中國沙棘克隆生長對灌水強度的響應規律及其激素調控機制

聶愷宏,鄒 旭,吉生麗,姜 準,劉春紅,高海銀,李根前,*

1 西南林業大學,昆明 650224 2 定邊縣林業工作站, 榆林 718600

克隆生長指自然狀態下,植物通過無性繁殖產生在遺傳上一致、形態和生理上獨立或潛在獨立個體并進行空間拓展的過程[1-3]。在不同環境資源有效性或異質性條件下,該類植物可通過克隆生長調節形成與之相適應的克隆生長格局,從而有效獲取環境資源并以更高的概率維持克隆持久性[3-6]。目前,關于植物克隆生長調節的研究集中于外在機制,如克隆生長對環境資源有效性或異質性的響應規律及其生態適應意義[3-9]。但關于樹木萌生人們曾提出激素調控假說,認為萌生更新能力受體內激素狀況調控,生長素和細胞分裂素在萌芽中起著重要作用,兩者的比值調控器官再生[10-13]。原因在于植物發育路徑受激素調控,且激素水平響應基因轉錄的變化而改變或者激素本身就是基因轉錄的調控因子[14]。萌芽松(Pinusechinata)、火炬松(Pinustaeda)去頂后,植物激素、碳水化合物、信號轉導等等之間的交互作用促進了芽的萌蘗[15]。由此可見：激素不僅具有調控作用,更重要的是其紐帶作用,它將生態適應、生理(生化)響應、基因表達與萌蘗(萌芽)能力聯系起來。因此,探討內源激素含量與比值對克隆生長的作用規律,有利于了解植物克隆生長調節的內在機制。

中國沙棘(Hippophaerhamnoidesssp.sinensis)是我國北方干旱、半干旱地區的主要造林樹種,也是優良的多用途樹種和典型的木本克隆植物,其側根(也稱水平根)水平延伸能力和萌蘗能力極強,具有“獨木成林”的潛力,能從溝谷擴散到溝坡、從丘間地擴散到沙丘頂部、從林內擴散到林外,從而使造林困難地段得到植被覆蓋,并通過林緣擴散、林隙更新維持種群穩定性和克隆持久性[16-21]。母株死亡之后,子株還能繼續進行根蘗繁殖的現象又賦予中國沙棘“永生”的潛力[1-2, 20-21]。然而,近年的連續干旱導致人工林出現了大面積早衰現象[22-23]。究其原因,克隆生長能力決定種群穩定性和克隆持久性,早衰是因為干旱脅迫削弱了中國沙棘的克隆生長能力[24-28]。因此,本研究通過灌水強度調節模擬天然降水梯度,分析克隆生長能力、內源激素含量與比值對灌水強度的響應規律,并在此基礎上探討內源激素含量、比值與克隆生長能力的內在聯系,揭示中國沙棘克隆生長對灌水強度響應規律的激素調控機制。

1 研究區概況

研究區設在陜西省定邊縣,位于毛烏素沙地南緣,地處107°15′—108°22′E、36°49′—37°53′N。該地區屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候,干旱缺水、光照充足、春秋季節風沙肆虐；年均氣溫7.9℃,最高氣溫37.7℃、最低氣溫-29.4℃；年均降水量316mm,年蒸發量2490mm。區內沙丘起伏、沙帶連綿,海拔1303—1418m。土壤以風沙土和鹽堿土為主,養分貧瘠、保水保肥能力差。地帶性植被為半荒漠草原,兼具沙生、旱生、鹽堿植物以及中生草甸植物。試驗布設在定邊縣林業工作站試驗基地內,屬經過人為平整的風沙土。

2 研究方法

2.1 試驗設計與布設

試驗采用單因素回歸設計,在流量固定前提下通過調節灌水時間形成不同灌水強度來模擬天然降水梯度。為包括水分過少、適宜、過多的整個變化過程,根據預備試驗結果[25, 28],本次試驗設置3個灌水梯度,分別為試區年均降水量的3、6、9倍,每次灌水時間分別為280、560、840s,以不灌水作為對照；灌水方式為全面灌溉,灌水月份為每年5月至8月,每間隔5天灌水一次(表1)。田間布設采用隨機排列法,小區面積為3m×10m,重復3次共12個小區。其中,小區與小區之間壟寬0.5m、高0.3m,在壟中央用埋深1m的油毛氈和厚塑料膜隔離以防止滲水。每個小區栽植1a苗木30株,株行距為1.0m×1.5m,并在每個重復的兩側設有保護行。

表1 灌水強度設計

2.2 試驗調查與測定

中國沙棘分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力決定種群穩定性和克隆持久性,因此對這些指標進行了逐一測定[17-21, 25-28]。其中,分株生長能力采用個體大小(樹高、地徑、冠幅生長量)表示,克隆繁殖能力采用克隆(萌蘗)子株數量表示,克隆擴散能力采用水平根的粗度、長度和條數(分枝強度)表示。(1)分株(包括母株和子株)生長能力采用“每木檢尺”法,即逐株測定樹高、地徑、冠幅生長量。(2)克隆繁殖能力采用“個體計數”法,即分別試驗小區統計克隆(萌蘗)子株的個體數量。(3)克隆擴散能力采用“跟蹤挖掘”法,即從某一個一級水平根(源自母株)開始,通過跟蹤挖掘逐步將與之聯結的二級水平根(源于一級水平根)、三級水平根(源于二級水平根)等等全部挖出,測定一級水平根粗度、長度以及各級水平根的條數和分枝級數,直到將小區平均標準木(母株)的地下聯結構件全部挖出并完成相應的測定。(4)灌水8小時后,采集每個小區平均標準木東、南、西、北四個方向樹冠中部的幼嫩葉片作為樣品,用錫箔紙包裝并做好標記。然后,將樣品迅速放入液氮罐中帶回實驗室放入超低溫冰箱保存、待用,樣品經過前期處理采用酶聯免疫法[29]測定內源IAA、ZR、GA3、ABA含量。

2.3 數據處理

應用SPSS 17.0統計軟件,以分株生長能力(樹高、地徑、冠幅)、克隆繁殖能力(子株數量)、克隆擴散能力(一級水平根粗度、長度、條數、水平根總條數)、IAA、ZR、GA3、ABA含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA(Y)為因變量,以灌水強度(X)為自變量進行多種模型的回歸、檢驗,根據顯著水準和剩余標準差選擇模型(Y=β0+β1X+β2X2)并尋求最佳值。令Y=β0+β1X+β2X2的一階導數Y′=β1+2β2X=0,可求出方程的拐點X=-β1/2β2；方程拐點就是最優值,相應的灌水強度即為最佳灌水強度。采用pearson相關系數分析克隆生長與激素含量及比值之間的因果關系,圖形采用Excel 2010軟件繪制。

3 結果與分析

3.1 克隆生長對灌水強度的響應

3.1.1 分株大小對灌水強度的響應

由圖1可見：隨著灌水強度(X)的增大,分株樹高、地徑、冠幅生長量(Y)均呈下開口拋物線變化,方程拐點即為相應生長指標最大時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,分株生長量隨著灌水強度的增大而上升；等于最佳灌水強度,分株生長量達到最大值；大于最佳灌水強度,分株生長量隨著灌水強度的增大而下降。由此表明：隨灌水強度的增大,分株生長量先升后降,即分株呈現小-大-小的變化過程。

圖1 分株生長量與灌水強度的回歸關系Fig.1 Regression relationships between ramets growth increment and irrigation intensity

3.1.2 克隆繁殖與克隆擴散對灌水強度的響應

圖2 克隆生長參數與灌水強度的回歸關系Fig.2 Regression relationships between clonal growth parameters and irrigation intensity

由圖2可見：隨著灌水強度(X)的增大,子株數量以及一級水平根的粗度、長度、條數和水平根總條數(Y)均呈下開口拋物線變化,方程拐點即為相應指標最大時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,克隆繁殖與克隆擴散(延伸和分枝)能力隨著灌水強度的增大而上升；等于最佳灌水強度,克隆繁殖與克隆擴散(延伸和分枝)能力達到最大值；大于最佳灌水強度,克隆繁殖與克隆擴散(延伸和分枝)能力隨著灌水強度的增大而下降。由此表明：隨灌水強度的增大,克隆繁殖、克隆擴散(延伸和分枝)能力先升后降,即克隆生長格局呈現“游擊型-聚集型-游擊型”的變化過程。

3.2 激素含量及比值對灌水強度的響應

3.2.1 激素含量對灌水強度的響應

由表2可見：3倍和9倍灌水處理之間的激素含量差異不顯著,其他灌水強度之間差異顯著。其中,IAA、ZR、GA3含量大小排序為6倍灌水>3倍和9倍灌水>不灌水(對照),ABA含量大小排序為不灌水(對照)>3倍和9倍灌水>6倍灌水。由圖3可見：隨著灌水強度(X)的增大,IAA、ZR、GA3含量(Y)呈下開口拋物線變化,ABA含量(Y)呈上開口拋物線變化,方程拐點即為相應激素含量最大(或最小時)的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3含量隨著灌水強度的增大而上升,ABA含量隨著灌水強度的增大而下降；等于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3含量達到最大值而ABA含量達到最小值；大于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3含量隨著灌水強度的增大而下降,ABA含量隨著灌水強度的增大而上升。由此表明：隨灌水強度的增大,IAA、ZR、GA3含量先升后降而ABA含量先降后升；在最佳灌水強度下,IAA、ZR、GA3含量最大而ABA含量最小。

表2 灌水強度對內源激素含量的影響

字母不同表示差異在P<0.05的水平顯著,字母相同表示差異不顯著； IAA：吲哚-3-乙酸,Indole-3-acetic acid； ZR：玉米素核苷,Trans-zeatin-riboside； GA3：赤霉酸,Gibberellic acid； ABA：脫落酸,Abscisic acid；FW:鮮重,Fresh weight

圖3 內源激素含量與灌水強度的回歸關系Fig.3 Regression relationships between the endogenous hormone content and irrigation intensityIAA：吲哚-3-乙酸,Indole-3-acetic acid； ZR：玉米素核苷,Trans-zeatin-riboside； GA3：赤霉酸,Gibberellic acid； ABA：脫落酸,Abscisic acid

3.2.2 激素比值對灌水強度的響應

由表3可見：IAA、ZR、GA3與ABA的比值在3倍和9倍灌水處理之間差異不顯著,其他灌水強度之間差異顯著,大小排序為6倍灌水>3倍和9倍灌水>不灌水(對照)。由圖4可見：隨著灌水強度(X)的增大,激素比值(Y)均呈下開口拋物線變化,方程拐點即為相應激素比值最大時的最佳灌水強度。小于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3與ABA的比值隨著灌水強度的增大而上升；等于最佳灌水強度,IAA、ZR、GA3與ABA的比值達到最大值；大于最佳灌水強度IAA、ZR、GA3與ABA的比值隨著灌水強度的增大而下降。由此表明：隨灌水強度的增大,IAA、ZR、GA3與ABA的比值先升后降；在最佳灌水強度下,IAA、ZR、GA3與ABA的比值最大。

表3 灌水強度對內源激素比值的影響

字母不同表示差異在P<0.05的水平顯著,字母相同表示差異不顯著

圖4 內源激素比值與灌水強度的回歸關系Fig.4 Regression relationships between the endogenous hormone ratio and irrigation intensity

3.3 克隆生長對激素含量及比值的響應

3.3.1 克隆生長對激素含量的響應

(1) 分株大小對激素含量的響應

由表4可見：分株樹高、地徑、冠幅生長量與IAA、ZR、GA3含量呈極顯著或顯著正相關,與ABA含量呈極顯著負相關。由此表明：分株樹高、地徑、冠幅生長量隨IAA、ZR、GA3含量的增大而上升,隨ABA含量的增大而下降。

由表4還可看出：IAA、ZR、GA3三者兩兩之間呈極顯著正相關,說明IAA、ZR、GA3之間具有協同效應；IAA、ZR、GA3與ABA之間呈極顯著負相關,說明IAA、ZR、GA3與ABA之間存在拮抗作用。同理,樹高、地徑、冠幅生長量之間也具有協同效應。

表4 生長量與內源激素含量的相關性分析

**. 表示在0.01水平上差異極顯著相關,*. 表示在0.05水平上差異顯著相關

(2) 克隆繁殖與克隆擴散對激素含量的響應

由表5可見：子株數量以及一級水平根粗度、長度、條數、水平根總條數與IAA、ZR、GA3含量呈極顯著正相關,與ABA含量呈極顯著負相關。由此表明：克隆繁殖和克隆擴散能力隨IAA、ZR、GA3含量的增大而上升,隨ABA含量的增大而下降。

由表5還可看出：子株數量與一級水平根粗度、長度、條數、水平根總條數呈極顯著正相關,說明克隆繁殖和克隆擴散之間具有協同效應。

3.3.2 克隆生長對激素比值的響應

(1) 分株生長對激素比值的響應

由表6可見：分株樹高、地徑、冠幅生長量與IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值呈極顯著正相關,說明分株樹高、地徑、冠幅生長量隨IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值的增大而上升。

(2) 克隆繁殖與克隆擴散對激素比值的響應

由表7可見：子株數量以及一級水平根粗度、長度、條數、水平根總條數與激素IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值呈極顯著正相關,說明克隆繁殖和克隆擴散能力隨IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA比值的增大而上升。

4 結論與討論

研究表明：隨著灌水強度的增大,分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力先升后降,IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值先升后降而ABA含量先降后升；分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力與IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA呈正相關,與ABA含量呈負相關。灌水強度過小,IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA低而ABA含量高,克隆生長潛力受到抑制,種群以分株小、數量少(分布稀疏)、擴散(水平根延伸和分枝)能力弱為特征,克隆生長格局傾向于“游擊型”；灌水強度適宜,IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA高而ABA含量低,克隆生長潛力得以充分發揮,種群以分株大、數量多(分布密集)、擴散能力強為特征,克隆生長格局傾向于“聚集型”；灌水強度過大,IAA、ZR、GA3含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA低而ABA含量高,克隆生長潛力受到抑制,種群以分株小、數量少(分布稀疏)、擴散能力弱為特征,克隆生長格局又傾向于“游擊型”。因此,隨著灌水強度的增大,中國沙棘通過激素調節改變克隆生長格局,從而形成與灌水強度相適應的克隆生長格局連續體“游擊型-聚集型-游擊型”。由此可見：灌水強度變化誘導內源激素IAA、ZR、GA3、ABA含量以及IAA/ABA、ZR/ABA、GA3/ABA發生改變,激素特征的改變決定分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力,分株生長、克隆繁殖和克隆擴散能力決定克隆生長格局。

表5 克隆繁殖擴散能力與內源激素含量的相關性分析

表6 生長量與內源激素比值的相關性分析

表7 克隆繁殖擴散能力與內源激素比值的相關性分析

究其原因：植物激素作為體內的痕量信號分子,調節著植物生長發育,并通過激素與環境的互相作用調節植物對環境的適應能力。其中,生長素通過刺激細胞核分裂促進頂端組織伸長,同時推遲葉片衰老脫落、促進根瘤形成；細胞分裂素通過刺激細胞質分裂促進側生組織形成,具有促進地上部分化、側芽生長、葉片擴大、氣孔張開、根瘤形成等作用；赤霉素通過縮短細胞分裂周期的G1期和S期來進行莖的伸長,具有促進葉片擴大、側枝生長、抑制衰老等作用；而脫落酸提高抗逆能力卻抑制細胞H+的分泌,阻止了細胞壁酸化和細胞伸長,進而抑制胚芽鞘、胚軸、嫩枝、根等器官的伸長生長過程[10-14, 30-33]。所以,植物激素含量及比值直接影響分株生長、克隆繁殖和克隆擴散能力。根據本研究結果：隨著灌水強度的增大,IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值先升后降,而ABA含量先降后升。因此,灌水強度過小或過大均可造成IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值降低而ABA含量升高,故分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力受到抑制；灌水強度適宜時,IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值升高而ABA含量降低,故分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力得到充分展示。因此,隨著灌水強度“過小-適宜-過大”的連續變化,分株生長、克隆繁殖、克隆擴散能力呈“小-大-小”的連續變化,克隆生長格局隨之呈“游擊型-聚集型-游擊型”的連續變化。

劉瑞香、李麗霞的研究也表明：干旱脅迫降低了中國沙棘的IAA、ZR、GA3含量而升高了ABA含量,但沒有將其與克隆生長聯系起來[34-35]。陳尚曾提出的激素假說認為：生長素、細胞分裂素對植物頂端分生組織和側生分生組織的活動強度具有調節作用,而且這兩種激素比值調控植物克隆生長[32]。李甜江等的田間試驗進一步表明,外源生長素、細胞分裂素用量及比值對中國沙棘分株生長和子株數量具有明顯的調控作用[33]。另一方面,克隆生長格局的改變具有生態適應意義,同時決定克隆持久性和種群穩定性[17-21]。水分適宜時,克隆生長格局傾向于“聚集型”,以分株大、數量多(分布密集)、擴散能力強為特征,有利于對環境資源的盡快占居和利用,并提高排斥其他植物入侵的能力；干旱脅迫下,克隆生長格局傾向于“游擊型”,以分株小、數量少(分布稀疏)、擴散能力弱為特征,提高了克隆將子株放置在有利生境斑塊和逃避不利生境斑塊的概率,且有利于削弱克隆內分株之間的競爭。然而,分株變小使得壽命縮短、子株減少使得更新受阻,從而使種群的早衰概率升高[25-28]。

上述分析表明：灌水強度誘導中國沙棘內源激素(IAA、ZR、GA3、ABA)的含量及比值發生變化,激素含量和比值的變化調控克隆生長能力,克隆生長能力決定克隆生長格局,克隆生長格局決定種群穩定性和克隆持久性。干旱脅迫使IAA、ZR、GA3含量及其與ABA的比值降低而ABA含量升高,從而降低克隆生長能力,增加了種群早衰的概率。由此不難看出,生長素、細胞分裂素、赤霉素、脫落酸以及生長素、細胞分裂素、赤霉素與脫落酸的比值在中國沙棘克隆生長調節中均具重要意義。