以草坪常見雜草風(fēng)輪菜為研究對(duì)象，進(jìn)行根盒栽培實(shí)驗(yàn)，通過研究其根系行為與繁殖性狀來探究：（1）克隆植物風(fēng)輪菜分株間是否存在自我與非我的身份識(shí)別響應(yīng)？（2）如果存在身份識(shí)別響應(yīng)，是否會(huì)對(duì)風(fēng)輪菜克隆分株的有性生殖產(chǎn)生影響？

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

風(fēng)輪菜（Clinopodium chinense）為唇形科、風(fēng)輪菜屬多年生草本植物，匍匐莖，節(jié)多分枝，基部匍匐生根，上部抬升，是典型的克隆植物。廣泛分布于中國黃河流域及以南地區(qū)，也是日本城市草坪、森林生態(tài)系統(tǒng)中常見的雜草[18]。本試驗(yàn)所用風(fēng)輪菜取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)（30°41'N，103°49'E）周邊棄荒地。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019 年3 月，取大小、長勢一致的風(fēng)輪菜分株段（高約7～8 cm，直徑約為3 mm）于花盆內(nèi)，于室外恢復(fù)生長10 d 后選取生長狀況良好的風(fēng)輪菜分株備用。試驗(yàn)設(shè)置3 種處理（圖1）：匍匐莖保持連接的分株對(duì)為連接組（記作L）、匍匐莖切斷的分株對(duì)為自我組（2 個(gè)分株來自于同一植株，記作S），來自不同基株（基株間距離超過100 m）的分株對(duì)為非我組（記作NS）。每個(gè)分株對(duì)移栽至定制的透明PVC 根盒內(nèi)，根盒內(nèi)部長、寬、高尺寸分別為30，3，10 cm。根盒內(nèi)栽培基質(zhì)為原生地土與干凈河沙按體積比1∶1 混合均勻構(gòu)成。將根盒用黑色塑料袋包裹后露天栽培，栽培基質(zhì)表面干燥時(shí)則每個(gè)處理等量澆水。每天觀察，記錄。在風(fēng)輪菜生長至盛花期（種植38 d 后）時(shí)收獲，測定相應(yīng)指標(biāo)。每處理10 個(gè)重復(fù)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 The diagram of experiment design

1.3 指標(biāo)測定

根據(jù)試驗(yàn)觀察，栽培的風(fēng)輪菜在栽培20 d 后開始萌生花序，統(tǒng)計(jì)單株植物花序數(shù)，此后每隔6 d 進(jìn)行一次花序數(shù)統(tǒng)計(jì)。在植物收獲后，記錄單株花序輪數(shù)以及最大輪間距，并通過根盒觀察每株植物的根系分布（圖2），測量植株可視根系兩側(cè)最大角度值，即α、β角[19]，并按照如下公式計(jì)算角度差值比ADI。

圖2 根盒分區(qū)與植物根系角度示意Fig.2 The division of root box and the angle of plant root system

當(dāng)角度差值比ADI＞0，表明兩株植物根系趨于回避；當(dāng)ADI＜0，表明兩株植物根系趨于競爭；當(dāng)ADI=0，表明兩株植物根系間無明顯相互作用。

植物收獲時(shí)，參考Schmid 等[19]的方法進(jìn)行水平根系分布指數(shù)RDI的測量，公式如下：

MN1、MN2分別為分布于N1、N2 非共生區(qū)域的根系生物量，MC為分布于共生區(qū)域的根系生物量。RDI＞1，表明兩株植物根系背向生長，趨于回避；RDI＜1，表明兩株植物根系趨于相向生長；當(dāng)ADI=1，表明兩株植物根系分布趨于平衡。用Epson掃描儀記錄圖像并用WinRHIZO 軟件測量相應(yīng)根系參數(shù)，并利用根長（L，cm）和根體積（V，cm3）計(jì)算根長密度RLD=L/V[20-21]，此外，比根長SRL=根長（cm）/根生物量（mg）。根系活力采用TTC法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與整理，并運(yùn)用SPSS完成數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用Origin 2018完成圖表制作。符合正態(tài)分布與方差齊性的各處理組數(shù)據(jù)采用單因素方差分析，并采用LSD 法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。當(dāng)數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布與方差齊性時(shí)，采用獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis檢驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)輪菜根系特征對(duì)不同分株鄰體的響應(yīng)

由表1 可知，根系平均直徑、ADI 與根系活力在處理組間差異顯著。連接組的風(fēng)輪菜根平均直徑顯著小于另外兩組，非我組的該指標(biāo)最大（圖3B）；該趨勢同樣體現(xiàn)在ADI 上，但后兩者間沒有達(dá)到差異顯著性，所有處理組的ADI 都大于0，連接組ADI 值接近于0（圖3G）；連接組擁有最強(qiáng)的根系活力，遠(yuǎn)高于其他處理組（圖3I）。其余的根系相關(guān)指標(biāo)在組間均沒有達(dá)到差異顯著性，但非我組的根表面積顯著高于其他兩組（圖3A）。

圖3 不同處理組風(fēng)輪菜各指標(biāo)比較Fig.3 The comparation of traits in different treatments of Clinopodium chinense

2.2 風(fēng)輪菜花序特征對(duì)不同分株鄰體的響應(yīng)

不同處理的風(fēng)輪菜在花序輪數(shù)與花序數(shù)上表現(xiàn)出了差異顯著性。由圖4 可知，自移栽后，各處理組花序數(shù)量隨時(shí)間而變化，但增量不同。風(fēng)輪菜連接組花序數(shù)量顯著高于其他處理組，自我組的花序數(shù)量在移栽后20～26 d內(nèi)超過了非我組，并在32 d左右二者達(dá)到顯著差異，但之后自我組花序數(shù)量增幅減小，非我組花序數(shù)上升，兩組間差距變小。相同地，由圖5B 可知，連接組花序輪數(shù)顯著高于另外兩組。而在輪間最大間距指標(biāo)上，組間無顯著差異（圖5C），風(fēng)輪菜的比葉面積指標(biāo)在組間無顯著差異（表1），其它組由大到小依次為連接組、自我組和非我組（圖5A）。

圖4 移栽后不同組間風(fēng)輪菜花序數(shù)量變化Fig.4 The number of inflorescences of Clinopodium chinense in different groups changed after transplanting

表1 不同處理組風(fēng)輪菜各指標(biāo)比較Tab.1 The comparation of traits in different treatments of Clinopodium chinense

3 討論與結(jié)論

根系是植物獲取維持自身生長所需養(yǎng)分與水分的首要器官。根系形態(tài)特征及其空間分布是植物獲取資源能力的體現(xiàn)，而細(xì)根數(shù)量更是養(yǎng)分獲取的關(guān)鍵，反映了植物在異質(zhì)性環(huán)境中所采取的策略[22]。研究中，連接組的風(fēng)輪菜根平均直徑顯著小于其他處理組的，在根尖數(shù)、分枝數(shù)上占有優(yōu)勢，在表征根系收益和花費(fèi)關(guān)系的比根長以及能夠反映土壤資源有效性的根長密度指標(biāo)[23]方面也表現(xiàn)出優(yōu)勢，體現(xiàn)了連接組風(fēng)輪菜具有最強(qiáng)的根系活力（圖3I）。ADI 與RDI 值則反映連接組分株外側(cè)（回避鄰近植株方向）根系生物量密度大于內(nèi)側(cè)，意味著連接組分株根系傾向于將覓食重心置于外側(cè)，避免了連接分株間競爭的策略。連接組分株根系的這些特征可能與試驗(yàn)所用的根盒內(nèi)資源有限有關(guān)。在資源受限條件下植物細(xì)根盡管壽命短，但其快速增殖-獲取資源-快速衰亡策略能讓植物本身的凈效益最大化[13]，而根系分枝數(shù)在資源貧匱的土壤中減少，在資源豐富的土壤中增多的報(bào)道更多[24]。

在自我組與非我組之間，非我組雖表現(xiàn)出更高的根尖數(shù)、分枝數(shù)與根表面積，但其根平均直徑卻顯著大于自我組，這意味著非我組有相對(duì)更低比例的細(xì)根，且比根長與根長密度數(shù)值低，表明非我組根系資源獲取效率更低，同樣地，非我組小于自我組的比葉面積（圖5A）表明其葉片的捕光能力更弱[25]。自我組與非我組向兩側(cè)的根系生物量分配比較均衡，但向內(nèi)側(cè)（與鄰近植株競爭方向）分配的生物量密度更大，這與連接組恰好相反，自我組與連接組的不同根系行為表明了自我身份識(shí)別的存在。對(duì)Buchloe dactyloides的研究中發(fā)現(xiàn)根系行為對(duì)匍匐莖保持連接與否具有時(shí)間依賴性，相比起保持連接的野牛草，放置在同一容器的2 棵分株根系生長速度更快并且隨著兩分株分開時(shí)間的延長，其根系生長的增幅更大，這肯定了植物的自我/非我識(shí)別以及識(shí)別過程具有時(shí)間效應(yīng)[26]。此外，細(xì)根向表層土移動(dòng)，兩者都表現(xiàn)出既向公共區(qū)域競爭資源，又向外側(cè)延展以尋覓資源來回避競爭的行為，這種競爭與基于身份識(shí)別的利他行為過程會(huì)同時(shí)發(fā)生的觀點(diǎn)被許多學(xué)者認(rèn)可[27-28]。

圖5 不同處理組風(fēng)輪菜各指標(biāo)比較Fig.5 The comparation of traits in different treatments of Clinopodium chinense

通常認(rèn)為將獲取的養(yǎng)分投資到繁殖性狀的生長是植物提升適合度的重要途徑。研究中連接組的總體花序性狀特征顯著優(yōu)于其他處理組，表明分株間的克隆整合作用能夠有效緩解根系生長空間對(duì)植物生長的限制，這與前人研究結(jié)果一致[2,29]。自移栽后，自我組與非我組的花序生長表現(xiàn)出時(shí)間上的差異，鄰株身份能影響植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力從而體現(xiàn)在時(shí)間上，如早期對(duì)卡佩鳳仙花的研究顯示，遠(yuǎn)親緣個(gè)體相比近親緣個(gè)體開花時(shí)間被推遲[30]，而最近對(duì)大麥（Hordeumsp.）的研究發(fā)現(xiàn)與同品種的大麥共種時(shí)，早熟品種的氮素積累峰值提前，晚熟品種的氮素積累峰值推遲，鄰株身份影響了營養(yǎng)攝取的時(shí)間動(dòng)態(tài)[31]。有研究表明，開花及營養(yǎng)攝取的過程會(huì)影響植物的種間作用響應(yīng)，養(yǎng)分捕獲的時(shí)間動(dòng)態(tài)差異可以減少空間生態(tài)位的重疊，從而減少對(duì)資源的競爭[31-32]，具有相似資源需求的自我組與非我組可以通過時(shí)間生態(tài)位分化來減緩激烈的競爭程度，因此，斷開的風(fēng)輪菜分株在花序數(shù)量上的時(shí)間差異表明其能識(shí)別遺傳距離不同的分株。

綜上所述，連接組的風(fēng)輪菜通過匍匐莖使兩分株的根系保持身份同一性，具有更高的根系活力且根系分布行為與匍匐莖斷開的分株組合相異，表明風(fēng)輪菜分株根系間存在一個(gè)自我識(shí)別過程。自我組相比起非我組在競爭性狀上有微弱優(yōu)勢并在有性生殖上體現(xiàn)了時(shí)間差異。