母代環境升溫對菹草石芽形態、碳氮元素含量及子代萌發過程的影響

王 韜 張雨婷 李 超 胡博文 徐 軍 張 敏

(1. 華中農業大學水產學院, 淡水水產健康養殖湖北省協同創新中心, 池塘健康養殖湖北省工程實驗室, 武漢 430070;2. 中國科學院水生生物研究所, 武漢 430072)

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出: 全球氣溫仍呈上升趨勢, 在RCP8.5高排放情景下, 到21世紀末全球平均氣溫相對于工業化前可能升高4℃[1]。在全球繼續變暖的趨勢下, 熱浪等極端天氣事件被預測會以更高的強度出現[1]。氣候變暖將會引起某些環境因子變化,進而影響生態系統的結構和功能。與陸地生態系統相比, 水域生態系統對氣候變暖的響應更加敏感[2]。

植物親本所經歷的環境條件的影響可以傳遞給子代。這種母代環境的影響可以幫助植物子代在面臨相同的環境變化時能夠更好的適應[3], 從而為進化爭取到足夠的緩沖時間。溫度、水分、光照及營養等母代環境因子的變化都有可能影響到植物的后代[3—7]。已有研究發現, 植物親本所處的環境條件的變化可能會對其繁殖體的數量、質量、特定元素含量及萌發情況產生影響[5,7—9]。黑肉葉刺莖藜(Sarcobatus vermiculatus)親本在營養充足(施肥處理)的條件下, 其產生的種子數量、質量、氮元素含量及萌發率均有顯著增加[7]; 飛廉(Carduus nutans)親本在升溫環境下產生的種子萌發所用的時間縮短, 但種子質量及最終萌發率不變[4]。母代環境不僅影響植物繁殖體的形成及萌發, 還會對子代幼苗的生長發育狀況產生影響。Lundgren等[6]在對水蓼(Polygonum hydropiper)的模擬遮光實驗中, 發現遮光親本產生的子代在早期有著更能適應低光環境的性狀, 其產生葉片的時間要顯著早于對照組, 且生長的速度更快。目前, 關于母代環境對植物后代影響的相關研究主要集中在陸生植物方面, 關于水生植物的研究較少。在水生植物方面,有研究發現, 種子質量及母代環境因子能夠影響篦齒眼子菜(Potamogeton pectinatus)種子的萌發時間及總萌發率[10]。

菹草(Potamogeton crispus)作為一種世界廣布種, 對維持冬春季湖泊生態平衡具有重要意義。溫度在菹草石芽的形成及萌發過程中起到十分重要的作用[11,12]。因此, 探討不同母代環境菹草產生石芽的早期萌發特征, 有助于揭示在全球變暖及極端溫度波動增多的趨勢下菹草群落結構變化的響應機制。本實驗通過模擬不同的升溫模式, 探討升溫對菹草石芽形態和化學計量學特征的影響, 并進一步探討了母代環境溫度對菹草石芽早期萌發策略的影響, 為研究氣候變暖趨勢下菹草石芽的變化特征及預測菹草群落的動態變化提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗地點

實驗模擬系統位于湖北省武漢市華中農業大學(30°29′N, 114°22′E), 該地處于亞熱帶季風氣候區, 月平均溫度變化范圍為3—29.3℃。1906—2015年, 武漢市年平均氣溫為17.3℃, 最低年均溫為15.8℃(1969年), 最高年均溫為19.11℃(2007年), 呈現微弱增暖趨勢[13]。

1.2 實驗材料

實驗選取菹草作為研究對象, 探究母代環境升溫對其石芽繁殖方式的影響。菹草是一種地理分布范圍極廣的水生沉水植物, 在中國各地的淡水湖泊、池塘及河流中均有分布, 是淡水生態系統的重要初級生產者[14]。與大多數沉水植物不同, 菹草于秋季萌發、冬春生長、夏季逐漸凋亡衰退, 其獨特的生活史策略可使其避免生境中其他物種的競爭[14]。菹草對富營養化水體的適應能力強, 能有效吸收水體中的無機鹽, 控制藻類、提高水質, 在湖泊生態系統維護方面具有重要價值[15]。菹草雖兼具有性繁殖和無性繁殖兩種繁殖方式, 但其種子在自然條件下萌發率極低[11], 其繁殖和擴散主要依靠無性繁殖器官—石芽, 所以菹草石芽的正常萌發和幼苗生長是其種群建立和擴增的關鍵所在[16]。

本文實驗分為2個階段, 第一階段實驗: 菹草石芽購買自興化市龍馬水生植物培育有限公司, 萌發后取單株幼苗作為菹草親本在不同溫度模式下培養, 并收集其產生的石芽; 第二階段實驗: 探究母代溫度環境升溫對菹草石芽的影響。

1.3 實驗系統

實驗通過中型室外模擬控制系統(Mesocosm)完成, 該系統由圓柱形塑料缸(材料為聚乙烯塑料,直徑1.5 m, 高1.4 m)和控制平臺兩大部分組成, 塑料缸內配有加熱裝置和測溫探頭, 可由控制平臺在電腦上實時控制和監測水溫。升溫處理組用600 w的水族缸加熱器加熱。所有處理組的水溫用電腦控制, 通過精準的溫度傳感器每10s記錄1次水溫。控溫系統會根據對照組每次測量的平均溫度來調控升溫組的水溫。實驗系統為室外模擬控制系統,實驗期間的光照環境為自然光照。

1.4 實驗方法

第一階段實驗(1)溫度控制模式: 自然水溫(C), 全期升溫3℃(T), 升溫3℃基礎上3℃的變溫(H),自然水溫基礎上3℃的變溫(R)。其中, 在2017年2月15日—3月20日, 處理H固定升溫3℃, 處理R維持自然水溫; 從 2017年3月21日開始, 處理H較自然水溫升溫6℃與升溫3℃按周交替, 處理R較自然水溫升溫3℃與自然水溫按周交替。

(2)實驗設計及取樣: 選取濕重在(0.35±0.05) g的菹草石芽在常溫下萌發, 萌發3周后取長度10 cm左右的菹草幼苗種植到種植杯(直徑12 cm, 其內含有10 cm厚的陸地土壤)中。每種溫度模式設置6個平行, 塑料缸加水至1 m, 每個塑料缸放入40盆菹草。在菹草繁殖期間, 每隔2周收集一次石芽(使用Pre+溫度方案字母的方式作為第一階段不同處理實驗獲得的石芽編號, 即PreC、PreT、PreH和PreR四個處理)。

(3)相關指標測定: 將收集到的石芽清洗干凈并吸干表面水分, 使用萬分之一電子天平稱量濕重,參考王錦旗等[17]對石芽長寬的測量方法測量長寬,之后置于4℃避光保存。待全部石芽收集完成后,每個處理隨機挑選30顆石芽于60℃烘干至恒重, 研磨后取2—3 mg(使用MiniBeadbeater-16研磨至粉末狀), 使用碳氮元素分析儀(Flash EA 1112, CE Instruments, Italy)測定石芽中碳氮元素含量[18]。

第二階段實驗(1)溫度控制模式: 第二階段實驗于2017年11月10日開始, 仍然設置上述4個溫度模式。其中, 處理H、R升溫模式仍按周交替, 處理H第1周水溫升高3℃, 第2周升高6℃, 之后降回升溫3℃; 處理R第1周保持自然水溫, 第2周升高3℃,之后降回自然水溫。

(2)實驗設計及取樣: 將第一階段實驗收集到的石芽取出, 分別選擇每種母代溫度環境下產生的規格相似的石芽160顆均分到4個覆網塑料盒中(每個塑料盒40顆), 再交叉到實驗所設的4種溫度模式下進行萌發(即PreC、PreT、PreH及PreR組的石芽分別在4種溫度下進行萌發)。萌發時將塑料盒下沉到1 m的水深, 塑料盒內無基質, 實驗為期18d, 每天統計石芽萌發情況, 并于萌發結束后測量萌發出的幼苗長度。

(3)相關指標測定: 統計石芽萌發情況時, 萌發出白尖的石芽被認定為萌發。使用直尺測定幼苗地上部分的長度作為幼苗長度。

圖 1 菹草生長期間日均水溫變化趨勢Fig. 1 The mean daily water temperature during the growth of P. crispus

1.5 數據分析

所有數據用SPSS 19 (IBM SPSS Statistics 19)進行分析, 用Excel 2007及OriginPro 2017繪制圖表。在分析前檢驗數據是否滿足正態分布和方差齊性, 對不滿足正態分布和方差齊性的數據, 視具體情況進行Log(x)、Log(x+1)或轉換。對于滿足方差分析條件的數據進行單因素方差分析(Oneway ANOVA), 若差異顯著, 再采用Tukey’s HSD方法進行多重比較。對于轉換后仍不滿足方差分析條件的數據, 則采用非參數檢驗Kruskal-Wallist test進行相關數據分析。

2 結果

2.1 石芽的重量及形態特征變化

第一階段實驗期間, 各組水溫變化如圖 1所示。處理C的日平均水溫在9.80—31.15℃, 處理T的日平均水溫在12.25—34.23℃, 處理H的日平均水溫在12.31—36.57℃, 處理R日平均水溫在9.66—33.79℃。

在菹草繁殖期間, 共收集到石芽1496顆, 其中處理C 405顆(PreC組)、處理T 267顆(PreT組)、處理H 494顆(PreH組)、處理R 330顆(PreR組)。在實驗過程中, 由于未收集到全部石芽, 所以此數目并不代表不同處理菹草產生石芽的總數。如圖 2所示, 在不同溫度模式條件下, 菹草親本產生的石芽濕重無顯著性差異, 僅PreH組的石芽濕重略高于其他組(P=0.051)。

對石芽長度的分析結果表明: 處理組間存在顯著性差異(P＜0.001), PreH組的石芽長度顯著高于PreC組(P＜0.01)和PreT組(P＜0.01), PreR組的石芽長度顯著高于PreC組(P＜0.05, 圖 3A); 同時, 不同處理亦顯著影響石芽寬度(P＜0.001), PreH組的石芽寬度顯著高于PreC組(P＜0.01)、PreT組(P＜0.01)及PreR組(P＜0.05, 圖 3B)。同樣, 石芽長寬比在各處理組間也存在明顯差異(P=0.002), PreC組石芽的長寬比值顯著低于PreH組(P＜0.05)和PreR組(P＜0.01,圖 3C)。

2.2 石芽碳氮元素化學計量學特征

不同溫度模式處理下的菹草親本產生的石芽總碳、總氮含量及碳氮元素比值如圖 4所示。PreC、PreT、PreH和PreR組石芽總碳含量的平均值分別為403.5、403.1、406.2和406.3 mg/g, 總氮含量的平均值分別為5.9、6.7、7.9和6.2 mg/g。統計分析結果表明各處理組石芽的總碳含量無顯著性差異(P=0.055, 圖 4A), 而PreH處理中石芽總氮含量顯著高于對照(P＜0.01, 圖 4B)。由于PreH處理中石芽總碳含量不變且總氮含量升高, 相應導致石芽碳氮比下降, 石芽碳氮比存在顯著性差異(P=0.004,圖 4C)。PreH組的石芽碳氮比顯著低于PreC組(P＜0.01)和PreR組(P＜0.05)。

2.3 石芽的早期萌發特征

在第二階段實驗期間, 處理C的水溫變化約為12—16℃, 處理T的水溫變化為15—19℃, 處理H的水溫變化為15—21℃, 處理R的水溫變化為14—17℃。所有處理產生的石芽在4種溫度模式下均從第5天開始萌發, 升溫處理產生的石芽往往表現出更快的萌發速率(圖 5)。在處理C條件下,PreT、PreH升溫處理產生的石芽具有更快萌發速率和更高的最終萌發率(PreT、PreH組分別為80%、87.5%, PreC組和PreR組均為65%); 在處理T條件下, 由于環境溫度的升高減弱了母代環境溫度對石芽萌發造成的影響, 各處理組產生的后代萌發速率較為一致, 且最終萌發率的差距縮小(PreC、PreH組為75%, PreT、PreR組為82.5%); 在處理H條件下, PreT、PreH組升溫產生的后代萌發速率更快, 但最終萌發速率的差距縮小(PreC組為70%, PreT和PreR組為77.5%, PreH組為85%); 在處理R條件下, 母代升溫幅度較大的PreT和PreH組在萌發速率上仍然占據優勢, 但最終萌發速率的差距縮小(PreC組為67.5%, PreT組為77.5%, PreH組為70%, PreR組為65%)。

在萌發結束后, 測量了各處理組產生的石芽在不同的溫度模式下萌發出的幼苗長度(圖 6)。統計分析結果表明: 在處理C與處理T的萌發條件下,PreH和PreT組的平均長度雖略高于PreC組和PreR組, 但未產生顯著性差異(處理C,P=0.62; 處理T,P=0.161); 在處理H的萌發條件下, 各組間產生顯著性差異(P=0.011), PreC組的幼苗平均長度顯著低于PreT組(P＜0.05)和PreH組(P＜0.05); 在處理R的萌發條件下, 各組間產生顯著性差異(P=0.001), PreR組的幼苗平均長度顯著低于PreT組(P＜0.01)和PreH組(P＜0.01)。

圖 2 不同溫度處理條件下獲得的菹草石芽濕重Fig. 2 Wet weight of P. cripus turion under different temperatures

圖 3 不同溫度處理條件下菹草石芽長度(A)、寬度(B)及長寬比(C)的變化(數值以均值±標準差表示)Fig. 3 The length (A), width (B) and length: width ratio (C) of P. cripus turion under different temperatures (Data are given as Means±SD)標注不同小寫字母表示處理間差異顯著(P＜0.05); 下同Different letters are significant difference at P＜0.05 level among different treatments; the same applies below

3 討論

3.1 菹草的溫度環境條件對石芽重量和形態特征的影響

目前關于母代環境對繁殖體重量影響的研究大多集中在陸生植物。相關研究表明, 陸生植物種子質量是影響種子萌發、幼苗形成、早期生長甚至成株有性繁殖的重要因素[19,20]。同時陸生植物所處環境特征(如干旱或暴雨[5]、升溫[8])未引起陸生植物的種子質量發生改變。與陸生植物不同, 水生植物的繁殖系統更加多樣, 在探究水生植物繁殖策略時, 應充分考慮無性繁殖在水生植物繁殖中發揮的作用[21,22]。菹草的種子通常對其種群動態和群落組成影響較小, 而其無性繁殖體石芽的繁殖更為普遍。在本實驗中, 不同升溫模式處理下菹草產生的石芽濕重未呈現出顯著性差異。此外, 在菹草對長期升溫適應的研究中發現, 菹草產生的石芽個體生物量減小、數量增多[23]。對比本研究的短期適應, 我們發現升溫在短期內未引起菹草石芽重量的改變。

圖 4 不同溫度處理下菹草石芽總碳(A)、總氮(B)含量及碳氮比(C)變化(數值以均值±標準差表示)Fig. 4 The TC (A), TN (B) and C∶N (C) of P. cripus turion under different temperatures (Data are given as Means±SD)

圖 5 不同母代溫度環境產生的菹草石芽在4種溫度模式下的萌發情況Fig. 5 The germination of turions produced in different maternal temperature environment in four temperature modes

不同升溫模式雖未引起石芽重量的顯著變化,但卻導致了石芽形態的變異, 尤其是PreH組, 長寬均有顯著的增加。因此, 不同的環境溫度條件可能會導致菹草產生石芽的長寬形態特征發生變異, 尤其是當存在溫度波動時, 且較大幅度的波動升溫(PreH)對石芽形態變異的影響更為顯著。在對某些水生植物的研究中發現, 水溫升高會影響水生植物的葉面積[24], 進而造成葉片形態的變化, 而菹草石芽是由莖葉變態形成, 這或許是引起石芽長寬形態變異的原因之一[17]。

3.2 菹草的溫度環境條件對石芽化學計量學特征的影響

在本實驗中, 不同溫度環境并未對菹草石芽的總碳含量產生顯著性影響, 卻導致了石芽總氮含量的顯著升高, 即PreH組(升溫幅度最高)顯著高于PreC組(常溫組), 同時石芽碳氮比隨溫度的升高而減小。本系統的前期研究發現, 升溫會導致菹草葉片的總碳及總氮含量下降、碳氮比升高[18]。在本研究中, 菹草的無性繁殖體石芽化學計量學特征與葉片的分析結果正好相反, 這一研究結果表明菹草在環境溫度升高的條件下不同器官的營養分配模式可能存在差異。與葉片相比, 氮營養元素可能更傾向于分配至繁殖器官中。在陸生植物中, 也有研究發現升溫會導致植物不同器官氮元素含量的變化不同, 灌木地團花(Globularia alypumL)在經過6年的1℃升溫生長后, 其葉片的氮元素含量下降,根莖的氮元素含量升高[25]。此外, 對陸生植物澳扁芒草(Austrodanthonia caespitosa)的研究中發現, 其種子的碳氮元素含量均不因升溫(約1℃)而發生改變[8]。在本研究中的PreT組與PreR組石芽碳氮元素含量均未與對照組產生差異, 菹草在對無性繁殖體石芽的碳氮元素分配上或許會采取與陸生植物種子相似的策略以應對中小幅度的變暖, 但在相對更高的升溫情景下(PreH), 菹草會將更多的營養物質分配至石芽中, 以保證其獲取種群的繁殖優勢。

3.3 菹草母代環境溫度對石芽早期萌發的影響

在陸生植物中, 已有相當數量的研究表明, 環境因子的改變不僅會造成母代表觀性狀的變化, 也會對后代的性狀產生影響[26—29]。這種現象也被稱之為植物的跨世代可塑性。溫度、營養、光照及水分等各種環境因子的變化均會使植物子代的某些性狀發生特定變化, 或影響其種子的萌發時長,或影響其幼苗的生長速度, 或影響其后代的開花時間, 而通過這些特定變化可以幫助后代在面臨相同的環境變化時更好的生長, 尤其是當環境因子向不利方向轉變時[3,4,8,27,30]。與陸生植物相比, 水生植物在此方面的研究相對匱乏。母代環境溫度升高,菹草的無性繁殖體石芽也能產生適應性的轉變, 這表明菹草的無性繁殖也能受到跨世代可塑性的影響。此外, 菹草石芽由于是由母代莖、葉形成, 相對于陸生植物的種子, 其可能更易受到母代環境因子的影響。

在本研究中, 菹草母代環境的升溫對于石芽的萌發速率具有促進作用。其中石芽在常溫萌發條件下, 母代環境升溫對石芽萌發的促進作用表現的尤為顯著, 其原因可能是在低溫萌發條件下母代環境變暖對石芽萌發產生的影響更大。當石芽萌發期間也處于升溫環境中后, 母代環境特征對石芽萌發率影響的差異就會減弱, 其中石芽均處于固定升溫3℃的萌發條件下, 各組的萌發情況趨于一致, 說明萌發環境的升溫能夠在一定程度上減弱母代環境差異的影響。在處理H條件下, 不同處理的石芽萌發速率差異可能是由于較大的升溫幅度影響, 減緩了PreC、PreR組石芽的萌發速率, PreT、PreH組由于母代環境升溫幅度較高, 因此石芽在萌發過程中對水溫的較高幅度的增加有一定的適應性。在幼苗長度方面, 母代環境升溫(PreT與PreH)產生的后代萌發出的幼苗在早期生長更快。PreR組菹草母代雖也經過升溫, 但石芽并未表現出更快的萌發速率及幼苗長度的增加, 這可能是由于PreR組升溫幅度較小導致的。在處理R條件下, 其幼苗長度低于對照組, 這或許是因為石芽個體之間仍存在活力差異所致。不同升溫處理產生的石芽在濕重方面并無顯著性差異, 但萌發速率卻有所提高, 這或許與石芽總氮含量的升高有關, 但由于相關研究較少,石芽化學計量學特征的變化與其萌發速率的關系仍需進一步的深入研究。

圖 6 不同母代環境產生的石芽在4種溫度模式下萌發的幼苗長度(數值以均值±標準差表示)Fig. 6 The average seedling length of P. crispus turions produced in different maternal temperature environment in four temperature modes(Data are given as Means±SD)

此外, 變暖能夠在一定程度上加快菹草石芽的萌發速率及幼苗生長速度, 使其在早期萌發過程中占據優勢。在處理H條件下, 母代升溫處理后代仍能表現出較好的適應能力, 且在早期萌發的幼苗長度有所增加, 這可能與菹草秋冬季萌發生長的獨特生活史特征有關。由于秋冬季氣溫較低, 即使有大幅度的升溫, 仍不會超過其適宜的生長溫度, 有利于母代升溫后代的生長, 但對于母代常溫后代, 大幅度的升溫造成了更大的環境溫度變化, 可能需要更久的時間適應。但升溫對石芽早期萌發與生長的促進作用并不意味著變暖有利于菹草群落的擴張。有研究表明變暖對水生植物的影響可能與季節因素有關[24], 菹草在高溫時會停止生長甚至衰退[31]。變暖可能加快菹草冬春季的生長, 更快生長到水面以獲得光照優勢, 進而可能對早春季節的藻類生長有一定的抑制作用, 但在夏季, 變暖造成的高溫可能導致菹草群落的提前衰退, 從而導致湖泊穩態的提前轉變。