郭海燕，劉航江，劉金平，游明鴻，謝瑞娟

(1.西華師范大學西南山地特色植物種質(zhì)適應與利用研究所，四川 南充 637009； 2.四川省草原科學研究院，四川 成都 611731)

雌雄異株植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其種類、數(shù)量及適應性對物種多樣性保護和生態(tài)系統(tǒng)維護具有積極的作用[1]。雌、雄株在形態(tài)、生理、生活史和表型上存在差異[2-4]，性別的分株表達使雌雄異株植物維持種群穩(wěn)定性的能力較差[5]。雌雄個體在生長、形態(tài)、分布、生殖及抗逆性等方面的性別差異[6]，使雌雄異株植物遭遇生境脅迫時，種群性比發(fā)生變化，種群的繁殖能力下降，最終導致種群所在的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變[7]。雌雄異株攀援草本植物，集雌雄異株植物的性別分化性、攀援植物對外界支持物的依賴性、草本植物的短壽命性等特點于一身，若雌雄株在相對短暫的生活史中，不能及時、同步、協(xié)調(diào)地采取應對脅迫的有效措施，順利完成生活史并產(chǎn)生充足的后代，將導致物種面臨巨大的存續(xù)風險。

桑科葎草屬植物葎草(Humulusscandens)是具有飼用、藥用及生態(tài)治理等價值的雌雄異株攀援草本植物[7-8]，常以鮮嫩飼草、青貯及飼料添加劑等服務于畜牧業(yè)[9]。關于葎草的研究主要集中在營養(yǎng)成分、藥物成分和對其他生物的化感作用等方面[10-12]，對雌雄異株植物特性導致的雌雄個體發(fā)育、生殖形成、種群性比等方面進行了較為淺顯的分析[13-15]，對脅迫生境下形態(tài)塑性、繁殖機理及應激響應進行了初步的探討[16-18]。光是植物主要的能量來源，且對植物形態(tài)塑性和生理結(jié)構(gòu)等有信號作用。葎草攀援性決定其具有覓光潛力，而短命性要求其對光照變化有快速的適應策略，性別分化性要求雌雄株對光照條件采取協(xié)同匹配的生長變化，才能保證物種的存活與延續(xù)。研究葎草對光的適應策略和響應能力，對其個體發(fā)育、種群形成、適應度及種群擴繁等研究具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究采用人工設置4個遮陰度，通過測定雌、雄株的構(gòu)件性狀、水分分配、生物量結(jié)構(gòu)及根冠比的變化，分析遮陰對葎草生長發(fā)育的影響，研究雌雄株對遮陰響應的性別差異，擬回答以下問題：1)葎草如何通過構(gòu)件性狀變化適應不同遮陰生境？2)葎草如何通過生物量與水分分配適應不同的遮陰生境？3)雌、雄株應對或適應遮陰生境的生長策略有何性別差異？4)雌雄株能否采取協(xié)同匹配的生長策略？以期為雌雄異株植物生理生態(tài)研究、資源保護利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展等研究奠定基礎，為野生植物資源保護與利用、生態(tài)環(huán)境治理及中草藥持續(xù)性應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

2017年3月，以四川省南充市西華師范大學校園荒地內(nèi)處于幼苗期的野生葎草為材料，挖取1～2對真葉的幼苗進行移植。選用口徑50 cm、高34 cm的花盆，以河沙∶腐殖土體積比按1∶1作為基質(zhì)，按每盆3株栽植，共40盆。置25 ℃的室內(nèi)培養(yǎng)，以自然光為基礎，用遮陰網(wǎng)圍成六面體遮陰罩，借助光合有效輻射計(GLZ-C)設置全光照(0)、輕度(25%)、中度(50%)、重度遮陰(75%)共4個光照梯度，隨機10盆為一組進行處理，期間僅進行水分管理。于7月20日，待全部植株花芽分化現(xiàn)花蕾(不同遮陰度間現(xiàn)花蕾時間相差2～7 d，雄株比雌株早1～5 d)，可識別雌雄時，進行測定。

1.2 測定項目與方法

葉性狀：花序出現(xiàn)后，每組隨機選取雌、雄各3株，測定由上而下第3葉的葉長、葉寬、葉柄長、葉厚，用托普YMJ-C型葉面積測定儀測定單葉面積和總?cè)~面積，3次重復。莖性狀：測定莖的節(jié)間長(取基部3節(jié)的均值)、莖直徑、最長莖長，3次重復。根性狀：測完莖葉后，出盆沖洗泥土后測定根長。生物量及水分含量：分離并清洗葉、莖、根，用吸水紙吸干，稱鮮重后，裝信封中，于105 ℃烘至恒重稱干重。

水分分配比=(構(gòu)件鮮重-構(gòu)件干重)/單株總含水量×100%；

單株總含水量=單株各構(gòu)件鮮重之和-各構(gòu)件干重之和；

根冠比=根系干重/(莖干重+葉干重)×100%；

生物量分配比=各構(gòu)件生物量(干質(zhì)量)/單株生物總量(根、莖、葉的干質(zhì)量之和)×100%；

葉面積比率=葉片面積/生物量；

比葉面積=葉片面積/葉生物量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件，進行Duncan多重比較和SNK檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰對構(gòu)件性狀的影響

2.1.1葉性狀 遮陰度對葎草葉性狀有不同程度影響(表1)，葉長、葉寬在中度和重度遮陰下變小(P<0.05)；葉厚在輕度和中度遮陰時有顯著變化，在重度遮陰下顯著變薄(P<0.05)。性別對葎草的葉長、葉寬有顯著影響，雌株的葉長、葉寬顯著大于雄株(P<0.05)，在輕度遮陰時葉寬在性別間差異最大，葉厚無顯著性別差異(P>0.05)。進一步方差分析表明(表2)，遮陰對葉長、葉寬、葉厚有極顯著影響(P<0.01)，影響程度表現(xiàn)為葉寬>葉長>葉厚；性別間葉長、葉寬有極顯著差異(P<0.01)，性別對葉長的影響小于對葉寬的影響；性別與遮陰互作對葎草葉性狀無顯著影響(P>0.05)。

2.1.2葉面積參數(shù) 遮陰度對葉面積參數(shù)有不同程度影響(表1)，大體隨遮陰度增加單葉面積呈先增后減趨勢。雌株總?cè)~面積隨遮陰度增加逐漸增加，雄株總?cè)~面積先減后增，中度遮陰時總?cè)~面積顯著小于全光照和輕度遮陰。葉面積比率和比葉面積隨遮陰度逐漸增加，重度遮陰下葉面積比率和比葉面積顯著大于全光照和輕度遮陰(P<0.05)。性別間單葉面積和總面積有顯著差異(P<0.05)，雌株的單葉面積顯著大于雄株(P<0.05)，在輕度遮陰時雌、雄株單葉面積差別最大，雄株的總面積顯著大于雌株(P<0.05)，在全光照時雌、雄株總面積差別最大，隨著遮陰度增加差異逐漸縮小，雌雄株的葉面積比率和比葉面積無顯著差異(P>0.05)。進一步方差分析表明(表2)，遮陰度對單葉面積、總面積、葉面積比率、比葉面積均有極顯著影響(P<0.01)，影響程度表現(xiàn)為單葉面積>總面積>比葉面積>葉面積比率；性別間單葉面積有極顯著差異(P<0.01)，總面積有顯著差異(P<0.05)；性別與遮陰度對葉面積參數(shù)無顯著交互作用(P>0.05)。

表1 不同遮陰條件對葎草葉性狀的影響Table 1 Effects of different shading conditions on leaf trait of Humulus scandens

♀:雌株;♂:雄株;同列不同大寫字母表示同一遮陰度不同性別間差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫字母表示同一性別不同遮陰度間差異顯著(P<0.05)。下同。

♀: Female;♂: Male; Different capital letters within the same column for the same shading degree indicate significant differences between sexes at the 0.05 level; different lowercase letters within the same column for the same sex indicate significant differences among shading degrees at the 0.05 level. Similarly, for the following tables.

表2 葎草葉性狀性別差異的雙因素方差分析Table 2 Two-factor variance analysis of the effects of sex differences on leaf trait of Humulus scandens

F值表示F檢驗的顯著性，F(xiàn)越大表示越顯著，P值表示概率值。下同。

Fvalue indicates the significance ofFtest with greaterFvalue meaning more significant.Pvalue indicates the probability value; similarly for the following tables.

2.1.3根、莖性狀 遮陰對葎草莖性狀有不同程度影響(表3)，對根長幾無影響(P>0.05)。隨遮陰度增加莖直徑逐漸減小，重度遮陰較全光照莖直徑下降約42%；雌、雄株莖長隨著遮陰度增加先增長后變短，在輕度遮陰下莖長分別是重度遮陰的1.75倍和1.7倍；節(jié)間長在重度遮陰下較全光照顯著變短(P<0.05)。性別間莖長和節(jié)間長有差異，雄株莖長大于雌株(P<0.05)，在輕度遮陰時差異最大；雄株節(jié)間長小于雌株(P<0.05)，雌雄間莖直徑和根長無顯著差異(P>0.05)。方差分析表明(表4)，遮陰度對莖直徑、莖長、節(jié)間長有極顯著影響(P<0.01)，影響程度表現(xiàn)為莖長>莖直徑>節(jié)間長；性別間莖長和節(jié)間長有極顯著差異(P<0.01)，莖直徑和根長無顯著差異(P>0.05)，性別與遮陰度交互作用對根莖性狀無顯著影響。

表3 不同遮陰條件對葎草莖性狀與根性狀的影響Table 3 Effects of different shading conditions on stem trait and root trait of Humulus scandens

表4 葎草莖性狀與根性狀的雙因素方差分析Table 4 Two-factor variance analysis of stem trait and root trait of Humulus scandens

2.2 遮陰對水分分配的影響

遮陰度對葉、莖水分比例有不同程度影響(表5)，重度遮陰下葉水分顯著大于中度遮陰(P<0.05)，莖水分比例顯著小于中度遮陰。性別間葉、莖水分有顯著差異，雄株葉水分顯著大于雌株(P<0.05)。隨遮陰度增加，雌、雄株葉水分差距逐漸增大，中度遮陰下差距達到最大，在重度遮陰時差距縮小，且低于全光照；雄株莖水分小于雌株(P<0.05)，雌雄株莖水分間的變化趨勢與葉水分變化趨勢一致；根水分在性別間無顯著差異(P>0.05)。方差分析表明(表6)，遮陰度對葉、莖水分比例有極顯著影響(P<0.01)，對根水分比例無顯著影響(P>0.05)。性別對葉、莖水分比例有極顯著影響(P<0.01)，對根水分比例無顯著影響(P>0.05)。性別與遮陰度對構(gòu)件水分比例交互作用不顯著(P>0.05)。

2.3 遮陰對生物量結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1生物量分配 遮陰度對生物量分配有不同程度影響(表7)，葉分配隨遮陰度增加先減后增；莖分配在重度遮陰下較中度遮陰時顯著降低(P<0.05)；遮陰對總生物量有顯著影響，中度和重度遮陰使總生物量顯著小于輕度遮陰和全光照時。性別間莖分配和總生物量有顯著差異，雌株的莖分配大于雄株(P<0.05)，在重度遮陰時性別間差異最?。恍壑昕偵锪看笥诖浦?P<0.05)，中度遮陰時雌雄株生物量差異最大。葉、根分配受性別影響較小(P>0.05)。方差分析表明(表8)，遮陰度對葉、莖分配比和總生物量有極顯著影響(P<0.01)，對根分配比有顯著影響(P<0.05)，遮陰度對生物量分配比的影響程度表現(xiàn)為莖>葉>根。性別間莖分配比和總生物量有顯著差異(P<0.05)，莖分配比和總生物量受遮陰度影響較性別影響大。性別與遮陰度互作間對分配比和總生物量無顯著影響。

表5 遮陰對葎草各構(gòu)件水分分配比例與根冠比的影響Table 5 Effect of sex on each component water distribution and root-shoot ratio of Humulus scandens under shading %

表6 葎草各構(gòu)件水分分配比例與根冠比的雙因素因素分析Table 6 Two-factor variance analysis of each component water distribution and root-shoot ratio of Humulus scandens

表7 不同遮陰條件對葎草生物量分配的影響 Table 7 Effect of sex on biomass allocation of Humulus scandens in different shade conditions

表8 生物量分配的雙因素方差分析Table 8 Two-factor variance analysis in terms of biomass allocation

2.3.2根冠比 遮陰度對根冠比有不同程度影響(表5)，重度遮陰下根冠比顯著大于輕度遮陰，根冠比在性別間有顯著差異，雄株的根冠比顯著大于雌株(P<0.05)。進一步方差分析表明(表6)，遮陰度對根冠比有極顯著影響(P<0.01)，性別對根冠比有顯著影響(P<0.05)，性別與遮陰度對根冠比交互作用不顯著。

3 討論

光是影響植物生存、生長的最重要的環(huán)境因子，不僅影響植物的光合作用，同時還以環(huán)境信號的形式作用于植物，調(diào)節(jié)植物形態(tài)建成、生理代謝和解剖結(jié)構(gòu)變化等來適應不同的光照條件[19-20]。植物通過抬高葉片位置、增大葉片面積、變薄葉片厚度、增大節(jié)間長、減少分枝數(shù)、降低根長和根數(shù)等方式來應對遮陰脅迫[21-25]。雌雄異株是植物適應不良生存環(huán)境的進化方式之一，雌、雄株對環(huán)境脅迫的應對能力與響應速度直接關系種群結(jié)構(gòu)及種群發(fā)展趨勢[26]。因物種特性和生長環(huán)境等方面的影響，不同雌雄異株植物的雌、雄個體對脅迫環(huán)境的反應也不盡相同。本研究表明，遮陰度對葎草構(gòu)件性狀、水分分配、生物量結(jié)構(gòu)和根冠比均有顯著影響，且雌雄個體表現(xiàn)出明顯的性別差異，雌株對遮陰的響應更敏感。

葎草的莖長隨遮陰度增加不斷增大，雌株增幅大于雄株。葉長、葉寬、葉厚、單葉面積、莖直徑隨遮陰度增加不斷下降，在一些研究中出現(xiàn)同樣的結(jié)果[27-28]，在遮陰處理下葎草可通過自身的調(diào)節(jié)以適應環(huán)境的變化。重度遮陰較全光照條件雌株總?cè)~面積增加79%，雄株下降51%，說明雌株通過增加葉面積和莖長來擴展空間，幫助葉片逃離陰蔽環(huán)境的脅迫，雄株則采用縮小體形應對遮陰脅迫的生存策略。雌株在重度遮陰條件下，單葉變窄、總?cè)~面積增大、莖生長加快變長、構(gòu)件生物量變小，雄株葉總面積減小、各構(gòu)件變化幅度較雌株小，可見雄株與雌株相比在營養(yǎng)、水分、空間等資源的競爭處于劣勢，雄株的資源有效利用率明顯低于雌株。本研究通過對不同遮陰脅迫下葎草雌、雄的水分分配進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根水分比例在性別間無顯著差異，雄株的莖水分比例顯著小于雌株，葉水分比例顯著大于雌株，進一步分析得知雄株沒有保守的水分利用策略，在遮陰脅迫下雄株將更多的水分分配到葉片，通過消耗大量水分來促進生長，盡快完成營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化，同時也說明葎草主要通過改變莖、葉水分分配比來應對遮陰脅迫。

通常用生物量累積量和生物量分配來研究植物對脅迫生境的適應能力和各項生理功能間的平衡關系[29]，植物優(yōu)先向可減緩或克服脅迫因子的構(gòu)件分配生物量，用來減少脅迫環(huán)境對植物造成傷害。本研究中，葎草性別間葉、根生物量分配比差異較小，但雌株莖生物量分配比顯著大于雄株。單株生物量隨著遮陰度增加先增大后減小，在輕度遮陰時達到最大值，葉分配比例呈現(xiàn)先減小后增大，在中度遮陰時達到最小值，莖分配比例呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明輕度遮陰對葎草的生長無抑制作用，且在該環(huán)境能夠下生長良好；而中度、重度遮陰環(huán)境下生長欠佳，葎草生物量的積累受到抑制。隨著遮陰度增加，葎草會根據(jù)生物量來控制葉與莖之間的配比平衡，表明葎草具有極強的應對遮陰脅迫的生長策略。本研究只對遮陰作用下結(jié)構(gòu)形成和生長策略進行了比較分析，植物對遮陰的生理響應能力及反映速度是決定其抗性的關鍵，關于葎草對遮陰脅迫響應的具體機理及應對策略有待進一步深入研究。

4 結(jié)論

葎草具有在遮陰脅迫下進行構(gòu)件性狀及生物量分配的自我調(diào)節(jié)能力，當光照在生理適應范圍內(nèi)降低時，雌株增加葉面積來增加光合面積，以適應弱光環(huán)境，雄株則因為遮陰度增加減少了葉面積的生長，以縮小體形應對遮陰脅迫。葎草通過控制總?cè)~面積和降低根莖葉生物量分配比來達到降低地上部分、減少水分散失和適應遮陰脅迫的目的。雌雄個體能依據(jù)遮陰變化，協(xié)調(diào)的調(diào)整構(gòu)件形成和改變生長策略，順利完成營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變，為生殖生長、種子形成及物種延續(xù)奠定基礎。