基于形態(tài)學(xué)及生理學(xué)的黃檗性別差異研究

張 玲 張東來

(1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，哈爾濱 150081； 2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150081)

植物界中雌雄異株植物約占6%，在被子植物中占959個(gè)屬，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1～4]。雌雄異株植物具有性別特化和對(duì)資源需求不同等特點(diǎn)，因此在植株形態(tài)、生理、生化上存在不同程度的差異[5]。林業(yè)生產(chǎn)中，尤其在種子園營(yíng)建及雜交育種等方面，常常根據(jù)經(jīng)營(yíng)目的與利用方向選擇特定性別的植株，因此，研究雌雄株的特性及差異尤為重要[6]。

植物內(nèi)源激素與抗氧化防御酶均是與性別表達(dá)相關(guān)的生理指標(biāo)，其各具作用和特點(diǎn)，二者在合成和分泌上相互影響，共同調(diào)控機(jī)體的抗性[7]。植物激素參與調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的每一個(gè)過程，包括植物自身的生長(zhǎng)和發(fā)展和形態(tài)建成[8]。很多學(xué)者研究雌雄株內(nèi)源激素含量變化后，認(rèn)為實(shí)生樹內(nèi)源激素含量存在一定的性別差異[9～10]。植物通過防御酶活性、內(nèi)源激素的變化來調(diào)節(jié)某些生理過程，以達(dá)到適應(yīng)不同環(huán)境條件的目的[11]。

黃檗(PhellodendronamurenseRupr.)，雌雄異株植物，為我國(guó)特有種，是東北三大珍貴硬闊葉用材樹種之一。同時(shí)也是我國(guó)名貴中藥關(guān)黃柏的藥源植物。由于其具有藥用和木材雙重經(jīng)濟(jì)價(jià)值而被大量砍伐，導(dǎo)致資源量銳減，現(xiàn)已被列為國(guó)家一級(jí)珍貴樹種、國(guó)家2級(jí)保護(hù)樹種和易危物種[12]。開展黃檗雌雄植株的形態(tài)及生理生化差異研究，可以揭示雌雄植株個(gè)體生長(zhǎng)和生理特性，為探究雌雄植株對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制以及該物種瀕危機(jī)制、制定及時(shí)有效的保護(hù)措施提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

以哈爾濱市香坊區(qū)勞動(dòng)公園黃檗成樹為研究對(duì)象，樹齡平均為46年，郁閉度為0.7左右，林內(nèi)伴生種為白樺(BetlaplatyphyllaSuk.)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、山楊(PopulusdavidianaDode)、春榆(Ulmusjaponica(Rehd.)Sarg.)等，灌木為紫丁香(Syringaoblata)、金銀忍冬(Loniceramaackii(Rupr.)Maxim.)等。選取同齡、長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)狞S檗雌雄株各6株(通過開花、結(jié)實(shí)確定性別)，在每株樣樹樹冠的上、中、下3個(gè)層次的東、南、西、北4個(gè)方向采摘頂尖第3對(duì)葉片，將同株樣樹上所采摘的葉片充分混合裝入袋內(nèi)，迅速放入冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室放入冰箱中，冷藏，待測(cè)?？寡趸雷o(hù)酶活性分別在6～9月中旬，其它指標(biāo)測(cè)定時(shí)間為8月。

1.1.1 形態(tài)學(xué)測(cè)定

將采摘的雌雄葉片分別按同位、同齡葉片進(jìn)行編號(hào)。用便攜式葉面積儀測(cè)量葉長(zhǎng)、葉寬等指標(biāo)。每個(gè)層次、每個(gè)方向各3次重復(fù)，所有數(shù)據(jù)以平均的標(biāo)準(zhǔn)差Mean±SD表示。

1.1.2 葉綠素含量的測(cè)定

根據(jù)趙世杰的方法進(jìn)行測(cè)定[13]，提取液為80%的丙酮。

1.1.3 內(nèi)源激素含量測(cè)定

使用LC-20A高效液相色譜法測(cè)定[14]。

1.1.4 抗氧化酶活性的測(cè)定

MDA含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定；SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定；CAT活性采用過氧化氫法測(cè)定[14]。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理，雌雄株間差異的顯著性用配對(duì)樣本(Paired-samples T test)檢驗(yàn)，origin9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃檗雌雄植株形態(tài)學(xué)差異

分別對(duì)黃檗雌雄株的葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)度及枝間夾角等形態(tài)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，同一性別、同類枝條上的葉片其葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)度及枝間夾角等形態(tài)特征參數(shù)具有良好的穩(wěn)定性。從表1中可以看出，相同樹齡、相同環(huán)境條件下黃檗雌雄植株形態(tài)上存在顯著差異，雌株葉長(zhǎng)大于雄株，但差異不顯著；雌雄植株葉寬差異顯著(P<0.05)，雌株葉片較雄株葉片寬1.66±0.148 cm；雌雄植株枝間夾角差異極顯著(P<0.001)，相同條件雌株枝間夾角大于雄株17.5±1.21°，黃檗雌株枝干平狀傘形開叉，雄株為尖頂傘狀，黃檗雌雄植株葉片長(zhǎng)、葉柄長(zhǎng)度差異不顯著(表1)。由于黃檗成樹葉形及枝間夾角發(fā)育成熟后具有穩(wěn)定性，因此葉寬及枝間夾角差異可以作為黃檗性別鑒定的重要依據(jù)。

2.2 黃檗雌雄株葉綠素含量差異

葉綠素作為反映植物葉片光合性能、衰老程度和營(yíng)養(yǎng)狀況的重要因素，其含量變化是植物敏感的生理指標(biāo)之一。雌雄植株葉片顏色有一定差異，雌株葉片顏色為淺綠色，雄株葉片深綠色。黃檗雄株總?cè)~綠素含量平均值為16.09±1.32 mg·L-1，雌株平均值為21.69±8.34 mg·L-1。雄株葉綠素a含量為10.08±0.58 mg·L-1，雌株為14.24±5.02 mg·L-1；雄株葉綠b含量為6.02±0.83 mg·L-1，雌株為7.46±3.35 mg·L-1。黃檗雌雄植株葉片葉綠總量、葉綠素a、葉綠素b含量差異均不顯著(圖1)，說明黃檗雌雄植株葉綠素的合成與降解效率基本一致。

表1 黃檗雌雄株形態(tài)特征

Table 1 Morphological characteristics ofP.amurensein male and female

性別Gender葉長(zhǎng)Length of leaf(cm)葉寬Leaf width(cm)葉柄長(zhǎng)Petiole(cm)枝間夾角Leaf Angle(°)雄株Male9.09±1.64a2.87±0.27a0.58±0.60a47.00±2.10A雌株Female9.80±2.35a4.28±1.21b0.82±1.16a29.4±0.89B

圖1 黃檗雌雄植株葉綠素含量差異Fig.1 The difference chlorophyll content in female and male plants of P.amurense

圖2 黃檗雌雄株過氧化氫酶活性差異Fig.2 The difference CAT activity in female and male plants of P.amurense

2.3 黃檗雌雄植株葉片抗氧化防御酶活性

2.3.1 黃檗雌雄植株過氧化氫(CAT)酶活性季節(jié)動(dòng)態(tài)

從圖2可以看出，黃檗雌雄植株葉片CAT酶活性在6～9月4個(gè)月間出現(xiàn)單峰狀態(tài)，在7月最高，雌雄植株差異極顯著(P<0.001)，在6～7月均表現(xiàn)雌株CAT含量大于雄株。8月到9月黃檗雌雄植株CAT含量差異不顯著，說明黃檗在6～8月生長(zhǎng)旺盛期，雌株比雄株機(jī)體過氧化氫酶活性和抗氧化防御能力要強(qiáng)。

2.3.2 黃檗雌雄植株過氧化物酶(POD)酶活性季節(jié)動(dòng)態(tài)

POD是活性較強(qiáng)的適應(yīng)性酶，能夠反映植物體內(nèi)代謝狀況和對(duì)外界環(huán)境變化的適應(yīng)性。黃檗雌雄植株葉片POD酶活性差異不顯著，但同一性別季節(jié)間差異顯著(P<0.05)。雌雄植株P(guān)OD酶活性總體表現(xiàn)為升降升趨勢(shì)，6月最高，7～8月黃檗POD酶活性趨于穩(wěn)定，9月逐漸開始升高，均表現(xiàn)為雄株大于雌株(圖3)。

圖3 黃檗雌雄株過氧化物酶(POD)活性差異Fig.3 The difference POD activity in female and male plants of P.amurense

2.3.3 黃檗雌雄植株超氧化物歧化酶(SOD)活性季節(jié)動(dòng)態(tài)

黃檗雌雄植株超氧化物歧化酶活性差異不顯著，同一性別季節(jié)間差異顯著(P<0.05)。雌雄植株季節(jié)動(dòng)態(tài)有一定差異，雄株表現(xiàn)為6～9月逐漸升高，9月SOD酶活性雄株均值為510.16±319.27 U·g-1·min-1，雌株為294.22±248.80 U·g-1·min-1；雌株SOD酶活性表現(xiàn)為先升高后下降再升高，8月呈下降趨勢(shì)，SOD酶活性均為雄株大于雌株(圖4)，說明相同環(huán)境條件黃檗雄株抗性要比雌性強(qiáng)。

圖4 黃檗雌雄株超氧化物歧化酶(SOD)活性差異Fig.4 The difference SOD activity in female and male plants of P.amurense

圖5 黃檗雌雄植株丙二醛含量差異Fig.5 The difference MDA in female and male plants of P.amurense

圖6 黃檗雌雄株內(nèi)源激素含量差異Fig.6 Difference endogenous hormone contents in female and male plants of P.amurense

2.3.4 黃檗雌雄植株丙二醛(MDA)含量季節(jié)動(dòng)態(tài)

通過連續(xù)4個(gè)月黃檗雌雄株葉片MDA活性測(cè)定，發(fā)現(xiàn)雌雄株的MDA酶活性在6～8月間表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)，雌株MDA酶活性略高于雄株，但在9月，表現(xiàn)出較大的差異，雄株MDA持續(xù)升高，雌株MDA含量迅速下降且遠(yuǎn)低于雄株(圖5)，這一現(xiàn)象有待于進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

2.4 黃檗雌雄植株內(nèi)源激素含量差異

植物性別分化的影響也可能是通過調(diào)節(jié)植物內(nèi)源激素的生物合成途徑來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)發(fā)育、基因表達(dá)均受體內(nèi)激素水平的制約。在同一時(shí)間采樣的46年生黃檗雌雄株內(nèi)源激素進(jìn)行對(duì)比分析，內(nèi)源激素ABA含量為雌株大于雄株，但性別間差異不顯著；GA3和ZA含量均表現(xiàn)為雄株大于雌株且差異顯著(P<0.05)；IAA含量表現(xiàn)為雌株大于雄株，呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)(圖6)。

3 討論

雌雄株之間這種不同的進(jìn)化方向決定了其不同的生長(zhǎng)模式。沙棘雌雄植株不僅在冬態(tài)、形態(tài)、植株分布等存在顯著差異[15]。水曲柳雌雄株在株高、胸徑、枝間角等明顯差異[6,16]。栝樓雌株在葉柄、卷須、葉片和莖尖等組織器官顯著高于雄株[17]。成年銀杏雌雄植株短枝、長(zhǎng)枝葉片葉長(zhǎng)、葉寬、葉基夾角、葉面積和葉形指數(shù)都分別顯著小于雄株對(duì)應(yīng)枝條上相應(yīng)葉片形態(tài)特征，而葉柄顯著大于雄株葉柄[18～19]。葎草的莖、葉、花穗性狀表現(xiàn)出顯著的性別差異[20]。木蘭雌雄株葉、花、莖外部形態(tài)存在顯著差異[21]。本研究黃檗雌雄植株雌株葉長(zhǎng)、葉寬及葉柄長(zhǎng)度均表現(xiàn)為雌株大于雄株，反映出雌株為了滿足繁殖成本，快速積累能量的需要而在葉片生長(zhǎng)方面出現(xiàn)的功能適應(yīng)模式。

激素通過與細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)受體相結(jié)合而引起一系列生物學(xué)效應(yīng)，以此來調(diào)節(jié)酶的活性，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。赤霉素GA3有利于雄性性別的表達(dá)，而細(xì)胞分裂素和吲哚乙酸(IAA)更有利于雌性性別的表達(dá)，但這種激素對(duì)性別表達(dá)的作用并不是對(duì)所有的雌雄異株植物都適用。王白坡等測(cè)定了銀杏雌雄株實(shí)生樹內(nèi)源激素在生長(zhǎng)季節(jié)的變化，結(jié)果表明雌雄株間內(nèi)源激素在含量水平上有一定差異，雌株的GA3和ZA含量高于雄，IBA和ABA則低于雄株[9]。華中五味子從營(yíng)養(yǎng)期到花期ABA含均為雌株大于雄株，IAA、GA3、ZR含量為雄株大于雌株[25]。內(nèi)源激素GA3雄株大于雌株銀杏雌、雄株實(shí)生樹內(nèi)源激素在生長(zhǎng)季節(jié)的變化研究發(fā)現(xiàn)，雌株葉片中玉米素(ZT)的含量較雄株高，吲哚乙酸(IAA)和脫落酸(ABA)則相反，雄株較雌株高。本研究?jī)?nèi)源激素IAA為雌株大于雄株，玉米素ZA為雄株大于雌株，原因可能是物種間生物學(xué)特性的差異導(dǎo)致不同的結(jié)果。