落葉松不同根序細(xì)根可溶性糖和淀粉濃度的差異和季節(jié)動(dòng)態(tài)

杜夢(mèng)甜 王博一 李京航 趙銘遠(yuǎn) 王秀偉

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

碳水化合物是植物光合作用的主要產(chǎn)物，按構(gòu)成結(jié)構(gòu)分為兩種形式，即結(jié)構(gòu)性碳水化合物（structural carbohydrates，簡稱SC，如木質(zhì)素和纖維素）和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（Non-structural carbo?hydrate，簡稱NSC），主要包括淀粉與可溶性糖。其中，NSC 是植物光合作用與生長利用之間主要的中間貯存物，在植物的生長和代謝過程中起著十分重要的作用，同時(shí)也是短期的代謝活動(dòng)庫［1］。可溶性糖是植物運(yùn)輸和利用碳水化合物的主要形式，淀粉則是主要的貯存物質(zhì)［2］。NSC在植株體內(nèi)的代謝影響著植株的生長及對(duì)環(huán)境的響應(yīng)［3］。關(guān)于植物NSC 的研究多關(guān)注于地上部分，如葉片［4］、幼苗［5］等，且集中在干旱脅迫、環(huán)境脅迫等條件的變化［5～7］。但是關(guān)于根系NSC的研究相對(duì)較少。

植物根系既有固定樹木的作用，也有吸收養(yǎng)分，運(yùn)輸碳水化合物和貯存營養(yǎng)的功能［8］，是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫和養(yǎng)分庫，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、養(yǎng)分平衡和能量流動(dòng)等起著重要作用［9］。木本植物根系具有復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)，細(xì)根通常是指植物根系中直徑≤2 mm 的部分，它是植物吸收、儲(chǔ)存、運(yùn)輸養(yǎng)分和水分的主要器官［10］。細(xì)根動(dòng)態(tài)受環(huán)境脅迫影響，同時(shí)也反映了環(huán)境的變化情況和樹木或生態(tài)系統(tǒng)的生長狀況［11］。因此，在研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳流動(dòng)時(shí)，植物細(xì)根的研究是不可忽視的一部分［12］。近些年的研究多把植物細(xì)根根系當(dāng)成一個(gè)均質(zhì)系統(tǒng)，即認(rèn)為細(xì)根的結(jié)構(gòu)和生理功能基本相同［9］。但近來研究表明，根系由不同的等枝分級(jí)［13～14］，細(xì)根系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能存在異質(zhì)性［13］。

興安落葉松（Larix gmelinii）屬喬木，是我國北方的主要造林樹種，木材蓄積豐富，也是大興安嶺地區(qū)荒山造林和森林更新的主要樹種［15～16］。本研究以三級(jí)根為標(biāo)準(zhǔn)，將落葉松細(xì)根進(jìn)行分級(jí)，測定各根序可溶性糖和淀粉含量，研究根序之間的異質(zhì)性和季節(jié)動(dòng)態(tài)。旨在揭示落葉松根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的季節(jié)變化規(guī)律特征，為了更準(zhǔn)確地估測落葉松生態(tài)系統(tǒng)的地下過程提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

實(shí)驗(yàn)地位于黑龍江省帽兒山實(shí)驗(yàn)林場（127°34′E，45°20′N），平均海拔340 m，年平均氣溫2.7℃，夏季氣溫高，秋季氣溫略高于春季。受歐亞大陸季風(fēng)氣候影響，屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均降水量600～800 mm，集中在7～8月份，雨熱同期。實(shí)驗(yàn)用地土壤類型為高山淋溶土，所選林分為樹齡43年興安落葉松人工林。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.2.1 樣品收集

在落葉松人工林內(nèi)，5～10月份隨機(jī)采樣，同一深度取1～5 級(jí)根樣，每個(gè)月份取3 組進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。所有樣品獲取后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，清洗后微波爐殺青90 s，以第三級(jí)根為標(biāo)準(zhǔn)分根，放入60℃恒溫箱中烘至恒重，研磨過100 目篩后備樣，以作可溶性糖和淀粉分析。

2.2.2 可溶性糖和淀粉的測定

分別采用苯酚—濃硫酸法測可溶性糖，酶解法測淀粉［15］。

2.2.2.1 可溶性糖標(biāo)準(zhǔn)液（GFG）的配置

稱取200 mg 苯甲酸溶解在100 mL 去離子水中。將分析純葡萄糖、果糖、半乳糖在60℃烘箱中烘干2 h，分別稱取100 mg 溶解于50 mL 去離子水中，混合搖勻后量取100 mL 與苯甲酸混合。冰箱冷藏保存。每次測可溶性糖含量前配制成濃度為0，50，100，150，200和250μg·mL-1的GFG標(biāo)準(zhǔn)液。

2.2.2.2 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液配制

將分析純葡萄糖在60℃烘箱中烘干2 h，稱取100 mg 溶解于100 mL 去離子水中，現(xiàn)用現(xiàn)配。每次測淀粉含量前配制成濃度為0，50，100，150 和200μg·mL-1的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液。

2.2.2.3 可溶性糖的提取與測定

稱取過篩后的樣品30 mg，加入80%乙醇后水浴加熱離心取上清液。將GFG標(biāo)準(zhǔn)液和上清液稀釋后加苯酚溶液與濃硫酸溶液，黑暗處理后490 nm測吸光值。根據(jù)GFG 的標(biāo)準(zhǔn)曲線即可求出可溶性糖含量。

2.2.2.4 淀粉的提取與測定

重復(fù)提取可溶性糖，將倒掉離心后的上清液的沉淀物放入60℃烘箱中烘干過夜。搗碎后加α-淀粉酶水浴離心，取部分上清加糖化酶水浴離心，得上清。將葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液和上清液稀釋后加葡萄糖氧化酶—銀聯(lián)茴香胺鹽酸鹽—過氧化物酶（PGO）溶液和75%硫酸，黑暗處理后490 nm 測吸光值。根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線即可求出淀粉含量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在WPS Office 2019和R 3.6.1系統(tǒng)下完成。采用雙因素方差分析（Two-way ANO?VA）和最小顯著差異法（LSD）分析根序間和月份間可溶性糖、淀粉的差異。繪圖采用Origin Pro 8.1完成。

3 結(jié)果與分析

月份、根序及其交互作用對(duì)落葉松1～5 級(jí)根可溶性糖含量差異影響顯著（P<0.001）。月份間落葉松根系淀粉含量差異顯著（P<0.001），不同根序間淀粉含量差異不顯著（P>0.05），月份與根序交互作用對(duì)淀粉含量有影響（P<0.05，見表1）。

表1 落葉松根系可溶性糖和淀粉濃度根序和月份間差異的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of effect of root orders and sampling time on soluble sugar and starch con‐centration in roots of L.gmelinii trees

3.1 落葉松1～5級(jí)根序可溶性糖與淀粉含量月份間的差異

如圖1所示，落葉松1～5 級(jí)根序間可溶性糖含量差異顯著，總體表現(xiàn)為高級(jí)根可溶性糖含量高于低級(jí)根可溶性糖含量，1～5級(jí)根可溶性糖含量變化 范 圍 分 別 為4.42%～14.90%，4.35%～16.40%，5.67%～19.70%，5.91%～33.10%，6.95%～37.80%。落葉松根系可溶性糖含量月份間也存在大幅度的變異，除10 月份，根序間可溶性糖含量差異顯著（P<0.05）均表現(xiàn)為高級(jí)根高于低級(jí)根，各級(jí)根的可溶性糖含量均表現(xiàn)為7 月份最高，9 月份最低。落葉松根序淀粉含量變化具有明顯的季節(jié)性（P<0.001），變化范圍為23.36%～48.65%，淀粉含量5月到7 月下降，隨后上升，8月份達(dá)到峰值，10 月份與5月差異不顯著。

3.2 落葉松各根序可溶性糖與淀粉含量相關(guān)關(guān)系

從圖2 可以看出，1 級(jí)根和2 級(jí)根中淀粉含量與可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)趨勢（P<0.05），3 級(jí)根、4 級(jí)根和5 級(jí)根雖然可溶性糖含量隨淀粉含量升高呈下降的趨勢，且隨著根序級(jí)別降低，淀粉含量升高，可溶性糖含量下降越明顯，但是未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。

4 討論

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是參與植物初級(jí)和次級(jí)新陳代謝的主要基質(zhì)，根系中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）維持其生理功能過程中起著重要的作用［16～17］。樹木細(xì)根為層級(jí)結(jié)構(gòu)，不同根序的細(xì)根不僅在形態(tài)和化學(xué)計(jì)量上有區(qū)別，并且在生理特征方面具有顯著差異［18］。本研究表明，根的碳水化合物代謝與根序有一定相關(guān)關(guān)系，根序間淀粉含量差異不顯著，在生長旺盛時(shí)期，低級(jí)根的可溶性糖含量低于高級(jí)根的可溶性含量，且1 級(jí)根和2級(jí)根淀粉含量與可溶性糖含量顯著負(fù)相關(guān)。其原因可能是根系是非通化器官，高級(jí)根的NSC 來源主要是來自光合產(chǎn)物分配，低級(jí)根的可溶性糖來源是由高級(jí)根逐級(jí)分配下來的［19］，雖然高級(jí)根相對(duì)低級(jí)根具有高度可溶性糖濃度，但是并沒有轉(zhuǎn)化為淀粉，而是逐級(jí)向下分配。在生長季早期由于根系的生長而被消耗，由于低級(jí)根生長、死亡和分解速率均大于高級(jí)根，壽命較高級(jí)根短［20］，是整個(gè)根系中最活躍的部分，呼吸速率較快，而根的呼吸和吸收養(yǎng)分消耗了大量非結(jié)構(gòu)性碳水化合物［21］，可溶性糖在這些根中被消耗。

根系中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）最重要的生理功能是為樹木養(yǎng)分和水分吸收提供能量，而且具有明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)［19］。本研究表明，落葉松1～5 根可溶性糖和淀粉含量均存在顯著的季節(jié)變化。進(jìn)入生長季以后，低級(jí)根的生長需要大量養(yǎng)分，葉片供給到低級(jí)根的糖分往往供不應(yīng)求，大量被前期積累的淀粉被分解和使用，所以表現(xiàn)出可溶性糖含量低于高級(jí)根，淀粉含量下降。植物整體的光合作用可作為根部可溶性糖的積累和動(dòng)態(tài)變化的參考條件［22］，隨著葉片的光合能力增強(qiáng)，可溶性糖作為統(tǒng)一的有機(jī)生命體中養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的主要形式，可溶性糖的增加，使得其轉(zhuǎn)化為淀粉。進(jìn)入生長季末期，根系的生理活動(dòng)降低，植株開始為越冬做準(zhǔn)備，已有研究表明在低溫脅迫條件下能夠通過調(diào)節(jié)樹木體內(nèi)可溶性糖與淀粉濃度比值以適應(yīng)環(huán)境變化，較低的比值更利于樹木應(yīng)對(duì)寒冷脅迫［23］。根的可溶性糖含量下降，并且根序間的可溶性糖含量變得差異不顯著。

本文分析了落葉松1～5 級(jí)細(xì)根中可溶性糖和淀粉含量的差異和季節(jié)變化趨勢，結(jié)果表明了細(xì)根系統(tǒng)內(nèi)不同級(jí)別根序的可溶性糖與淀粉含量存在著有一定規(guī)律的差異，即低級(jí)根可溶性糖含量低于高級(jí)根，1，2級(jí)根淀粉含量與可溶性糖含量呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，推測這可能和不同根序的功能異質(zhì)性有關(guān)，但是根系中可溶性糖和淀粉的轉(zhuǎn)化機(jī)理及環(huán)境因子的具體影響還有待深入研究。