天然草地植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)的化學(xué)組成及其對(duì)自由放牧的響應(yīng)

李曉婷，趙曉，王登科，黃蕾，姚露花，王黨軍，和玉吉，郭彥軍

(西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶400716)

天然草地是放牧家畜賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙的生態(tài)屏障。然而，土地利用方式的變化和放牧強(qiáng)度的增加等均可導(dǎo)致草地土壤退化,使草原生產(chǎn)力下降[1-2]。圍欄封育是恢復(fù)退化草地常見(jiàn)的草原管理措施，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)北方地區(qū)[3-4]。圍欄封育可以增加土壤有機(jī)碳和氮含量，提高草原生產(chǎn)力[5-6]。Mavromihalis等[7]研究報(bào)道，在溫帶多年生草原，每年外來(lái)物種的覆蓋率隨著圍欄封育持續(xù)時(shí)間的增加而下降，而原生、放牧敏感性和多年生草本覆蓋率則有所增加。薛艷林等[8]報(bào)道，隨著放牧強(qiáng)度的增加，冷蒿(Artemisiafrigida)的生殖分枝減少或消失，葉片表皮紋飾的隆起增加。與圍欄封育的草地相比，長(zhǎng)期放牧的草地上，羊草(Leymuschinensis)植株變小[9]。Schiborra 等[10]研究報(bào)道持續(xù)放牧使部分植物葉片總面積顯著減少，但當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)植物羊草和克氏針茅(Stipakrylovii)葉片總面積增加。這些研究表明，長(zhǎng)期的過(guò)度放牧?xí)淖冎参锒鄻有院椭参镄螒B(tài)。因此，了解植物對(duì)放牧的響應(yīng)機(jī)制將有助于預(yù)測(cè)圍欄封育草地其物種組成的變化，并可為改善放牧管理制度提供理論依據(jù)[11]。

植物角質(zhì)層蠟質(zhì)覆蓋在葉片表面，主要由長(zhǎng)鏈脂肪酸及其衍生物組成，如烷類、醇類、醛類、酯類及三萜類物質(zhì)等[12]。這些疏水化合物被認(rèn)為與防止葉片表面水分損失有關(guān)[13]。如，干旱脅迫提高了擬南芥(Arabidopsisthaliana)中的烷烴水平、降低了角質(zhì)層通透性，有助于植物適應(yīng)水分脅迫環(huán)境[14]。大麥(Hordeumvulgare)中大量的表皮蠟質(zhì)層增加了對(duì)干旱的耐受性，提高了產(chǎn)量[15]。環(huán)境溫度、濕度、季節(jié)不同，也將影響植物角質(zhì)層蠟質(zhì)的沉積和組分變化[16-18]。此外，烷烴碳鏈長(zhǎng)度也因環(huán)境因子的變化而發(fā)生變化[19]。與其他非形態(tài)學(xué)指標(biāo)相比，正烷烴分布的變化被認(rèn)為是描述植物對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的一種有用分類指標(biāo)[20]。在低海拔地區(qū)，夏季存在溫度高、生態(tài)干旱等環(huán)境脅迫，使得植物中烷烴碳鏈長(zhǎng)度降低，并伴隨角質(zhì)層滲透性的降低[21]。姚露花等[22]發(fā)現(xiàn)采集于不同海拔的草地早熟禾(Poapratensis)，其葉表皮蠟質(zhì)組分存在差異，即隨著海拔降低，初級(jí)醇比例減少，烷烴比例增加。與連續(xù)放牧的草原相比，圍欄封育草原具有相對(duì)較高的植物覆蓋率、產(chǎn)量和土壤水分[23-24]，這種差異可能影響植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)的含量和化學(xué)組成。然而，草原植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)對(duì)過(guò)度放牧有何響應(yīng)，目前尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。

羊草、克氏針茅和糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)是我國(guó)北方溫帶草原廣泛分布的天然多年生牧草[25-26]。迄今為止，有關(guān)這些植物性狀的研究主要集中在芽和根生長(zhǎng)、繁殖或營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)及補(bǔ)償性生長(zhǎng)等方面[25,27-29]，尚無(wú)有關(guān)葉角質(zhì)層蠟質(zhì)分析方面的報(bào)道。在本研究中，選擇草甸草原和典型草原兩種草原類型，自由放牧和圍欄封育兩種利用方式，分析了羊草、克氏針茅和糙隱子草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)的特征變化，包括蠟質(zhì)總量、組分相對(duì)含量及碳鏈分布特征。旨在通過(guò)分析3種優(yōu)勢(shì)物種葉角質(zhì)層蠟質(zhì)特征及其對(duì)長(zhǎng)期自由放牧的響應(yīng)，為合理利用和管理草原提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇及概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古錫林浩特市錫林河流域的溫帶草原，地理坐標(biāo)為北緯43°50′，東經(jīng)116°10′，平均海拔1077 m。樣地以低山和丘陵為主。年平均降水量為350 mm，年平均氣溫為1.7 ℃。由于長(zhǎng)期的過(guò)度放牧，錫林河流域的草原已經(jīng)嚴(yán)重退化，截至1999年，退化草原面積已達(dá)到72%[30]。從2001年起，政府實(shí)施了一系列保護(hù)草原和管理草原的政策，將退化的草原進(jìn)行圍欄封育以防在生長(zhǎng)季節(jié)過(guò)度放牧(4-9月)。土壤類型主要以栗鈣土為主，土壤質(zhì)地為沙壤土。草原類型為溫性草甸草原和典型草原，草地植物主要包括：羊草、克氏針茅、糙隱子草、冷蒿(Artemisiafrigida)、米氏冰草(Agropyronmichnoi)、黃囊苔草(Carexkorshinskyi)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、 野蔥(Alliumchrysanthum)(表1)。

1.2 樣品采集及處理

2015年7月，在草甸草原(43.27° N, 116.38° E)和典型草原(44.03° N, 116.15° E)，分別選擇圍欄封育樣地和自由放牧樣地，其中草甸草原區(qū)圍欄封育樣地自2004年起開(kāi)始圍封，典型草原區(qū)自2002年起開(kāi)始圍封。圍封草地主要用作打草場(chǎng)；自由放牧樣地緊鄰封育樣地，為未受保護(hù)的公共放牧草地。每樣地設(shè)置3個(gè)采樣區(qū)(400 m2)，作為3次重復(fù)。采樣時(shí)，考慮到圍欄周邊家畜踐踏嚴(yán)重，自由放牧樣地采樣區(qū)距圍欄50 m之外。每個(gè)采樣區(qū)，選擇健康、葉片完全展開(kāi)且生育期一致的糙隱子草、克氏針茅和羊草植株，自植株頂端選擇第3至第5葉位葉片。每種植物每采樣區(qū)采集20～30片葉(15～20株)，然后用清水將表面沖洗干凈，置于吸水紙保存。吸水紙每隔2～3 d更換一次，直至葉片充分干燥。

表1 圍封草地和自由放牧草地植被類型Table 1 Relative coverage of plant species in ungrazed (UG) and continuously grazed (CG) steppes (%)

1.3 葉表皮蠟質(zhì)的提取

取大約5～8片干葉片，分段剪碎，室溫條件下在含5 μg內(nèi)標(biāo)(24烷)的氯仿(5 mL)溶液渦旋浸提2次，每次30 s。提取液混合后于40 ℃下氮?dú)獯蹈?，加?0 μL BSTFA[N,O-Bis(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺]和20 μL吡啶，于70 ℃反應(yīng)45 min，多余衍生劑利用氮吹儀再次吹干。將所得提取物溶于1 mL氯仿，進(jìn)行氣相色譜(福立9790Ⅱ 浙江)分析。葉片提蠟后，利用WinFOLIA專業(yè)葉片圖像分析系統(tǒng)(Regent Instrument Inc, Canada)和數(shù)字化掃描儀(EPSON V750, Japan)測(cè)定葉表面積。

1.4 氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析

蠟質(zhì)含量分析采用福立9790Ⅱ系列氣相色譜儀(GC)。氣相色譜儀程序：GC毛細(xì)管柱長(zhǎng)30 m，直徑0.32 mm，液膜厚度0.25 μm；氮?dú)庾鳛檩d氣；進(jìn)樣量為1.5 μL。柱膜和FID(火焰離子化檢測(cè)儀)檢測(cè)器的溫度分別為300和320 ℃。分流比為10∶3。程序升溫方式：初始溫度為80 ℃，以每分鐘15 ℃的速度升溫至260 ℃，并保持10 min，之后以每分鐘2 ℃升溫至290 ℃，保持1 min，再以每分鐘5 ℃ 的速度升溫至320 ℃，并保持10 min。用內(nèi)標(biāo)計(jì)算植物單位面積的蠟質(zhì)含量，單位為 μg·cm-2。利用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GCMS-AOC-5000 Plus)鑒定蠟質(zhì)組分，程序升溫方式同色譜分析。蠟質(zhì)量化基于FID峰值，根據(jù)質(zhì)譜所鑒定的標(biāo)準(zhǔn)確定色譜中各種化學(xué)成分的出峰位置，用內(nèi)標(biāo)計(jì)算出植物單位面積的實(shí)際蠟質(zhì)含量，單位為 μg·cm-2。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3個(gè)重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。采用SPSS (17.0)統(tǒng)計(jì)軟件，利用二因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了草地類型和草地利用方式及其二者的交互作用對(duì)植物角質(zhì)層蠟質(zhì)總量及蠟質(zhì)組分相對(duì)含量的影響。然后，利用單因素方差分析比較了不同處理間蠟質(zhì)總量、組分及鏈長(zhǎng)分布之間的差異，顯著水平為P<0.05(l.s.d,least significant difference)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草原類型3種植物角質(zhì)層蠟質(zhì)總量

圖1 草甸草原和典型草原糙隱子草、克氏針茅和羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量 Fig.1 Wax coverage in leaves of C. squarrosa, S. krylovii and L. chinensis in meadow steppe (MS) and typical steppe (TS) under un-grazing (UG) and continuous grazing (CG) conditions 數(shù)據(jù)柱上不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。 Different lowercase letters above the data bar represent significant difference at P<0.05 level. The same below.

3種植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總含量種間變異較大(圖1)。如糙隱子草蠟質(zhì)總含量為1.50～3.00 μg·cm-2，克氏針茅蠟質(zhì)總量為8～18 μg·cm-2，羊草蠟質(zhì)總量為17～30 μg·cm-2。草地類型顯著影響了糙隱子草蠟質(zhì)總量及其烷基酯的相對(duì)含量、克氏針茅烷烴相對(duì)含量及羊草次級(jí)醇和β-二酮相對(duì)含量(表2)。而草地利用方式顯著影響了糙隱子草脂肪酸相對(duì)含量、克氏針茅蠟質(zhì)總量、α-香樹(shù)脂醇和β-谷甾醇相對(duì)含量及羊草蠟質(zhì)總量和次級(jí)醇相對(duì)含量。在典型草原，糙隱子草和克氏針茅葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量均表現(xiàn)為自由放牧草地>圍封草地，差異顯著；而羊草與之相反。在草甸草原，糙隱子草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量表現(xiàn)為圍封草地(2.70 μg·cm-2)>放牧草地(2.41 μg·cm-2)，但差異不顯著；克氏針茅表現(xiàn)為放牧草地(17.20 μg·cm-2)>圍封草地(8.26 μg·cm-2)，差異顯著；羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量表現(xiàn)為圍封草地(24.87 μg·cm-2)>放牧草地(17.18 μg·cm-2)(P<0.05)，差異顯著。在圍欄封育條件下，糙隱子草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量表現(xiàn)為草甸草原(2.70 μg·cm-2)>典型草原(1.43 μg·cm-2)，差異顯著；克氏針茅和羊草變化趨勢(shì)與之相反，均表現(xiàn)為典型草原>草甸草原，且差異不顯著。在自由放牧狀態(tài)下，糙隱子草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量表現(xiàn)為草甸草原(2.41 μg·cm-2)>典型草原(2.29 μg·cm-2)，但差異不顯著；克氏針茅葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量表現(xiàn)為草甸草原(17.20 μg·cm-2)>典型草原(12.28 μg·cm-2)，差異顯著；羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)總量表現(xiàn)為典型草原(22.95 μg·cm-2)>草甸草原(17.18 μg·cm-2)，差異顯著。

2.2 三種植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)組分含量分析

3種植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)化學(xué)組分和相對(duì)含量均存在較大差異。在糙隱子草中，鑒定出6類蠟質(zhì)組分(圖2)，分別是脂肪酸、烷烴、醛類、初級(jí)醇、烷基酯和β-香樹(shù)脂醇，其中初級(jí)醇相對(duì)含量最高，約占47.50%，其次是醛類，約占26.56%。整體上，初級(jí)醇相對(duì)含量呈現(xiàn)放牧草地>圍封草地，典型草原>草甸草原。克氏針茅中鑒定出5類成分(圖3)，分別是脂肪酸、烷烴、初級(jí)醇、α-香樹(shù)脂醇以及β-谷甾醇，其中烷烴相對(duì)含量最高，約占54%，其次為初級(jí)醇，約占30.90%。烷烴相對(duì)含量表現(xiàn)為典型草原>草甸草原。在羊草中，鑒定出7類成分(圖4)，分別是脂肪酸、烷烴、次級(jí)醇、初級(jí)醇、β-谷甾醇、烷基間苯二酚和β-二酮，其中次級(jí)醇含量最高，約占53%，其次為β-二酮，約占41%。次級(jí)醇相對(duì)含量表現(xiàn)為圍封草地>放牧草地，典型草原>草甸草原。

表2 草地類型(草甸草原和典型草原)與草地利用方式(圍欄封育和自由放牧)影響植物角質(zhì)層蠟質(zhì)總量及組分的方差分析(F值)Table 2 ANOVA analysis of the main effects of steppe types (meadow steppe and typical steppe) and utilization (un-grazing and continuously grazing steppe) and their interactions on total waxcoverage and the abundance of wax compounds (F value)

*,P<0.05; **,P<0.01; ***,P<0.001.

圖2 草甸草原和典型草原糙隱子草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)組分相對(duì)含量Fig.2 Relative abundance of wax compound class in leaves of C. squarrosa in meadow steppe (MS) and typical steppe (TS) under un-grazing (UG) and continuous grazing (CG) conditions

圖3 草甸草原和典型草原克氏針茅葉角質(zhì)層蠟質(zhì)組分相對(duì)含量Fig.3 Relative abundance of wax compound class in S. krylovii in meadow steppe (MS) and typical steppe (TS) under un-grazing (UG) and continuous grazing (CG) conditions

圖4 草甸草原和典型草原羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)組分相對(duì)含量Fig.4 Relative abundance of wax compound class in leaves of L. chinensis in meadow steppe (MS) and typical steppe (TS) under un-grazing (UG) and continuous grazing (CG) conditions

2.2.1糙隱子草主要蠟質(zhì)組分碳鏈分布特征 糙隱子草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)中脂肪酸化合物以偶數(shù)碳C24、C26和C28脂肪酸同系物的形式存在，其中C26脂肪酸含量最高，占脂肪酸總含量的59.00%，且整體表現(xiàn)為放牧草地>圍封草地(圖5)。烷烴以奇數(shù)碳C25、C27和C29形式存在，其中C27烷所占比例最大(59.50%)，在典型草原表現(xiàn)為放牧草地大于圍封草地，而在草甸草原剛好相反。醛類和初級(jí)醇均以偶數(shù)碳C26～C32同系物形式存在，且均以C30同系物相對(duì)含量最高，其中初級(jí)醇C30占77.77%，醛類C30占65.70%。烷基酯類以偶數(shù)碳C40、C42和C44同系物形式存在，其中C42烷基酯類同系物相對(duì)含量最高，約占總烷基酯含量的57.80%。整體而言，在糙隱子草中，各蠟質(zhì)組分碳鏈分布遵循正態(tài)分布規(guī)律，且除烷類以奇數(shù)碳同系物占據(jù)優(yōu)勢(shì)外，其他4種成分(脂肪酸、醛類、初級(jí)醇和烷基酯)均為偶數(shù)碳同系物占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

2.2.2克氏針茅主要蠟質(zhì)組分碳鏈分布特征 克氏針茅葉角質(zhì)層蠟質(zhì)中脂肪酸以偶數(shù)碳C22～C32同系物的形式存在，其中C28同系物相對(duì)含量最高，約占28.60%。烷烴碳鏈長(zhǎng)度在C25～C33之間，具有明顯的碳奇數(shù)優(yōu)勢(shì)，其中C31的相對(duì)含量最高(81.80%)，且整體表現(xiàn)為放牧草地>圍封草地，草甸草原>典型草原的趨勢(shì)(圖6)。初級(jí)醇主要以偶數(shù)碳C24～C32同系物的形式存在，其中C28同系物相對(duì)含量最高，約占86.70%，且表現(xiàn)為草甸草原>典型草原、圍封草地>放牧草地的趨勢(shì)。

2.2.3羊草主要蠟質(zhì)組分碳鏈分布特征 羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)中脂肪酸化合物以偶數(shù)碳C20～C26同系物的形式存在，其中C24同系物相對(duì)含量較高，約占53.80%(圖7)。烷烴碳鏈長(zhǎng)度在C25～C33，其中C31相對(duì)含量最高(約占47.90%)。次級(jí)醇包括C29、C31和C33三種同系物，且每種同系物有兩種異構(gòu)體存在，-OH分別位于碳鏈第6和第7個(gè)碳上。次級(jí)醇C31占優(yōu)勢(shì)，且-OH位于第7個(gè)碳上的異構(gòu)體相對(duì)含量(86.90%)顯著高于第6個(gè)碳位上的(13.10%)。初級(jí)醇以偶數(shù)碳C22～C32同系物的形式存在，其中C28相對(duì)含量最高(約占42.60%)，且整體呈現(xiàn)典型草原>草甸草原的趨勢(shì)。烷基間苯二酚以C19、C21和C23同系物的形式存在，表現(xiàn)為奇數(shù)碳同系物優(yōu)勢(shì)，其中C19同系物相對(duì)含量最高，約占66.80%。β-二酮以C23、C25和C27同系物的形式存在，具有明顯的奇數(shù)碳優(yōu)勢(shì)，其中C25相對(duì)含量最高(約占51.20%)，其次為C27同系物(約占48.20%)。

圖5 草甸草原和典型草原糙隱子草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)各組分同系物相對(duì)含量Fig.5 Relative abundance of wax homologs in leaves of C. squarrosa in meadow steppe (MS) and typical steppe (TS) under un-grazing (UG) and continuous grazing (CG) conditions

圖6 草甸草原和典型草原克氏針茅葉角質(zhì)層蠟質(zhì)各組分同系物相對(duì)含量Fig.6 Relative abundance of wax homologs in leaves of S. krylovii in meadow steppe (MS) and typical steppe (TS) under un-grazing (UG) and continuous grazing (CG) conditions

圖7 草甸草原和典型草原羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)各組分同系物相對(duì)含量Fig.7 Relative abundance of wax homologs in leaves of L. chinensis in meadow steppe (MS) and typical steppe (TS) under un-grazing (UG) and continuous grazing (CG) conditions C29a，C31a和C33a指次級(jí)醇羥基(-OH)所在位置為碳鏈第6碳位上；C29b，C31b和C33b指次級(jí)醇羥基(-OH)所在位置為碳鏈第7碳位上。C29a, C31a and C33a represented secondary alcohols with -OH on carbon six; C29b, C31b and C33b represented secondary alcohols with -OH on carbon seven. tr：微量 Trace.

3 討論

植物物種不同，其所含的角質(zhì)層蠟質(zhì)組分及含量也不盡相同[31]。本研究中，發(fā)現(xiàn)糙隱子草、克氏針茅和羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)的主要組分和含量是不同的。蠟質(zhì)組分的差異說(shuō)明參與蠟質(zhì)合成的途徑也不同，其中烷合成途徑和醇合成途徑參與了所有植物的蠟質(zhì)合成，而β-二酮合成途徑參與了羊草蠟質(zhì)合成。除已經(jīng)報(bào)道的大麥、燕麥(Avenasativa)和小麥(Triticumaestivum)外[32-34]，羊草β-二酮成分的發(fā)現(xiàn)，可作為未來(lái)研究β-二酮合成途徑的新材料。在角質(zhì)層蠟質(zhì)總量上，品種間表現(xiàn)為羊草最高，其次為克氏針茅，糙隱子草最低。這幾種植物在天然草地均廣為分布，因此物種間單純利用角質(zhì)層蠟質(zhì)含量不能說(shuō)明哪種植物更抗逆。就具體某種植物而言，一般認(rèn)為蠟質(zhì)含量的增加與提高其抗旱性有關(guān)[32]。

盡管幾種植物生長(zhǎng)在相同的環(huán)境，他們主要蠟質(zhì)組分的相對(duì)含量也不同，其中羊草的次級(jí)醇含量最高(占總量的53%)，糙隱子草初級(jí)醇含量最高(47.50%)，而克氏針茅的烷烴含量最高(54%)。這說(shuō)明不同植物角質(zhì)層蠟質(zhì)中參與保護(hù)植物的蠟質(zhì)組分是不同的。Cameron等[35]報(bào)道，生長(zhǎng)在相同環(huán)境條件下的楊屬(Populus)和柳屬(Salix)，角質(zhì)層蠟質(zhì)的組成成分有很大的差異，并且調(diào)控蠟質(zhì)產(chǎn)生的過(guò)程在不同物種間也不一樣。Oliveira等[36]發(fā)現(xiàn)，Capparisyco可減少葉片蒸騰，這可能是因?yàn)槠淙~片蠟質(zhì)中含有的烷占優(yōu)勢(shì)，而Aspidospermaesperanzae對(duì)蒸騰作用抵抗力較低可能是因?yàn)槠淙~片蠟質(zhì)中16-三十一酮占主要優(yōu)勢(shì)。

角質(zhì)層蠟質(zhì)在提高植物對(duì)生物和非生物逆境的適應(yīng)性方面發(fā)揮著重要作用[13]。在本研究中，自由放牧引起的植物角質(zhì)層蠟質(zhì)含量變化與草原類型和物種有關(guān)。如羊草，在典型草原圍欄封育草地高于自由放牧草地，在草甸草原又是圍欄封育草地高于自由放牧草地。糙隱子草和克氏針茅也表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。引起這種差異的原因可能在于不同草地類型的土壤條件(特別是水分)及其物種優(yōu)勢(shì)所含的蠟質(zhì)組分不同。典型草原相對(duì)干旱，而草甸草原土壤濕度相對(duì)較高。圍欄封育后，土壤改善狀況不同[37]，使得植物的生理響應(yīng)也產(chǎn)生差異[38-39]，包括角質(zhì)層蠟質(zhì)的沉積。角質(zhì)層蠟質(zhì)的含量和組成的變化已被證明與植物適應(yīng)環(huán)境的變化有關(guān)[40]。如，紫外線B(280～315 nm)照射影響黃瓜(Cucumissativus)角質(zhì)層蠟質(zhì)中烷和初級(jí)醇的沉積[41]；干旱脅迫下燕麥葉角質(zhì)層中初級(jí)醇含量顯著高于對(duì)照組[42]；在干旱脅迫下生長(zhǎng)的苘麻(Abutilontheophrasti)其葉表皮蠟質(zhì)積累較濕潤(rùn)土壤生長(zhǎng)的植物有所增加[43]。此外，由于自由放牧草地上的植物大部分是再生植株，這些葉片要比圍欄封育草地上的植物葉片嫩，而葉片成熟度不同可能導(dǎo)致表層蠟質(zhì)含量和成分產(chǎn)生差異。Chachalis等[44]研究報(bào)道，與較老葉片上的疏水組分相比，幼嫩的Brunnichiaovata葉片蠟質(zhì)組成相對(duì)親水，其葉片蠟質(zhì)的親水性要更好。然而，盡管尚不能清晰得出幾種植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)在不同草原類型及草地利用方式下的變化規(guī)律，天然草地植物葉角質(zhì)層蠟質(zhì)對(duì)草地利用方式是敏感的，這種變化可能是植物適應(yīng)外界環(huán)境變化的適應(yīng)性策略。

植物角質(zhì)層蠟質(zhì)多數(shù)組分都是由不同碳鏈長(zhǎng)度的同系物組成，其中正構(gòu)烷烴的碳鏈分布模式已被作為分子標(biāo)記技術(shù)用于研究不同生長(zhǎng)環(huán)境條件下種群之間的物種內(nèi)變異[20，45]。本研究中，正構(gòu)烷烴的分布范圍在C25～C33之間，糙隱子草以C27烷為主峰碳，克氏針茅和羊草以C31烷為主峰碳，但是不同草地類型間無(wú)顯著差異。說(shuō)明錫林河流域典型草原與草甸草原的環(huán)境差異可能不足以引起被測(cè)植物物種的正烷烴分布變化。這可能與兩種草原之間常年相似的平均氣溫導(dǎo)致長(zhǎng)鏈烷烴合成增加的現(xiàn)象有關(guān)[46]。與正烷烴相比，初級(jí)醇、次級(jí)醇和醛的分布模式在圍封和連續(xù)放牧的草地之間差異很大，并且在植物種類和草原類型之間響應(yīng)也不同。在一項(xiàng)關(guān)于大豆(Glycinemax)的研究中，Kim等[27]報(bào)道，干旱脅迫對(duì)初級(jí)醇的鏈長(zhǎng)分布影響不大。Shepherd等[17]報(bào)道，脂肪酸和初級(jí)醇可以顯示出甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)短鏈長(zhǎng)度的變化，但是在較強(qiáng)的光照條件下，甘藍(lán)型油菜的長(zhǎng)鏈長(zhǎng)度增加。這些研究結(jié)果表明，脂肪酸、初級(jí)醇和醛的分布模式對(duì)環(huán)境脅迫的反應(yīng)可能取決于脅迫水平和植物物種。因此，它們可能不適用于評(píng)估植物對(duì)環(huán)境脅迫反應(yīng)的可靠參數(shù)。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)詳細(xì)報(bào)道了糙隱子草、克氏針茅和羊草葉角質(zhì)層蠟質(zhì)的含量及組分特點(diǎn)。其中糙隱子草含有脂肪酸、烷烴、醛類、初級(jí)醇、烷基酯和β-香樹(shù)脂醇，克氏針茅含有脂肪酸、烷烴、初級(jí)醇、α-香樹(shù)脂醇以及β-谷甾醇，而在羊草中含有脂肪酸、烷烴、初級(jí)醇、次級(jí)醇、β-谷甾醇、β-二酮和烷基間苯二酚。羊草次級(jí)醇含量最高，糙隱子草初級(jí)醇含量最高，而克氏針茅的烷烴含量最高。羊草β-二酮成分的發(fā)現(xiàn)，可作為未來(lái)研究β-二酮合成途徑的新材料。因不同植物蠟質(zhì)含量及組分存在較大差異，使得他們?cè)诓菰愋烷g(典型草原和草甸草原)，甚至草原利用方式之間(自由放牧和圍欄封育)，均表現(xiàn)出不同的響應(yīng)模式。就不同蠟質(zhì)組分的鏈長(zhǎng)分布特征而言，烷分布特征相對(duì)穩(wěn)定，而初級(jí)醇、次級(jí)醇和醛的分布特征在圍封草地和自由放牧草地之間存在較大差異。不同植物角質(zhì)層蠟質(zhì)表現(xiàn)出的差異性響應(yīng)模式，說(shuō)明不同植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成了各自特有的適應(yīng)機(jī)制。綜合分析認(rèn)為，草地植物可以通過(guò)調(diào)整自身蠟質(zhì)合成，改變蠟質(zhì)組分和含量以適應(yīng)放牧引起的脅迫。

參考文獻(xiàn)References：

[1] Butterbach-Bahl K, K?gel-Knabner I, Han X. Steppe ecosystems and climate and land-use changes-vulnerability, feedbacks and possibilities for adaptation. Plant & Soil, 2011, 340(1/2): 1-6.

[2] Spence L A, Liancourt P, Boldgiv B,etal. Climate change and grazing interact to alter flowering patterns in the Mongolian steppe. Oecologia, 2014, 175(1): 251-60.

[3] Wang D, Wu G L, Zhu Y J,etal. Grazing exclusion effects on above-and below-ground C and N pools of typical grassland on the Loess Plateau (China). Catena, 2014, 123: 113-120.

[4] Wu G L, Du G Z, Liu Z H,etal. Effect of fencing and grazing on aKobresia-dominated meadow in the Qinghai-Tibetan Plateau. Plant & Soil, 2009, 319: 115-126.

[5] Han G, Hao X, Zhao M,etal. Effect of grazing intensity on carbon and nitrogen in soil and vegetation in a meadow steppe in Inner Mongolia. Agriculture Ecosystems & Environment, 2008, 125(1/2/3/4): 21-32.

[6] He N, Zhang Y, Dai J,etal. Land-use impact on soil carbon and nitrogen sequestration in typical steppe ecosystems, Inner Mongolia. Journal of Geographical Sciences, 2012, 22(5): 859-873.

[7] Mavromihalis J A, Dorrough J, Clark S G,etal. Manipulating livestock grazing to enhance native plant diversity and cover in native grasslands. Rangeland Journal, 2013, 35(1): 95-108.

[8] Xue Y L, Yin G M, Zhang Y J,etal. Responses strategy of morphology ofArtemisiafrigidato grazing intensity. Chinese Journal of Grassland, 2014, 36(6): 18-22.

薛艷林, 殷國(guó)梅, 張英俊, 等. 冷蒿形態(tài)對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)策略. 中國(guó)草地學(xué)報(bào), 2014, 36(6): 18-22.

[9] Li X L, Hou X Y, Wu X H,etal. Plastic responses of stem and leaf functional traits inLeymuschinensisto long-term grazing in a meadow steppe. Chinese Journal of Plant Ecology, 2014, 38(5): 440-451.

李西良, 侯向陽(yáng), 吳新宏, 等. 草甸草原羊草莖葉功能性狀對(duì)長(zhǎng)期過(guò)度放牧的可塑性響應(yīng). 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 38(5): 440-451.

[10] Schiborra A, Gierus M, Wan H W,etal. Short-term responses of aStipagrandis/Leymuschinensiscommunity to frequent defoliation in the semi-arid grasslands of Inner Mongolia, China. Agriculture Ecosystems & Environment, 2009, 132(1/2): 82-90.

[11] Bullock J M, Franklin J, Stevenson M J,etal. A plant trait analysis of responses to grazing in a long-term experiment. Journal of Applied Ecology, 2001, 38(2): 253-267.

[12] Jetter R, Kunst L, Samuels A L. Composition of plant cuticular waxes. Annual Plant Reviews, Biology of the Plant Cuticle, 2007, 23: 145-181.

[13] Yeats T H, Rose J K C. The formation and function of plant cuticles. Plant Physiology, 2013, 163(1): 5.

[14] Kosma D K, Bourdenx B, Bernard A,etal. The impact of water deficiency on leaf cuticle lipids ofArabidopsis. Plant Physiology, 2009, 151(4): 1918-1929.

[15] González A, Ayerbe L. Effect of terminal water stress on leaf epicuticular wax load, residual transpiration and grain yield in barley. Euphytica, 2010, 172(3): 341-349.

[16] Jenks M A, Gaston C H, Goodwin M S,etal. Seasonal variation in cuticular waxes on hosta genotypes differing in leaf surface glaucousness. Hortscience A Publication of the American Society for Horticultural Science, 2002, 37(4): 673-677.

[17] Shepherd T, Robertson G W, Griffiths D W,etal. Effects of environment on the composition of epicuticular wax from kale and swede. Phytochemistry, 1995, 40(2): 407-417.

[18] Gao J H, He Y J, Guo N,etal. Seasonal variations of leaf cuticular wax in herbs widely distributed in Chongqing. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 134-143.

高建花, 和玉吉, 郭娜, 等. 重慶地區(qū)野生草本植物葉表皮蠟質(zhì)的季節(jié)性變化. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(1): 134-143.

[19] Bush R T, Mcinerney F A. Leaf wax n-alkane distributions in and across modern plants: Implications for paleoecology and chemotaxonomy. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2013, 117(117): 161-179.

[20] Nikoli B, Tesevic V, Bojovi S,etal. Chemotaxonomic implications of the n-alkane composition and the nonacosan-10-ol content inPiceaomorika,Pinusheldreichii, andPinuspeuce. Chemistry & Biodiversity, 2013, 10(4): 677-686.

[21] Dodd R S, Poveda M M. Environmental gradients and population divergence contribute to variation in cuticular wax composition inJuniperuscommunis. Biochemical Systematics & Ecology, 2003, 31(11): 1257-1270.

[22] Yao L H, Ni Y, Guo N,etal. Leaf cuticular waxes inPoapratensisand their responses to altitudes. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(1): 97-105.

姚露花, 倪郁, 郭娜, 等. 草地早熟禾葉表皮蠟質(zhì)及其對(duì)海拔變化的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 27(1): 97-105.

[23] Reszkowska A, Krümmelbein J, Gan L,etal. Influence of grazing on soil water and gas fluxes of two Inner Mongolia steppe ecosystems. Soil & Tillage Research, 2011, 111(2): 180-189.

[24] Sun J, Wang X, Cheng G,etal. Effects of grazing regimes on plant traits and soil nutrients in an alpine steppe, Northern Tibetan Plateau. Plos One, 2014, 9(9): e108821.

[25] Jing Z, Cheng J, Su J,etal. Changes in plant community composition and soil properties under 3-decade grazing exclusion in semiarid grassland. Ecological Engineering, 2014, 64(3): 171-178.

[26] Wang X T, Hou Y L, Liu F,etal. Point pattern analysis of dominant populations in a degraded community inLeymuschinensis+Stipagrandissteppe in Inner Mongolia, China. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(12): 1281-1289.

王鑫廳, 侯亞麗, 劉芳, 等. 羊草+大針茅草原退化群落優(yōu)勢(shì)種群空間點(diǎn)格局分析. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 35(12): 1281-1289.

[27] Kim K S, Park S H, Kim D K,etal. Influence of water deficit on leaf cuticular waxes of soybean (Glycinemax[L.] Merr.). International Journal of Plant Sciences, 2007, 168(3): 307-316.

[28] Wei Z, Chen S P, Han X G,etal. Effects of long-term grazing on the morphological and functional traits ofLeymuschinensisin the semiarid grassland of Inner Mongolia, China. Ecological Research, 2009, 24(1): 99-108.

[29] Wang S P, Wang Y F. Study on over-compensation growth ofCleistogenessquarrosapopulation in Inner Mongolia steppe. Acta Botanica Sinica, 2001, 43(4): 413-418.

汪詩(shī)平, 王艷芬. 不同放牧率下糙隱子草種群補(bǔ)償性生長(zhǎng)的研究. 植物學(xué)報(bào), 2001, 43(4): 413-418.

[30] Tong C, Wu J, Yong S,etal. A landscape-scale assessment of steppe degradation in the Xilin River Basin, Inner Mongolia, China. Journal of Arid Environments, 2004, 59(1): 133-149.

[31] Li J J, Huang J H, Xie S C. Plant wax and its response to environmental conditions: an overview. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(2): 565-574.

李婧婧, 黃俊華, 謝樹(shù)成. 植物蠟質(zhì)及其與環(huán)境的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(2): 565-574.

[32] Dai S, Guo J, Xu W,etal. Biosynthesis and regulation of cuticular wax and its effects on drought resistance of wheat. Plant Physiology Journal, 2016, 52(7): 979-988.

戴雙, 郭軍, 徐文, 等. 蠟質(zhì)組成形態(tài)及其合成調(diào)控對(duì)小麥抗旱性的影響. 植物生理學(xué)報(bào), 2016, 52(7): 979-988.

[33] Zhu S Y, Qi J C, Lin L H,etal. Responses of epicuticular wax components in barley seedling leaves to PEG6000 stress and its impacts on epidermal permeability. Journal of Triticeae Crops, 2015, 35(3): 436-442.

朱雙艷, 齊軍倉(cāng), 林立昊, 等. PEG6000脅迫對(duì)大麥幼苗葉片表皮蠟質(zhì)組分及其透性的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2015, 35(3): 436-442.

[34] Yang H H, Shi X, Xia L F,etal. Analysis on composition and content of cuticular waxes on spikes of different wheat varieties (Lines). Journal of Triticeae Crops, 2017, 37(3): 403-408.

楊昊虹, 史雪, 夏凌峰, 等. 不同小麥品種(系)穗部表皮蠟質(zhì)的成分及含量分析. 麥類作物學(xué)報(bào), 2017, 37(3): 403-408.

[35] Cameron K D, Teece M A, Bevilacqua E,etal. Diversity of cuticular wax amongSalixspecies andPopulusspecies hybrids. Phytochemistry, 2002, 60(7): 715-725.

[36] Oliveira A F M, Meirelles S T, Salatino A. Epicuticular waxes from caatinga and cerrado species and their efficiency against water loss. Anais Da Academia Brasileira De Ciencias, 2003, 75(4): 431-439.

[37] Li Y. Effects of long-term fencing closure an soil and vegetation in mountain pasture of Bayanbullak. Xinjiang Agricultural Sciences, 2009.

李赟. 長(zhǎng)期圍封對(duì)亞高山草地土壤和植被的影響. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009.

[38] Zhao J X, Qi B, Duojidunzhu,etal. Effects of short-term enclose on the community characteristics of three types of degraded alpine grasslands in the north Tibet. Pratacultural Science, 2011, 28(1): 59-62.

趙景學(xué), 祁彪, 多吉頓珠, 等. 短期圍欄封育對(duì)藏北3類退化高寒草地群落特征的影響. 草業(yè)科學(xué), 2011, 28(1): 59-62.

[39] Zuo W Q, Wang Y H, Wang F Y,etal. Effects of enclosure on the community characteristics ofLeymuschinensisin degenerated steppe. Acta Prataculturae Sinica, 2009, 18(3): 12-19.

左萬(wàn)慶, 王玉輝, 王風(fēng)玉, 等. 圍欄封育措施對(duì)退化羊草草原植物群落特征影響研究. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2009, 18(3): 12-19.

[40] Riederer M. Introduction: biology of the plant cuticle//annual plant reviews (volume 23): biology of the plant cuticle. Blackwell Publishing Ltd, 2007: 674-678.

[41] Fukuda S, Satoh A, Kasahara H,etal. Effects of ultraviolet-B irradiation on the cuticular wax of cucumber (Cucumissativus) cotyledons. Journal of Plant Research, 2008, 121(2): 179-189.

[42] Bengtson C, Larsson S, Liljenberg C. Effects of water stress on cuticular transpiration rate and amount and composition of epicuticular wax in seedlings of six oat varieties. Physiologia Plantarum, 1978, 44(4): 319-324.

[43] Hatterman-Valenti H, Pitty A, Owen M. Environmental effects on velvetleaf (Abutilontheophrasti) epicuticular wax deposition and herbicide absorption. Weed Science, 2011, 59(1): 14-21.

[44] Chachalis D, Reddy K N, Elmore C D. Characterization of leaf surface, wax composition, and control of redvine and trumpetcreeper with glyphosate. Weed Science, 2001, 49(2): 156-163.

[45] Li J, Huang J, Ge J,etal. Chemotaxonomic significance of n-alkane distributions from leaf wax in genus ofSinojackiaspecies (Styracaceae). Biochemical Systematics & Ecology, 2013, 49(49): 30-36.

[46] Dodd R S, Rafii Z A, Power A B. Ecotypic adaptation inAustrocedruschilensisin cuticular hydrocarbon composition. New Phytologist, 1998, 138(4): 699-708.