不同物候期龍竹植硅體含量及型態(tài)變化

朱方為 牛兆輝 李 娟 于麗霞 王曙光 王昌命 詹 卉

（1. 西南林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650233）

硅在地殼中含量僅次于氧，是絕大多數(shù)植物生長的礦質(zhì)基質(zhì)，對于一些含硅量高的禾本科植物是正常生長必需元素[1]。植物所含的硅元素具有多種生理效應(yīng)，促進植株生長，增強莖稈抗折強度，改善植物礦質(zhì)營養(yǎng)吸收狀況，在植物應(yīng)對干旱、重金屬、冰凍、鹽等脅迫中發(fā)揮重要作用，同時可提高植物抵御真菌、細菌、蟲害等生物脅迫的能力[2]。硅以單硅酸Si(OH)4的形式從土壤溶液中被植物的根系吸收，經(jīng)維管束向地上部運輸，在植物不同組織的細胞內(nèi)腔或細胞之間以水合硅(SiO2·nH2O)的型式出現(xiàn)，即植硅體[3]。在植物體內(nèi)，硅以植硅體為主要型態(tài)存在。植物在不同的生長發(fā)育或環(huán)境條件下所形成植硅體的數(shù)量、型態(tài)具有顯著差異，有些植物甚至能產(chǎn)生具有特定型態(tài)及組合的植硅體[4]。植硅體抗氧化能力較強，廣泛存在于土壤及沉積物中，能夠反映植被特別是禾本科植物的組成，具有重要的生態(tài)指示意義[5]。

竹子是含硅最豐富的植物之一，其表皮組織有高達70%的有機硅[6]，大部分硅沉積形成植硅體。同一竹種不同組織器官的硅含量存在明顯差異，不同組織器官中的植硅體型態(tài)和數(shù)量不同[7]。Motomura等[8]觀測了不同年齡山白竹(Sasa veitchii)葉表面硅沉積，發(fā)現(xiàn)植硅體硅化并不是勻速的，表皮細胞中短細胞優(yōu)先硅化，其他表皮細胞硅化數(shù)量隨著葉片老化逐漸增多，生長年份不同的細胞硅化程度具有一定差異。何蕊等[9]對不同發(fā)育階段慈竹（Bambusa emeiensis）植硅體型態(tài)開展研究，結(jié)果顯示不同器官慈竹植硅體型態(tài)發(fā)育不同，硅質(zhì)細胞在慈竹發(fā)育期形成，筍期未發(fā)現(xiàn)植硅體。牛兆輝等[10]對不同年齡龍竹（Dendrocalamus giganteus）稈的植硅體含量和型態(tài)變化開展研究，發(fā)現(xiàn)龍竹稈植硅體隨稈齡增長而增多，圓型、啞鈴型植硅體發(fā)生較早，桿型、長方型植硅體發(fā)生較晚。Li等[11]對融安黃竹（D. ronganensis）葉片中植硅體進行了為期21個月的連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)植硅體的型態(tài)變化與季節(jié)和葉片成熟度有關(guān)。目前國內(nèi)外關(guān)于竹亞科植物植硅體的研究多集中在含量及型態(tài)變化，對于不同物候期植硅體的變化規(guī)律報道較少。

龍竹別名“大麻竹”“印度麻竹”，隸屬禾本科竹亞科牡竹屬，屬大型叢生型竹類植物[12]，是云南分布面積較廣的重要經(jīng)濟竹種。其竹稈壁厚、通直、強度大，被廣泛用于建筑、造紙及各種其他用途[13]。本實驗通過測定不同物候期龍竹枝和葉硅及植硅體含量，并觀察植硅體類型和型態(tài)，總結(jié)不同物候期對龍竹硅含量和植硅體形態(tài)變化的影響，為闡釋竹類植物植硅體發(fā)生機理，更深入地揭示竹子的自然屬性和硅的生理功能提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 取材與預(yù)處理

實驗樣品采自云南省新平彝族傣族自治縣（東經(jīng)101°16′～102°16′，北緯23°38′～24°26′）龍竹人工林，取樣龍竹平均高度14 m，平均胸徑28.1 cm，竹節(jié)數(shù)40～60節(jié)。分別在5月份（伸枝展葉期）、8月份（發(fā)筍期）、11月份（發(fā)筍期結(jié)束）和1月份（休眠期），選取1、2、3年生健康生長龍竹竹冠中部的枝條，平行取3株。取竹冠中部老葉、成熟葉以及幼葉各30 g。老葉呈黃綠色，葉梢或邊緣發(fā)枯，通常生長靠近枝條梢基部；成熟葉呈深綠色，生長于枝條中部；幼葉顏色呈淡綠色，卷曲或還未伸展完全，生長于枝條頂端，平行取3株。將所有實驗材料洗凈，放入80 ℃烘箱中脫水殺青后，烘干至恒質(zhì)量貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 實驗方法

灰分含量測定按照國家標準GB/T 2677.3—1993方法測定，每種樣本分別選取1 g，置于經(jīng)預(yù)先灼燒至質(zhì)量恒定的瓷坩堝中燃燒使其炭化，將瓷坩堝轉(zhuǎn)移到馬弗爐中，升至600 ℃高溫灼燒2 h，取出坩堝在干燥器中冷卻0.5 h后稱量，再將坩堝放入高溫爐中，重復(fù)上述操作，稱量樣品直至恒質(zhì)量，坩堝增加質(zhì)量即為灰分質(zhì)量。實驗重復(fù)3次。

硅含量按照國家標準GB/T 7978—1987方法測定。在灰分含量測定后，加入5 mL的濃鹽酸（6 mol/L）于裝有灰分的坩堝中，沸水浴上蒸干；再加入濃鹽酸5 mL，再蒸干，重復(fù)3次，再加入熱水以溶解殘渣，趁熱用定量濾紙過濾，以熱水洗滌至洗液中不含有氯化物為止，將殘渣連同濾紙移入已恒質(zhì)量的瓷坩堝，在600 ℃烘干2 h后，取出放置于干燥器中冷卻至室溫，恒質(zhì)量后坩堝所增加的質(zhì)量，即為硅質(zhì)量。

植硅體的提取采用濕式氧化法[14]。樣本剪碎放入恒溫干燥箱中烘干至恒質(zhì)量，精確稱量樣品0.1 g放入20 mL試管中，均勻鋪在試管底部；加入67%的HNO3溶液10 mL 于試管中，沸水浴加熱，待反應(yīng)變慢時加入適量KNO3晶體，直至加入KNO3晶體不繼續(xù)反應(yīng)或反應(yīng)液完全澄清，取出試管降溫；待試管降至室溫后搖勻，倒入15 mL離心管中，離心5 min后倒掉上清液，加入10 mL蒸餾水搖勻，繼續(xù)離心，重復(fù)3次，然后加入10mL丙酮進行離心洗滌，洗滌后沉淀連離心管放入烘箱中烘干，得到干燥的植硅體。

植硅體的計數(shù)。往盛有干燥植硅體的離心管中加入少量丙酮并搖勻，滴于載玻片上晾干，再用中性樹脂封制成裝片，計數(shù)時每個樣品裝片完全計數(shù)，若裝片內(nèi)植硅體數(shù)量不足 400 個，再追加1個樣品裝片，直至滿足計數(shù)植硅體達 400 個。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物候期龍竹枝灰分及硅含量變化

不同物候期的龍竹枝灰分含量不同。由表1可知，灰分含量從低到高依次為休眠期（4.36%）、發(fā)筍期（4.52%）、伸枝展葉期（5.18%）和發(fā)筍期結(jié)束（6.48%），從發(fā)筍期結(jié)束至休眠期，竹枝中灰分含量迅速下降。不同年齡的竹枝中，總體上灰分含量呈現(xiàn)出3年枝＞1年枝＞2年枝。

不同物候期的龍竹枝硅含量不同。竹枝平均硅含量從低到高依次為休眠期（2.94%）、伸枝展葉期（3.08%）、發(fā)筍期（3.24%）和發(fā)筍期結(jié)束（4.14%）。龍竹休眠期后竹枝硅含量持續(xù)上升，而發(fā)筍期結(jié)束到休眠期期間，竹枝硅含量迅速下降?？傮w來看，不同物候期竹枝硅含量呈3年枝＞2年枝＞1年枝，且3年枝硅含量顯著高于2年枝和1年枝（表1）。

表 1 不同物候期龍竹枝灰分與硅含量Table 1 Ash and silicon content of D. giganteus branches at different phenological periods

2.2 不同物候期龍竹枝的植硅體類型及含量變化

根據(jù)Twiss[15]和Gallego等[16]建立的植硅體分類系統(tǒng)，龍竹枝中觀察到長方型、桿型、圓型、橢圓型、尖型、啞鈴型、鞍型、融合型8種植硅體類型以及不規(guī)則型植硅體（圖1）。長方型和桿型是竹枝中植硅體的主要類型，兩種類型植硅體含量占植硅體總量的60%以上；圓形和橢圓形植硅體含量約占10%，鞍形和啞鈴形植硅體主要分布在低年齡的竹枝中，其他類型植硅體所占比例較少（表2）。

圖 1 龍竹枝中主要植硅體類型（比例尺=10 μm）Fig. 1 Different types of phytolith in D. giganteus branches (Bar=10 μm)

龍竹枝中植硅體總量隨物候期的變化而變化，自伸枝展葉期到發(fā)筍期出現(xiàn)大幅增長，漲幅達到16%，而從發(fā)筍期結(jié)束到休眠期呈植硅體總量快速下降（表2）。不同物候期竹枝植硅體總量均呈3年枝＞2年枝＞1年枝趨勢。龍竹枝中不同類型植硅體占比隨著物候期發(fā)生相應(yīng)變化。長方型植硅體自發(fā)筍期開始迅速增長，到發(fā)筍期后達到峰值，休眠期和來年伸枝展葉期比例有所下降。桿型植硅體自發(fā)筍期開始到來年伸枝展葉期不斷減少。圓型、橢圓型和融合型植硅體含量變化趨勢一致，發(fā)筍期后呈下降趨勢，而在伸枝展葉期間大量增加。尖型和啞鈴型植硅體在不同物候期未呈現(xiàn)規(guī)律性變化。鞍型植硅體在休眠期快速增長，不規(guī)則型植硅體主要在發(fā)筍期出現(xiàn)，含量較低。

表 2 不同物候期龍竹枝不同類型植硅體含量Table 2 Percentage of different phytolith type of D. giganteus branches at different phenological periods

2.3 不同物候期龍竹葉的灰分及硅含量變化

不同物候期的龍竹葉灰分含量不同。由表1可知，龍竹葉平均灰分含量從低到高依次為發(fā)筍期11.12%、伸枝展葉期12.37%、休眠期13.50%、發(fā)筍期結(jié)束14.19%。龍竹發(fā)筍期間，竹葉灰分含量呈上升趨勢，持續(xù)到休眠期結(jié)束；伸枝展葉期間，灰分含量迅速下降。不同物候期竹葉灰分含量呈現(xiàn)老葉＞成熟葉＞幼葉。

不同物候期的龍竹葉硅含量不同，但差異不顯著。龍竹葉平均硅含量從低到高依次為發(fā)筍期（8.12%）、伸枝展葉期（8.14%）、休眠期（8.34%）、發(fā)筍期結(jié)束（8.48%），從發(fā)筍期到發(fā)筍期結(jié)束硅含量明顯上升，到伸枝展葉期硅含量下降，說明竹子發(fā)筍時會積累大量硅素。不同物候期竹葉硅含量表現(xiàn)為：老葉＞成熟葉＞幼葉，幼葉與成熟葉、老葉之間硅含量差異顯著（表3）。

2.4 不同物候期龍竹葉的植硅體類型及含量變化

根據(jù)Twiss[15]和Gallego[16]建立的植硅體分類系統(tǒng)，龍竹葉中觀察到長方型、桿形、圓型、橢圓型、扇型、尖型、啞鈴型、鞍型、融合型9種植硅體類型。竹葉較竹枝多一種植硅體類型：扇型（圖2）。龍竹葉中主要植硅體類型為啞鈴型和鞍型，2種植硅體類型比例之和占植硅體總數(shù)的65%以上。與竹枝不同，竹葉中啞鈴型、鞍型、尖型、扇型植硅體較多，但圓型、橢圓型、桿型和長方型植硅體較少，融合型植硅體少見，未觀察到不規(guī)則型植硅體（表4）。

表 3 不同物候期龍竹葉灰分與二氧化硅含量Table 3 Ash and silica contents of D. giganteus leaves at different phenological periods

圖 2 龍竹葉中主要植硅體類型（比例尺=10 μm）Fig. 2 Different types of phytolith in D. giganteus leaves (Bar=10 μm)

龍竹葉植硅體數(shù)量隨物候期的變化而變化，伸枝展葉期間植硅體的數(shù)量最少，顯著低于休眠期、發(fā)筍期和發(fā)筍期結(jié)束。不同物候期竹枝植硅體總量為老葉＞成熟葉＞幼葉（表4）。

竹葉中啞鈴型植硅體所占比例在發(fā)筍期最高，之后呈下降趨勢，直到伸枝展葉期比例有所回升。發(fā)筍期幼葉中啞鈴型植硅體所占比例最高，而其他物候期啞鈴型植硅體均在老葉中所占比例最高。鞍型植硅體自發(fā)筍期后比例呈上升趨勢。尖型和扇型植硅體比例在不同物候期未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性變化。長方型和桿型植硅體在發(fā)筍期后所占比例達到峰值。圓型植硅體自發(fā)筍期后持續(xù)增長，到休眠期達到峰值，但伸枝展葉期時有所下降。

3 結(jié)論與討論

植硅體是植物體內(nèi)硅存在的主要型態(tài)，植物不同組織器官中植硅體類型變化及組合具有差異。在本研究中，龍竹枝、葉硅含量與植硅體含量的變化趨勢基本一致，劉俊霞等[17]的研究結(jié)果表明兩者間存在顯著正相關(guān)性，因此植硅體的含量變化在一定程度上可以反映植物體內(nèi)的硅含量變化。在龍竹不同組織器官中，植硅體的分布極不均勻，竹葉所含植硅體數(shù)量顯著高于竹枝。這是由于竹葉的蒸騰作用強于其他器官，從而能積累更多的硅，同時竹葉凋落進入土壤對竹林的生物硅平衡具有重要意義[18]。龍竹枝中觀察到的8種植硅體類型與在龍竹稈[10]中觀察到的植硅體類型一致，同時龍竹枝中并未觀察到扇型植硅體，這與Zhan等人[7]對勃氏甜龍竹（D. brandisii）枝的植硅體型態(tài)觀測結(jié)果相同。

龍竹的年生長周期以伸枝展葉期開始為計，經(jīng)歷發(fā)筍期、發(fā)筍期結(jié)束到次年的休眠期，枝、葉的植硅體含量及型態(tài)在不同物候期都有變化。龍竹枝最低植硅體含量出現(xiàn)在休眠期，竹葉最低植硅體含量出現(xiàn)在伸枝展葉期，竹枝、葉最高植硅體含量均出現(xiàn)在發(fā)筍期結(jié)束。從伸枝展葉期到發(fā)筍期，龍竹竹葉和竹枝中植硅體含量出現(xiàn)大量增長，此時龍竹處在高溫高蒸發(fā)的季節(jié)，溫度和蒸發(fā)速率的升高會加速植硅體的沉積，從另一方面表明硅沉積是由于植物失水而被動發(fā)生的。龍竹幼葉植硅體含量較低，成熟葉和老葉植硅體含量是幼葉的2倍。葉中植硅體從伸枝展葉期到發(fā)筍期的快速增長說明隨著新葉發(fā)出，幼葉成長為成熟期的過程中，需要沉積大量硅素形成植硅體。而龍竹葉片成熟后細胞對硅的沉積能力下降，所以老葉相比與成熟葉而言植硅體的增量并不顯著。Li等[11]認為隨著葉片生長，形成的泡狀細胞越多，而泡狀細胞在受到水分脅迫和高蒸騰作用的影響下會優(yōu)先沉積硅質(zhì)。因此，植硅體的形成不僅與物候期變化有關(guān)，還受到植物在生長過程中細胞類型比例的影響。

不同物候期龍竹枝、葉植硅體主要植硅體類型的變化與硅含量和植硅體總量的變化一致。龍竹枝中長方型和桿型植硅體含量較高，2種類型之和占枝中植硅體總量的60%以上，最高可達90%；龍竹葉中以鞍型和啞鈴型植硅體居多，2種類型之和占比與枝中長方型和桿型之和占比相近，但并未超過80%?？梢钥闯霾煌锖蚱邶堉裰?、葉中植硅體總量的變化與主要植硅體類型含量直接相關(guān)。從伸枝展葉期到發(fā)筍期時，隨著溫度和蒸騰速率提高，龍竹葉啞鈴型植硅體的比例上升超過鞍形植硅體，在玉米（Zea mays）葉片中發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度上升，啞鈴型植硅體比例的逐漸增加[19]支撐了這一結(jié)果。在休眠期時，植硅體總量下降，推測是由于1月份新平遭遇降雪，低溫和蒸騰速率降低影響了龍竹對無機鹽的吸收，但此時龍竹葉中卻含有較高含量的鞍型植硅體，同時期龍竹枝中也觀測到鞍型植硅體含量的陡增。在對冷干氣候地區(qū)表層土壤植硅體的分析發(fā)現(xiàn)，土壤中廣泛分布著細長型和鞍型植硅體[20]，對東北地區(qū)蘆葦（Phragmites australis）中植硅體進行鑒定和統(tǒng)計，其中鞍型植硅體比例占到77%[21]，這些觀測結(jié)果預(yù)示著低溫可能有利于鞍型植硅體的形成。

綜上所述，龍竹植硅體含量及類型隨著物候期變化發(fā)生變化。從伸枝展葉期到發(fā)筍期結(jié)束，龍竹中植硅體含量不斷上升；進入休眠期，植硅體含量出現(xiàn)下降。龍竹枝中主要植硅體類型為長方型和桿型，休眠期時鞍型植硅體含量大幅上升。龍竹葉中主要植硅體類型為鞍型和啞鈴型，幼葉在生長過程中大量積累植硅體，在成熟后硅沉積速度放緩。從伸枝展葉期至發(fā)筍期，龍竹對硅有大量需求，因此在叢生竹林經(jīng)營管理中，可在發(fā)筍期至伸枝展葉期施加適量硅肥。