蒿柳1年生雌雄株幼苗的生長(zhǎng)與防御差異研究

翟飛飛，毛金梅，李海棟，張運(yùn)興，李振堅(jiān)，劉俊祥，李 霞，孫振元

(1 河南理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，河南 焦作 454000；2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京 100091；3 新疆林業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)林研究所，新疆 烏魯木齊 830063；4 菏澤學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院，山東 菏澤 274000)

據(jù)研究，雌雄異株植物有15 600種，占被子植物(304 419～261 750種)的5.1%～6.0%，分布于175個(gè)科987個(gè)屬[1]。有關(guān)雌雄異株植物的研究主要集中在雌雄比例[2-3]、雌株差異[4-5]、雌雄鑒定[6-7]、雌雄分化[8]以及雌雄決定[9-10]等方面。雌雄株在形態(tài)、生理生化等方面都表現(xiàn)出差異，可能與其對(duì)資源的需求和分配不同有關(guān)[11-13]。目前關(guān)于雌雄差異的研究較為廣泛，且運(yùn)用了形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、組學(xué)等手段[14-17]。

植物吸收的資源通常有3條分配途徑：生殖、生長(zhǎng)和維持(新陳代謝或防御)[13,18]。生活史權(quán)衡理論認(rèn)為，植物從外界獲得的資源是有限的，某一途徑資源投入得多，必然會(huì)減少其他途徑的資源分配量，因此不同分配途徑存在某種權(quán)衡關(guān)系[19]。一般而言，雌株需要孕育種子和果實(shí)，其生殖成本較高，而雄株的生殖成本較低[20-21]，雌雄生殖成本的不同將導(dǎo)致其在生長(zhǎng)、防御等方面存在差異。植物生長(zhǎng)與防御之間的平衡是植物生理生態(tài)的基本原則[22]。Cornelissen等[23]對(duì)54項(xiàng)研究進(jìn)行了匯總分析發(fā)現(xiàn)，大部分植物的雄株表現(xiàn)出生長(zhǎng)快、防御水平低等特性，更易被食草動(dòng)物取食。但對(duì)于柳屬植物而言，不同種的雌雄株生長(zhǎng)、防御能力存在很大差異：Salixlasiolepis、S.rigida等種的雌株生長(zhǎng)慢、防御能力強(qiáng)[24-25]；極地柳(S.polaris)等種的雌株生長(zhǎng)快，但雌雄株的防御能力無(wú)異[26]；還有一些種的雌雄株生長(zhǎng)無(wú)差異，但防御能力表現(xiàn)不一[27-31]；康定柳(S.paraplesia)雌株的生長(zhǎng)和防御能力都強(qiáng)于雄株，可能是因?yàn)榇浦甏嬖诔~補(bǔ)償機(jī)制[15]。說(shuō)明植物生長(zhǎng)與防御具有很強(qiáng)的種特異性，需要對(duì)具體種進(jìn)行針對(duì)性研究。前人針對(duì)生長(zhǎng)、防御的研究主要集中在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，但雌雄株間的差異在生長(zhǎng)季不同階段是否表現(xiàn)一致值得研究。

蒿柳為楊柳科柳屬植物，具扦插易繁殖、生長(zhǎng)速度快、輪伐期短等特性，在生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)、污染土壤的植物修復(fù)等方面應(yīng)用前景廣闊。本研究以蒿柳1年生扦插苗為觀測(cè)對(duì)象，通過(guò)對(duì)雌雄幼苗生長(zhǎng)季不同月份生長(zhǎng)、防御等相關(guān)指標(biāo)變化動(dòng)態(tài)的分析，探討雌雄株間的差異，以揭示蒿柳雌雄株的生長(zhǎng)與防御關(guān)系，為雌雄株間的差異研究提供理論基礎(chǔ)，并為其在生產(chǎn)實(shí)踐中的選擇性運(yùn)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用材料取自內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市賽罕烏拉自然保護(hù)區(qū)(44°14′ N,118°20′ E)。在野生群體中，采用成對(duì)取樣的方法采集20對(duì)蒿柳雌雄株的插穗。采集時(shí)，每對(duì)雌株與雄株的間距控制在2 m以內(nèi)，以保證為同一家系，從而消除年齡效應(yīng)和位置效應(yīng)；對(duì)與對(duì)之間至少相距50 m，以保證為不同家系。插穗采集后，在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院科研溫室外試驗(yàn)田進(jìn)行扦插，并進(jìn)行常規(guī)管理。隨機(jī)選取10對(duì)蒿柳雌雄無(wú)性系于6月5日、7月3日、8月4日、9月7日和10月5日進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)與光合作用參數(shù)測(cè)定；同時(shí)，取功能葉片于液氮中速凍，低溫保存用于光合色素含量、酶活性、防御物質(zhì)含量等指標(biāo)測(cè)定。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共3個(gè)區(qū)組，每區(qū)組含10對(duì)蒿柳雌雄株，每對(duì)雌雄株各扦插1株。在指標(biāo)測(cè)定時(shí)，區(qū)組間及區(qū)組內(nèi)雌雄株均單獨(dú)取樣測(cè)定。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 植株地徑采用游標(biāo)卡尺測(cè)定基部以上1 cm處直徑；植株高度采用卷尺測(cè)定植株基部到頂稍的長(zhǎng)度。

1.2.2 光合作用參數(shù) 隨機(jī)選取蒿柳雌雄幼苗的中上部葉片，于上午10:00―12:00用便攜式光合測(cè)定儀Li-Cor 6400進(jìn)行氣體交換參數(shù)測(cè)定，參數(shù)包括凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)和蒸騰速率(transpiration rate，Tr)。每株選2枚葉片，紅藍(lán)光源光強(qiáng)設(shè)為1 000 μmol/(m2·s)。葉室內(nèi)葉片長(zhǎng)度為3 cm，葉室兩端及中間葉寬用直尺測(cè)定，葉片面積按2個(gè)梯形計(jì)算。將實(shí)際葉片面積輸入Li-Cor 6400的輸出文件，自動(dòng)重新計(jì)算各參數(shù)。

1.2.3 光合色素含量 取蒿柳雌雄幼苗中上部葉片，去主脈后剪成0.3 cm×0.3 cm大小。稱0.200 g葉片，用體積分?jǐn)?shù)80%丙酮溶液黑暗浸提48 h后，測(cè)定663，645和470 nm處的吸光度，計(jì)算葉綠素a(chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(chlorophyll b，Chl b)和類胡蘿卜素(carotenoid，Car)的含量。

1.2.4 多酚和單寧含量 多酚含量測(cè)定采用Folin-酚法，以鄰苯二酚溶液作為標(biāo)準(zhǔn)品[32]；縮合單寧含量測(cè)定采用香草醛-鹽酸法，以兒茶素溶液作為標(biāo)準(zhǔn)品[32]。

1.2.5 酶活性 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光還原法[33]測(cè)定；過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[32]測(cè)定；多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)活性采用分光光度法[32]測(cè)定；苯丙氨酸解氨酶(phenylalnine ammonia lyase,PAL)活性采用L-苯丙氨酸法[33]測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0軟件和Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”，蒿柳雌雄株間的差異采用單因素方差分析，圖表繪制在Origin 8.5中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒿柳1年生雌雄幼苗生長(zhǎng)的差異

蒿柳1年生雌雄幼苗間株高和地徑的差異見(jiàn)圖1。

圖柱上標(biāo)不同小寫(xiě)字母表示雌雄株間有顯著差異(P<0.05)。下同

由圖1可以看出，在6-10月，蒿柳雌雄株的株高和地徑均呈升高趨勢(shì)。與前一測(cè)定時(shí)期相比，蒿柳雌雄株的株高增長(zhǎng)率分別為59.84%，39.73%，17.27%，1.60%和92.92%，32.07%，24.49%，2.66%，10月雌雄株的株高生長(zhǎng)減緩；雌雄株的地徑增長(zhǎng)率分別為36.43%，19.22%，17.27%，8.27%和37.08%，32.07%，18.08%，16.02%，10月雌雄株仍保持較高的徑向生長(zhǎng)速率。6月，蒿柳雌雄株間株高和地徑均無(wú)顯著差異(P>0.05)；7月，雄株株高顯著高于雌株(P<0.05)，但雌雄株地徑無(wú)顯著差異(P>0.05)；8-10月，蒿柳雄株株高、地徑均顯著高于雌株(P<0.05)。

2.2 蒿柳1年生雌雄幼苗光合作用的差異

由圖2可知，6-10月蒿柳雌雄株的Pn和Gs呈先降低后升高趨勢(shì)，7月最低；Ci變化較平緩；Tr在6-9月變化較平緩，10月較低。6月，蒿柳雌雄株間Pn無(wú)顯著差異(P>0.05)；7-10月，雄株P(guān)n顯著高于雌株(P<0.05)。6-9月，蒿柳雌雄株間Gs無(wú)顯著差異(P>0.05)；10月，雄株Gs顯著高于雌株(P<0.05)。6-10月，蒿柳雌雄株間Ci均無(wú)顯著差異(P>0.05)。6月，蒿柳雌雄株間Tr無(wú)顯著差異(P>0.05)；而7-10月，雄株Tr顯著高于雌株(P<0.05)。

圖2 蒿柳1年生雌雄幼苗間光合作用參數(shù)的差異

2.3 蒿柳1年生雌雄幼苗光合色素含量的差異

從圖3可以看出，6-10月，蒿柳光合色素含量呈先降低后升高的趨勢(shì)，7月最低。6月，蒿柳雌雄株間Chl a、Chl b和Car含量均無(wú)顯著差異(P>0.05)；7-10月，3種色素含量呈上升趨勢(shì)，且均表現(xiàn)為雄株顯著高于雌株(P<0.05)。

圖3 蒿柳1年生雌雄幼苗間光合色素含量的差異

2.4 蒿柳1年生雌雄幼苗防御物質(zhì)含量的差異

蒿柳雌雄株的防御物質(zhì)主要是多酚和縮合單寧。從圖4可以看出，6月蒿柳多酚和縮合單寧含量較高；7-10月，兩者含量較低。在整個(gè)生長(zhǎng)季(6-10月)，蒿柳雌雄株間多酚和縮合單寧含量均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

圖4 蒿柳1年生雌雄幼苗間多酚和縮合單寧含量的差異

2.5 蒿柳1年生雌雄幼苗防御酶活性的差異

由圖5可知，6-10月，蒿柳雌雄株SOD、POD、PPO和PAL活性變化趨勢(shì)不盡相同，但4種酶活性均在10月時(shí)達(dá)到最高。除6月雌雄株間SOD和PAL活性無(wú)顯著差異(P>0.05)外，其他各時(shí)期SOD、POD、PPO和PAL活性均表現(xiàn)為雄株顯著高于雌株(P<0.05)。

圖5 蒿柳1年生雌雄幼苗間防御酶活性的差異

3 討 論

3.1 蒿柳1年生雌雄幼苗的生長(zhǎng)差異

本試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)供試材料都進(jìn)行了正常養(yǎng)護(hù)管理，但試驗(yàn)正逢炎熱夏季，蒿柳也遭受了一定程度的高溫、干旱等逆境脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)，蒿柳1年生雌雄幼苗生長(zhǎng)、防御指標(biāo)在不同月份差異較大，但是雌雄株間差異在7-9月較穩(wěn)定，因此可選此時(shí)間段進(jìn)行差異研究。

蒿柳雌雄株的株高在6月、地徑在6-7月無(wú)顯著差異，試驗(yàn)期間其他階段的株高和地徑均表現(xiàn)為雄株顯著高于雌株，這與前人對(duì)東北紅豆杉(Taxuscuspidata)[34]、S.rigida[25]、S.lasiolepis[24]等植物的研究結(jié)果一致。但極地柳[26]、東北鼠李(Rhamnusschneideri)[35]等植物雌雄株間生長(zhǎng)差異不大，可能是由于雌株個(gè)體存在對(duì)自身生殖耗費(fèi)的補(bǔ)償機(jī)制[35]。

本研究中，6月蒿柳雌雄株間Pn無(wú)顯著差異，7-10月雄株顯著高于雌株。雄株的Pn高于雌株，表明雄株具有更強(qiáng)的光合作用，生長(zhǎng)能力更強(qiáng)，與雌雄株的生長(zhǎng)差異表現(xiàn)一致，在火炬樹(shù)(Rhustyphina)等植物上的研究結(jié)果[36]也表現(xiàn)出相同規(guī)律。蒿柳雌雄株間Gs和Ci整體無(wú)顯著差異，說(shuō)明雌雄株的光合作用差異由非氣孔限制因素引起。在光合作用過(guò)程中，光合色素起光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的作用[37]，其中葉綠素(Chl)是主要的光能吸收、轉(zhuǎn)化色素，其含量高低直接反映植物的生長(zhǎng)狀況和光合能力；類胡蘿卜素(Car)不僅是光合色素，還是一種重要的抗氧化劑，可吸收剩余能量、淬滅活性氧，防止膜脂過(guò)氧化[37-38]。6月蒿柳雌雄株間Chl a、Chl b和Car均無(wú)顯著差異，7-10月3種光合色素含量均表現(xiàn)為雄株顯著高于雌株，與光合作用變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明光合色素含量是造成雌雄株光合差異的原因之一。

3.2 蒿柳1年生雌雄幼苗的化學(xué)防御差異

自然界中，植物經(jīng)常遭受生物或非生物逆境的危害，并因此形成了機(jī)械防御、化學(xué)防御等多種防御機(jī)制[39]。其中，植物次生代謝物在化學(xué)防御中起主導(dǎo)作用，酚類、單寧等主要通過(guò)影響昆蟲(chóng)的取食和代謝而發(fā)揮防御作用[39-40]。水分脅迫下，滇楊(Populusyunnanensis)雌株的單寧、總酚、黃酮等防御物質(zhì)含量顯著低于雄株；而青楊(P.cathayana)的總酚含量無(wú)性別差異，雌株的縮合單寧含量高于雄株[41-42]。黑葉柳(S.myrsinifolia)和康定柳分別在增溫和低土壤肥力條件下，雌株的單寧和酚類等物質(zhì)含量高于雄株[15,30-31]。本研究結(jié)果顯示，蒿柳雌雄幼苗的多酚和縮合單寧等防御物質(zhì)含量均無(wú)顯著差異，這與在極地柳[26]上的研究結(jié)果一致。

3.3 蒿柳1年生雌雄幼苗生長(zhǎng)與防御的關(guān)系

根據(jù)資源可用性假說(shuō)(resource availability hypothesis)，內(nèi)在生長(zhǎng)速率決定防御水平，在惡劣環(huán)境下生長(zhǎng)慢的植物用于防御的資源較多，而在適宜環(huán)境中生長(zhǎng)快的植株防御投入較少[4,50]。如歐洲山楊(Populustremula)雌株生長(zhǎng)較慢、生物量低，但雌株的黃酮、單寧等物質(zhì)含量高，防御能力較強(qiáng)[4,51]。依據(jù)生活史權(quán)衡理論，一般雌株的生殖投資大于雄株，其用于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)或防御的資源較少，防御能力較差[35,52]。前人對(duì)滇楊1年生扦插苗在干旱條件下進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，雌株生長(zhǎng)緩慢、防御能力較弱，表明繁殖影響了植物的生長(zhǎng)與防御且在生活史中起優(yōu)先作用，這可能是植物在繁殖與生長(zhǎng)或防御間存在權(quán)衡，而不僅是生長(zhǎng)與防御間的權(quán)衡[53]。本研究可以用生活史權(quán)衡理論來(lái)解釋，即在有脅迫因子存在的自然環(huán)境中，蒿柳雌雄幼苗防御物質(zhì)含量無(wú)顯著差異，但雌株防御酶活性較低，生長(zhǎng)相對(duì)緩慢，繁殖可能影響了雌株的生長(zhǎng)與防御，蒿柳在繁殖與生長(zhǎng)、防御間存在進(jìn)化的權(quán)衡。前期在蒿柳天然分布種群的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，河岸帶生境下性別比例偏雌性，而在遠(yuǎn)離河岸帶的干旱生境中偏雄性。本研究中，蒿柳雌株生長(zhǎng)緩慢，防御酶活性相對(duì)較低，干旱等脅迫因子可能降低了其適合度，可以為解釋干旱生境中蒿柳偏雄性現(xiàn)象提供新視角。同時(shí)，逆境條件下雄株生長(zhǎng)快且可解決飛絮問(wèn)題，因此在實(shí)際應(yīng)用中可優(yōu)先選用。

4 結(jié) 論

對(duì)蒿柳1年生雌雄幼苗在6-10月的生長(zhǎng)與防御指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，7-9月雌雄差異相對(duì)穩(wěn)定，可選此階段進(jìn)行雌雄差異研究。整體來(lái)看，蒿柳雄株的株高和地徑顯著高于雌株，可能得益于雄株較高的凈光合速率，而光合色素含量在蒿柳光合作用中發(fā)揮著重要作用。蒿柳雌雄株的多酚和單寧含量無(wú)顯著差異，但雄株SOD、POD、PPO和PAL活性基本顯著高于雌株，說(shuō)明雄株在清除活性氧、抗病蟲(chóng)害方面的能力可能更強(qiáng)，但酶活性與防御能力的相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果顯示，在有脅迫因素存在的自然環(huán)境中，蒿柳雌雄幼苗防御物質(zhì)含量無(wú)顯著差異，但雌株防御酶活性較低，生長(zhǎng)相對(duì)緩慢，繁殖可能影響了雌株的生長(zhǎng)與防御，該物種在繁殖與生長(zhǎng)、防御間存在進(jìn)化的權(quán)衡。蒿柳雄株生長(zhǎng)相對(duì)較快，可解決飛絮問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中可優(yōu)先選用。