營養(yǎng)生長期葎草對干旱脅迫應對機理的性別差異分析

摘要：通過設置4個水分梯度，對營養(yǎng)生長期葎草[Humulus scandens （Lour.）Merr.]進行干旱脅迫處理后，測定其雌、雄單株總含水量及根、莖、葉的水分分配比例，分析雌、雄單株葉片中過氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）、葉綠素、可溶性糖、脯氨酸等物質(zhì)含量的差異。結果表明，雄株的總含水量及根、莖、葉的含水量均顯著低于雌株，雄株將更多水分分配到葉片以應對脅迫；干旱脅迫顯著降低了根冠比，但性別間差異很小；在輕、中度干旱脅迫時，雄株的POD活性、MDA含量、葉綠素與可溶性糖含量均大于雌株，在重度干旱脅迫時雄株的MDA含量、葉綠素與可溶性糖含量小于雌株；雄株的游離脯氨酸含量在各水平干旱脅迫下均大于雌株。干旱脅迫強度對雌、雄株水分分配比例與生理生化指標均有顯著影響。雄株對干旱脅迫較雌株更敏感，雌株的抗旱潛力較大。

關鍵詞：葎草[Humulus scandens （Lour.）Merr.]；雌雄異株；營養(yǎng)生長；干旱脅迫；抗旱性

中圖分類號：S545 文獻標識碼： A 文章編號：0439-8114（2013）13-3078-05

葎草[Humulus scandens（Lour.）Merr.]為桑科葎草屬雌雄異株植物，一年生或多年生草本，常生于溝邊、路旁、荒地，形成單優(yōu)勢群落。可作為鮮嫩飼草、青貯飼料、干貯飼草及中草藥飼料添加劑等加以利用[1]。對畜禽飼喂試驗表明，葎草可明顯提高動物對環(huán)境的適應能力，調(diào)節(jié)其營養(yǎng)平衡，增強其消化吸收機能[2]，降低其腹瀉等病害的發(fā)生幾率[3]。葎草全草含多種化學物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、生物活性激素類物質(zhì)及促生長因子等成分[4]，具有清熱解毒、利尿消腫、抗菌消炎、健胃抑菌、抑制病毒等功能[5]。葎草生性強健，自然繁衍能力極強，適應性強，生長迅速，蔓延覆蓋能力強，是保土固土能力特強的水土保持藤本植物，在巖石邊坡綠化中具有極大的應用潛力[6]。同時，野生葎草是農(nóng)田和園林綠化的重要雜草，加強對野生葎草資源研究，探討其生長、生理、生態(tài)特點，對野生雜草資源“變廢為寶”的深入開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實意義。

由于雌雄性別的分株表達，雌雄異株植物在環(huán)境脅迫下維持種群穩(wěn)定性的能力比其他植物更加薄弱，環(huán)境脅迫對雌株和雄株的光合作用能力、生物量分配、水分利用效率以及凋落物的降解等方面的影響是研究的熱點問題[7]。近年來，對雌雄異株喬、灌木的研究報道遠遠多于草本。對喬、灌木的研究結果表明，環(huán)境脅迫對雌雄個體的生理、生態(tài)和生化的影響，引起性別間在生長、形態(tài)、生殖、分布以及抗逆性等方面表現(xiàn)出明顯的差異[8]，從而引起其種群性比組成逐漸失衡，種群繁殖能力下降，最終導致種群所在的生態(tài)系統(tǒng)的組成、結構和功能發(fā)生改變。目前，關于葎草的研究主要集中在營養(yǎng)成分、藥物成分及飼喂效果評價方面[4，9，10]，關于葎草對環(huán)境脅迫響應的性別差異鮮見報道。筆者對野生葎草種群的雌雄株形態(tài)、性比、生殖投入、種子活性等方面進行了較為系統(tǒng)的研究[11-13]，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對雌雄葎草營養(yǎng)生長持續(xù)期及各構件的表觀性狀有顯著影響（另文報道）。本研究通過在4個干旱脅迫梯度下，測定雌雄葎草根、莖、葉等構件的水分含量及分配比例的變化，分析雌、雄株在干旱脅迫下葉片中POD、MDA、葉綠素、可溶性糖、脯氨酸等生理生化指標的差異，研究雌、雄株對干旱脅迫響應的性別差異，探討營養(yǎng)生長期葎草對干旱脅迫的應對機理，以期為雌雄異株植物資源保護利用、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展及社會經(jīng)濟發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

葎草為當?shù)夭杉囊吧N子。采用高34 cm、口徑50 cm塑料花盆，河沙∶腐殖土按1∶1作為基質(zhì)。于2010年3月進行播種，出苗后，按3株/盆均勻分布定苗，在25 ℃左右的室內(nèi)培養(yǎng)。5～6對真葉時，設4個土壤干旱脅迫處理，即每隔5 d澆透水1次（CK）、每隔8 d澆透水1次（MS）、每隔11 d澆透水1次（S）、每隔14 d澆透水1次（RS）。每處理設置10個重復。

1.2 測定項目與方法

水分分配比例：花序出現(xiàn)后，隨機選取雌雄株各3株，把葉、莖、根分離，清洗后用吸水紙吸干水分，分別稱鮮重，在105 ℃下烘至恒重后稱干重。水分比例=（鮮重-干重）/單株總含水量×100%。單株總含水量為雌雄單株各構件鮮重之和減去各構件干重之和的差值。根冠比=根系干重/（莖干重+葉干重）。

生理生化參數(shù)[14，15]：花序出現(xiàn)后，選取雌、雄株成熟葉片測定下列參數(shù)。丙二醛（MDA）及可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸比色法測定；葉綠素含量采用丙酮法測定；游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測定；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SAS 9.1軟件進行有重復觀察值的交叉分組資料的方差分析（程序名：T4-2-2），進一步采用SNK法（Student-Newman-Keuls test）兩兩比較（Pairwise comparison）。

2 結果與分析

2.1 含水量的性別差異

在干旱脅迫下，葎草單株總含水量和根、莖、葉等構件含水量表現(xiàn)出極顯著差異（P<0.01）（表1）。雙因子方差分析表明干旱水平間葎草的含水量有極顯著差異；雌雄性別間單株總含水量和各構件含水量間有顯著差異（P<0.05）；同時干旱與性別互作對葎草單株總含水量有極顯著影響。由F值可知，性別間含水量差異為單株>莖>根>葉。由表2可見，性別間根、莖、葉含水量及單株總含水量有顯著差異（P<0.05）；隨干旱脅迫加重，雌、雄株的含水量均顯著下降（P<0.05），雄株對干旱脅迫的敏感度高于雌株。

2.2 水分分配比例的性別差異

干旱脅迫對葎草根、莖、葉的水分分配比例均有極顯著影響（P<0.01）（表3）。方差分析表明，在干旱水平間、性別間及互作時，根、莖、葉的水分分配比例均有極顯著差異（P<0.01）。在干旱脅迫下，分配于根的水分比例差別最小，莖次之，葉最大，表明葎草主要通過改變莖、葉水分分配比例來應對干旱脅迫。

進一步比較說明，在干旱脅迫下，雌株和雄株根、莖、葉水分分配比例均有顯著差異（P<0.05）（表4）。在MS、S干旱脅迫下，雄株與雌株相比，將較多的水分分配給葉應對干旱脅迫；在RS干旱脅迫下，雄株與雌株相比，將較多的水分分配給莖、根。雖然干旱脅迫越重，葎草將越大比例的水分分配給莖、葉，但在重度干旱脅迫（RS）下，植株總含水量不足CK的1/5，根的水分吸收受阻，表明莖、葉水分比例高只是脅迫滯后的表現(xiàn)，并非主動分配的結果。

2.3 根冠比的性別差異

由表3可知，干旱脅迫對葎草的根冠比有極顯著影響（P<0.01），但性別間與互作時無顯著差異。由表4可見，同一水平干旱脅迫下，雌、雄株根冠比無明顯差異，在MS干旱脅迫下，首先根系生長更新受影響，根冠比明顯降低；在S干旱脅迫下，莖葉生長受到脅迫的影響，根冠比有所上升；在RS干旱脅迫下，根系比莖葉受脅迫影響更大，雌雄株根冠比均較CK降低了24%。

2.4 POD活性與MDA含量的性別差異

方差分析結果（表5）表明，總處理間葎草葉片中POD活性無顯著差異（P>0.05），干旱水平間葎草葉片POD活性有顯著差異（P<0.05）；不同性別間及互作時差異較小。由表6可知，葉片POD活性在MS與S干旱脅迫下隨脅迫加重而增加，但在RS干旱脅迫下有所下降。在S干旱脅迫下葉片POD活性顯著高于CK（P<0.05），MS、RS干旱脅迫下的POD活性與S干旱脅迫及CK相比均無顯著差異。性別對葎草葉片POD活性無顯著影響，但在各水平脅迫下雄株的POD活性均大于雌株。

同時，總處理間及干旱水平間葎草葉片MDA含量存在極顯著差異（P<0.01）；不同性別間及互作時則差異較小（表5）。隨干旱脅迫加重，雌、雄株葉片的MDA含量均顯著增加。性別對葎草葉片MDA含量無顯著影響，但在MS、S干旱脅迫下雄株葉片MDA含量高于雌株，而在RS干旱脅迫下雄株葉片MDA含量低于雌株（表6），說明雄株對干旱脅迫的響應早于雌株，但嚴重干旱對雄株葉片細胞膜的傷害小于雌株。

2.5 葉綠素與可溶性糖含量的性別差異

由表5可知，總處理間對葎草葉片中葉綠素與可溶性糖含量均有極顯著影響，葉綠素與可溶性糖含量在干旱水平間存在極顯著差異（P<0.01），在性別間無差異，在互作時可溶性糖含量存在極顯著差異。由表6可知，在MS、S干旱脅迫下，葎草葉片中葉綠素與可溶性糖含量均顯著增加（P<0.05），且雄株含量高于雌株。在RS干旱脅迫下，雌、雄株的葉綠素含量均下降，雄株比雌株下降幅度大；雌、雄株可溶性糖含量有所增加，與S干旱脅迫下相比差異不顯著，但雄株含量低于雌株。

2.6 游離脯氨酸含量的性別差異

由表5可知，葎草葉片游離脯氨酸含量在總處理間、干旱水平間、性別間、互作時均有極顯著差異（P<0.01）。由表6可知，隨干旱脅迫加重，葉片中游離脯氨酸含量顯著上升，RS干旱脅迫下的游離脯氨酸含量比CK增加了190%左右。在MS干旱脅迫下，雄株游離脯氨酸含量大于雌株；在 S干旱脅迫下，雄株游離脯氨酸含量比雌株高近20%；在RS干旱脅迫下雌雄株間差異縮小。

3 小結與討論

有人認為雌、雄異株現(xiàn)象是植物適應不良生存條件的一種進化方式[16]，雌、雄株對脅迫環(huán)境的響應速度與應對能力直接關系種群性比、適應度及種群發(fā)展趨勢。受生長條件和物種特性等方面的影響，不同雌、雄異株植物的雌、雄個體對干旱脅迫的反應不盡相同[17，18]。但往往雌株在脅迫環(huán)境下占有優(yōu)勢[19，20]。本研究中葎草雄株對水分敏感，抗旱性低于雌株，符合上述觀點。理論上種群的性比應該等于或接近1∶1，野生葎草種群調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雄株占種群的0.00%～46.15%[21]，生境越惡劣雄株比例越低，說明雄株對環(huán)境脅迫敏感或應對能力低于雌株。本試驗僅對干旱脅迫進行了研究，在自然環(huán)境中，水、肥、氣、熱、光照、病蟲害等單一或協(xié)同脅迫遠遠復雜于試驗設計，野生種群中能順利完成營養(yǎng)生長植株的比例僅為5%～15%，引起種群自疏的主要原因是出苗期、幼苗期遭遇的環(huán)境脅迫。葎草對復雜而持久環(huán)境脅迫應對能力的性別差異，累積表現(xiàn)為種群的性比結構失衡，野生種群的雄株數(shù)量少于雌株，在極端生境下僅存留有雌株。室內(nèi)試驗與野生種群調(diào)查結果一致說明雄株比雌株對環(huán)境脅迫更敏感。

雖然對不同雌、雄異株植株對干旱脅迫響應機理研究結果差異較大，有的認為雌株的水分利用效率、抗旱性高于雄株[22]，有的則相反[23，24]，但對雌、雄個體對環(huán)境脅迫研究總結了相對科學的系列方法。通常通過氣孔導度、水分蒸發(fā)、蒸騰速率、凈碳積累量、葉內(nèi)CO2濃度、碳同位素甄別率、凈光合速率等參數(shù)，分析雌、雄株的水分利用策略；通過株高、干物質(zhì)積累、根冠比、比葉面積等參數(shù)分析雌、雄株對環(huán)境脅迫的生存策略；通過MDA含量、POD活性、葉綠素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量等生理生化參數(shù)分析雌、雄株對環(huán)境脅迫的應對機理。本研究通過對不同干旱脅迫下葎草雌、雄株的水分利用性別差異進行分析，結果雄株的總含水量及根莖葉的含水量均顯著低于雌株，并且在干旱脅迫下將更多水分分配到葉片，說明在干旱脅迫下，雄株沒有保守的水分利用策略（即高效利用水的策略），而是通過消耗大量水分來促進生長，盡快完成營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)化（RS干旱脅迫下為45 d左右，CK為95 d左右）。葎草性別間根冠比差異較小，但雄株單株葉總面積，莖分支、長度與莖體積，根長與根體積及生物量等性狀指標顯著低于雌株（另文報道），雄株采用縮小體型應對環(huán)境脅迫的生存策略。輕、中度干旱脅迫時，雄株的POD活性、MDA含量、游離脯氨酸含量、葉綠素與可溶性糖含量均大于雌株，而在重度干旱脅迫下雄株的MDA、葉綠素與可溶性糖含量小于雌株，說明雄株對干旱脅迫響應早于雌株，但抗旱潛力低于雌株。

營養(yǎng)生長期葎草雌、雄個體在外觀形態(tài)上很難區(qū)別，不同生境下其營養(yǎng)生長期長短差異很大，生境良好的種群出苗當年只進行擴展空間的營養(yǎng)生長；不良生境的種群營養(yǎng)生長期很短，而生殖生長持續(xù)150 d左右[12]，并且種群中匍匐莖交織，很難明確區(qū)分出完整的雌、雄單株來。在盆栽下進行試驗，目的是為了調(diào)控生境與便于理順單株的匍匐莖，以便更好地把控營養(yǎng)生長期的終點和參數(shù)的測定。但盆栽使葎草遭遇了土層厚度與地下空間帶來的脅迫，致使CK處理的株型、生物量結構、營養(yǎng)生長持續(xù)期等性狀與野生種群存在一定的差異。但在同樣規(guī)格的盆中試驗，可以忽略水分之外其他因素帶來的影響。本研究僅僅說明在葎草營養(yǎng)生長期雌、雄株對干旱脅迫的響應機理存在著性別差異。營養(yǎng)生長是生殖生長的基礎，干旱脅迫對葎草營養(yǎng)生長期植株含水量及水分分配的影響，實質(zhì)是其體內(nèi)結構物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、生理活性物質(zhì)組成與含量差異的外在表現(xiàn)，必然對雌雄葎草生殖生長持續(xù)期、生殖投入與收益、種子活性、種群結構及擴散等產(chǎn)生影響，由此帶來的相關問題，有待于進一步深入研究。

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