脫落酸對中國沙棘克隆生長調(diào)控機制的研究

吉生麗 聶愷宏 鄒 旭 劉春紅 高海銀 李根前

(1. 西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224；2. 定邊縣林業(yè)工作站，陜西 榆林 718600)

中國沙棘 (Hippophaerhamnoidesssp.sinensis) 是我國北方旱區(qū)的主要造林樹種，也是優(yōu)良的多用途樹種和典型的根出條型克隆植物。其側(cè)根 (也稱水平根) 水平延伸能力極強，并在延伸過程中產(chǎn)生大量萌蘗植株，這一過程為其克隆生長[1-6]。在不同環(huán)境資源水平或異質(zhì)性條件下，中國沙棘可通過克隆子株大小、數(shù)量多少以及側(cè)根延伸和分枝能力的調(diào)節(jié)形成與之相適應的克隆生長格局，這一過程為其克隆生長調(diào)節(jié)[3-8]。目前，有關中國沙棘克隆生長調(diào)節(jié)的研究集中于外在機制，如克隆生長對水分、養(yǎng)分、光照的響應規(guī)律及其生態(tài)適應意義[9-13]。關于克隆生長調(diào)節(jié)的內(nèi)在機制，陳尚曾提出了激素假說。該假說認為：生長素、細胞分裂素分別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)控植物克隆生長格局[14]。李甜江的田間試驗進一步證實，外源生長素、細胞分裂素用量及其比值對中國沙棘分株生長和子株數(shù)量具有顯著的調(diào)控作用[13]。然而，對主產(chǎn)旱區(qū)的中國沙棘而言，脫落酸對提高抵抗逆境脅迫具有重要的作用[15-21]。那么，脫落酸對克隆生長又有什么樣的影響，為探討這一問題，本研究通過灌水強度調(diào)節(jié)形成土壤水分梯度，分析克隆生長參數(shù) (分株大小、子株數(shù)量以及側(cè)根延伸距離和分枝強度)、脫落酸含量及其比值對灌水強度的響應規(guī)律，以及脫落酸含量、比值與克隆生長格局參數(shù)的因果關系，探討脫落酸在克隆生長調(diào)節(jié)過程中的作用規(guī)律。

1 試驗地概況

試驗地設在陜西省定邊縣，位于毛烏素沙地南緣，地處東經(jīng)107°15′～108°22′、北緯36°49′～37°53′。該地屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明、光照充足、干旱缺水、風沙肆虐；年平均氣溫7.9 ℃，最高溫37.7 ℃、最低溫-29.4 ℃；年均降水量316 mm，且多集中在7—9月，年蒸發(fā)量2 490 mm；地形起伏不平、沙丘連綿，海拔1 303～1 907 m；地帶性植被為干草原、荒漠草原，區(qū)系成分包括旱生、耐鹽植物和草甸植物；土壤以風沙土和鹽堿土為主，缺磷少氮且水肥保持性差，是陜西省風沙危害和水土流失最嚴重的地區(qū)。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

試驗采用單因素回歸設計，在流量相同下通過灌水時間調(diào)節(jié)形成土壤水分梯度。根據(jù)預備試驗結(jié)果[10]，設置3個灌水處理，分別為試驗區(qū)年均降水量的3、6、9倍，以不灌水作為對照，包含了干旱脅迫、水分適宜以及水分過多的整個變化過程。5—8月份每間隔5 d灌水1次，即灌水時間為每月的5日、10日、15日、25日和30日。田間布設采用隨機排列法，小區(qū)面積為3 m × 10 m，重復3次共12個小區(qū)。其中，小區(qū)與小區(qū)之間壟寬0.5 m、高0.3 m，在壟中央深埋1 m的油毛氈和厚塑料膜隔離以防止?jié)B水。每個小區(qū)栽植長勢一致1 a實生苗30株，株行距為1.0 m × 1.5 m，并在每個重復的兩側(cè)設有保護行。

2.2 田間調(diào)查

克隆生長能力以分株大小表示，采用 “每木檢尺” 法測定，即逐株測定樹高、地徑、冠幅生長量；克隆繁殖能力以克隆子株數(shù)量表示，采用 “個體計數(shù)” 法，即逐一小區(qū)統(tǒng)計個體數(shù)量；克隆擴散能力以水平根的延伸距離和分枝強度表示，采用 “跟蹤挖掘” 法，即從母株標準木的某一個一級水平根 (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) 等全部挖出，測定各級水平根粗度、長度、條數(shù)以及分枝級數(shù)，直到將小區(qū)的地下聯(lián)結(jié)構件全部挖出并完成相應的測定。

2.3 激素測定

根據(jù)預備測試結(jié)果，灌水8 h后采集每個小區(qū)平均標準木東、南、西、北4個方向樹冠中部的幼嫩葉片作為樣品，用錫箔紙包好并在其正反面做好標記后迅速放入液氮罐中冷凍保存，帶回實驗室用酶聯(lián)免疫法 (酶聯(lián)免疫分光光度計：MULTI-SKAN MK3, Thermo；試劑盒：CSB-E0915PI) 測定內(nèi)源激素ABA、IAA、GA3、ZR含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 克隆生長對灌水強度的響應

由表1、圖1可知：隨著灌水強度 (x) 的增大，克隆生長參數(shù) (y) 分株樹高、地徑、冠幅生長量、子株數(shù)量以及一級水平根長度、粗度、條數(shù)和水平根總條數(shù)均呈下開口拋物線變化，方程拐點即為相應參數(shù)最大時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度，克隆生長參數(shù)隨著灌水強度的增大而上升；等于最佳灌水強度，克隆生長參數(shù)最大；大于最佳灌水強度，克隆生長參數(shù)隨灌水強度的增大而下降。由此表明：隨著灌水強度的增大，分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力呈現(xiàn) “小—大—小” 的連續(xù)變化過程。

3.2 脫落酸含量及其比值對灌水強度的響應

由表2可知：對照 (不灌水) 的ABA含量及其與IAA、GA3、ZR比值最高，3倍和9倍灌水次之，6倍灌水的最低，它們之間存在顯著差異。由圖2可知：隨著灌水強度的增大，ABA含量及其與IAA、GA3、ZR的比值呈上開口拋物線變化即先降后升，方程拐點即為ABA含量及其比值最小時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度，ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR比值隨著灌水強度的增大而下降；等于最佳灌水強度，ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR的比值最小；大于最佳灌水強度，ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR的比值隨灌水強度的增大而上升。由此表明：隨著灌水強度的增大，ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR比值呈現(xiàn) “高—低—高” 的連續(xù)變化過程。

表1 克隆生長參數(shù)與灌水強度的回歸關系Table 1 Regressions between clonal growth parameters and irrigation intensity

圖1克隆生長參數(shù)與灌水強度的回歸關系
Fig.1 Regressions between clonal growth parameters and irrigation intensity

表2 灌水強度對ABA的影響Table 2 Effects of irrigation intensity on ABA

注：字母不同表示差異在P< 0.05的水平顯著。

3.3 克隆生長對脫落酸含量及比值的響應

3.3.1分株生長對脫落酸含量及比值的響應

由表3可知：分株樹高、地徑、冠幅生長量與ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR比值呈極顯著負相關，說明分株體型隨著ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR比值的增大而變小。另一方面，樹高、地徑、冠幅生長量之間呈極顯著正相關，ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR的比值之間呈極顯著正相關，說明它們之間具有協(xié)同效應。

圖2ABA與灌水強度的回歸分析
Fig.2 Regression analysis of ABA ratio and irrigation

表3 生長量與ABA的相關性分析Table 3 Correlative analysis of growth and ABA

注：**表示P< 0.01。

3.3.2克隆繁殖與克隆擴散對脫落酸含量及比值的響應

由表4可知：子株數(shù)量以及一級水平根長度、粗度、條數(shù)和水平根總條數(shù)與ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR比值呈極顯著負相關，說明克隆繁殖、克隆擴散能力隨著ABA含量以及ABA與IAA、GA3、ZR比值的增大而下降。另一方面，子株數(shù)量以及一級水平根長度、粗度、條數(shù)和水平根總條數(shù)之間呈極顯著正相關，說明它們之間具有協(xié)同效應。

表4 克隆繁殖能力與ABA的相關性分析Table 4 Correlation analysis between clonal reproductive ability and ABA

注：**表示P< 0.01。

4 結(jié)論與討論

本研究顯示：隨著灌水強度的增大，分株生長、克隆繁殖 (子株數(shù)量)、克隆擴散能力 (側(cè)根延伸距離和分枝強度) 呈下開口拋物線變化即先升后降，而ABA含量以及ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR呈上開口拋物線變化即先降后升，兩者變化趨勢恰好相反。進一步分析表明：分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力與ABA含量以及ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR呈極顯著負相關。而且，分株生長、克隆繁殖、克隆擴散不同指標之間具有協(xié)同效應，ABA含量與ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR之間具有協(xié)同效應。灌水強度過小，ABA含量及其比值高，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，克隆生長格局傾向于 “游擊型”；灌水強度適宜，ABA含量及其比值低，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，ABA含量及其比值增大，克隆生長潛力受抑制，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 “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)變化過程，而ABA含量及其與IAA、GA3、ZR比值呈 “高—低—高” 的連續(xù)變化過程，中國沙棘通過ABA含量及其比值制約的克隆生長調(diào)節(jié)形成與灌水強度相適應的生態(tài)對策連續(xù)體 “游擊型-聚集型-游擊型”。由此可見：灌水強度誘導ABA含量以及ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR發(fā)生改變，激素特征的改變決定分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力等克隆生長格局參數(shù)，從而形成與環(huán)境水資源水平相適應的克隆生長格局。

究其原因：植物生長發(fā)育是一個復雜的過程，它既受遺傳因素的控制，又受植物激素的調(diào)節(jié)。雖然人們目前認為基因在調(diào)控植物生長發(fā)育的各個方面起著首要作用，但植物發(fā)育路徑受激素調(diào)控的思想無需置疑，原因在于激素水平響應基因轉(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[21]。因此，激素在植物生長發(fā)育調(diào)控過程中起著關鍵作用和紐帶作用，它將基因表達、生理響應、生態(tài)適應等環(huán)節(jié)聯(lián)系起來。以水分脅迫下的中國沙棘而言，ABA作為一種應激激素有利于提高其抗旱、耐澇能力。干旱時，ABA含量提高可使氣孔開張度減小甚至關閉、減少水分散失，從而提高抗旱能力；水澇時，土壤含氧量下降，ABA含量提高可抑制植物的營養(yǎng)生長、降低耗氧速率并誘導某些酶的重新合成，從而增強抗?jié)衬芰Α５獳BA也是一種較強的生長抑制劑，含量的提高卻降低植物的生長和繁殖能力[17-20]。因此，隨著灌水強度 “過小—適宜—過大” 的連續(xù)變化，中國沙棘ABA含量及比值先降后升，從而導致了克隆生長能力先升后降，兩者變化趨勢恰好相反。另一方面，克隆生長格局的改變具有極其重要的生態(tài)適應意義，也決定克隆持久性和種群穩(wěn)定性[10-12]。灌水過多或過少，中國沙棘克隆生長格局傾向于 “游擊型”，可使克隆在較大的空間內(nèi)占居并獲取必要的資源，提高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，并有利于削弱克隆內(nèi)部分株之間的競爭；灌水適宜時，中國沙棘克隆生長格局傾向于 “聚集型”，有利于種群對生境的鞏固和利用，并提高種群排斥其他植物種類侵入的能力[9-12]。雖說中國沙棘通過克隆生長調(diào)節(jié)可形成與水分條件相適應的種群行為，但在環(huán)境脅迫下種群必須在生長和繁殖之間做出權衡，從而以更高的概率維持種群的穩(wěn)定性及克隆的持久性[9-10]。尤其在灌水強度過小或過大的情況下，為了適應水分脅迫，中國沙棘以降低分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力為代價，從而削弱了種群的穩(wěn)定性和克隆持久性，提高了種群的早衰概率[22]。

綜上所述：在不同環(huán)境水資源水平下，中國沙棘通過誘導ABA含量及比值發(fā)生改變來調(diào)控克隆生長，最終使種群形成與之相適應的克隆生長格局，從而以更高的概率維持克隆持久性和種群穩(wěn)定性。但在干旱缺水或水分過多的情況下，中國沙棘以降低克隆生長能力為代價，分株小、子株少、擴散能力弱，從而降低了種群穩(wěn)定性和克隆持久性。因此，適度灌水、適當調(diào)節(jié)激素比例有利于中國沙棘人工林穩(wěn)定性的長期維持。

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