聶愷宏,鄒 旭,吉生麗,姜 準,劉春紅,高海銀,李根前,*

1 西南林業(yè)大學(xué),昆明 650224 2 定邊縣林業(yè)工作站, 榆林 718600

克隆生長指自然狀態(tài)下,植物通過無性繁殖產(chǎn)生在遺傳上一致、形態(tài)和生理上獨立或潛在獨立個體并進行空間拓展的過程[1-3]。在不同環(huán)境資源有效性或異質(zhì)性條件下,該類植物可通過克隆生長調(diào)節(jié)形成與之相適應(yīng)的克隆生長格局,從而有效獲取環(huán)境資源并以更高的概率維持克隆持久性[3-6]。目前,關(guān)于植物克隆生長調(diào)節(jié)的研究集中于外在機制,如克隆生長對環(huán)境資源有效性或異質(zhì)性的響應(yīng)規(guī)律及其生態(tài)適應(yīng)意義[3-9]。但關(guān)于樹木萌生人們曾提出激素調(diào)控假說,認為萌生更新能力受體內(nèi)激素狀況調(diào)控,生長素和細胞分裂素在萌芽中起著重要作用,兩者的比值調(diào)控器官再生[10-13]。原因在于植物發(fā)育路徑受激素調(diào)控,且激素水平響應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄的變化而改變或者激素本身就是基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控因子[14]。萌芽松(Pinusechinata)、火炬松(Pinustaeda)去頂后,植物激素、碳水化合物、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等等之間的交互作用促進了芽的萌蘗[15]。由此可見：激素不僅具有調(diào)控作用,更重要的是其紐帶作用,它將生態(tài)適應(yīng)、生理(生化)響應(yīng)、基因表達與萌蘗(萌芽)能力聯(lián)系起來。因此,探討內(nèi)源激素含量與比值對克隆生長的作用規(guī)律,有利于了解植物克隆生長調(diào)節(jié)的內(nèi)在機制。

中國沙棘(Hippophaerhamnoidesssp.sinensis)是我國北方干旱、半干旱地區(qū)的主要造林樹種,也是優(yōu)良的多用途樹種和典型的木本克隆植物,其側(cè)根(也稱水平根)水平延伸能力和萌蘗能力極強,具有“獨木成林”的潛力,能從溝谷擴散到溝坡、從丘間地擴散到沙丘頂部、從林內(nèi)擴散到林外,從而使造林困難地段得到植被覆蓋,并通過林緣擴散、林隙更新維持種群穩(wěn)定性和克隆持久性[16-21]。母株死亡之后,子株還能繼續(xù)進行根蘗繁殖的現(xiàn)象又賦予中國沙棘“永生”的潛力[1-2, 20-21]。然而,近年的連續(xù)干旱導(dǎo)致人工林出現(xiàn)了大面積早衰現(xiàn)象[22-23]。究其原因,克隆生長能力決定種群穩(wěn)定性和克隆持久性,早衰是因為干旱脅迫削弱了中國沙棘的克隆生長能力[24-28]。因此,本研究通過灌水強度調(diào)節(jié)模擬天然降水梯度,分析克隆生長能力、內(nèi)源激素含量與比值對灌水強度的響應(yīng)規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上探討內(nèi)源激素含量、比值與克隆生長能力的內(nèi)在聯(lián)系,揭示中國沙棘克隆生長對灌水強度響應(yīng)規(guī)律的激素調(diào)控機制。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在陜西省定邊縣,位于毛烏素沙地南緣,地處107°15′—108°22′E、36°49′—37°53′N。該地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候,干旱缺水、光照充足、春秋季節(jié)風沙肆虐；年均氣溫7.9℃,最高氣溫37.7℃、最低氣溫-29.4℃；年均降水量316mm,年蒸發(fā)量2490mm。區(qū)內(nèi)沙丘起伏、沙帶連綿,海拔1303—1418m。土壤以風沙土和鹽堿土為主,養(yǎng)分貧瘠、保水保肥能力差。地帶性植被為半荒漠草原,兼具沙生、旱生、鹽堿植物以及中生草甸植物。試驗布設(shè)在定邊縣林業(yè)工作站試驗基地內(nèi),屬經(jīng)過人為平整的風沙土。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計與布設(shè)

試驗采用單因素回歸設(shè)計,在流量固定前提下通過調(diào)節(jié)灌水時間形成不同灌水強度來模擬天然降水梯度。為包括水分過少、適宜、過多的整個變化過程,根據(jù)預(yù)備試驗結(jié)果[25, 28],本次試驗設(shè)置3個灌水梯度,分別為試區(qū)年均降水量的3、6、9倍,每次灌水時間分別為280、560、840s,以不灌水作為對照；灌水方式為全面灌溉,灌水月份為每年5月至8月,每間隔5天灌水一次(表1)。田間布設(shè)采用隨機排列法,小區(qū)面積為3m×10m,重復(fù)3次共12個小區(qū)。其中,小區(qū)與小區(qū)之間壟寬0.5m、高0.3m,在壟中央用埋深1m的油毛氈和厚塑料膜隔離以防止?jié)B水。每個小區(qū)栽植1a苗木30株,株行距為1.0m×1.5m,并在每個重復(fù)的兩側(cè)設(shè)有保護行。

表1 灌水強度設(shè)計

2.2 試驗調(diào)查與測定

中國沙棘分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力決定種群穩(wěn)定性和克隆持久性,因此對這些指標進行了逐一測定[17-21, 25-28]。其中,分株生長能力采用個體大小(樹高、地徑、冠幅生長量)表示,克隆繁殖能力采用克隆(萌蘗)子株數(shù)量表示,克隆擴散能力采用水平根的粗度、長度和條數(shù)(分枝強度)表示。(1)分株(包括母株和子株)生長能力采用“每木檢尺”法,即逐株測定樹高、地徑、冠幅生長量。(2)克隆繁殖能力采用“個體計數(shù)”法,即分別試驗小區(qū)統(tǒng)計克隆(萌蘗)子株的個體數(shù)量。(3)克隆擴散能力采用“跟蹤挖掘”法,即從某一個一級水平根(源自母株)開始,通過跟蹤挖掘逐步將與之聯(lián)結(jié)的二級水平根(源于一級水平根)、三級水平根(源于二級水平根)等等全部挖出,測定一級水平根粗度、長度以及各級水平根的條數(shù)和分枝級數(shù),直到將小區(qū)平均標準木(母株)的地下聯(lián)結(jié)構(gòu)件全部挖出并完成相應(yīng)的測定。(4)灌水8小時后,采集每個小區(qū)平均標準木東、南、西、北四個方向樹冠中部的幼嫩葉片作為樣品,用錫箔紙包裝并做好標記。然后,將樣品迅速放入液氮罐中帶回實驗室放入超低溫冰箱保存、待用,樣品經(jīng)過前期處理采用酶聯(lián)免疫法[29]測定內(nèi)源IAA、ZR、GA3、ABA含量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件,以分株生長能力(樹高、地徑、冠幅)、克隆繁殖能力(子株數(shù)量)、克隆擴散能力(一級水平根粗度、長度、條數(shù)、水平根總條數(shù))、IAA、ZR、GA3、ABA含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA(Y)為因變量,以灌水強度(X)為自變量進行多種模型的回歸、檢驗,根據(jù)顯著水準和剩余標準差選擇模型(Y=β0+β1X+β2X2)并尋求最佳值。令Y=β0+β1X+β2X2的一階導(dǎo)數(shù)Y′=β1+2β2X=0,可求出方程的拐點X=-β1/2β2；方程拐點就是最優(yōu)值,相應(yīng)的灌水強度即為最佳灌水強度。采用pearson相關(guān)系數(shù)分析克隆生長與激素含量及比值之間的因果關(guān)系,圖形采用Excel 2010軟件繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 克隆生長對灌水強度的響應(yīng)

3.1.1 分株大小對灌水強度的響應(yīng)

由圖1可見：隨著灌水強度(X)的增大,分株樹高、地徑、冠幅生長量(Y)均呈下開口拋物線變化,方程拐點即為相應(yīng)生長指標最大時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,分株生長量隨著灌水強度的增大而上升；等于最佳灌水強度,分株生長量達到最大值；大于最佳灌水強度,分株生長量隨著灌水強度的增大而下降。由此表明：隨灌水強度的增大,分株生長量先升后降,即分株呈現(xiàn)小-大-小的變化過程。

圖1 分株生長量與灌水強度的回歸關(guān)系Fig.1 Regression relationships between ramets growth increment and irrigation intensity

3.1.2 克隆繁殖與克隆擴散對灌水強度的響應(yīng)

圖2 克隆生長參數(shù)與灌水強度的回歸關(guān)系Fig.2 Regression relationships between clonal growth parameters and irrigation intensity

由圖2可見：隨著灌水強度(X)的增大,子株數(shù)量以及一級水平根的粗度、長度、條數(shù)和水平根總條數(shù)(Y)均呈下開口拋物線變化,方程拐點即為相應(yīng)指標最大時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,克隆繁殖與克隆擴散(延伸和分枝)能力隨著灌水強度的增大而上升；等于最佳灌水強度,克隆繁殖與克隆擴散(延伸和分枝)能力達到最大值；大于最佳灌水強度,克隆繁殖與克隆擴散(延伸和分枝)能力隨著灌水強度的增大而下降。由此表明：隨灌水強度的增大,克隆繁殖、克隆擴散(延伸和分枝)能力先升后降,即克隆生長格局呈現(xiàn)“游擊型-聚集型-游擊型”的變化過程。

3.2 激素含量及比值對灌水強度的響應(yīng)

3.2.1 激素含量對灌水強度的響應(yīng)

由表2可見：3倍和9倍灌水處理之間的激素含量差異不顯著,其他灌水強度之間差異顯著。其中,IAA、ZR、GA3含量大小排序為6倍灌水>3倍和9倍灌水>不灌水(對照),ABA含量大小排序為不灌水(對照)>3倍和9倍灌水>6倍灌水。由圖3可見：隨著灌水強度(X)的增大,IAA、ZR、GA3含量(Y)呈下開口拋物線變化,ABA含量(Y)呈上開口拋物線變化,方程拐點即為相應(yīng)激素含量最大(或最小時)的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3含量隨著灌水強度的增大而上升,ABA含量隨著灌水強度的增大而下降；等于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3含量達到最大值而ABA含量達到最小值；大于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3含量隨著灌水強度的增大而下降,ABA含量隨著灌水強度的增大而上升。由此表明：隨灌水強度的增大,IAA、ZR、GA3含量先升后降而ABA含量先降后升；在最佳灌水強度下,IAA、ZR、GA3含量最大而ABA含量最小。

表2 灌水強度對內(nèi)源激素含量的影響

字母不同表示差異在P<0.05的水平顯著,字母相同表示差異不顯著； IAA：吲哚-3-乙酸,Indole-3-acetic acid； ZR：玉米素核苷,Trans-zeatin-riboside； GA3：赤霉酸,Gibberellic acid； ABA：脫落酸,Abscisic acid；FW:鮮重,Fresh weight

圖3 內(nèi)源激素含量與灌水強度的回歸關(guān)系Fig.3 Regression relationships between the endogenous hormone content and irrigation intensityIAA：吲哚-3-乙酸,Indole-3-acetic acid； ZR：玉米素核苷,Trans-zeatin-riboside； GA3：赤霉酸,Gibberellic acid； ABA：脫落酸,Abscisic acid

3.2.2 激素比值對灌水強度的響應(yīng)

由表3可見：IAA、ZR、GA3與ABA的比值在3倍和9倍灌水處理之間差異不顯著,其他灌水強度之間差異顯著,大小排序為6倍灌水>3倍和9倍灌水>不灌水(對照)。由圖4可見：隨著灌水強度(X)的增大,激素比值(Y)均呈下開口拋物線變化,方程拐點即為相應(yīng)激素比值最大時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3與ABA的比值隨著灌水強度的增大而上升；等于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3與ABA的比值達到最大值；大于最佳灌水強度IAA、ZR、GA3與ABA的比值隨著灌水強度的增大而下降。由此表明：隨灌水強度的增大,IAA、ZR、GA3與ABA的比值先升后降；在最佳灌水強度下,IAA、ZR、GA3與ABA的比值最大。

表3 灌水強度對內(nèi)源激素比值的影響

字母不同表示差異在P<0.05的水平顯著,字母相同表示差異不顯著

圖4 內(nèi)源激素比值與灌水強度的回歸關(guān)系Fig.4 Regression relationships between the endogenous hormone ratio and irrigation intensity

3.3 克隆生長對激素含量及比值的響應(yīng)

3.3.1 克隆生長對激素含量的響應(yīng)

(1) 分株大小對激素含量的響應(yīng)

由表4可見：分株樹高、地徑、冠幅生長量與IAA、ZR、GA3含量呈極顯著或顯著正相關(guān),與ABA含量呈極顯著負相關(guān)。由此表明：分株樹高、地徑、冠幅生長量隨IAA、ZR、GA3含量的增大而上升,隨ABA含量的增大而下降。

由表4還可看出：IAA、ZR、GA3三者兩兩之間呈極顯著正相關(guān),說明IAA、ZR、GA3之間具有協(xié)同效應(yīng)；IAA、ZR、GA3與ABA之間呈極顯著負相關(guān),說明IAA、ZR、GA3與ABA之間存在拮抗作用。同理,樹高、地徑、冠幅生長量之間也具有協(xié)同效應(yīng)。

表4 生長量與內(nèi)源激素含量的相關(guān)性分析

**. 表示在0.01水平上差異極顯著相關(guān),*. 表示在0.05水平上差異顯著相關(guān)

(2) 克隆繁殖與克隆擴散對激素含量的響應(yīng)

由表5可見：子株數(shù)量以及一級水平根粗度、長度、條數(shù)、水平根總條數(shù)與IAA、ZR、GA3含量呈極顯著正相關(guān),與ABA含量呈極顯著負相關(guān)。由此表明：克隆繁殖和克隆擴散能力隨IAA、ZR、GA3含量的增大而上升,隨ABA含量的增大而下降。

由表5還可看出：子株數(shù)量與一級水平根粗度、長度、條數(shù)、水平根總條數(shù)呈極顯著正相關(guān),說明克隆繁殖和克隆擴散之間具有協(xié)同效應(yīng)。

3.3.2 克隆生長對激素比值的響應(yīng)

(1) 分株生長對激素比值的響應(yīng)

由表6可見：分株樹高、地徑、冠幅生長量與IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值呈極顯著正相關(guān),說明分株樹高、地徑、冠幅生長量隨IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值的增大而上升。

(2) 克隆繁殖與克隆擴散對激素比值的響應(yīng)

由表7可見：子株數(shù)量以及一級水平根粗度、長度、條數(shù)、水平根總條數(shù)與激素IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值呈極顯著正相關(guān),說明克隆繁殖和克隆擴散能力隨IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值的增大而上升。

4 結(jié)論與討論

研究表明：隨著灌水強度的增大,分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力先升后降,IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值先升后降而ABA含量先降后升；分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力與IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA呈正相關(guān),與ABA含量呈負相關(guān)。灌水強度過小,IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA低而ABA含量高,克隆生長潛力受到抑制,種群以分株小、數(shù)量少(分布稀疏)、擴散(水平根延伸和分枝)能力弱為特征,克隆生長格局傾向于“游擊型”；灌水強度適宜,IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA高而ABA含量低,克隆生長潛力得以充分發(fā)揮,種群以分株大、數(shù)量多(分布密集)、擴散能力強為特征,克隆生長格局傾向于“聚集型”；灌水強度過大,IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA低而ABA含量高,克隆生長潛力受到抑制,種群以分株小、數(shù)量少(分布稀疏)、擴散能力弱為特征,克隆生長格局又傾向于“游擊型”。因此,隨著灌水強度的增大,中國沙棘通過激素調(diào)節(jié)改變克隆生長格局,從而形成與灌水強度相適應(yīng)的克隆生長格局連續(xù)體“游擊型-聚集型-游擊型”。由此可見：灌水強度變化誘導(dǎo)內(nèi)源激素IAA、ZR、GA3、ABA含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA發(fā)生改變,激素特征的改變決定分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力,分株生長、克隆繁殖和克隆擴散能力決定克隆生長格局。

表5 克隆繁殖擴散能力與內(nèi)源激素含量的相關(guān)性分析

表6 生長量與內(nèi)源激素比值的相關(guān)性分析

表7 克隆繁殖擴散能力與內(nèi)源激素比值的相關(guān)性分析

究其原因：植物激素作為體內(nèi)的痕量信號分子,調(diào)節(jié)著植物生長發(fā)育,并通過激素與環(huán)境的互相作用調(diào)節(jié)植物對環(huán)境的適應(yīng)能力。其中,生長素通過刺激細胞核分裂促進頂端組織伸長,同時推遲葉片衰老脫落、促進根瘤形成；細胞分裂素通過刺激細胞質(zhì)分裂促進側(cè)生組織形成,具有促進地上部分化、側(cè)芽生長、葉片擴大、氣孔張開、根瘤形成等作用；赤霉素通過縮短細胞分裂周期的G1期和S期來進行莖的伸長,具有促進葉片擴大、側(cè)枝生長、抑制衰老等作用；而脫落酸提高抗逆能力卻抑制細胞H+的分泌,阻止了細胞壁酸化和細胞伸長,進而抑制胚芽鞘、胚軸、嫩枝、根等器官的伸長生長過程[10-14, 30-33]。所以,植物激素含量及比值直接影響分株生長、克隆繁殖和克隆擴散能力。根據(jù)本研究結(jié)果：隨著灌水強度的增大,IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值先升后降,而ABA含量先降后升。因此,灌水強度過小或過大均可造成IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值降低而ABA含量升高,故分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力受到抑制；灌水強度適宜時,IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值升高而ABA含量降低,故分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力得到充分展示。因此,隨著灌水強度“過小-適宜-過大”的連續(xù)變化,分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力呈“小-大-小”的連續(xù)變化,克隆生長格局隨之呈“游擊型-聚集型-游擊型”的連續(xù)變化。

劉瑞香、李麗霞的研究也表明：干旱脅迫降低了中國沙棘的IAA、ZR、GA3含量而升高了ABA含量,但沒有將其與克隆生長聯(lián)系起來[34-35]。陳尚曾提出的激素假說認為：生長素、細胞分裂素對植物頂端分生組織和側(cè)生分生組織的活動強度具有調(diào)節(jié)作用,而且這兩種激素比值調(diào)控植物克隆生長[32]。李甜江等的田間試驗進一步表明,外源生長素、細胞分裂素用量及比值對中國沙棘分株生長和子株數(shù)量具有明顯的調(diào)控作用[33]。另一方面,克隆生長格局的改變具有生態(tài)適應(yīng)意義,同時決定克隆持久性和種群穩(wěn)定性[17-21]。水分適宜時,克隆生長格局傾向于“聚集型”,以分株大、數(shù)量多(分布密集)、擴散能力強為特征,有利于對環(huán)境資源的盡快占居和利用,并提高排斥其他植物入侵的能力；干旱脅迫下,克隆生長格局傾向于“游擊型”,以分株小、數(shù)量少(分布稀疏)、擴散能力弱為特征,提高了克隆將子株放置在有利生境斑塊和逃避不利生境斑塊的概率,且有利于削弱克隆內(nèi)分株之間的競爭。然而,分株變小使得壽命縮短、子株減少使得更新受阻,從而使種群的早衰概率升高[25-28]。

上述分析表明：灌水強度誘導(dǎo)中國沙棘內(nèi)源激素(IAA、ZR、GA3、ABA)的含量及比值發(fā)生變化,激素含量和比值的變化調(diào)控克隆生長能力,克隆生長能力決定克隆生長格局,克隆生長格局決定種群穩(wěn)定性和克隆持久性。干旱脅迫使IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值降低而ABA含量升高,從而降低克隆生長能力,增加了種群早衰的概率。由此不難看出,生長素、細胞分裂素、赤霉素、脫落酸以及生長素、細胞分裂素、赤霉素與脫落酸的比值在中國沙棘克隆生長調(diào)節(jié)中均具重要意義。