不同引種牡丹非結(jié)構(gòu)性碳水化合物比較

向瀚宇 張海玲 瞿紅云 岳云飛 程 虎 賈國梅，2

(1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)生態(tài)保護(hù)與治理國際聯(lián)合研究中心，湖北 宜昌443002)

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物既是參與植株生命代謝的重要物質(zhì)[1]又是儲(chǔ)存和能量供應(yīng)物，因而，在很大程度上影響植株的生長及對(duì)環(huán)境的響應(yīng)[2]，其含量的變化極有可能是植物對(duì)環(huán)境變化產(chǎn)生的信號(hào)，從而調(diào)節(jié)體內(nèi)基因的表達(dá)，有效的減緩環(huán)境脅迫對(duì)植物體造成的損傷，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物在環(huán)境改變時(shí)的生長發(fā)育[3].有研究表明，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量越高，樹木越耐旱[4].王彪等[5]對(duì)蘆芽山不同海拔白杄非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量動(dòng)態(tài)研究表明了白杄總體及各組織非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量均隨海拔升高而增加，樹木生長的環(huán)境越寒冷，樹木組織中表現(xiàn)出越明顯的保護(hù)策略.有研究表明在寒冷脅迫下所有植物組織中的可溶性糖含量都會(huì)升高[6].植物在低溫脅迫下通過淀粉降解來提高自身糖濃度以適應(yīng)逆境[7].因此，量化非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的儲(chǔ)量有助于理解植物的生態(tài)適應(yīng)性[8].

牡丹，屬毛茛科芍藥屬落葉小灌木，是重要的綠化和觀賞植物及資源植物[9]，被廣泛地應(yīng)用到園林建設(shè)中.隨著園林園藝事業(yè)的發(fā)展，引種牡丹的栽培區(qū)域迅速擴(kuò)大.但是由于牡丹各品種生態(tài)生物學(xué)特性及引種地的氣候、土壤條件的差異，導(dǎo)致引種后有不同的生長表現(xiàn)[10].為此眾多的專家學(xué)者進(jìn)行牡丹的引種栽培研究，其工作主要集中在牡丹的北移抗寒性和南移適應(yīng)性的研究上[9-11].然而，目前很少有研究報(bào)道引種不同牡丹品種的生理生態(tài)適應(yīng)性，特別是引種牡丹非結(jié)構(gòu)性碳水化合物特征，因而，本研究以10種不同品種的牡丹不同部位的葉片為研究對(duì)象，以宜昌本地的牡丹品種的葉片做對(duì)照，分析可溶性糖、淀粉、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和葉綠素含量等生理生態(tài)指標(biāo)，為揭示不同引種牡丹的生理生態(tài)適應(yīng)性機(jī)制和今后進(jìn)一步較大面積引種工作提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)地概括

湖北宜昌屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、雨熱同季、降水豐沛、光照充足、無霜期長，年均降雨量1 078.7 mm，三峽植物園試驗(yàn)地為黃棕壤，坡度5°左右.

2 材料與方法

2014年10月，從山東菏澤引進(jìn)42個(gè)品種的牡丹，種植于宜昌三峽植物園.本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取10個(gè)品種(金閣、貴妃插柳、雪映桃花、春柳、魯荷紅、新日月、白雪公主、魯粉、墨潤絕倫、氣壯山河)和一個(gè)本地鳳丹作為研究對(duì)象.

2.1 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

2.1.1 取樣

于2017年4月在宜昌市三峽植物園隨機(jī)選取每個(gè)品種的老葉、中葉、幼葉各3個(gè)200 g左右材料，作為樣品重復(fù)，每一個(gè)樣品的重復(fù)分別裝袋，用冰袋冷凍至實(shí)驗(yàn)室；將樣品置于干燥箱內(nèi)105℃下快速殺青，80℃下烘干；將烘干后的葉片研磨(大葉脈分離處理)，過0.2 mm孔徑的篩，裝密封袋保存為后期試驗(yàn)做準(zhǔn)備.

2.1.2 指標(biāo)測(cè)量

可溶性糖的測(cè)定采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[12]，淀粉的含量測(cè)定采用酸水解發(fā)測(cè)定淀粉含量[13]，葉綠素的測(cè)定采用分光光度計(jì)測(cè)定[14].

2.2 數(shù)據(jù)處理

不同品種之間的差異采用單因素方差分析，在P＜0.05水平上時(shí)，采用Duncan多重比較進(jìn)行兩兩平均數(shù)之間的比較.為了更進(jìn)一步分析利用少量的指標(biāo)揭示所有指標(biāo)的信息，采用主成分的分析方法.所有分析在SPSS19軟件上完成.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同品種牡丹間生理指標(biāo)的差異比較

11種牡丹可溶性糖的變化范圍在34.15～85.94 mg/g之間(如圖1所示)，不同品種的牡丹可溶性糖的大小順序?yàn)檠┯程一ǎ举F妃插柳＞鳳丹＞新日月＞氣壯山河＞春柳＞白雪公主＞金閣＞墨潤絕倫＞魯荷紅＞魯粉，通過單因素方差分析及其多重比較的結(jié)果表明，魯荷紅、魯粉、墨潤絕倫品種和鳳丹之間有顯著性差異，金閣、貴妃插柳、雪映桃花、春柳、新日月、白雪公主、氣壯山河品種和鳳丹之間無顯著性差異.

圖1 不同品種牡丹間可溶性糖含量

11種牡丹淀粉的變化范圍在33.74～73.47 mg/g之間(如圖2所示).不同品種的牡丹淀粉含量的大小順序?yàn)榇毫狙┯程一ǎ爵敽杉t＞鳳丹＞墨潤絕倫＞白雪公主＞氣壯山河＞新日月＞貴妃插柳＞魯粉＞金閣，通過單因素方差分析及其多重比較的結(jié)果表明，雪映桃花、春柳品種淀粉含量顯著大于鳳丹，金閣、魯粉品種淀粉含量顯著小于鳳丹，貴妃插柳、魯荷紅、新日月、白雪公主、墨潤絕倫、氣壯山河品種和鳳丹之間無顯著性差異.

圖2 不同品種牡丹間淀粉含量

從圖3可以看出牡丹可溶性糖/淀粉比值范圍為0.93～2.19，金閣、貴妃插柳、新日月品種的可溶性糖/淀粉比值較高，其值分別為1.76，2.19，1.90，三者之間無顯著差異，鳳丹的可溶性糖/淀粉比值與其他品種無顯著性差異.

圖3 不同品種牡丹間可溶性糖淀粉比值

11種牡丹非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的變化范圍在69.28～154.74 mg/g之間(如圖4所示)，不同品種的牡丹非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的大小順序?yàn)檠┯程一ǎ敬毫绝P丹＞貴妃插柳＞新日月＞白雪公主＞氣壯山河＞魯荷紅＞墨潤絕倫＞金閣＞魯粉，通過單因素方差分析及其多重比較的結(jié)果表明，金閣、魯粉品種非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量顯著小于鳳丹，雪映桃花品種非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量顯著大于鳳丹，貴妃插柳、春柳、魯荷紅、新日月、白雪公主、氣壯山河品種和鳳丹之間無顯著性差異，雪映桃花、春柳品種的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量大于鳳丹，這說明雪映桃花、春柳品種碳供應(yīng)充足，無碳的限制，還有貴妃插柳、魯荷紅、新日月、白雪公主、魯粉、氣壯山河品種碳源和庫處于平衡狀態(tài)，金閣、魯粉品種碳儲(chǔ)備缺乏，碳供應(yīng)不足.

圖4 不同品種牡丹間非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量

11種牡丹葉綠素a的變化范圍在0.33～0.78 mg/g之間(如圖5所示)，不同品種的牡丹葉綠素a的大小順序?yàn)轼P丹＞新日月＞墨潤絕倫＞春柳＞金閣＞雪映桃花＞氣壯山河＞魯粉＞白雪公主＞魯荷紅＞貴妃插柳，通過單因素方差分析及其多重比較的結(jié)果表明，金閣、貴妃插柳、雪映桃花、春柳、魯荷紅、白雪公主、魯粉、墨潤絕倫、氣壯山河品種葉綠素a含量和鳳丹之間有顯著性差異，新日月品種和鳳丹之間無顯著性差異，這說明新日月品種葉綠素a含量充足.

圖5 不同品種牡丹間葉綠素a含量

11種牡丹葉綠素b的變化范圍在0.03～0.12 mg/g之間(如圖6所示)，不同品種的牡丹葉綠素b的大小順序?yàn)榇毫狙┯程一ǎ绝P丹＞魯粉＞新日月＞墨潤絕倫＞金閣＞氣壯山河＞貴妃插柳＞白雪公主＞魯荷紅，通過單因素方差分析及其多重比較的結(jié)果表明，貴妃插柳、魯荷紅、白雪公主品種葉綠素b含量與鳳丹之間有顯著性差異，金閣、雪映桃花、春柳、新日月、魯粉、墨潤絕倫、氣壯山河品種與鳳丹之間無顯著性差異.

圖6 不同品種牡丹間葉綠素b含量

從圖7可看出牡丹葉綠素a/b比值范圍為5.54～13.27，魯荷紅、白雪公主品種的葉綠素a/b比值較高，其值分別為13.27，12.82.貴妃插柳、魯荷紅、白雪公主、氣壯山河品種之間無顯著差異，金閣、貴妃插柳、雪映桃花、春柳、新日月、魯粉、墨潤絕倫、氣壯山河、鳳丹品種之間的葉綠素a/b值無顯著性差異.

圖7 不同品種牡丹間葉綠素a/b

3.2 生理指標(biāo)的主成分分析

通過不同品種牡丹葉片各因子的主成分分析，探討牡丹葉各生理指標(biāo)與生態(tài)適應(yīng)性的關(guān)系，篩選出對(duì)牡丹生理生態(tài)適應(yīng)性產(chǎn)生影響的主要因子群.分析結(jié)果表明(見表1)，特征根大于1的成分主要有2個(gè)，第一主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)45.243%，第二主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)27.167%，前2個(gè)主成分解釋達(dá)到72.410%.因此，它們基本能解釋牡丹生理生態(tài)適應(yīng)性的信息.

表1 供試牡丹品種的主成分分析

通過計(jì)算主成分各因子的載荷，第一主成分綜合了可溶性糖、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和淀粉的信息，第二主成分綜合了葉綠素的信息.第一主成分累積方差貢獻(xiàn)率最大，對(duì)于牡丹的生理生態(tài)適應(yīng)性起著主要的作用，可溶性糖、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和淀粉因子均在第一主成分中具有較大的載荷，且非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的載荷最大，對(duì)第一主成分的影響最大.因此，第一主成分基本反映了牡丹品種的生理生態(tài)適應(yīng)性的變化.這說明非結(jié)構(gòu)性碳水化合物能敏感地表征牡丹品種生態(tài)適應(yīng)性的變化.

進(jìn)一步通過因子得分系數(shù)矩陣，獲得各因子在不同品種牡丹的得分，最后由各因子方差貢獻(xiàn)率和因子得分加權(quán)得到各品種牡丹生理生態(tài)適應(yīng)性的綜合得分(見表2)，它們得分大小順序?yàn)檠┯程一ǎ敬毫绝P丹＞新日月＞墨潤絕倫＞氣壯山河＞金閣＞白雪公主＞貴妃插柳＞魯荷紅＞魯粉，這說明雪映桃花、春柳品種的牡丹在宜昌三峽植物園的生理生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)，可能最適合在宜昌栽植.

表2 不同牡丹品種綜合因子得分表

4 討論與結(jié)論

可溶性糖是植物生長發(fā)育過程中的重要能源[15]，影響植物開花進(jìn)程.可溶性糖越多，植物更有利于爭奪生存空間，保障植物正常生長[16]，降低花瓣滲透勢(shì)促進(jìn)細(xì)胞吸水，從而促進(jìn)開花[17].本研究中貴妃插柳、雪映桃花品種的可溶性糖含量相對(duì)較高，這表明兩種牡丹比其他牡丹競(jìng)爭能力強(qiáng)，開花進(jìn)程較快.淀粉在一定條件下能被水解成糖類，說明淀粉含量越高，植物抗逆性越強(qiáng)[5].本研究中，雪映桃花、春柳品種的淀粉含量較高，儲(chǔ)存的物質(zhì)最多，這說明兩種牡丹受到脅迫時(shí)，抗逆能力增強(qiáng)，即這兩種牡丹適應(yīng)環(huán)境能力很強(qiáng).可溶性糖與淀粉的比例關(guān)系在高山植物抵御低溫脅迫維持持續(xù)性中起著重要的作用[18].本研究中雪映桃花、春柳品種的可溶性糖含量較高，淀粉含量也比較高，但是可溶性糖/淀粉比值較低，與植物在面對(duì)水分脅迫時(shí)，主要表現(xiàn)為可溶性糖含量增加和淀粉含量降低[19]不一致.這可能是因?yàn)檫@幾種牡丹本身的淀粉含量就比較高，導(dǎo)致比值較小.本研究的幾種牡丹葉的可溶性糖含量基本高于淀粉的含量是因?yàn)橐环矫娴矸凼遣豢梢苿?dòng)的長期儲(chǔ)備物質(zhì)，而可溶性糖可隨時(shí)被調(diào)用于樹木的各種生理活動(dòng)[20]，另一方面可能牡丹光合作用大于呼吸作用.

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是植物典型的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的改變可以直接影響植物滲透調(diào)節(jié)，有助于光合作用、氣孔運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞生長等生理過程正常進(jìn)行[21-22].植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的含量越高，有助于植物對(duì)氣候變化的適應(yīng)[5].趙鐳等[21]研究表明儲(chǔ)存更多的碳水化合物有利于植物對(duì)抗逆境干擾.本研究中，雪映桃花、春柳品種與對(duì)照品種相比非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量較高，這充分說明雪映桃花、春柳品種的抗干擾能力很強(qiáng)，更容易適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境.Mooney[23]研究表明不同樹種的非結(jié)構(gòu)碳水化合物濃度和含量差異顯著，可能反映了其生長策略的不同，這也說明各品種牡丹對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不同.

葉綠素含量的高低是反映植物光合能力的重要指標(biāo)之一[24]，在光飽和點(diǎn)以下，葉片葉綠素含量和光合速率呈正相關(guān)[25].本研究中各牡丹葉綠素含量基本低于對(duì)照牡丹葉綠素含量.這可能是一方面土壤水分脅迫使牡丹的葉綠素合成受阻[26]，另一方面空氣相對(duì)濕度脅迫促進(jìn)了牡丹葉片中葉綠素的降解[27].本研究中雪映桃花、春柳、新日月和對(duì)照品種的葉綠素含量較高，葉綠素a/b比值較低，非結(jié)構(gòu)碳水化合物含量較高.這是因?yàn)槟完幮灾参镆话闳~綠素含量較高，而葉綠素a/b較低，適合在陰暗環(huán)境中生長[28]，而耐蔭性高的物種擁有更高的碳水化合物濃度[21].

通過主成分分析表明非結(jié)構(gòu)性碳水化合物能敏感地表征牡丹品種生態(tài)適應(yīng)性的變化.由各品種牡丹生理生態(tài)適應(yīng)性的綜合得分，表明雪映桃花、春柳的適應(yīng)性較高，這與上述研究結(jié)果一致.

不同牡丹品種間非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和葉綠素含量指標(biāo)值都存在顯著差異，因此這兩個(gè)指標(biāo)可以作為鑒定牡丹生態(tài)適應(yīng)性的合理指標(biāo).

綜上所述，10種牡丹品種中雪映桃花、春柳的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量較高，且葉綠素含量較高，綜合因子得分也是雪映桃花、春柳品種較高，可能在宜昌三峽植物園栽植成功.本試驗(yàn)通過非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和葉綠素含量研究對(duì)適宜引種的牡丹品種進(jìn)行了篩選，對(duì)牡丹品種的引種和本地化培育提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)，但僅有非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和葉綠素的研究還不能充分地說明引種牡丹的適生性，在后續(xù)研究中還需要結(jié)合其他生理生化參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行研究.