不同原生境的6種棕櫚科植物葉片水力性狀的對(duì)比研究

徐龍, 賀鵬程, 張統(tǒng), 劉慧, 葉清*

(1. 中國科學(xué)院華南植物園退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省應(yīng)用植物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510650; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049)

水分對(duì)植物的生長、死亡和分布至關(guān)重要[1]。植物水力性狀(plant hydraulic trait)是指植物在長期演化過程中形成的適應(yīng)生境水分條件的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能，表征植物水分吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和喪失等過程的重要特征[2]。水力性狀主要指與植物利用水分相關(guān)的性狀，包括水力效率(hydraulic efficiency)和水力安全(hydraulic safety)兩個(gè)方面[3]。水力效率是指植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、散失水分的速率和效率，如水力加權(quán)導(dǎo)管直徑、理論導(dǎo)水率等。由于導(dǎo)管的導(dǎo)水率與其直徑的四次方成正比，因此水力加權(quán)導(dǎo)管直徑(Dh)能夠突出直徑較大的導(dǎo)管對(duì)水分傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)[4]；濕潤地區(qū)植物的Dh顯著大于干旱地區(qū)的植物[5-6]。理論導(dǎo)水率(Kth)是通過導(dǎo)管的解剖特征根據(jù)Hagen-Poiseuille法則進(jìn)行估算，可以表征理論狀態(tài)下植物的水分傳導(dǎo)速率，與植物光合能力和抗旱性密切相關(guān)[7]。

而水力安全是指植物面對(duì)干旱脅迫時(shí)保持正常水分生理的能力，與植物抗旱相關(guān)的性狀有葉片膨壓喪失點(diǎn)、導(dǎo)管脆弱性指數(shù)等[8-9]。葉片膨壓喪失點(diǎn)(TLP)是指植物在發(fā)生質(zhì)壁分離時(shí)的水勢(shì)，是表征植物抗旱能力的重要指標(biāo)，TLP值越低表明植物在水分脅迫時(shí)維持自身膨壓的能力越強(qiáng)[10-11]。脆弱性指數(shù)(VI)是由Carlquist提出的，通常用來表示物種對(duì)生境水分條件的適應(yīng)能力，即植物水分運(yùn)輸?shù)陌踩?；VI值越大說明植物在面對(duì)干旱脅迫時(shí)導(dǎo)管更易發(fā)生栓塞，反之導(dǎo)管發(fā)生栓塞風(fēng)險(xiǎn)越小[12]。因此,TLP、VI值越大說明植物水力安全越低。此外，葉脈密度(VD)和比葉面積(SLA)也與植物抗旱能力密切相關(guān)，葉脈是葉片內(nèi)水分運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，VD是指單位葉片面積中葉脈的長度，VD值越大的植物，一般具有越高的耐旱性[13-14]。而比葉面積是指單位葉片干質(zhì)量的鮮葉面積，較低的SLA可以有效的減少蒸騰防止葉片過度失水，還可以將更多的物質(zhì)用于構(gòu)建保衛(wèi)結(jié)構(gòu)，以增加植物的抗旱能力[15]。

棕櫚科(Palmae/Arecaceae)植物分布廣泛，是分化較早的植物類群之一，起源于距今1億年前白堊紀(jì)中期[16]。棕櫚科植物能夠適應(yīng)廣泛的水分生態(tài)位，其分布地年均降水量跨度較大(500~4 000 mm)。Eiserhardt等[17]報(bào)道約90%的棕櫚科植物分布于熱帶雨林和沼澤森林等濕潤生境(moist habitat)，約10%分布于薩王納草原、地中海森林和半荒漠草原等季節(jié)性干旱生境(seasonally dry habitat)。Cassia等[18]認(rèn)為棕櫚科植物的生態(tài)位保守性使其在濕潤和季節(jié)性干旱生境中物種豐富度呈現(xiàn)巨大差異。有研究表明，分布于季節(jié)性干旱生境的耐旱棕櫚具有較高的抗氧化酶活性和水分利用效率，能適應(yīng)干旱脅迫[19-21]。然而有關(guān)兩種原生境棕櫚科植物葉片水力性狀在同質(zhì)園的差異研究未見報(bào)道。以同質(zhì)園的植物為研究對(duì)象，可以排除環(huán)境的影響，更能反映植物遺傳物質(zhì)上的差異[22-23]。因此，本研究以中國科學(xué)院華南植物園中常見的6種棕櫚科植物為材料，根據(jù)其原分布水分條件分為濕潤生境物種(所羅門皺籽棕、檳榔、澳洲軸櫚)和季節(jié)性干旱生境物種(大絲葵、澳洲蒲葵、大蒲葵)，測(cè)定與水力效率和水力安全相關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能性狀，探討這些功能性狀在原分布于不同生境的棕櫚科植物間的變化趨勢(shì)，以及水力效率和水力安全性狀間是否存在權(quán)衡，為研究原分布于不同生境的棕櫚對(duì)水分條件的適應(yīng)性及其水力策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

本研究試驗(yàn)地位于廣東省廣州市中國科學(xué)院華南植物園(23°11′ N，113°21′ E)內(nèi)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候；光照充足，年均溫約為22℃，年均降水量約為1 700 mm，但降水分布不均，存在明顯的干濕季，4-9月為雨季，10月-次年3月為旱季，雨季降水量占全年的80%以上；海拔約為100 m，土壤以赤紅壤為主，土層深厚，土壤質(zhì)地以黏質(zhì)和沙質(zhì)土壤為主，pH為4.5~6.6，呈弱酸性。棕櫚園始建于1956年，收集、種植了國內(nèi)外棕櫚科植物300多種，是國內(nèi)棕櫚科植物重要的種質(zhì)資源保存基地。

1.2 材料

本研究選取6種棕櫚科植物為材料，參考Palmpedia棕櫚科網(wǎng)站http://www.palmpedia.net和全球生物多樣性數(shù)據(jù)庫http://www.gbif.org的描述,大絲葵(Washingtonia robusta)，又名華盛頓棕櫚，是貝葉棕亞科(Coryphoideae)喬木狀植物，原產(chǎn)于墨西哥西北部巴賈半島和索諾拉州，生長于沙漠山谷、荒漠或半荒漠等生境中，原生地年均降雨量約533 mm, 具有較強(qiáng)的耐旱性，現(xiàn)胸徑為30.45 cm,高達(dá)7.93 m。澳洲蒲葵(Livistona australis)是貝葉棕亞科喬木狀植物，原產(chǎn)于澳大利亞昆士蘭州、新南威爾士州和維多利亞州等地區(qū)，生長于稀樹草原灌叢、落葉林以及沼澤森林等生境中，原生地年均降雨量約1 291 mm, 具有較強(qiáng)的耐旱性, 現(xiàn)胸徑為19.33 cm, 高達(dá)3.00 m。大蒲葵(L. saribus, 大葉蒲葵)是貝葉棕亞科喬木狀植物，分布于中國東南部海拔600~800 m闊葉林中，原生地年均降雨量約1 313 mm，具有一定的耐旱性, 現(xiàn)胸徑為36.00 cm,高達(dá)2.50 m。澳洲軸櫚(Licuala ramsayi)是貝葉棕亞科喬木狀植物, 原分布于澳大利亞海拔0~450 m的熱帶雨林、沼澤森林、紅樹林等生境中，原生地年均降雨量約2 300 mm，喜歡濕潤生境，不耐干旱, 現(xiàn)胸徑為13.00 cm, 高達(dá)0.60 m。檳榔(Areca catechu)是檳榔亞科(Arecoideae)喬木狀植物，原產(chǎn)于馬來西亞的熱帶雨林中，原生地年均降雨量約2 937 mm,不耐干旱, 現(xiàn)胸徑為8.33 cm, 高達(dá)5.17 m。索羅門皺籽棕(Ptychosperma salomonense)是檳榔亞科喬木狀植物，原產(chǎn)于新幾內(nèi)亞所羅門地區(qū)的熱帶雨林中，原生地年均降雨量約3 147 mm，不耐干旱, 現(xiàn)胸徑為4.88 cm, 高達(dá)5.73 m。

1.3 方法

Cassia等[18]將棕櫚科植物生境劃分為季節(jié)性干旱生境、濕潤生境和中間生境。年均降雨量小于1 800 m且具有顯著較長時(shí)間季節(jié)性干旱的地區(qū)定義為季節(jié)性干旱地區(qū)[24]，主要包括沙漠、荒漠或半荒漠、地中海森林和熱帶稀樹草原等；而年均降雨量大于2 000 mm，且沒有季節(jié)性干旱的地區(qū)定義為濕潤地區(qū)[25]，主要是熱帶雨林、沼澤森林、紅樹林等；中間生境的年均降雨量為1 800~2 000 mm。

本研究的6種棕櫚科植物原生境可劃分為兩類：季節(jié)性干旱生境(大絲葵、澳洲蒲葵、大蒲葵)和濕潤生境(澳洲軸櫚、檳榔、所羅門皺籽棕)。植物性狀測(cè)定于2019年5月完成，每種植物選擇3~5株生長良好且胸徑、株高盡可能一致的個(gè)體，每株植物采集至少1片葉子(因棕櫚科植物葉片巨大且數(shù)量較少，過多采集對(duì)植物生長影響巨大)，于清晨(5:30)采集完全展開、長勢(shì)良好的成熟葉片，插入裝有水的桶中，并在水中剪掉約2 cm的葉柄，蓋上黑色遮光布，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定，充分復(fù)水24 h。

1.4 比葉面積

取充分復(fù)水后葉片，選取分別位于同側(cè)近軸端、中部和遠(yuǎn)軸端各3~4片小葉片(掌狀葉，則選取0°、45°、90°附近的小葉片)，用葉面積儀(Li-3000A,Li-Cor, Lincoln, NE, USA)測(cè)定小葉片葉面積(A)，將小葉片放入60℃的烘箱中烘72 h至恒重，用天平稱量小葉片干質(zhì)量(Dw)，計(jì)算比葉面積(specific leaf area, SLA, cm2/g)，SLA=A/Dw。

1.5 葉片膨壓喪失點(diǎn)

選取位于另一側(cè)近軸端、中部和遠(yuǎn)軸端各3~4片的小葉片(掌狀葉，則選取0°、45°、90°附近的小葉片)測(cè)定葉片膨壓喪失點(diǎn)。去除小葉片主脈，用剪刀將葉片剪成小段后混合，用鋁箔紙包裹，將樣品放入液氮中冷凍脆化2 h。取出脆化后的樣品放入研缽中，加入液氮快速研磨至細(xì)顆粒粉末狀。將研磨后的樣品，轉(zhuǎn)移至10 mL的一次性針筒中，快速按壓針筒至出現(xiàn)液滴，用1 mL離心管盛接直至無液滴出現(xiàn)；將樣品在1 006.2×g離心5 min，取上清液約200μL用滲透壓測(cè)定儀(Vogel, OM 801, Giessen,Germany)測(cè)量葉片的飽和滲透勢(shì)ψs。計(jì)算膨壓喪失點(diǎn)(leaf turgor loss point, TLP, MPa)[26], TLP=0.832ψs-0.631。

1.6 葉脈密度

選取測(cè)定膨壓喪失點(diǎn)小葉臨近處的2~3片小葉片測(cè)定葉脈密度(vein density, VD, mm/mm2)。葉脈密度是指葉脈長度與所對(duì)應(yīng)葉片面積的比值。取中間約1 cm2的葉片，放入含5% NaOH的乙醇溶液中浸泡，去除葉肉組織使葉脈清晰可見。取出葉片用清水浸泡，去除殘留的NaOH溶液，然后用1%次氯酸鈉溶液漂白。漂白后再用清水浸泡，然后用1%的番紅溶液染色2~3 min，用50%的乙醇溶液洗去樣品表面浮色，制成臨時(shí)裝片，用顯微鏡(Lecia,DM2500, Lecia Microsystems, Wetzlar, Germany)在10倍鏡頭下拍攝若干視野，然后用ImageJ (NIH,Bethesda, MD, USA)計(jì)算葉脈長度。

1.7 理論導(dǎo)水率和脆弱性指數(shù)

取離近軸端小葉片5 cm處的葉柄，切取1 cm3的樣品放入FAA固定液中固定4 h。用乙二胺溶液軟化24 h，將軟化后的樣品沖洗干凈，經(jīng)過梯度(5%、10%、20%、40%、60%、80%和100%)聚乙二醇(PEG 2000)溶液浸泡各24 h，制作成包埋樣品后, 使用滑動(dòng)切片機(jī)(Lecia, SM2010R, Lecia Microsystems, Wetzlar,Germany)制作葉柄橫截面切片，然后使用1%番紅和1%固綠溶液進(jìn)行對(duì)染，經(jīng)乙醇脫色，用二甲苯溶液進(jìn)行透明，最后用中性樹脂封片制作永久切片。用光學(xué)顯微鏡(Leica DM2500; Leica Microsystems,Wetzlar, Germany)觀測(cè)，物鏡放大10倍，每個(gè)切面拍攝若干視野，并拼接出整個(gè)葉柄橫切面或1個(gè)扇形的區(qū)域。用 ImageJ (NIH, Bethesda, MD, USA)測(cè)量葉柄導(dǎo)管密度(DV)、導(dǎo)管直徑(D), 共計(jì)算了18張整合照片的約4 000根導(dǎo)管。

植物理論導(dǎo)水率[theoretical hydraulic conductivity,Kth, kg/(m·MPa·s)]是根據(jù)Hagen-Poiseuille法則通過導(dǎo)管的解剖特征進(jìn)行估算。首先計(jì)算出導(dǎo)管直徑的權(quán)重值，Dh=(∑D4/N)1/4，式中，N為導(dǎo)管數(shù)量，Dh為導(dǎo)管的權(quán)重值，D為實(shí)測(cè)導(dǎo)管直徑。再計(jì)算理論導(dǎo)水率，Kth=(Dh4πρ)/128η×DV, 式中,η是水在20℃下的粘度(1.002×10-9MPa·s)，ρ是水在20℃時(shí)的密度(998.2 kg/m3)，DV是導(dǎo)管密度。

Carlquist脆弱性指數(shù)(vulnerability index, VI,mm/m2)，通常表示物種對(duì)水分環(huán)境的適應(yīng)能力，表示植物水分運(yùn)輸?shù)陌踩裕琕I越小表示水分運(yùn)輸越安全，反之，VI越大表示水分運(yùn)輸危險(xiǎn)[12]，VI=(Dh/103)/(DV/106)。

1.8 數(shù)據(jù)分析

對(duì)各性狀間數(shù)據(jù)的差異顯著性采用t檢驗(yàn)。性狀間的相關(guān)性用線性回歸方程(linear regression)進(jìn)行擬合。所有數(shù)據(jù)分析和作圖均采用R軟件(R Development Core Team, 2013)處理。

2 結(jié)果和分析

2.1 葉片水力性狀

原分布于濕潤生境(originally distributed in moist habitat, SOMH)的棕櫚科植物的SLA顯著大于原分布于季節(jié)性干旱生境(originally distributed in seasonally dry habitat, SODH) (P<0.05)，分別為109.05和72.31 cm2/g。SOMH棕櫚科植物的VD顯著小于SODH的(P<0.05)，分別為3.33和5.05 mm/mm2。SOMH的棕櫚科植物與水力效率相關(guān)性狀Dh和Kth顯著大于SODH的(P<0.05)，并且SOMH的棕櫚科植物與水力安全相關(guān)的性狀TLP和VI也顯著大于SODH的(P<0.05)(表1)。

2.2 性狀間的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)分析表明，作為植物水力效率的相關(guān)指標(biāo)Kth與水力安全的相關(guān)指標(biāo)VI間呈顯著正相關(guān)(R2=0.92,P<0.01, 圖1: A)，并且與水力安全的相關(guān)指標(biāo)TLP呈顯著正相關(guān)(R2=0.71,P<0.05, 圖1: B)。

3 結(jié)論和討論

3.1 原生境不同的棕櫚科植物葉片水力性狀差異

水力加權(quán)導(dǎo)管直徑(Dh)和理論導(dǎo)水率(Kth)反映植物輸導(dǎo)組織的水分傳導(dǎo)能力。本研究表明，SOMH棕櫚科植物的Dh和Kth均顯著大于SODH棕櫚科植物，即濕潤生境的物種比季節(jié)性干旱生境的物種具有更高的水力效率，這與前人[27-28]的研究結(jié)果一致。Pfautsch等[28]對(duì)28種桉樹導(dǎo)管性狀進(jìn)行了研究,認(rèn)為植物的導(dǎo)管直徑和理論導(dǎo)水率隨其分布地干旱的程度的增加而減小，而這種變化在很大程度上是源于基因型上的差異，而不是性狀的可塑性。本研究在同質(zhì)園中開展，避免了環(huán)境差異對(duì)性狀的影響，因而從基因型上更準(zhǔn)確地反映植物水力效率對(duì)生境水分可用性的長期適應(yīng)。

表1 棕櫚科6種植物的水力性狀Table 1 Hydraulic traits of six palm species

圖1 棕櫚科6種植物的理論導(dǎo)水率(Kth)與脆弱性指數(shù)(VI)和膨壓喪失點(diǎn)(TLP)間的相關(guān)關(guān)系?！? SODH; ●：SOMH。n=3~5。Fig. 1 Relationships between theoretical hydraulic conductivity (Kth) and vulnerability index (VI), turgor loss point (TLP) of six Arecaceae species. ○: SODH;●：SOMH. n=3-5.

在干旱生境中，植物將經(jīng)常遭受干旱脅迫,因此保障水力安全對(duì)植物來說至關(guān)重要。本研究表明，SODH棕櫚科植物的TLP和VI均顯著小于SOMH棕櫚科植物，這與Zhu等[10]和Bartlett等[11]的研究結(jié)果一致，干旱生境的物種比濕潤生境的物種具有更強(qiáng)的抗旱能力，而水力安全也更高。研究表明，分布于干旱地區(qū)的植物比濕潤地區(qū)的植物具有更低的TLP和VI[10,12]。更負(fù)的TLP有利于植物形成較低的葉片水勢(shì)，產(chǎn)生土壤-植物水勢(shì)梯度，使得植物根系能夠更好的從土壤中吸收水分并轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片中。而TLP是葉片發(fā)生萎蔫前所能達(dá)到的水勢(shì)極值，因此TLP與植物的水力安全相關(guān)[10-11]。而且具有較小導(dǎo)管直徑和較低VI的植物，其導(dǎo)管的抗栓塞能力較強(qiáng)，在干旱脅迫下植物不易發(fā)生水力失敗[12]。因此，本研究表明長于季節(jié)性干旱生境的棕櫚科植物具有更高的水力安全。

Sack等對(duì)全球不同生態(tài)系統(tǒng)中796種植物的葉脈功能性狀進(jìn)行了比較，認(rèn)為植物葉脈密度(VD)與年降雨量之間呈負(fù)相關(guān)[13]。本研究表明，SODH物種的VD顯著大于SOMH物種，這與前人[29-30]的研究結(jié)果相同。龔容等[30]認(rèn)為當(dāng)植物面對(duì)干旱脅迫時(shí)，蒸騰拉力大的葉片中導(dǎo)管容易發(fā)生栓塞，葉脈密度較大的葉脈冗余度也較大，可以在部分葉脈發(fā)生栓塞時(shí)提供更多的替代途徑，保證葉片的水分正常供應(yīng)，是一種水力安全策略。比葉面積是一個(gè)綜合性狀，與植物抗旱性和光合作用緊密相關(guān)。比葉面積(SLA)較低的植物在葉片保衛(wèi)結(jié)構(gòu)和葉片密度上投資較大，以增加葉片的導(dǎo)水阻力減小葉片蒸騰，提高葉片的抗旱性[31]。宋娟等[32]的研究表明, 6種蕨類植物的SLA隨生境水分可利用性的減小而降低，葉片通過降低SLA來減小蒸騰。本研究中的3種SODH物種的SLA要顯著小于SOMH物種, 說明生長于季節(jié)性干旱生境的棕櫚將更多的物質(zhì)和能量用于葉片的構(gòu)建，降低SLA減少蒸騰適應(yīng)干旱環(huán)境。

3.2 棕櫚科植物葉片水力效率和水力安全間的權(quán)衡

水力效率和水力安全是植物水分策略重要組成部分，本研究表明棕櫚科植物葉片水力效率和水力安全之間存在權(quán)衡關(guān)系(trade-offs)，這與前人[4,6,9]在相似研究中的結(jié)果相一致。蘇田[33]和譚鳳森[34]在研究木本植物枝條水力性狀時(shí)，認(rèn)為植物在構(gòu)建水力系統(tǒng)時(shí)既要傳輸充足的水分滿足植物蒸騰需水，又要在面對(duì)干旱脅迫時(shí)最大限度的降低水力失敗的風(fēng)險(xiǎn)，因此水力效率和水力安全之間存在權(quán)衡關(guān)系，且和物種分布生境的水分條件密切相關(guān)[35]。在本研究中，分布生境不同的物種采用了不同水分策略，3種SOMH棕櫚植物具有較高的水力效率但水力安全則較低，而3種SODH棕櫚植物具有較低的水力效率但水力安全較高。

本研究發(fā)現(xiàn)在同質(zhì)園中來自不同水分生境的棕櫚科植物的水力性狀和水分策略存在顯著差異,而這種差異可能是棕櫚科植物在長期演化過程中形成的適應(yīng)其生境水分條件的水力性狀和水分策略，是趨異分化的結(jié)果，而且移栽至同質(zhì)園后這種差異仍然存在；這與之前對(duì)同質(zhì)園中來自不同分布中心的木蘭科植物水力性狀趨異分化的研究結(jié)果[23]一致。因此，同質(zhì)園中SOMH和SODH棕櫚植物水力性狀和水分策略上的差異，在一定程度上反映了棕櫚植物對(duì)不同水分生境的生理生態(tài)適應(yīng)性。此外，隨著全球氣候變化，由降水格局變化所導(dǎo)致的干旱事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響了濕潤生境棕櫚科植物的生存和分布范圍[36]。因此在棕櫚科種質(zhì)資源的保護(hù)中，應(yīng)該加大對(duì)濕潤生境物種的保護(hù)工作，特別是分布地范圍小且降水高的島嶼物種，建立棕櫚科植物園是一種十分有效的保護(hù)措施。

本研究中的6種棕櫚科植物原分布地生境的水分條件迥異，在同質(zhì)園中其水力性狀也表現(xiàn)出很大的差異，以及水力效率和水力安全之間存在權(quán)衡關(guān)系，表明了水力性狀對(duì)原生境的適應(yīng)性是基因型的差異。本研究選取的物種偏少，還需要通過對(duì)更多物種和更精細(xì)、直接的水力性狀數(shù)據(jù)，以深入研究物種對(duì)不同生境的適應(yīng)性。