遮陰對(duì)葎草構(gòu)件性狀及生物量 結(jié)構(gòu)影響的性別差異

郭海燕，劉航江，劉金平，游明鴻，謝瑞娟

(1.西華師范大學(xué)西南山地特色植物種質(zhì)適應(yīng)與利用研究所，四川 南充 637009； 2.四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611731)

雌雄異株植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其種類、數(shù)量及適應(yīng)性對(duì)物種多樣性保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)具有積極的作用[1]。雌、雄株在形態(tài)、生理、生活史和表型上存在差異[2-4]，性別的分株表達(dá)使雌雄異株植物維持種群穩(wěn)定性的能力較差[5]。雌雄個(gè)體在生長(zhǎng)、形態(tài)、分布、生殖及抗逆性等方面的性別差異[6]，使雌雄異株植物遭遇生境脅迫時(shí)，種群性比發(fā)生變化，種群的繁殖能力下降，最終導(dǎo)致種群所在的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變[7]。雌雄異株攀援草本植物，集雌雄異株植物的性別分化性、攀援植物對(duì)外界支持物的依賴性、草本植物的短壽命性等特點(diǎn)于一身，若雌雄株在相對(duì)短暫的生活史中，不能及時(shí)、同步、協(xié)調(diào)地采取應(yīng)對(duì)脅迫的有效措施，順利完成生活史并產(chǎn)生充足的后代，將導(dǎo)致物種面臨巨大的存續(xù)風(fēng)險(xiǎn)。

?？迫劜輰僦参锶劜?Humulusscandens)是具有飼用、藥用及生態(tài)治理等價(jià)值的雌雄異株攀援草本植物[7-8]，常以鮮嫩飼草、青貯及飼料添加劑等服務(wù)于畜牧業(yè)[9]。關(guān)于葎草的研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)成分、藥物成分和對(duì)其他生物的化感作用等方面[10-12]，對(duì)雌雄異株植物特性導(dǎo)致的雌雄個(gè)體發(fā)育、生殖形成、種群性比等方面進(jìn)行了較為淺顯的分析[13-15]，對(duì)脅迫生境下形態(tài)塑性、繁殖機(jī)理及應(yīng)激響應(yīng)進(jìn)行了初步的探討[16-18]。光是植物主要的能量來源，且對(duì)植物形態(tài)塑性和生理結(jié)構(gòu)等有信號(hào)作用。葎草攀援性決定其具有覓光潛力，而短命性要求其對(duì)光照變化有快速的適應(yīng)策略，性別分化性要求雌雄株對(duì)光照條件采取協(xié)同匹配的生長(zhǎng)變化，才能保證物種的存活與延續(xù)。研究葎草對(duì)光的適應(yīng)策略和響應(yīng)能力，對(duì)其個(gè)體發(fā)育、種群形成、適應(yīng)度及種群擴(kuò)繁等研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究采用人工設(shè)置4個(gè)遮陰度，通過測(cè)定雌、雄株的構(gòu)件性狀、水分分配、生物量結(jié)構(gòu)及根冠比的變化，分析遮陰對(duì)葎草生長(zhǎng)發(fā)育的影響，研究雌雄株對(duì)遮陰響應(yīng)的性別差異，擬回答以下問題：1)葎草如何通過構(gòu)件性狀變化適應(yīng)不同遮陰生境？2)葎草如何通過生物量與水分分配適應(yīng)不同的遮陰生境？3)雌、雄株應(yīng)對(duì)或適應(yīng)遮陰生境的生長(zhǎng)策略有何性別差異？4)雌雄株能否采取協(xié)同匹配的生長(zhǎng)策略？以期為雌雄異株植物生理生態(tài)研究、資源保護(hù)利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展等研究奠定基礎(chǔ)，為野生植物資源保護(hù)與利用、生態(tài)環(huán)境治理及中草藥持續(xù)性應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

2017年3月，以四川省南充市西華師范大學(xué)校園荒地內(nèi)處于幼苗期的野生葎草為材料，挖取1～2對(duì)真葉的幼苗進(jìn)行移植。選用口徑50 cm、高34 cm的花盆，以河沙∶腐殖土體積比按1∶1作為基質(zhì)，按每盆3株栽植，共40盆。置25 ℃的室內(nèi)培養(yǎng)，以自然光為基礎(chǔ)，用遮陰網(wǎng)圍成六面體遮陰罩，借助光合有效輻射計(jì)(GLZ-C)設(shè)置全光照(0)、輕度(25%)、中度(50%)、重度遮陰(75%)共4個(gè)光照梯度，隨機(jī)10盆為一組進(jìn)行處理，期間僅進(jìn)行水分管理。于7月20日，待全部植株花芽分化現(xiàn)花蕾(不同遮陰度間現(xiàn)花蕾時(shí)間相差2～7 d，雄株比雌株早1～5 d)，可識(shí)別雌雄時(shí)，進(jìn)行測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

葉性狀：花序出現(xiàn)后，每組隨機(jī)選取雌、雄各3株，測(cè)定由上而下第3葉的葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)、葉厚，用托普YMJ-C型葉面積測(cè)定儀測(cè)定單葉面積和總?cè)~面積，3次重復(fù)。莖性狀：測(cè)定莖的節(jié)間長(zhǎng)(取基部3節(jié)的均值)、莖直徑、最長(zhǎng)莖長(zhǎng)，3次重復(fù)。根性狀：測(cè)完莖葉后，出盆沖洗泥土后測(cè)定根長(zhǎng)。生物量及水分含量：分離并清洗葉、莖、根，用吸水紙吸干，稱鮮重后，裝信封中，于105 ℃烘至恒重稱干重。

水分分配比=(構(gòu)件鮮重-構(gòu)件干重)/單株總含水量×100%；

單株總含水量=單株各構(gòu)件鮮重之和-各構(gòu)件干重之和；

根冠比=根系干重/(莖干重+葉干重)×100%；

生物量分配比=各構(gòu)件生物量(干質(zhì)量)/單株生物總量(根、莖、葉的干質(zhì)量之和)×100%；

葉面積比率=葉片面積/生物量；

比葉面積=葉片面積/葉生物量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件，進(jìn)行Duncan多重比較和SNK檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰對(duì)構(gòu)件性狀的影響

2.1.1葉性狀 遮陰度對(duì)葎草葉性狀有不同程度影響(表1)，葉長(zhǎng)、葉寬在中度和重度遮陰下變小(P<0.05)；葉厚在輕度和中度遮陰時(shí)有顯著變化，在重度遮陰下顯著變薄(P<0.05)。性別對(duì)葎草的葉長(zhǎng)、葉寬有顯著影響，雌株的葉長(zhǎng)、葉寬顯著大于雄株(P<0.05)，在輕度遮陰時(shí)葉寬在性別間差異最大，葉厚無顯著性別差異(P>0.05)。進(jìn)一步方差分析表明(表2)，遮陰對(duì)葉長(zhǎng)、葉寬、葉厚有極顯著影響(P<0.01)，影響程度表現(xiàn)為葉寬>葉長(zhǎng)>葉厚；性別間葉長(zhǎng)、葉寬有極顯著差異(P<0.01)，性別對(duì)葉長(zhǎng)的影響小于對(duì)葉寬的影響；性別與遮陰互作對(duì)葎草葉性狀無顯著影響(P>0.05)。

2.1.2葉面積參數(shù) 遮陰度對(duì)葉面積參數(shù)有不同程度影響(表1)，大體隨遮陰度增加單葉面積呈先增后減趨勢(shì)。雌株總?cè)~面積隨遮陰度增加逐漸增加，雄株總?cè)~面積先減后增，中度遮陰時(shí)總?cè)~面積顯著小于全光照和輕度遮陰。葉面積比率和比葉面積隨遮陰度逐漸增加，重度遮陰下葉面積比率和比葉面積顯著大于全光照和輕度遮陰(P<0.05)。性別間單葉面積和總面積有顯著差異(P<0.05)，雌株的單葉面積顯著大于雄株(P<0.05)，在輕度遮陰時(shí)雌、雄株單葉面積差別最大，雄株的總面積顯著大于雌株(P<0.05)，在全光照時(shí)雌、雄株總面積差別最大，隨著遮陰度增加差異逐漸縮小，雌雄株的葉面積比率和比葉面積無顯著差異(P>0.05)。進(jìn)一步方差分析表明(表2)，遮陰度對(duì)單葉面積、總面積、葉面積比率、比葉面積均有極顯著影響(P<0.01)，影響程度表現(xiàn)為單葉面積>總面積>比葉面積>葉面積比率；性別間單葉面積有極顯著差異(P<0.01)，總面積有顯著差異(P<0.05)；性別與遮陰度對(duì)葉面積參數(shù)無顯著交互作用(P>0.05)。

表1 不同遮陰條件對(duì)葎草葉性狀的影響Table 1 Effects of different shading conditions on leaf trait of Humulus scandens

♀:雌株;♂:雄株;同列不同大寫字母表示同一遮陰度不同性別間差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫字母表示同一性別不同遮陰度間差異顯著(P<0.05)。下同。

♀: Female;♂: Male; Different capital letters within the same column for the same shading degree indicate significant differences between sexes at the 0.05 level; different lowercase letters within the same column for the same sex indicate significant differences among shading degrees at the 0.05 level. Similarly, for the following tables.

表2 葎草葉性狀性別差異的雙因素方差分析Table 2 Two-factor variance analysis of the effects of sex differences on leaf trait of Humulus scandens

F值表示F檢驗(yàn)的顯著性，F(xiàn)越大表示越顯著，P值表示概率值。下同。

Fvalue indicates the significance ofFtest with greaterFvalue meaning more significant.Pvalue indicates the probability value; similarly for the following tables.

2.1.3根、莖性狀 遮陰對(duì)葎草莖性狀有不同程度影響(表3)，對(duì)根長(zhǎng)幾無影響(P>0.05)。隨遮陰度增加莖直徑逐漸減小，重度遮陰較全光照莖直徑下降約42%；雌、雄株莖長(zhǎng)隨著遮陰度增加先增長(zhǎng)后變短，在輕度遮陰下莖長(zhǎng)分別是重度遮陰的1.75倍和1.7倍；節(jié)間長(zhǎng)在重度遮陰下較全光照顯著變短(P<0.05)。性別間莖長(zhǎng)和節(jié)間長(zhǎng)有差異，雄株莖長(zhǎng)大于雌株(P<0.05)，在輕度遮陰時(shí)差異最大；雄株節(jié)間長(zhǎng)小于雌株(P<0.05)，雌雄間莖直徑和根長(zhǎng)無顯著差異(P>0.05)。方差分析表明(表4)，遮陰度對(duì)莖直徑、莖長(zhǎng)、節(jié)間長(zhǎng)有極顯著影響(P<0.01)，影響程度表現(xiàn)為莖長(zhǎng)>莖直徑>節(jié)間長(zhǎng)；性別間莖長(zhǎng)和節(jié)間長(zhǎng)有極顯著差異(P<0.01)，莖直徑和根長(zhǎng)無顯著差異(P>0.05)，性別與遮陰度交互作用對(duì)根莖性狀無顯著影響。

表3 不同遮陰條件對(duì)葎草莖性狀與根性狀的影響Table 3 Effects of different shading conditions on stem trait and root trait of Humulus scandens

表4 葎草莖性狀與根性狀的雙因素方差分析Table 4 Two-factor variance analysis of stem trait and root trait of Humulus scandens

2.2 遮陰對(duì)水分分配的影響

遮陰度對(duì)葉、莖水分比例有不同程度影響(表5)，重度遮陰下葉水分顯著大于中度遮陰(P<0.05)，莖水分比例顯著小于中度遮陰。性別間葉、莖水分有顯著差異，雄株葉水分顯著大于雌株(P<0.05)。隨遮陰度增加，雌、雄株葉水分差距逐漸增大，中度遮陰下差距達(dá)到最大，在重度遮陰時(shí)差距縮小，且低于全光照；雄株莖水分小于雌株(P<0.05)，雌雄株莖水分間的變化趨勢(shì)與葉水分變化趨勢(shì)一致；根水分在性別間無顯著差異(P>0.05)。方差分析表明(表6)，遮陰度對(duì)葉、莖水分比例有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)根水分比例無顯著影響(P>0.05)。性別對(duì)葉、莖水分比例有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)根水分比例無顯著影響(P>0.05)。性別與遮陰度對(duì)構(gòu)件水分比例交互作用不顯著(P>0.05)。

2.3 遮陰對(duì)生物量結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1生物量分配 遮陰度對(duì)生物量分配有不同程度影響(表7)，葉分配隨遮陰度增加先減后增；莖分配在重度遮陰下較中度遮陰時(shí)顯著降低(P<0.05)；遮陰對(duì)總生物量有顯著影響，中度和重度遮陰使總生物量顯著小于輕度遮陰和全光照時(shí)。性別間莖分配和總生物量有顯著差異，雌株的莖分配大于雄株(P<0.05)，在重度遮陰時(shí)性別間差異最?。恍壑昕偵锪看笥诖浦?P<0.05)，中度遮陰時(shí)雌雄株生物量差異最大。葉、根分配受性別影響較小(P>0.05)。方差分析表明(表8)，遮陰度對(duì)葉、莖分配比和總生物量有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)根分配比有顯著影響(P<0.05)，遮陰度對(duì)生物量分配比的影響程度表現(xiàn)為莖>葉>根。性別間莖分配比和總生物量有顯著差異(P<0.05)，莖分配比和總生物量受遮陰度影響較性別影響大。性別與遮陰度互作間對(duì)分配比和總生物量無顯著影響。

表5 遮陰對(duì)葎草各構(gòu)件水分分配比例與根冠比的影響Table 5 Effect of sex on each component water distribution and root-shoot ratio of Humulus scandens under shading %

表6 葎草各構(gòu)件水分分配比例與根冠比的雙因素因素分析Table 6 Two-factor variance analysis of each component water distribution and root-shoot ratio of Humulus scandens

表7 不同遮陰條件對(duì)葎草生物量分配的影響 Table 7 Effect of sex on biomass allocation of Humulus scandens in different shade conditions

表8 生物量分配的雙因素方差分析Table 8 Two-factor variance analysis in terms of biomass allocation

2.3.2根冠比 遮陰度對(duì)根冠比有不同程度影響(表5)，重度遮陰下根冠比顯著大于輕度遮陰，根冠比在性別間有顯著差異，雄株的根冠比顯著大于雌株(P<0.05)。進(jìn)一步方差分析表明(表6)，遮陰度對(duì)根冠比有極顯著影響(P<0.01)，性別對(duì)根冠比有顯著影響(P<0.05)，性別與遮陰度對(duì)根冠比交互作用不顯著。

3 討論

光是影響植物生存、生長(zhǎng)的最重要的環(huán)境因子，不僅影響植物的光合作用，同時(shí)還以環(huán)境信號(hào)的形式作用于植物，調(diào)節(jié)植物形態(tài)建成、生理代謝和解剖結(jié)構(gòu)變化等來適應(yīng)不同的光照條件[19-20]。植物通過抬高葉片位置、增大葉片面積、變薄葉片厚度、增大節(jié)間長(zhǎng)、減少分枝數(shù)、降低根長(zhǎng)和根數(shù)等方式來應(yīng)對(duì)遮陰脅迫[21-25]。雌雄異株是植物適應(yīng)不良生存環(huán)境的進(jìn)化方式之一，雌、雄株對(duì)環(huán)境脅迫的應(yīng)對(duì)能力與響應(yīng)速度直接關(guān)系種群結(jié)構(gòu)及種群發(fā)展趨勢(shì)[26]。因物種特性和生長(zhǎng)環(huán)境等方面的影響，不同雌雄異株植物的雌、雄個(gè)體對(duì)脅迫環(huán)境的反應(yīng)也不盡相同。本研究表明，遮陰度對(duì)葎草構(gòu)件性狀、水分分配、生物量結(jié)構(gòu)和根冠比均有顯著影響，且雌雄個(gè)體表現(xiàn)出明顯的性別差異，雌株對(duì)遮陰的響應(yīng)更敏感。

葎草的莖長(zhǎng)隨遮陰度增加不斷增大，雌株增幅大于雄株。葉長(zhǎng)、葉寬、葉厚、單葉面積、莖直徑隨遮陰度增加不斷下降，在一些研究中出現(xiàn)同樣的結(jié)果[27-28]，在遮陰處理下葎草可通過自身的調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境的變化。重度遮陰較全光照條件雌株總?cè)~面積增加79%，雄株下降51%，說明雌株通過增加葉面積和莖長(zhǎng)來擴(kuò)展空間，幫助葉片逃離陰蔽環(huán)境的脅迫，雄株則采用縮小體形應(yīng)對(duì)遮陰脅迫的生存策略。雌株在重度遮陰條件下，單葉變窄、總?cè)~面積增大、莖生長(zhǎng)加快變長(zhǎng)、構(gòu)件生物量變小，雄株葉總面積減小、各構(gòu)件變化幅度較雌株小，可見雄株與雌株相比在營(yíng)養(yǎng)、水分、空間等資源的競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)，雄株的資源有效利用率明顯低于雌株。本研究通過對(duì)不同遮陰脅迫下葎草雌、雄的水分分配進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根水分比例在性別間無顯著差異，雄株的莖水分比例顯著小于雌株，葉水分比例顯著大于雌株，進(jìn)一步分析得知雄株沒有保守的水分利用策略，在遮陰脅迫下雄株將更多的水分分配到葉片，通過消耗大量水分來促進(jìn)生長(zhǎng)，盡快完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也說明葎草主要通過改變莖、葉水分分配比來應(yīng)對(duì)遮陰脅迫。

通常用生物量累積量和生物量分配來研究植物對(duì)脅迫生境的適應(yīng)能力和各項(xiàng)生理功能間的平衡關(guān)系[29]，植物優(yōu)先向可減緩或克服脅迫因子的構(gòu)件分配生物量，用來減少脅迫環(huán)境對(duì)植物造成傷害。本研究中，葎草性別間葉、根生物量分配比差異較小，但雌株莖生物量分配比顯著大于雄株。單株生物量隨著遮陰度增加先增大后減小，在輕度遮陰時(shí)達(dá)到最大值，葉分配比例呈現(xiàn)先減小后增大，在中度遮陰時(shí)達(dá)到最小值，莖分配比例呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，說明輕度遮陰對(duì)葎草的生長(zhǎng)無抑制作用，且在該環(huán)境能夠下生長(zhǎng)良好；而中度、重度遮陰環(huán)境下生長(zhǎng)欠佳，葎草生物量的積累受到抑制。隨著遮陰度增加，葎草會(huì)根據(jù)生物量來控制葉與莖之間的配比平衡，表明葎草具有極強(qiáng)的應(yīng)對(duì)遮陰脅迫的生長(zhǎng)策略。本研究只對(duì)遮陰作用下結(jié)構(gòu)形成和生長(zhǎng)策略進(jìn)行了比較分析，植物對(duì)遮陰的生理響應(yīng)能力及反映速度是決定其抗性的關(guān)鍵，關(guān)于葎草對(duì)遮陰脅迫響應(yīng)的具體機(jī)理及應(yīng)對(duì)策略有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

葎草具有在遮陰脅迫下進(jìn)行構(gòu)件性狀及生物量分配的自我調(diào)節(jié)能力，當(dāng)光照在生理適應(yīng)范圍內(nèi)降低時(shí)，雌株增加葉面積來增加光合面積，以適應(yīng)弱光環(huán)境，雄株則因?yàn)檎陉幎仍黾訙p少了葉面積的生長(zhǎng)，以縮小體形應(yīng)對(duì)遮陰脅迫。葎草通過控制總?cè)~面積和降低根莖葉生物量分配比來達(dá)到降低地上部分、減少水分散失和適應(yīng)遮陰脅迫的目的。雌雄個(gè)體能依據(jù)遮陰變化，協(xié)調(diào)的調(diào)整構(gòu)件形成和改變生長(zhǎng)策略，順利完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變，為生殖生長(zhǎng)、種子形成及物種延續(xù)奠定基礎(chǔ)。