6種果樹枝條導(dǎo)管長度及其特點

張 莉，趙 涵，王瑞慶,

(1 上饒師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒334001；2 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

水分是植物的重要組成成分，也是體內(nèi)營養(yǎng)運輸、理化反應(yīng)的介質(zhì)，通過膨壓調(diào)節(jié)細胞伸長[1]和氣孔開閉，進而調(diào)控光合速率[2-3]。因此，水分的正常運輸是植物進行正常生理活動及生存、生長的重要前提[4]。木質(zhì)部導(dǎo)管是自然界中高等被子植物水分運輸?shù)闹饕M織，在上億年的進化過程中[5]，其長度是變化最明顯的形態(tài)指標，揭示了導(dǎo)管長度對植物水分生理及生存生長的重要意義[6-8]。當前研究認為，導(dǎo)管長度是決定植物水分運輸高效性與安全性的重要指標之一[9-10]。長導(dǎo)管潛在增加了導(dǎo)管體系的整體性和連續(xù)性，受到紋孔和導(dǎo)管端壁水力學(xué)阻力的影響較小[11]，可提高水分運輸效率[6]；但同時長導(dǎo)管具有較多紋孔，使之增大了受空穴化影響而喪失水力學(xué)功能的風險[6,12-13]。

盡管人們對導(dǎo)管長度的關(guān)注有60多年的歷史[14-15]，但由于導(dǎo)管特殊的極端幾何形態(tài)(極大的長度/內(nèi)徑比)，使其長度測定較為困難[6]，有關(guān)報道也相對較少。據(jù)Jacobsen等[6]統(tǒng)計，截至2012年，已報道平均導(dǎo)管長度與最大導(dǎo)管長度數(shù)據(jù)的樹種僅有65個(而關(guān)于導(dǎo)管管腔面積的報道，則包括幾千個物種[16])，主要為林木樹種，其中包括喬木、灌木和藤本植物，喬木果樹僅有蘋果[17]。因而，導(dǎo)管長度被稱為“被遺忘的指標”[18]。

目前，測定導(dǎo)管長度的技術(shù)主要是染色法、X射線斷層掃描技術(shù)[19-20]和注氣法。染色法是測定導(dǎo)管長度的傳統(tǒng)方法，需要相對較長的時間和較大的工作量[6,13]；X射線斷層掃描技術(shù)設(shè)備昂貴；傳統(tǒng)注氣法使用的是Cohen等[17]的裝置，測試裝置相對繁雜，需要自行組裝，因而并未在相關(guān)科研領(lǐng)域普及。綜上，上述3種方法均較難應(yīng)用于導(dǎo)管長度與功能的研究中。近期，Wang等[21]設(shè)計簡易裝置(簡易注氣法)測定了刺槐的導(dǎo)管長度；張玲玲等[22]報道了該法的測定原理及操作和注意事項，進一步明確了該法的準確性；Pan等[23]分別用簡易注氣法與硅膠法對4種木本植物的導(dǎo)管長度進行了測定，通過比較認為簡易注氣法優(yōu)于硅膠法。

導(dǎo)管長度是導(dǎo)管形態(tài)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，而目前關(guān)于導(dǎo)管長度與功能關(guān)系的研究僅有少數(shù)報道[8,12]，整體還處于設(shè)想、推理階段，缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐，其最主要的原因是植物導(dǎo)管長度的相關(guān)信息極為缺乏。本研究首次報道了梨、桃、李、杏和木瓜的導(dǎo)管長度相關(guān)參數(shù)，旨在豐富園藝樹種導(dǎo)管長度參數(shù)信息，探索樹種內(nèi)及樹種間導(dǎo)管長度相關(guān)參數(shù)的差異及其關(guān)系，為研究果樹導(dǎo)管形態(tài)與功能(如導(dǎo)水率、導(dǎo)水力、栓塞脆弱性等)的關(guān)系提供信息。

1 材料與方法

1.1 材 料

本試驗中，蘋果(MalusdomesticaBorkh)、梨(PyruspyrifoliaNakai)、桃(PrunuspersicaBatsch)、李(PrunussalicinaLindl)、杏(ArmeniacavulgarisLam)、木瓜(ChaenomelessinensisKoehne)等的枝條均采自管理良好的果園。選擇樹冠外圍、南向的當年生枝條，剪取直徑6～7 mm、生長良好、無機械損傷的枝條，用塑料袋包裹，30 min內(nèi)運回實驗室。每個樹種選取3棵樹的6個枝條進行試驗。

1.2 原理與方法

簡易注氣法測定植物導(dǎo)管長度的原理詳見文獻[17]和[22]。氣體在較低壓強下，只能沿著新鮮枝條的導(dǎo)管流通，而不能通過導(dǎo)管間濕潤的紋孔膜在導(dǎo)管之間流通，因而枝條對氣體的傳導(dǎo)速率(C)與兩端被切開導(dǎo)管的數(shù)目成比例[17]。氣體傳導(dǎo)速率計算公式為：

(1)

枝條內(nèi)氣體傳導(dǎo)速率隨著距離注氣端距離的增大而呈指數(shù)關(guān)系耗散，可由下式表示[17]：

C=C0exp(-kl)。

(2)

式中：C0為枝條長度l無限接近0時的氣體傳導(dǎo)速率；k為消耗系數(shù)，可通過C的自然對數(shù)lnC與l的線性關(guān)系的斜率計算獲得[17]。

根據(jù)導(dǎo)管在枝條中的隨機分布特征，導(dǎo)管長度分布可通過雙差分算法利用概率密度函數(shù)進行計算(詳見Tyree等[5]的介紹)，公式為[17]：

Px=xk2exp(kx)dx。

(3)

式中：x為導(dǎo)管長度，Px是該長度級別內(nèi)導(dǎo)管的數(shù)量與整個長度上所有導(dǎo)管數(shù)量的比值。式(3)等同于一個特征參數(shù)為(2，k)的Gamma概率分布函數(shù)，2是函數(shù)的形狀因子，k為標準參數(shù)的倒數(shù)[7]。對于形狀因子為2的Gamma概率分布函數(shù)，最大概率長度即所占數(shù)量最多的導(dǎo)管長度Lmode=-1/k，導(dǎo)管平均長度Lmean=-2/k[7,17]。

簡易注氣法測試裝置如圖1所示。測試時用刀片在枝條頂端直徑約6 mm處橫切，用硅膠管將枝條頂端與空壓機(BMBI，英國)連接，注入壓強約(160±10) kPa的氣體。將枝條基部浸于水中，從基部連續(xù)切除約0.5 cm的莖段，直至觀察到有氣泡冒出，剩余枝條的長度即為該枝條最大導(dǎo)管長度(Lmax)。用排水法(圖1)通過量筒收集枝條基部冒出的氣體(Vgas)并記錄時間(ΔT)，空氣流速Q(mào)=Vgas/ΔT。連續(xù)切除莖段以獲得不同枝條長度(l)時的Q值，并統(tǒng)計導(dǎo)管長度及其分布。

A.空壓機；B.硅膠管；C.壓力表；D.閥門；E.水槽；F.量筒A.Air compressor;B.Silicone pipe;C.Pressure meter;D.Valve;E.Basin;F.Measuring cylinder

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS Statistics 18.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行差異性比較及線性分析。不同處理間差異顯著性用Duncan’s多重比較進行ANOVA檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 6種果樹枝條的氣體傳導(dǎo)速率與消耗系數(shù)

6種果樹枝條的氣體傳導(dǎo)速率(C)隨其長度的變化趨勢見圖2。由圖2可知，各樹種隨枝條長度的減小，氣體傳導(dǎo)速率均呈指數(shù)關(guān)系升高(圖2-A)。不同樹種枝條的氣體傳導(dǎo)速率存在明顯差異(P<0.05)，且這種差異隨著枝條長度的變化而改變。相同長度下，杏和桃樹枝條的氣體傳導(dǎo)速率相對較高，而李、梨、蘋果和木瓜枝條相對較低。各樹種枝條氣體傳導(dǎo)速率的自然對數(shù)(lnC)與枝條長度呈顯著線性相關(guān)(r2>0.96，圖2-B)，且隨著枝條長度的減小，lnC值顯著升高(P<0.05)。各樹種lnC與枝條長度線性關(guān)系的斜率(絕對值)，即消耗系數(shù)(k)也存在顯著差異(P<0.05，表1)。6種果樹枝條的消耗系數(shù)由大到小分別為李>梨>蘋果>木瓜>桃>杏，其中木瓜與蘋果、桃差異不顯著，李、梨、蘋果、桃、杏間均存在顯著差異(P<0.05)。

各種果樹均以某一特征枝條(接近平均值)為例A typical (most close to the mean) stem was used for each species

表1 6種果樹枝條導(dǎo)管長度的特征參數(shù)Table 1 Vessel length characteristics of 6 fruit tree varieties

注：耗散系數(shù)k及相關(guān)參數(shù)通過lnC與l的線性關(guān)系(圖2-B)計算。*表示在P=0.05水平差異顯著，***表示在P=0.001水平差異極顯著。同列數(shù)值后標不同字母表示樹種間在P=0.05水平差異顯著。

Note: Dissipation coefficientkwas calculated from the linear relationship between lnCandl(Fig.2-B). * indicates significant difference atP=0.05 level，and *** indicates significant difference atP=0.001 level.Different letters within each column indicate significant difference atP=0.05 level.

2.2 6種果樹枝條的導(dǎo)管長度

不同果樹枝條間導(dǎo)管最大長度、平均長度和最大概率長度均存在顯著差異(表1)。導(dǎo)管最大長度由大到小依次為杏>蘋果>桃>木瓜>梨>李，其中杏明顯大于其他樹種(P<0.05)，李明顯小于其他樹種(P<0.05)，而蘋果、桃、木瓜和梨間差異不顯著(P>0.05)。導(dǎo)管平均長度和最大概率長度由大到小均依次為杏>桃>木瓜>蘋果>梨>李，其中木瓜與桃和蘋果、梨與蘋果和李差異不顯著(P>0.05)，其他果樹間差異顯著(P<0.05)。同一種類果樹不同枝條間導(dǎo)管最大長度和平均長度也存在較大差異。

2.3 6種果樹枝條的導(dǎo)管長度分布

6種果樹枝條的導(dǎo)管長度分布由公式(3)計算得到，詳見圖3。由圖3可以看出，蘋果、梨、桃、李、杏和木瓜枝條導(dǎo)管的最大概率長度分別為6.22，5.09，9.16，3.74，11.17和7.13 cm，不同樹種間存在顯著差異(P<0.05)。

6種果樹36個枝條導(dǎo)管最大長度與平均長度在種間存在極顯著線性關(guān)系(圖4，r=0.876 7，P<0.01)，而種內(nèi)因樹種而異。不同樹種導(dǎo)管最大長度與平均長度的比值在2.8～5.1(表1)，且Lmax/Lmean值與Lmean負相關(guān)(R=-0.919 7，P=0.003 4)，即導(dǎo)管平均長度大的樹種，Lmax/Lmean較小。由表2可以看出，桃和杏樹枝條導(dǎo)管最大長度與平均長度均達到極顯著相關(guān)(P<0.01)，且桃樹相關(guān)性大于杏；而其他果樹導(dǎo)管最大長度與平均長度沒有明顯線性關(guān)系(表2)。

圖3 6種果樹枝條導(dǎo)管長度的分布Fig.3 Vessel length distribution functions of six fruit tree species

表2 6種果樹枝條導(dǎo)管平均長度與最大長度的相關(guān)性Table 2 Correlation between mean and maximum vessel lengths of six fruit tree species

注：R.相關(guān)系數(shù)； ns表示差異不顯著，**表示在P=0.01水平差異顯著，***表示在P=0.001水平差異顯著。

Note:R.Correlation coefficient; ns indicates no significant difference,** indicates significant difference atP=0.01 level and *** indicates significant difference atP=0.001 level.

3 討 論

根據(jù)注氣法測定植物導(dǎo)管長度的原理[17]，Lmean、Lmode和導(dǎo)管長度分布Px均通過消耗系數(shù)(k)計算而來，所以關(guān)鍵是準確測定k值，而lnC與枝條長度l擬合的線性程度又是判斷k值精確度的關(guān)鍵。本研究中，各樹種該擬合均達到顯著線性關(guān)系，決定系數(shù)r2在0.969 1～0.997 7，平均為0.990 3。與典型注氣法裝置比較，Cohen等[17]測定的27個枝條中，16個枝條r2大于0.95，剩余枝條中有6個大于0.9，2個介于0.8～0.9，另有3個精度不符合要求。由線性擬合結(jié)果判定，注氣法簡易裝置的測試結(jié)果精確度明顯高于傳統(tǒng)裝置，這主要是由于簡易裝置降低了過多組件摩擦力造成的系統(tǒng)誤差，且操作過程中減少了對枝條反復(fù)夾持的步驟，避免了對枝條導(dǎo)管的損傷。

目前，植物導(dǎo)管長度數(shù)據(jù)缺乏[24]，且主要集中于林木樹種和藤本植物。果樹中，平均導(dǎo)管長度僅見對蘋果[17]的報道。Cohen等[17]通過傳統(tǒng)注氣法測定了10種蘋果砧木和嫁接枝條的導(dǎo)管長度指標，Lmax在48～78 cm，Lmean在11.2～18 cm；本研究中蘋果Lmax在38～63 cm，Lmean為12.45 cm，范圍相近。6種果樹導(dǎo)管平均長度和最大長度在種間和種內(nèi)均存在顯著差異，此結(jié)果與Jacobsen等[6]對全球木本植物的統(tǒng)計結(jié)果相似。樹種間導(dǎo)管最大長度與平均長度存在顯著相關(guān)性，因此，由樹種導(dǎo)管最大長度可以預(yù)測該樹種導(dǎo)管平均長度，這與Jacobsen等[6]的觀點相同。

采用注氣法測定的導(dǎo)管最大長度會被低估，低估的數(shù)值與莖段冒出氣泡前最后一次切除的莖段長度有關(guān)。實際測定可根據(jù)試驗精度要求，每次切除一定長度的莖段。根據(jù)概率分布，導(dǎo)管最大長度亦可以加上最后一次切除長度的一半進行計算。此外，導(dǎo)管在枝條中有一定走向，為減小誤差，建議從頂端注入氣體進行測定。

4 結(jié) 論

簡易注氣法可以成功測定蘋果、梨、桃、李、杏和木瓜等果樹的導(dǎo)管長度相關(guān)參數(shù)；6種果樹種內(nèi)和種間導(dǎo)管平均長度、最大長度均存在顯著差異；品種間導(dǎo)管平均長度與最大長度極顯著(P<0.001)相關(guān)；桃和杏種內(nèi)導(dǎo)管最大長度與平均長度極顯著(P<0.01)相關(guān)。