模擬增溫對水蔥(Scirpus validus)輸導(dǎo)組織的影響1)

馮春慧 孫梅 田昆 管東旭 張依南

(國家高原濕地研究中心(西南林業(yè)大學(xué))，昆明，650224)

植物的維管結(jié)構(gòu)(plant vascular system)是植物體中擔(dān)負(fù)長距離物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕攲?dǎo)結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)著植物體各部分間的物質(zhì)重新分配和轉(zhuǎn)移，關(guān)系著植物的整個(gè)生命過程[1-2]。維管結(jié)構(gòu)主要由木質(zhì)部和韌皮部組成[3]，其中，導(dǎo)管是木質(zhì)部最主要的組成部分，導(dǎo)管孔徑的大小和密度直接影響水分運(yùn)輸效率[4-5]。而韌皮部的篩管是長距離運(yùn)輸光合產(chǎn)物的重要結(jié)構(gòu)，且物質(zhì)的運(yùn)輸效率與篩管密度和大小密切相關(guān)[6]。

溫度是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素之一，輸導(dǎo)組織以及光合作用對溫度變化的響應(yīng)與植物的水分傳輸和利用、物質(zhì)積累等生理過程密切相關(guān)，對了解植物如何適應(yīng)溫度變化有重要作用。相對于低溫環(huán)境，生長在較高溫度下的煙草葉片具有更大的導(dǎo)管直徑并對應(yīng)更高的導(dǎo)水率[7]。對生長在不同溫度條件下早熟禾的研究發(fā)現(xiàn)，生長在較溫暖條件下的早熟禾具有更大和更密的導(dǎo)管，以提高植物水分輸送能力[8]。但也有少部分研究認(rèn)為，增溫對植物的輸導(dǎo)組織影響不顯著[9]。植物光合功能受環(huán)境溫度的影響也十分顯著，溫度通過影響植物對光和CO2的利用效率影響植物的光合作用，進(jìn)而影響植物的物質(zhì)積累和生長繁殖[10]。但是不同植物對增溫會產(chǎn)生不同的光合生理響應(yīng)[11-12]。例如，增溫使單子葉草本植物發(fā)草(Deschampsiacaespitosa)的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率顯著提高；但增溫條件下的雙子葉草本植物遏藍(lán)菜(Thlaspiarvense)的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率都明顯低于對照組[13]。前期我們對滇西北高原納帕海湖濱帶典型優(yōu)勢植物適應(yīng)增溫的研究也發(fā)現(xiàn)，增溫顯著降低了茭草的光合功能，而對黑三棱的影響相對較弱[12]。也有研究表明，增溫降低了蘆葦?shù)膬艄夂纤俾省⒄趄v速率和氣孔導(dǎo)度[14]。植物對增溫的反應(yīng)存在一定的有效幅度，適度增溫能使植物的凈光合速率和蒸騰速率等光合特性指標(biāo)增加，但當(dāng)環(huán)境溫度超過植物最適生長溫度范圍時(shí)，增溫將會對植物的光合作用產(chǎn)生抑制作用[15-16]。可見，增溫對植物維管組織及光合功能的影響尚存在眾多爭議，仍需進(jìn)一步在各類型植物中開展相關(guān)研究。此外，在陸生植物類群之中，植物凈光合速率與其水分運(yùn)輸能力間存在的正相關(guān)關(guān)系已被諸多研究所證實(shí)[17-18]。植物輸導(dǎo)組織與光合功能間密切的協(xié)同作用是植物實(shí)現(xiàn)對增溫的響應(yīng)與適應(yīng)的重要策略之一[19]。目前對溫度變化如何影響植物輸導(dǎo)組織和光合功能的研究大多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)，研究對象多集中于木本植物，而對其他生態(tài)系統(tǒng)和植物類群的研究相對較少。

濕地生態(tài)系統(tǒng)是近年來各國研究的熱點(diǎn)，濕地植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要生產(chǎn)者，對整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建、維持和恢復(fù)具有重要意義[20-21]。研究濕地植物對溫度變化的響應(yīng)規(guī)律是掌握氣候變化對濕地生態(tài)系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)。云南高原濕地是我國高原濕地的重要組成部分，由于地處較高海拔，地形相對封閉的特征，對氣候變化高度敏感，更容易受到全球增溫效應(yīng)的影響[22]。水蔥(Scirpusvalidus)的分布范圍較廣，是典型的濕地植物，在滇西北著名的九大高原湖泊中都是其湖濱帶優(yōu)勢植物[23]。前期對滇西北水蔥光合生理的研究發(fā)現(xiàn)，水蔥的光合功能性狀對溫度變化較為敏感[22]。因此，水蔥在研究增溫對濕地植物應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)策略方面是較為理想的材料。

本研究以云南高原典型的濕地植物水蔥(Scirpusvalidus)為研究對象?；贗PCC對未來大氣增溫的預(yù)測，采用閉合式人工控制氣候模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展增溫控制實(shí)驗(yàn)，通過觀測不同溫度處理下水蔥的葉片輸導(dǎo)組織及凈光合速率變化情況，探討植物的輸導(dǎo)組織和光合生理功能對增溫的響應(yīng)和適應(yīng)策略，為揭示高原濕地植物對氣候變暖的生理適應(yīng)策略提供案例。

1 研究地概況

本研究實(shí)驗(yàn)材料移栽自云南省晉寧縣滇池生態(tài)定位站附近的滇池湖濱帶(102°35′54″～102°40′8″E,24°39′59″～24°42′17″N)，海拔1 888 m。滇池(24°22′～26°33′N，102°10′～103°40′E)，地處云南省昆明市西南部，平均海拔1 943 m。擁有盤龍江等21條補(bǔ)給河流，流域面積(不包括?？谝韵铝饔蛎娣e)2 960 km2，平均水深4.5 m。流域范圍屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，干濕季分明。全年溫差較小，年平均氣溫15.1 ℃，年均日照2 200 h；霜期短，無霜期240 d以上；年降水量1 035 mm。鳥類、魚類和濕地植物資源十分豐富，如中山杉(Ascendensmucronatum)、蘆葦(Phragmitescommunis)、水蔥(Scirpusvalidus)、香蒲(Typhaorientalis)等，整個(gè)濕地的植被類型以喬木和灌木、沉浮水植物群落類型為主，總面積占整個(gè)濕地總面積的72.95%[24]。

2 材料與方法

2.1 環(huán)境模擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于IPCC第五次評估報(bào)告，在云南省昆明市國家高原濕地研究中心建立人工環(huán)境控制系統(tǒng)封頂式生長室(圖1)，設(shè)置對照、大氣增溫(環(huán)境溫度+2 ℃)兩個(gè)不同處理。生長室下部近似圓柱體，由11個(gè)寬1.0 m和高2.0 m的面構(gòu)成，用浮法玻璃密封；上部近似球缺，高約1.5 m，由雙層中空PC板密封，總體積約為24.5 m3。每個(gè)生長室具有獨(dú)立、自控的特點(diǎn)。增溫生長室的下部圓柱體一邊側(cè)面與制冷-加熱系統(tǒng)連接，生長室內(nèi)溫度的控制主要是通過壓縮機(jī)的制冷功能和與其相連接的熱交換器、電阻加熱器以及新風(fēng)量控制閥等控制，為了維持生長室內(nèi)氣壓平衡和避免特殊事件(如停電、空調(diào)故障)造成生長室內(nèi)溫度升高，在球缺頂部裝有2個(gè)自垂式單向開啟調(diào)壓扇和1個(gè)手動窗口。

圖1 人工環(huán)境控制系統(tǒng)封頂式生長室(STC)

2.2 人工控制氣候模擬實(shí)驗(yàn)生長室溫度變化

生長室的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集是由模擬控制監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)通過通訊線監(jiān)視各個(gè)封頂式生長室的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并可遠(yuǎn)程設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)以及進(jìn)行系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)的不間斷采集。用Excel統(tǒng)計(jì)水蔥生長季(3—10月)生長室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，并分別計(jì)算日平均溫度和月平均溫度的平均值。根據(jù)這些溫度值，相比于對照組，增溫生長室內(nèi)的大氣平均溫度在試驗(yàn)期間(2017年3月—2017年9月)增加了1.96 ℃(圖2)。這一結(jié)果說明閉合式人工模擬溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了顯著增溫作用，且增溫幅度和在預(yù)測范圍內(nèi)，模擬增溫效果比較理想。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

在滇池湖濱帶選擇長勢基本相似，生長良好的水蔥植株，帶土采集并移至氣候模擬實(shí)驗(yàn)基地。將這些植株移栽到8個(gè)內(nèi)徑35 cm，高25 cm的實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)的栽培基質(zhì)均為水蔥采樣點(diǎn)的原位土壤，每桶放入相同的土量。在自然條件下緩苗半個(gè)月后，將8盆水蔥隨機(jī)分成兩組(每組4盆)，一組放入現(xiàn)行環(huán)境溫度的生長室，作為對照組；將其余4盆放入溫度設(shè)定為現(xiàn)行環(huán)境溫度+2 ℃的生長室。為了保持均一的光照條件，排除邊緣效應(yīng)，放置時(shí)以生長室的中心為圓點(diǎn)，在距生長室內(nèi)邊緣至圓心的中間位置隨機(jī)放置。讓水蔥在生長室內(nèi)生長1年(2016年10月—2017年10月)，以便水蔥充分適應(yīng)增溫環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)期間，保持每個(gè)桶里的水蔥淹水深度一致。

CK=環(huán)境溫度，TE=(2±0.5)℃增溫。

2.4 凈光合速率的測定

于2017年8月，選擇晴朗天氣，于上午08：30—11：30，用Li-6400XT便攜式光合作用測定儀(LI-6400，LI-COR，Nebraska，USA)，分別從不同處理的4盆水蔥中各挑選3株長勢一致、成熟并且無損傷的水蔥，每株選擇一片的全展成熟葉片，原位直接測定植物的凈光合速率(Pn)。測定時(shí)，設(shè)定葉室內(nèi)部光強(qiáng)為1 500 μmol·m-2·s-1，葉片溫度保持在22～24 ℃，流速設(shè)為500 μmol·s-1，室內(nèi)CO2摩爾分?jǐn)?shù)設(shè)置為400 μmol·mol-1。

2.5 輸導(dǎo)組織性狀測定

將測定完凈光合速率的葉片截取中間部位長度約15 cm的葉片，密封于含濕紙球的密封袋內(nèi)，做好標(biāo)記并保存于保鮮盒內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行維管組織的解剖及測定。在實(shí)驗(yàn)室中，分別對截取的葉片進(jìn)行徒手切片，在光學(xué)顯微鏡下觀察并拍照。然后用Image J圖片處理軟件測量和統(tǒng)計(jì)各輸導(dǎo)組織的導(dǎo)管橫切面長度、寬度和導(dǎo)管橫切面面積以及篩管橫切面的密度和面積，并以橢圓的周長計(jì)算公式算出導(dǎo)管橫切面的周長(圖3)。每個(gè)處理選3株植物，每株植物選擇8個(gè)維管束結(jié)構(gòu)。即每個(gè)溫度處理下的每個(gè)導(dǎo)管和篩管的參數(shù)值各24個(gè)數(shù)值，總共48個(gè)值。

圖3 水蔥維管束解剖結(jié)構(gòu)(左圖為放大20倍鏡像，右圖為放大40倍鏡像)

2.6 數(shù)據(jù)分析

本研究采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，并通過獨(dú)立樣本t-檢驗(yàn)檢測不同溫度處理下水蔥的輸導(dǎo)組織及光合性狀間有無顯著差異，統(tǒng)計(jì)的顯著性水平為P<0.05。采用R統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行線性相關(guān)分析，檢測水蔥輸導(dǎo)組織性狀與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率間的相關(guān)關(guān)系。采用Sigmaplot(v.10.0;https://systatsoftware.com/)繪圖軟件進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 水蔥的輸導(dǎo)組織和凈光合速率在不同溫度處理間的差異

相對于對照組，增溫處理下的水蔥導(dǎo)管橫切面周長、導(dǎo)管橫切面面積、篩管橫切面面積和凈光合速率(Pn)均呈顯著減小的趨勢(P<0.05，表1)，其平均值分別減小了7.2%、10%、14.7%、47.5%。但是增溫處理下篩管密度顯著高于對照組(P<0.05)，其平均值高于對照組20.2%。

2.2 植物維管束結(jié)構(gòu)與凈光合速率的相關(guān)性

基于對水蔥的維管結(jié)構(gòu)性狀與凈光合速率的相關(guān)分析表明：水蔥的導(dǎo)管橫切面周長、導(dǎo)管橫切面面積與凈光合速率間都存在顯著正相關(guān)(P≤0.05)，而篩管橫切面密度與凈光合速率間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，篩管橫切面面積與凈光合速率間關(guān)系不顯著(圖4)。

表1 水蔥的輸導(dǎo)組織和凈光合速率在不同處理間的差異比較

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同字母代表差異性顯著(P<0.05)。

r為水蔥凈光合速率與維管結(jié)構(gòu)性狀之間的相關(guān)系數(shù)；P為顯著性水平；P≤0.05為顯著相關(guān)；P>0.05不相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

增溫顯著降低了水蔥的導(dǎo)管橫切面周長、導(dǎo)管橫切面面積、篩管橫切面面積和凈光合速率，但顯著增加了篩管橫切面密度。這一結(jié)果表明，增溫顯著抑制了水蔥輸導(dǎo)組織以大小為基準(zhǔn)的水分和營養(yǎng)傳輸能力以及光合生產(chǎn)力。水蔥的凈光合速率與導(dǎo)管橫切面周長、導(dǎo)管橫切面面積和篩管橫切面面積均呈正相關(guān)，但與篩管橫切面密度呈負(fù)相關(guān)，表明水蔥的凈光合速率與其輸導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

輸導(dǎo)組織作為植物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其解剖結(jié)構(gòu)差異反映了植物對外界環(huán)境改變所產(chǎn)生的生理適應(yīng)策略。植物的導(dǎo)管和篩管的大小和數(shù)量是影響植物體內(nèi)水分和養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)闹匾蛩?。一般來說，導(dǎo)管和篩管的數(shù)量越多、面積越大則傳輸效率越高[25]。對木本植物的研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高會加大植物的水分脅迫[26]，木本植物應(yīng)對水分脅迫時(shí)往往會增大導(dǎo)管大小以及密度來提高水分的運(yùn)輸能力[27]。而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增溫反而減小了水蔥的導(dǎo)管橫切面大小，且水蔥每個(gè)維管束內(nèi)導(dǎo)管數(shù)量都僅有兩個(gè)，因此，增溫并沒有增加水蔥的水分運(yùn)輸能力，相反是降低了。這可能是由于水蔥是水生植物，水分并不是水蔥的生長限制因子，因而受增溫引起的水分脅迫影響較小。此外，溫度增高導(dǎo)致水蔥蒸騰速率加大，水分散失較快，極易引起植物生理水分虧缺[28-30]。而較小的導(dǎo)管直徑可以增加水分的運(yùn)輸阻力[31]，防止體內(nèi)水分的過度散失。因此，水蔥的導(dǎo)管橫截面周長和面積變小可能是面對高溫情況下，其生理結(jié)構(gòu)的一種保水策略。

過去關(guān)于增溫對植物凈光合速率的影響存在眾多爭議，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增溫顯著降低了水蔥的凈光合速率(P=0.002)，這與祁秋艷等[14]對崇明東灘蘆葦?shù)难芯亢完愊璧萚32]對高寒草甸植被的研究結(jié)果一致。水蔥長期生活在滇池湖濱帶，暗示滇池自然界的環(huán)境溫度是其最適生長的溫度，增溫實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致其生存的平均溫度、最高氣溫和生長季積溫都明顯增加，很可能引起水蔥對較高溫度的不適應(yīng)，產(chǎn)生高溫脅迫反應(yīng)。高溫脅迫會使光合作用的關(guān)鍵酶Rubisco活化酶失活[33]，RuBP羧化酶活性降低[34]，致使光合速率顯著下降。

植物的光合作用往往和植物的水分吸收、運(yùn)輸和蒸騰過程密切相關(guān)[19]。在陸生植物類群之中，植物的凈光合速率和其水分運(yùn)輸?shù)哪芰χg存在正相關(guān)關(guān)系已經(jīng)被證實(shí)[17-18]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水蔥的凈光合速率與其導(dǎo)管橫截面大小顯著正相關(guān)，說明水蔥的凈光合速率與水分運(yùn)輸能力存在正相關(guān)。植物通過體內(nèi)的導(dǎo)管和篩管等輸導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)運(yùn)輸水分和營養(yǎng)物質(zhì)，供其進(jìn)行光合作用和呼吸作用，其光合產(chǎn)物又通過篩管往回運(yùn)輸，供植物生長和繁殖。篩管是植物體內(nèi)光合產(chǎn)物的重要運(yùn)輸通道。水蔥篩管橫切面大小與凈光合速率的正相關(guān)，可能是因?yàn)橹参锏膬艄夂纤俾氏陆担夂袭a(chǎn)物積累也減少，篩管的運(yùn)輸量下降而導(dǎo)致的篩管橫切面面積變小。

增溫顯著降低了水蔥的水分和物質(zhì)運(yùn)輸能力和光合能力，可能將進(jìn)一步引起植物的生長和擴(kuò)散受到抑制。由于水蔥是云南大部分高原濕地的優(yōu)勢植物，增溫對水蔥輸導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)和光合速率的影響，反映了這一高原地區(qū)濕地植物對氣候變化的適應(yīng)策略。據(jù)此推測，未來氣候變暖可能會對云南高原湖濱帶植物的結(jié)構(gòu)組成產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本研究結(jié)果可為高原湖濱帶植物應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性研究提供案例。