尖喙?fàn)脚好绱?秋萌植株及子代種子的生理生化特性

卡吾沙爾·庫(kù)都斯， 劉會(huì)良， 張 嵐， 迪力夏旦木·塔什買(mǎi)買(mǎi)提

（1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所伊犁植物園，新疆 新源 835800）

古爾班通古特沙漠位于亞歐大陸深處，是我國(guó)面積最大的固定、半固定沙漠，氣候?qū)儆诘湫蜏貛Щ哪詺夂?，自然環(huán)境惡劣，易受人為或極端氣候影響；但此荒漠區(qū)與其他荒漠地帶相比，植物資源較為豐富，且具有特殊的植物類型——短命植物和類短命植物，是我國(guó)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［1］。短命植物是一類能在短時(shí)間內(nèi)快速完成生命周期的草本植物，主要生長(zhǎng)在干旱缺水的環(huán)境，能利用早春降水和融雪快速出土發(fā)育，并在夏季干熱氣候來(lái)臨前完成生活周期［1］。通常它們?cè)谠绱好劝l(fā)，但在一些特定環(huán)境下，如一定時(shí)間內(nèi)有充足水分時(shí)，短命植物也能迅速響應(yīng)，具有種子異時(shí)萌發(fā)特性［2］。種子異時(shí)萌發(fā)是物種表型可塑性的一個(gè)重要性狀，植物的表型可塑性是指相同基因型的同種植物在不同生存環(huán)境下展現(xiàn)出不同的表型特征，從形態(tài)、生理等方面展現(xiàn)，且可代際傳遞［3］。代間轉(zhuǎn)移可塑性也稱為母體環(huán)境效應(yīng)（Maternal environmental effect），即親代植株可將環(huán)境信息及變化傳遞給子代，從而使子代表型發(fā)生可塑性變化［4-5］。植物母體環(huán)境效應(yīng)可影響種子大小、萌發(fā)、生理等表型特征［5］。表型可塑性能直接反應(yīng)植物對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力，研究表型可塑性及適應(yīng)特征對(duì)驗(yàn)證植物生態(tài)適應(yīng)和進(jìn)化理論具有重要意義［6］，能異時(shí)萌發(fā)的荒漠短命植物是研究表型可塑性的理想材料。

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)經(jīng)歷不同類型且不同程度的環(huán)境脅迫，而植物對(duì)脅迫的適應(yīng)能力可通過(guò)其生理生化指標(biāo)來(lái)反應(yīng)。滲透調(diào)節(jié)是植物抵御逆境的重要方式之一，在脅迫條件下，細(xì)胞可能會(huì)出現(xiàn)失水現(xiàn)象，植物會(huì)通過(guò)主動(dòng)積累各種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)降低細(xì)胞滲透勢(shì)，從而保持膨壓并影響其他生理生化活動(dòng)［7］；脅迫環(huán)境還會(huì)造成植物細(xì)胞正常代謝過(guò)程中過(guò)氧化氫（H2O2）等活性氧（ROS）分子的過(guò)度積累，ROS 毒性較高，積累到一定量時(shí)會(huì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、糖類和遺傳物質(zhì)等產(chǎn)生毒害，也會(huì)引起細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化產(chǎn)生丙二醛（MDA），從而抑制植物正常生長(zhǎng)，因此植物在代謝過(guò)程中存在抗氧化防御機(jī)制，隨時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)多余的ROS分子［8-9］；荒漠短命植物能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境并生存下來(lái)的關(guān)鍵因素可能是其本身具有特殊的生理生化過(guò)程應(yīng)對(duì)逆境脅迫。種子是植物延續(xù)后代的主要方式，其主要營(yíng)養(yǎng)成分由糖類構(gòu)成，而其所含脂類能保護(hù)細(xì)胞膜不受損傷，蛋白質(zhì)則參與細(xì)胞構(gòu)成［10］；植物激素脫落酸（abscisic acid，ABA）和赤霉素（gibberellin，GA）在種子休眠、萌發(fā)及幼苗的生長(zhǎng)方面起著主要的調(diào)控作用，而生長(zhǎng)素（auxin,IAA）不但參與調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，還參與調(diào)控植物對(duì)外部環(huán)境的反應(yīng)，油菜素內(nèi)酯（brassinosteroid, BR）不僅可以控制植物溫度和光形態(tài)的建成，提高抗逆性和促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng)，還可以促進(jìn)種子的萌發(fā)［11］。因此，種子中內(nèi)含物、激素等成分能調(diào)控種子萌發(fā)及幼苗的生長(zhǎng)。當(dāng)前對(duì)短命植物種子的研究多集中在探究其形態(tài)生物學(xué)及萌發(fā)特性上［12-14］，而對(duì)其種子生理生化特性及其在不同環(huán)境下變化的相關(guān)研究報(bào)道較少。

古爾班通古特沙漠環(huán)境惡劣且貧瘠，短命植物卻能利用有限的資源快速完成生活周期。此外，能異時(shí)萌發(fā)的短命植物，不同時(shí)節(jié)萌發(fā)的植株生長(zhǎng)環(huán)境不同，所面臨的脅迫存在一定差異，這能影響其生理生化特性等表型，并可能對(duì)后代產(chǎn)生影響。然而，關(guān)于異時(shí)萌發(fā)的短命植物及種子對(duì)逆境脅迫的生理生化響應(yīng)機(jī)制及表型可塑性方面的探討還鮮見(jiàn)報(bào)道。

尖喙?fàn)脚好纾‥rodium oxyrhinchum）是古爾班通古特沙漠常見(jiàn)的早春短命植物，且具有種子異時(shí)萌發(fā)特性，隸屬牻牛兒苗科，牻牛兒苗屬，是一年生草本植物，生于沙漠、干旱戈壁，在我國(guó)僅在新疆北部及喀什地區(qū)有分布［15］。尖喙?fàn)脚好绶里L(fēng)固沙作用突出，對(duì)環(huán)境變化敏感，具有重要的生態(tài)生物學(xué)功能；春萌植株在每年的3—4 月萌發(fā)，而秋萌株在9—10月出土，以不同生長(zhǎng)期形態(tài)度過(guò)寒冬，越冬后的第二年3 月返青繼續(xù)生長(zhǎng)，在初夏前后完成生活周期［16］。前人研究發(fā)現(xiàn)，秋季萌發(fā)的尖喙?fàn)脚好缭诟鱾€(gè)生長(zhǎng)階段的葉片數(shù)量、單株冠幅、生物量、種子百粒重、根系菌根染菌率均高于春萌株，且差異顯著［17-18］，但春/秋萌植株及種子間是否具有生理生化差異？繁殖策略有何異同等科學(xué)問(wèn)題尚不明確。因此，為了更好地了解荒漠短命植物對(duì)環(huán)境的生理響應(yīng)，本研究以尖喙?fàn)脚好鐬椴牧希ㄟ^(guò)分析其親代植株和種子的形態(tài)特征及對(duì)脅迫的生理生化響應(yīng)，解析尖喙?fàn)脚好绫硇涂伤苄耘c環(huán)境變化之間的關(guān)系，闡述尖喙?fàn)脚好缭谀婢持械纳婧头敝巢呗裕源素S富對(duì)短命植物抗逆境機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為研究荒漠植被對(duì)逆境的響應(yīng)與適應(yīng)特征積累一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地腹地的古爾班通古特沙漠南緣，地理坐標(biāo)為44°26′N，87°54′E，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，夏季高溫炎熱，冬季漫長(zhǎng)寒冷；該地區(qū)全年平均氣溫為6.6 ℃，年積溫達(dá)3000～3500 ℃，年降水量70～150 mm，年潛在蒸發(fā)量可達(dá)2000 mm以上［18］。

1.2 研究方法

1.2.1 植株葉片的采集與生理生化指標(biāo)檢測(cè) 于2021 年在古爾班通古特沙漠采集不同生長(zhǎng)階段的尖喙?fàn)脚好绱?秋萌植株葉片，并用液氮處理帶回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)其生理生化指標(biāo)。檢測(cè)指標(biāo)有：滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量（可溶性蛋白、脯氨酸和可溶性糖）、抗氧化酶活力（SOD、POD和CAT）、過(guò)氧化氫（H2O2）及丙二醛（MDA）含量。

春萌株生長(zhǎng)階段分為：子葉期（3月末）、展葉初期（4 月初）、展葉期（4 月末，早春降雪）、花期（5 月初）、果期（5月中旬）、枯萎前（5月末）。

秋萌株生長(zhǎng)階段分為：子葉期（9月初）、展葉初期（9月末）、展葉期（10月中旬，積雪前）、展葉期（隔年4月初，積雪后）、展葉期（4月末，早春降雪）、花期（5月初）、果期（5月中旬）、枯萎前（5月末）。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的測(cè)定［19］：脯氨酸（PRO）含量的測(cè)定采用酸性茚三酮比色法；可溶性糖含量的測(cè)定采用蒽酮比色法；采用BCA法測(cè)定可溶性蛋白含量。

抗氧化酶活力的檢測(cè)［19］：超氧化物歧化酶（SOD）活性采用WST-8 法測(cè)定；過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶（CAT）活力采用可見(jiàn)顯色法測(cè)定。

過(guò)氧化氫和丙二醛的測(cè)定［19］：H2O2含量采用硫酸鈦比色法測(cè)定；MDA 含量采用硫代巴比妥酸法檢測(cè)。

以上各生理生化指標(biāo)均用相關(guān)測(cè)試試劑盒測(cè)定。

1.2.2 植株抗性綜合評(píng)價(jià) 使用模糊隸屬函數(shù)對(duì)尖喙?fàn)脚好绱?秋萌植株的抗性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，公式如下。

式中：Xij為參試植物某一生理指標(biāo)的測(cè)定值；Xjmax為該指標(biāo)中的最大值；Xjmin為該指標(biāo)中的最小值。先求出春/秋萌植株各個(gè)生理指標(biāo)在不同生長(zhǎng)階段下的隸屬值，然后把每一指標(biāo)在不同生長(zhǎng)階段下的隸屬值累加求平均值，最后再將每一植物各生理指標(biāo)的隸屬值累加，求其平均值。通過(guò)比較它們抗性隸屬值的總平均值大小，確定春/秋萌株的抗性大小。

1.2.3 植株種子采集與生理生化指標(biāo)測(cè)定 2020年秋季在野外試驗(yàn)樣地對(duì)尖喙?fàn)脚好缜锩戎赀M(jìn)行標(biāo)記，隔年春季標(biāo)記春萌株，并于2021 年5 月分別采集春/秋萌植株樣本及春/秋萌株的種子。對(duì)采集的繁殖期春/秋萌植株，分別測(cè)定其單株種子數(shù)量、繁殖生物量和種子生物量；對(duì)采集的春/秋萌株種子進(jìn)行脅迫處理并測(cè)定其萌發(fā)率、百粒重、內(nèi)含物、抗氧化酶體系及激素指標(biāo)。

繁殖期植株體的測(cè)量：2021 年5 月中旬分別采集尖喙?fàn)脚好绱?秋萌繁殖期的植株各12 株，野外取樣時(shí)隨即測(cè)定種子數(shù)，然后將植株清洗干凈，分出繁殖部分，按照春/秋萌分別裝進(jìn)信封，帶回實(shí)驗(yàn)室并在105 ℃殺青30 min后，在70 ℃下烘干48 h，稱量并記錄其重量。

表1 2018—2020 年不同月份地表氣溫均值Tab.1 Average surface air temperature in different months from 2018 to 2020

處理一：29.5 ℃10 h→50 ℃2 h→29.5 ℃10 h→16.2 ℃2 h（全黑暗，循環(huán)30 d）

處理二：先29.5 ℃10 h→50 ℃2 h→29.5 ℃10 h→16.2 ℃2 h（全黑暗，循環(huán)30 d 后）→-2.7 ℃10 h→1.8 ℃2 h→-2.7 ℃10 h→-5 ℃2 h（全黑暗，循環(huán)30 d）

種子百粒重的測(cè)定：對(duì)經(jīng)過(guò)2 種處理及對(duì)照組的尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株種子分別去除多余的雜質(zhì)，使用Sartorius BS124S 型（0.0001 g）電子天平進(jìn)行稱量。各設(shè)置5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)100粒種子。

種子內(nèi)含物的測(cè)定［19］：對(duì)經(jīng)過(guò)2 種處理及對(duì)照組的尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株種子分別測(cè)定其種子可溶性糖、粗脂肪、可溶性蛋白、淀粉的含量。粗脂肪的測(cè)定采用索氏提取法，采用蒽酮比色法測(cè)定淀粉含量。

抗氧化酶體系的測(cè)定［19］：對(duì)經(jīng)過(guò)2 種處理及對(duì)照組的尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株種子分別測(cè)定其種子SOD、POD、CAT、MDA和H2O2的含量。。

激素的檢測(cè)［19］：對(duì)經(jīng)過(guò)2 種處理及對(duì)照組的尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株種子分別測(cè)定其種子脫落酸（ABA）、赤霉素（GA3）、生長(zhǎng)素（IAA）和油菜素內(nèi)酯（BR）的含量。對(duì)4 種激素的檢測(cè)都采用高效液相色譜法（HPLC）。

上述種子激素及生理生化指標(biāo)由某公司檢測(cè)。

種子萌發(fā)率的測(cè)定：分別對(duì)經(jīng)過(guò)2 種處理及對(duì)照組的尖喙?fàn)脚好绱?秋萌植株的種子，設(shè)置自然萌發(fā)組（對(duì)照）和物理劃破種皮組，放置于直徑為9 cm 的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿墊2 層濾紙。每個(gè)處理設(shè)4組重復(fù)，每個(gè)培養(yǎng)皿中放25 粒種子，把種子放置于最適萌發(fā)溫度的培養(yǎng)箱內(nèi)（25 ℃/10 ℃，12 h 光/12 h暗）。在種子萌發(fā)過(guò)程中，每天加入適量的蒸餾水。每天統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)數(shù)（以胚根伸出種皮2 mm為種子萌發(fā)的標(biāo)志），持續(xù)7 d。

“這是我第一次來(lái)到北京，真的讓我獲益匪淺。我在這里找到了自己的根，中華文化及許多從未看過(guò)或聽(tīng)過(guò)的事物。所謂：紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行?！?/p>

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及作圖使用IBM SPSS Statistics 24 和Origin 2021 軟件，利用單因素方差分析（One-Way ANOVA）對(duì)尖喙?fàn)脚好绱?秋萌植株及種子的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析；用模糊隸屬函數(shù)對(duì)春/秋萌植株的抗性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；分析春/秋萌種子溫度及各指標(biāo)間的相關(guān)性，并用相關(guān)性熱圖表示；最后通過(guò)RStudio程序中psych和igraph包分析春/秋萌種子性狀網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 春/秋萌株生理生化指標(biāo)

整體上看，展葉期（積雪前）的秋萌株各項(xiàng)生理生化指標(biāo)與其他生長(zhǎng)階段相比存在較為顯著的差異，而春萌株的各生理指標(biāo)變化差異較小，此外，花期后春/秋萌株各項(xiàng)指標(biāo)變化趨勢(shì)較為一致。在積雪前，秋萌株的脯氨酸及可溶性糖含量顯著增高，而可溶性蛋白含量顯著降低，春季積雪后變化幅度較??；春萌株的滲透調(diào)節(jié)物含量變化基本處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)（圖1）。在進(jìn)入冬季前隨氣溫的降低，秋萌株葉片中的抗氧化酶POD 和CAT 活性顯著增加而SOD 活性則顯著下降（圖2），丙二醛及過(guò)氧化氫含量急劇上升（圖3）；在第二年開(kāi)春后，秋萌株葉片中的POD、SOD 及CAT 保持較高活性，而丙二醛和過(guò)氧化氫含量維持較低水平（圖3）。春萌株葉片中POD 的活性從子葉期到枯萎前一直保持穩(wěn)定水平且差異不顯著，SOD 活性呈先下降后上升的趨勢(shì)，而CAT活性隨株體生長(zhǎng)發(fā)育呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖2），丙二醛和過(guò)氧化氫含量則一直呈較低水平（圖3）。

圖1 不同生長(zhǎng)階段春/秋萌株葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化Fig.1 Changes of osmotic substances content in leaves of spring/autumn germinated plants at different growth stages

圖2 不同生長(zhǎng)階段春/秋萌株葉片抗氧化酶生理指標(biāo)活性的變化Fig.2 Changes of antioxidant enzyme physiological indexes in leaves of spring/autumn germinated plants at different growth stages

2.2 春/秋萌株隸屬函數(shù)值及綜合抗性評(píng)價(jià)

用模糊隸屬函數(shù)法對(duì)尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、POD、SOD、CAT、MDA及過(guò)氧化氫進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，獲得各自隸屬函數(shù)總平均值（表2）。春萌株可溶性蛋白隸屬值稍高于秋萌株，同時(shí)春萌株SOD 隸屬值也高于秋萌株，而其他指標(biāo)的隸屬值均為秋萌株高于春萌株?；跐B透調(diào)節(jié)物含量、抗氧化酶體系及丙二醛和過(guò)氧化氫含量的綜合抗性評(píng)價(jià)上，秋萌株的綜合隸屬值高于春萌株。

表2 春/秋萌株隸屬值及抗性評(píng)價(jià)Tab.2 Membership value and resistance evaluation of spring/autumn germinated plants

2.3 單株植株繁殖生物量、單株種子數(shù)及種子百粒重

尖喙?fàn)脚好缜锩戎陠沃攴敝成锪考胺N子數(shù)量顯著高于春萌株（圖4），單株秋萌株種子數(shù)量超過(guò)60 粒，而單株春萌株種子量在20 粒左右。雖然，春/秋萌株單株繁殖生物量差異顯著，秋萌株單株繁殖生物量顯著高于春萌株，但在繁殖分配上春/秋萌株較為相近，分別為52.7%和48.7%。此外，春萌株種子百粒重顯著大于秋萌株種子百粒重（圖4）。

圖4 春/秋萌單株生物量分配、單株種子數(shù)及百粒重Fig.4 Biomass allocation,seed number and 100-seed weight of per plant of spring/autumn germinated plants

2.4 春/秋萌株種子在不同處理下的萌發(fā)率和百粒重

持續(xù)的高低溫脅迫處理能顯著提高尖喙?fàn)脚好绶N子的自然萌發(fā)率；對(duì)照組中，春萌株種子自然萌發(fā)率顯著高于秋萌株，但經(jīng)處理后，二者萌發(fā)率沒(méi)有顯著差異（圖5）。此外，在劃破種皮打破物理休眠后，無(wú)論對(duì)照組還是不同處理組，春/秋萌株種子萌發(fā)率都可達(dá)90%以上，不同處理對(duì)種子百粒重沒(méi)有顯著影響。

圖5 尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株種子在不同處理下的自然萌發(fā)率Fig.5 Natural germination rate of Erodium oxyrrhynchum spring/autumn germinated plants’seeds under different treatments

2.5 春/秋萌株種子生理生化指標(biāo)

對(duì)尖喙?fàn)脚好绶N子激素的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，BR對(duì)溫度處理更為敏感，且春萌株和秋萌株種子中BR 含量存在顯著差異（圖6）。對(duì)種子內(nèi)含物的檢測(cè)得出，高低溫處理顯著增加了種子內(nèi)含物的含量，其中粗脂肪含量在先高溫后低溫的處理中呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而其余3 個(gè)指標(biāo)呈先增加到一定值后趨于平緩。此外，秋萌株種子的淀粉含量顯著高于春萌株種子，而可溶性糖含量低于春萌株種子（圖7）。高低溫脅迫刺激了尖喙?fàn)脚好绶N子中SOD、POD及CAT 3 種抗氧化物酶的產(chǎn)生，隨抗氧化酶活性的增強(qiáng)，丙二醛及過(guò)氧化氫含量不斷下降；此外，春萌株種子的SOD活性顯著高于秋萌株種子（圖8）。

圖6 春/秋萌株種子4種激素含量在不同處理下的變化Fig.6 Changes of four hormones contents in spring/autumn germinated plants’seed under different treatments

圖7 春/秋萌株種子四種內(nèi)含物含量在不同處理下的變化Fig.7 Changes of the contents of four inclusions in seeds of spring/autumn germinated plants under different treatments

圖8 春/秋萌株種子生理指標(biāo)含量在不同處理下的變化Fig.8 Changes of seed physiological indexes of spring/autumn germinated plants under different treatments

2.6 春/秋萌株種子各項(xiàng)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

為了更清晰地反映尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株種子受持續(xù)高低溫脅迫下，各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的相互關(guān)系及影響情況，利用相關(guān)性熱圖對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的變化量進(jìn)行可視化處理（圖9）。由圖9可知，尖喙?fàn)脚好绱?秋萌植株種子在高低溫脅迫下的激素含量、內(nèi)含物含量及抗氧化酶生理指標(biāo)間具有相關(guān)性，其中內(nèi)含物與抗氧化酶體系呈顯著正相關(guān)關(guān)系（4 種內(nèi)含物與3 種抗氧化酶相關(guān)系數(shù)范圍：0.70576～0.96683，P＜0.01）。此外，秋萌株種子BR 含量與抗氧化酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)：POD 為0.88562，SOD 為0.86269，CAT 為0.27144，P＜0.01），春萌株種子的BR含量與抗氧化酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)：POD 為-0.8396，SOD 為-0.94857，CAT為-0.9355；P＜0.01）。

圖9 春/秋萌株種子各項(xiàng)指標(biāo)間的相關(guān)性熱圖Fig.9 Heat map of correlation between indexes of seed of spring/autumn germinated plants

2.7 春/秋萌株種子的性狀網(wǎng)絡(luò)分析

基于尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株種子的15項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定和相關(guān)性分析，構(gòu)建了種子性狀網(wǎng)絡(luò)（圖10）。以性狀作為節(jié)點(diǎn)，以兩兩指標(biāo)間關(guān)系作為網(wǎng)絡(luò)的邊，構(gòu)建種子性狀網(wǎng)絡(luò)，將復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)可視化。持續(xù)的高低溫脅迫對(duì)尖喙?fàn)脚好绶N子網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性產(chǎn)生影響，其中經(jīng)過(guò)持續(xù)低溫脅迫后降低了指標(biāo)間的相關(guān)性。此外，春萌株種子網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度高于秋萌株種子，可反映出在脅迫環(huán)境下春萌株種子各項(xiàng)生理生化指標(biāo)間的相關(guān)性更強(qiáng)。

圖10 春/秋萌植株種子性狀網(wǎng)絡(luò)關(guān)系Fig.10 Plant traits network diagram of seeds of spring/autumn germinated plants

3 討論

植物表型可塑性與環(huán)境的聯(lián)系是非常密切的，植物適應(yīng)異質(zhì)生境最有效方法是調(diào)整自身的性狀，而植物性狀的形成也是多種環(huán)境因子共同作用的結(jié)果［20］。本研究中，尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株的異質(zhì)生境是由其種子萌發(fā)時(shí)間差異導(dǎo)致的，春/秋萌株及種子對(duì)不同環(huán)境也表現(xiàn)出不同的生理響應(yīng)，體現(xiàn)了尖喙?fàn)脚好邕m應(yīng)古爾班通古特沙漠環(huán)境的特殊生存策略。

植物對(duì)逆境的抗性可通過(guò)其生理生化指標(biāo)來(lái)反應(yīng)，其中，滲透調(diào)節(jié)物脯氨酸和可溶性糖含量通常被認(rèn)為與植物的抗性呈正相關(guān)關(guān)系，其含量越高，細(xì)胞失水的可能性越小，植物存活率就越大，從而增強(qiáng)植物對(duì)不適環(huán)境的適應(yīng)能力［21］。許春華等［22］在研究2 種十字花科短命植物的抗旱性時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫程度的增加，植物葉片中脯氨酸和可溶性糖含量呈大幅增加趨勢(shì)，而可溶性蛋白含量在脅迫前后變化不顯著，說(shuō)明在逆境中，植物主要通過(guò)積累可溶性糖和脯氨酸來(lái)保持細(xì)胞膨壓，有效抵御傷害。本研究中，尖喙?fàn)脚好缜锩戎旮彼岷涂扇苄蕴呛吭谌攵e雪前，即氣溫開(kāi)始急劇下降時(shí)得到顯著提高，而可溶性蛋白含量則呈急劇下降趨勢(shì)（圖1）；開(kāi)春后，春/秋萌株不同生長(zhǎng)階段的脯氨酸和可溶性糖含量變化范圍接近，處于較低水平且浮動(dòng)較?。▓D1）；而入春時(shí)的秋萌株可溶性蛋白含量與積雪前相比呈顯著增加，在之后的生長(zhǎng)階段與春萌株的可溶性蛋白含量變化范圍相近，表現(xiàn)出不規(guī)則的增減現(xiàn)象（圖1）。因此，冬季尖喙?fàn)脚好缜锩戎晖ㄟ^(guò)脯氨酸和可溶性糖的積累來(lái)抵御脅迫傷害；入春后的4月到5月底的時(shí)間段春/秋萌株體內(nèi)脯氨酸和可溶性糖含量較低，說(shuō)明其面臨的環(huán)境脅迫較小。

植物在遭遇脅迫時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的ROS，從而引發(fā)或加劇細(xì)胞膜脂過(guò)氧化，為避免或減輕傷害，會(huì)形成相應(yīng)的酶促保護(hù)系統(tǒng)，增強(qiáng)自身適應(yīng)逆境的能力［8,23］。本研究中，秋萌株的MDA 和H2O2含量在積雪前急劇增加（圖2），說(shuō)明隨脅迫的不斷增強(qiáng)，膜脂過(guò)氧化作用加強(qiáng)。SOD、POD 和CAT 作為非常重要的抗氧化酶，協(xié)同作用可將植物體內(nèi)的ROS穩(wěn)定在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，避免細(xì)胞損傷，與植物抗逆性密切相關(guān)［24］。而在秋萌株的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，POD及CAT活性保持在較高水平，SOD活性較低（圖2），這也可能是植物適應(yīng)脅迫環(huán)境所表現(xiàn)的一種響應(yīng)策略，當(dāng)一些代謝過(guò)程被抑制時(shí)，可能會(huì)使另外的代謝途徑得到增強(qiáng)［23］。在尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株生活史中，春萌株的SOD 活性高于秋萌株，秋萌POD活性高于春萌株，春/秋萌株CAT活性都維持較高水平，說(shuō)明在脅迫環(huán)境中，春萌株主要依靠SOD和CAT清理ROS產(chǎn)生的毒害，秋萌株主要依靠POD和CAT清理毒害。

植物的抗逆性是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素的影響；此外，也受各指標(biāo)之間的相互作用影響，因此，當(dāng)植物受諸多因素影響無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)其評(píng)價(jià)，且每一個(gè)獨(dú)立的指標(biāo)都難以反映植物脅迫耐受性的本質(zhì)時(shí)，可使用模糊隸屬函數(shù)法，這是目前應(yīng)用比較廣泛的抗逆性綜合評(píng)定方法［25-26］。本研究使用模糊隸屬函數(shù)對(duì)尖喙?fàn)脚好绱?秋萌株各自完整生活周期的抗逆性指標(biāo)加以綜合評(píng)價(jià)，比較它們的抗性強(qiáng)弱，結(jié)果表明尖喙?fàn)脚好缜锩戎昕剐源笥诖好戎?。而?秋萌株間各項(xiàng)生理指標(biāo)及抗性間的差異，可能是由秋萌株生活史更長(zhǎng)，所經(jīng)歷的脅迫更為復(fù)雜所導(dǎo)致。

種子大小是植物生活史中關(guān)鍵且相對(duì)穩(wěn)定的特征，受遺傳和環(huán)境雙重影響，是對(duì)所處環(huán)境的一種適應(yīng)，與種子散布、幼苗競(jìng)爭(zhēng)力等密切相關(guān)［27］。在本研究中，春萌株趨向產(chǎn)生質(zhì)量大而數(shù)量少的種子，秋萌株趨向產(chǎn)生數(shù)量多而質(zhì)量小的種子，這可能與植株個(gè)體相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，一次性結(jié)實(shí)植物的種子產(chǎn)量與植株個(gè)體大小呈正相關(guān)，即植株個(gè)體越大種子產(chǎn)量越高［26］。前人研究也證明秋季萌發(fā)的尖喙?fàn)脚好缰仓陚€(gè)體生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于春季萌發(fā)的，并且秋季萌發(fā)的植株單株種子數(shù)量比春季萌發(fā)的高幾倍到十幾倍［17-18］。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，在干旱地區(qū)較大的溫差更有利于具有物理休眠的種子的萌發(fā)，表明種子物理休眠的解除也跟環(huán)境變化相關(guān)［28］。在本研究中具有物理休眠特性的尖喙?fàn)脚好绶N子［18］經(jīng)過(guò)持續(xù)高低溫脅迫處理后，其萌發(fā)率得到顯著提升，說(shuō)明變化的溫度對(duì)種子打破其休眠有一定的促進(jìn)作用。

對(duì)尖喙?fàn)脚好绶N子生理的研究表明，種子的各項(xiàng)生理指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，且春/秋萌植株種子對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)存在差異。其中，在持續(xù)高低溫脅迫下可溶性糖等內(nèi)含物與SOD 等抗氧化酶活性呈顯著正相關(guān)（圖9），這可能是尖喙?fàn)脚好绶N子在脅迫下迅速調(diào)節(jié)自身代謝，為了清除ROS維持細(xì)胞膜滲透壓的平衡，減少對(duì)細(xì)胞的損傷，從而能更有效地抵御脅迫。與此同時(shí)，春萌株種子的BR含量與抗氧化酶呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而秋萌株種子中的BR 含量與抗氧化酶呈顯著正相關(guān)（圖9）。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨BR濃度的增加可提高植物的抗性［29］，但低濃度BR可以使ROS短暫的增加，從而刺激細(xì)胞抗氧化酶體系；而高濃度的BR 會(huì)導(dǎo)致ROS 的積累，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)而刺激ABA 的合成，使植物抗性提高［30］。本研究中，春萌種子BR 含量在脅迫前處于高濃度（圖6），促使ROS的積累，而脅迫后，春萌種子中BR 含量急劇下降至低濃度（圖6），使ROS 進(jìn)一步積累。因此，春萌種子中BR 含量與抗氧化酶體系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

相對(duì)于小種子，大種子具有更好的抗逆能力［27,31］，而抗逆能力需要從不同方面綜合考量。在本研究中，對(duì)已測(cè)定的種子各項(xiàng)指標(biāo)先進(jìn)行Pearson相關(guān)分析構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣，后利用R 語(yǔ)言將這種關(guān)系拓?fù)淇梢暬?，形成種子性狀網(wǎng)絡(luò)，將復(fù)雜的關(guān)系繪成可視化的網(wǎng)絡(luò)圖。通過(guò)種子性狀網(wǎng)絡(luò)圖可以看出，在持續(xù)脅迫環(huán)境下，春萌株種子生理生化指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度顯著高于秋萌株種子，這說(shuō)明春萌株的種子可能具有更強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)態(tài)性，在脅迫環(huán)境下更有利于生存。

4 結(jié)論

本研究以古爾班通古特沙漠常見(jiàn)種、具有春/秋萌現(xiàn)象的尖喙?fàn)脚好鐬椴牧?，通過(guò)分析其親代植株及子代種子的生物學(xué)和生理生化特性，主要得出如下結(jié)論：

（1）親代植株：越冬的秋萌植株經(jīng)歷了更為復(fù)雜的脅迫鍛煉，刺激其產(chǎn)生更多的抗氧化酶POD和CAT 及滲透調(diào)節(jié)物脯氨酸和可溶性糖。這些生理生化指標(biāo)在抗環(huán)境脅迫，尤其是抗低溫脅迫過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，增強(qiáng)了秋萌植株清除活性氧毒害與抗氧化的能力，并抑制了丙二醛的產(chǎn)生，維持了滲透平衡，表現(xiàn)出更強(qiáng)的生理抗性。而在更為適宜環(huán)境下萌發(fā)生長(zhǎng)的春萌植株，其經(jīng)歷的脅迫刺激較輕，抗氧化酶及滲透調(diào)節(jié)物整體含量較低，生理抗性較弱。

（2）子代種子：春萌植株趨向產(chǎn)生質(zhì)量大而數(shù)量少的種子，秋萌植株則趨向產(chǎn)生數(shù)量多而質(zhì)量小的種子；持續(xù)高低溫脅迫有利于打破休眠，促進(jìn)尖喙?fàn)脚好绶N子的萌發(fā)；模擬野外夏季和冬季的持續(xù)變溫處理對(duì)種子的各項(xiàng)生理生化指標(biāo)產(chǎn)生較為顯著的影響；基于種子15項(xiàng)生理指標(biāo)的性狀網(wǎng)絡(luò)關(guān)系分析表明，春萌植株種子性狀網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性及整體穩(wěn)定性高于秋萌植株種子。

（3）具有更寬生態(tài)幅的秋萌植株趨向產(chǎn)生數(shù)量多而質(zhì)量小的種子，進(jìn)而使子代具有更多的遺傳多樣性，但秋萌株產(chǎn)生的小種子所含能量少且穩(wěn)定性較差，故而對(duì)幼苗的建成可能通過(guò)其他途徑，如遺傳其親代的“脅迫記憶”等；春萌植株對(duì)環(huán)境脅迫抗性較弱，趨向產(chǎn)生數(shù)量少而質(zhì)量大的種子，其含有更多的能量，有助于幼苗在脅迫環(huán)境下的建成。這種靈活的適應(yīng)策略體現(xiàn)了尖喙?fàn)脚好绲谋硇涂伤苄约按?秋萌株間不同的生存繁殖策略。