營養(yǎng)生長期葎草對(duì)干旱脅迫應(yīng)對(duì)機(jī)理的性別差異分析

摘要：通過設(shè)置4個(gè)水分梯度，對(duì)營養(yǎng)生長期葎草[Humulus scandens （Lour.）Merr.]進(jìn)行干旱脅迫處理后，測定其雌、雄單株總含水量及根、莖、葉的水分分配比例，分析雌、雄單株葉片中過氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）、葉綠素、可溶性糖、脯氨酸等物質(zhì)含量的差異。結(jié)果表明，雄株的總含水量及根、莖、葉的含水量均顯著低于雌株，雄株將更多水分分配到葉片以應(yīng)對(duì)脅迫；干旱脅迫顯著降低了根冠比，但性別間差異很??；在輕、中度干旱脅迫時(shí)，雄株的POD活性、MDA含量、葉綠素與可溶性糖含量均大于雌株，在重度干旱脅迫時(shí)雄株的MDA含量、葉綠素與可溶性糖含量小于雌株；雄株的游離脯氨酸含量在各水平干旱脅迫下均大于雌株。干旱脅迫強(qiáng)度對(duì)雌、雄株水分分配比例與生理生化指標(biāo)均有顯著影響。雄株對(duì)干旱脅迫較雌株更敏感，雌株的抗旱潛力較大。

關(guān)鍵詞：葎草[Humulus scandens （Lour.）Merr.]；雌雄異株；營養(yǎng)生長；干旱脅迫；抗旱性

中圖分類號(hào)：S545 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）13-3078-05

葎草[Humulus scandens（Lour.）Merr.]為桑科葎草屬雌雄異株植物，一年生或多年生草本，常生于溝邊、路旁、荒地，形成單優(yōu)勢(shì)群落?？勺鳛轷r嫩飼草、青貯飼料、干貯飼草及中草藥飼料添加劑等加以利用[1]。對(duì)畜禽飼喂試驗(yàn)表明，葎草可明顯提高動(dòng)物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，調(diào)節(jié)其營養(yǎng)平衡，增強(qiáng)其消化吸收機(jī)能[2]，降低其腹瀉等病害的發(fā)生幾率[3]。葎草全草含多種化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、生物活性激素類物質(zhì)及促生長因子等成分[4]，具有清熱解毒、利尿消腫、抗菌消炎、健胃抑菌、抑制病毒等功能[5]。葎草生性強(qiáng)健，自然繁衍能力極強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，生長迅速，蔓延覆蓋能力強(qiáng)，是保土固土能力特強(qiáng)的水土保持藤本植物，在巖石邊坡綠化中具有極大的應(yīng)用潛力[6]。同時(shí)，野生葎草是農(nóng)田和園林綠化的重要雜草，加強(qiáng)對(duì)野生葎草資源研究，探討其生長、生理、生態(tài)特點(diǎn)，對(duì)野生雜草資源“變廢為寶”的深入開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于雌雄性別的分株表達(dá)，雌雄異株植物在環(huán)境脅迫下維持種群穩(wěn)定性的能力比其他植物更加薄弱，環(huán)境脅迫對(duì)雌株和雄株的光合作用能力、生物量分配、水分利用效率以及凋落物的降解等方面的影響是研究的熱點(diǎn)問題[7]。近年來，對(duì)雌雄異株喬、灌木的研究報(bào)道遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于草本。對(duì)喬、灌木的研究結(jié)果表明，環(huán)境脅迫對(duì)雌雄個(gè)體的生理、生態(tài)和生化的影響，引起性別間在生長、形態(tài)、生殖、分布以及抗逆性等方面表現(xiàn)出明顯的差異[8]，從而引起其種群性比組成逐漸失衡，種群繁殖能力下降，最終導(dǎo)致種群所在的生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。目前，關(guān)于葎草的研究主要集中在營養(yǎng)成分、藥物成分及飼喂效果評(píng)價(jià)方面[4，9，10]，關(guān)于葎草對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)的性別差異鮮見報(bào)道。筆者對(duì)野生葎草種群的雌雄株形態(tài)、性比、生殖投入、種子活性等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[11-13]，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對(duì)雌雄葎草營養(yǎng)生長持續(xù)期及各構(gòu)件的表觀性狀有顯著影響（另文報(bào)道）。本研究通過在4個(gè)干旱脅迫梯度下，測定雌雄葎草根、莖、葉等構(gòu)件的水分含量及分配比例的變化，分析雌、雄株在干旱脅迫下葉片中POD、MDA、葉綠素、可溶性糖、脯氨酸等生理生化指標(biāo)的差異，研究雌、雄株對(duì)干旱脅迫響應(yīng)的性別差異，探討營養(yǎng)生長期葎草對(duì)干旱脅迫的應(yīng)對(duì)機(jī)理，以期為雌雄異株植物資源保護(hù)利用、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

葎草為當(dāng)?shù)夭杉囊吧N子。采用高34 cm、口徑50 cm塑料花盆，河沙∶腐殖土按1∶1作為基質(zhì)。于2010年3月進(jìn)行播種，出苗后，按3株/盆均勻分布定苗，在25 ℃左右的室內(nèi)培養(yǎng)。5～6對(duì)真葉時(shí)，設(shè)4個(gè)土壤干旱脅迫處理，即每隔5 d澆透水1次（CK）、每隔8 d澆透水1次（MS）、每隔11 d澆透水1次（S）、每隔14 d澆透水1次（RS）。每處理設(shè)置10個(gè)重復(fù)。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

水分分配比例：花序出現(xiàn)后，隨機(jī)選取雌雄株各3株，把葉、莖、根分離，清洗后用吸水紙吸干水分，分別稱鮮重，在105 ℃下烘至恒重后稱干重。水分比例=（鮮重-干重）/單株總含水量×100%。單株總含水量為雌雄單株各構(gòu)件鮮重之和減去各構(gòu)件干重之和的差值。根冠比=根系干重/（莖干重+葉干重）。

生理生化參數(shù)[14，15]：花序出現(xiàn)后，選取雌、雄株成熟葉片測定下列參數(shù)。丙二醛（MDA）及可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸比色法測定；葉綠素含量采用丙酮法測定；游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測定；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SAS 9.1軟件進(jìn)行有重復(fù)觀察值的交叉分組資料的方差分析（程序名：T4-2-2），進(jìn)一步采用SNK法（Student-Newman-Keuls test）兩兩比較（Pairwise comparison）。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水量的性別差異

在干旱脅迫下，葎草單株總含水量和根、莖、葉等構(gòu)件含水量表現(xiàn)出極顯著差異（P<0.01）（表1）。雙因子方差分析表明干旱水平間葎草的含水量有極顯著差異；雌雄性別間單株總含水量和各構(gòu)件含水量間有顯著差異（P<0.05）；同時(shí)干旱與性別互作對(duì)葎草單株總含水量有極顯著影響。由F值可知，性別間含水量差異為單株>莖>根>葉。由表2可見，性別間根、莖、葉含水量及單株總含水量有顯著差異（P<0.05）；隨干旱脅迫加重，雌、雄株的含水量均顯著下降（P<0.05），雄株對(duì)干旱脅迫的敏感度高于雌株。

2.2 水分分配比例的性別差異

干旱脅迫對(duì)葎草根、莖、葉的水分分配比例均有極顯著影響（P<0.01）（表3）。方差分析表明，在干旱水平間、性別間及互作時(shí)，根、莖、葉的水分分配比例均有極顯著差異（P<0.01）。在干旱脅迫下，分配于根的水分比例差別最小，莖次之，葉最大，表明葎草主要通過改變莖、葉水分分配比例來應(yīng)對(duì)干旱脅迫。

進(jìn)一步比較說明，在干旱脅迫下，雌株和雄株根、莖、葉水分分配比例均有顯著差異（P<0.05）（表4）。在MS、S干旱脅迫下，雄株與雌株相比，將較多的水分分配給葉應(yīng)對(duì)干旱脅迫；在RS干旱脅迫下，雄株與雌株相比，將較多的水分分配給莖、根。雖然干旱脅迫越重，葎草將越大比例的水分分配給莖、葉，但在重度干旱脅迫（RS）下，植株總含水量不足CK的1/5，根的水分吸收受阻，表明莖、葉水分比例高只是脅迫滯后的表現(xiàn)，并非主動(dòng)分配的結(jié)果。

2.3 根冠比的性別差異

由表3可知，干旱脅迫對(duì)葎草的根冠比有極顯著影響（P<0.01），但性別間與互作時(shí)無顯著差異。由表4可見，同一水平干旱脅迫下，雌、雄株根冠比無明顯差異，在MS干旱脅迫下，首先根系生長更新受影響，根冠比明顯降低；在S干旱脅迫下，莖葉生長受到脅迫的影響，根冠比有所上升；在RS干旱脅迫下，根系比莖葉受脅迫影響更大，雌雄株根冠比均較CK降低了24%。

2.4 POD活性與MDA含量的性別差異

方差分析結(jié)果（表5）表明，總處理間葎草葉片中POD活性無顯著差異（P>0.05），干旱水平間葎草葉片POD活性有顯著差異（P<0.05）；不同性別間及互作時(shí)差異較小。由表6可知，葉片POD活性在MS與S干旱脅迫下隨脅迫加重而增加，但在RS干旱脅迫下有所下降。在S干旱脅迫下葉片POD活性顯著高于CK（P<0.05），MS、RS干旱脅迫下的POD活性與S干旱脅迫及CK相比均無顯著差異。性別對(duì)葎草葉片POD活性無顯著影響，但在各水平脅迫下雄株的POD活性均大于雌株。

同時(shí)，總處理間及干旱水平間葎草葉片MDA含量存在極顯著差異（P<0.01）；不同性別間及互作時(shí)則差異較小（表5）。隨干旱脅迫加重，雌、雄株葉片的MDA含量均顯著增加。性別對(duì)葎草葉片MDA含量無顯著影響，但在MS、S干旱脅迫下雄株葉片MDA含量高于雌株，而在RS干旱脅迫下雄株葉片MDA含量低于雌株（表6），說明雄株對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)早于雌株，但嚴(yán)重干旱對(duì)雄株葉片細(xì)胞膜的傷害小于雌株。

2.5 葉綠素與可溶性糖含量的性別差異

由表5可知，總處理間對(duì)葎草葉片中葉綠素與可溶性糖含量均有極顯著影響，葉綠素與可溶性糖含量在干旱水平間存在極顯著差異（P<0.01），在性別間無差異，在互作時(shí)可溶性糖含量存在極顯著差異。由表6可知，在MS、S干旱脅迫下，葎草葉片中葉綠素與可溶性糖含量均顯著增加（P<0.05），且雄株含量高于雌株。在RS干旱脅迫下，雌、雄株的葉綠素含量均下降，雄株比雌株下降幅度大；雌、雄株可溶性糖含量有所增加，與S干旱脅迫下相比差異不顯著，但雄株含量低于雌株。

2.6 游離脯氨酸含量的性別差異

由表5可知，葎草葉片游離脯氨酸含量在總處理間、干旱水平間、性別間、互作時(shí)均有極顯著差異（P<0.01）。由表6可知，隨干旱脅迫加重，葉片中游離脯氨酸含量顯著上升，RS干旱脅迫下的游離脯氨酸含量比CK增加了190%左右。在MS干旱脅迫下，雄株游離脯氨酸含量大于雌株；在 S干旱脅迫下，雄株游離脯氨酸含量比雌株高近20%；在RS干旱脅迫下雌雄株間差異縮小。

3 小結(jié)與討論

有人認(rèn)為雌、雄異株現(xiàn)象是植物適應(yīng)不良生存條件的一種進(jìn)化方式[16]，雌、雄株對(duì)脅迫環(huán)境的響應(yīng)速度與應(yīng)對(duì)能力直接關(guān)系種群性比、適應(yīng)度及種群發(fā)展趨勢(shì)。受生長條件和物種特性等方面的影響，不同雌、雄異株植物的雌、雄個(gè)體對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)不盡相同[17，18]。但往往雌株在脅迫環(huán)境下占有優(yōu)勢(shì)[19，20]。本研究中葎草雄株對(duì)水分敏感，抗旱性低于雌株，符合上述觀點(diǎn)。理論上種群的性比應(yīng)該等于或接近1∶1，野生葎草種群調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雄株占種群的0.00%～46.15%[21]，生境越惡劣雄株比例越低，說明雄株對(duì)環(huán)境脅迫敏感或應(yīng)對(duì)能力低于雌株。本試驗(yàn)僅對(duì)干旱脅迫進(jìn)行了研究，在自然環(huán)境中，水、肥、氣、熱、光照、病蟲害等單一或協(xié)同脅迫遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于試驗(yàn)設(shè)計(jì)，野生種群中能順利完成營養(yǎng)生長植株的比例僅為5%～15%，引起種群自疏的主要原因是出苗期、幼苗期遭遇的環(huán)境脅迫。葎草對(duì)復(fù)雜而持久環(huán)境脅迫應(yīng)對(duì)能力的性別差異，累積表現(xiàn)為種群的性比結(jié)構(gòu)失衡，野生種群的雄株數(shù)量少于雌株，在極端生境下僅存留有雌株。室內(nèi)試驗(yàn)與野生種群調(diào)查結(jié)果一致說明雄株比雌株對(duì)環(huán)境脅迫更敏感。

雖然對(duì)不同雌、雄異株植株對(duì)干旱脅迫響應(yīng)機(jī)理研究結(jié)果差異較大，有的認(rèn)為雌株的水分利用效率、抗旱性高于雄株[22]，有的則相反[23，24]，但對(duì)雌、雄個(gè)體對(duì)環(huán)境脅迫研究總結(jié)了相對(duì)科學(xué)的系列方法。通常通過氣孔導(dǎo)度、水分蒸發(fā)、蒸騰速率、凈碳積累量、葉內(nèi)CO2濃度、碳同位素甄別率、凈光合速率等參數(shù)，分析雌、雄株的水分利用策略；通過株高、干物質(zhì)積累、根冠比、比葉面積等參數(shù)分析雌、雄株對(duì)環(huán)境脅迫的生存策略；通過MDA含量、POD活性、葉綠素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量等生理生化參數(shù)分析雌、雄株對(duì)環(huán)境脅迫的應(yīng)對(duì)機(jī)理。本研究通過對(duì)不同干旱脅迫下葎草雌、雄株的水分利用性別差異進(jìn)行分析，結(jié)果雄株的總含水量及根莖葉的含水量均顯著低于雌株，并且在干旱脅迫下將更多水分分配到葉片，說明在干旱脅迫下，雄株沒有保守的水分利用策略（即高效利用水的策略），而是通過消耗大量水分來促進(jìn)生長，盡快完成營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化（RS干旱脅迫下為45 d左右，CK為95 d左右）。葎草性別間根冠比差異較小，但雄株單株葉總面積，莖分支、長度與莖體積，根長與根體積及生物量等性狀指標(biāo)顯著低于雌株（另文報(bào)道），雄株采用縮小體型應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的生存策略。輕、中度干旱脅迫時(shí)，雄株的POD活性、MDA含量、游離脯氨酸含量、葉綠素與可溶性糖含量均大于雌株，而在重度干旱脅迫下雄株的MDA、葉綠素與可溶性糖含量小于雌株，說明雄株對(duì)干旱脅迫響應(yīng)早于雌株，但抗旱潛力低于雌株。

營養(yǎng)生長期葎草雌、雄個(gè)體在外觀形態(tài)上很難區(qū)別，不同生境下其營養(yǎng)生長期長短差異很大，生境良好的種群出苗當(dāng)年只進(jìn)行擴(kuò)展空間的營養(yǎng)生長；不良生境的種群營養(yǎng)生長期很短，而生殖生長持續(xù)150 d左右[12]，并且種群中匍匐莖交織，很難明確區(qū)分出完整的雌、雄單株來。在盆栽下進(jìn)行試驗(yàn)，目的是為了調(diào)控生境與便于理順單株的匍匐莖，以便更好地把控營養(yǎng)生長期的終點(diǎn)和參數(shù)的測定。但盆栽使葎草遭遇了土層厚度與地下空間帶來的脅迫，致使CK處理的株型、生物量結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)生長持續(xù)期等性狀與野生種群存在一定的差異。但在同樣規(guī)格的盆中試驗(yàn)，可以忽略水分之外其他因素帶來的影響。本研究僅僅說明在葎草營養(yǎng)生長期雌、雄株對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)理存在著性別差異。營養(yǎng)生長是生殖生長的基礎(chǔ)，干旱脅迫對(duì)葎草營養(yǎng)生長期植株含水量及水分分配的影響，實(shí)質(zhì)是其體內(nèi)結(jié)構(gòu)物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、生理活性物質(zhì)組成與含量差異的外在表現(xiàn)，必然對(duì)雌雄葎草生殖生長持續(xù)期、生殖投入與收益、種子活性、種群結(jié)構(gòu)及擴(kuò)散等產(chǎn)生影響，由此帶來的相關(guān)問題，有待于進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫躍春，徐彤寶，王艷珍. 葎草的綜合開發(fā)利用[J].中國林副特產(chǎn)，2003（3）：57.

[2] 王桃云，馬紅昌，劉江穎. 葎草葉蛋白提取工藝的優(yōu)化[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，22（1）：59-64.

[3] 高振華，何瑞國，李 英，等. 葎草飼喂獺兔效果研究[J].草業(yè)科學(xué)，2005，22（3）：72-74.

[4] 李守陽，任相泉. 葎草飼喂畜禽[J].中國畜牧獸醫(yī)，2003，30（6）：48-49.

[5] 江蘇新醫(yī)學(xué)院.中藥大辭典[M].上海：上海人民出版社，1977. 231.

[6] 孫平陽，王延平.黃土殘塬區(qū)荒坡地林草優(yōu)化組合治理模式研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2004，13（4）：124-129.

[7] 胥 曉，楊 帆，尹春英，等.雌雄異株植物對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)的性別差異研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（11）：2626-2631.

[8] 尹春英，李春陽.雌雄異株植物與性別比例有關(guān)的性別差異研究現(xiàn)狀與展望[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2007，13（3）：419-425.

[9] 張 劫，張 鯤，劉湘桂，等.葎草的形態(tài)組織鑒定[J].中藥材，1998，21（12）：605-609.

[10] 雷青娟，刁治民，張正國，等.葎草的開發(fā)利用及防治對(duì)策的研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2005，11（7）：68-69.

[11] 劉金平，王 艷.南充地區(qū)野生葎草構(gòu)件性狀多樣性分析[J].草業(yè)科學(xué)，2009，26（8）：68-71.

[12] 劉金平，康軍利.野生葎草種群有性生殖投入與收益差異性分析[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，23（3）：872-875.

[13] 劉金平，歐陽梅.成熟度與貯藏期對(duì)野生葎草種子發(fā)芽力的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，38（4）：1817-1818.

[14] 趙世杰，許長成，鄒 琦，等.植物組織中丙二醛測定方法的改進(jìn)[J].植物生理學(xué)通訊，1994，30（3）：207-210.

[15] 鄒 琦.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[16] BARRETT S C H. Gender variation in Vurmbea dioica（Liliaceae） and the evolutinonary analysis[J].Journal of Evolutinonary Biology，1992，5（3）：423-444.

[17] CORREIA1 O， BARRADAS M C D. Ecophysiological differences between male and female plants of Pistacialentiscus L[J]. Plant Ecology，2000，149（2）：131-142.

[18] DAWSON T E， EHLERINGER J R. Gender specific physiology， carbon isotope discrimination， and habitat distribution in boxelder Acer negundo[J]. Ecology，1993，74（3）：798-815.

[19] SILVERTOWN J，CHARLESWORTH D.簡明植物種群生物學(xué)[M].第四版.李 博，譯.北京：高等教育出版社，2003.219.

[20] 賀竹梅，寸守銑.植物實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1993，6（2）：104-110.

[21] 劉金平，吳 蕾.野生葎草開花習(xí)性及影響開花生態(tài)因子分析[J].草業(yè)與畜牧，2009（11）：6-8.

[22] WARD J K， DAWSON T E， EHLERINGER J R. Responses of Acer negundo genders to interannual differences in water availability determined from carbon isotope ratios of tree ring cellulose[J]. Tree Physiology， 2002，22（5）：339-346.

[23] FREEMAN D C， MCARTHUR B D. A comparison of twig water stress between males and females of six species of desert shrubs [J]. Forest Science，1982，28（2）：304-308.

[24] LI C Y， REN J， LUO J X， et al. Sex specific physiological and growth responses to water stress in Hippophaerham noides L. populations[J]. Acta Physiologiae Plantarum，2004， 26（2）：123-129.