干旱-高鈣對麻櫟幼苗非結構性碳水化合物含量和分配的影響

李亞楠,張淞著,2,張藤子,魏亞偉,2,李 慧,2,周永斌,2,朱文旭,2,殷 有,2,*

1 沈陽農業大學林學院, 沈陽 110866 2 遼河平原森林生態站, 昌圖 112518

非結構性碳水化合物(Non-structural carbohydrate,NSC)是植物生長代謝過程中重要的能量供應物質,其在植物體中含量的變化在很大程度上影響著植株的生長狀況及應對逆境的能力[1- 2],近年來碳饑餓假說更是成為植物干旱生理死亡過程的研究熱點[3]。但干旱環境中樹木NSC變化的研究結果并不一致[1- 2,4- 6],有研究認為干旱過程中樹木關閉氣孔以阻止細胞快速失水,但同時抑制光合作用,碳同化量少于碳呼吸量,造成樹木碳的負平衡[1- 2,7- 8]。也有研究表明樹木可以在干旱過程中通過降低生長等自身調節策略保持碳平衡[6,9-10]。

目前干旱-半干旱區樹木碳平衡的研究只關注干旱對樹木NSC的影響,對于干旱-半干旱區特有的環境因子與干旱共同作用下,樹木NSC變化趨勢的研究較少[11]。事實上在半干旱區影響植物生長的環境因子中,除水分被認為是限制人工林生長的主要限制因子外[12- 15],廣泛分布的、以高鈣為主要特征的土壤鈣積層,成為限制樹木生長的另一重要環境因子[15-17]。鈣作為重要的第二信使,已被證明是能夠調節氣孔關閉的關鍵信號物質[18-19]。高鈣能夠調節樹木氣孔關閉從而影響光合作用,并最終影響水分利用效率和生長速率[20- 21]。鑒于高鈣土壤分布的廣泛性[22- 23]和鈣素在調控植物氣孔關閉過程中的關鍵作用[24- 25],闡明高鈣與干旱共同作用對樹木NSC的含量和分配的影響,推測干旱和高鈣環境下樹木發生碳饑餓的風險,對于理解樹木在干旱半干旱區特殊環境下的生理過程具有重要意義。

麻櫟(Quercusacutissima)屬殼斗科櫟屬的重要人工林樹種,耐干旱瘠薄,能穩定表土、緩沖徑流、攔截泥沙、是營造水土保持林的優良樹種[26- 27],本研究以麻櫟幼苗為研究對象,研究干旱和干旱-高鈣環境中麻櫟生長、光合、NSC含量及其在不同器官中分配的變化,探究干旱-高鈣環境下麻櫟發生碳饑餓的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗在沈陽農業大學林學院北山科研基地進行。試驗前將麻櫟種子用5%次氯酸鈉消毒15 min,無菌水沖洗3—5次,于25℃培養箱中培養,露白后挑選發芽一致的種子進行播種。試驗所用塑料盆規格為底徑14 cm,高16 cm,每盆裝滅菌土1.5 kg,供試土壤采集自沈陽農業大學后山雜木林,土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為339.50、12.07、183.40 mg/kg,土壤水溶性鈣和交換性鈣含量為235.65、4579.95 mg/kg,土壤最大持水量是31.70%。

試驗設置3個處理,分別為對照組(Control,CK),即正常供水(最大持水量的80%±5%),不加鈣；干旱處理組(Drought,DC),即供水量減至最大持水量的40%±5%,不加鈣；干旱-高鈣處理組(Drought and high calcium,DH),即供水量為土壤最大持水量的40%±5%并添加800 mg/kg的Ca2+,每個處理設6個重復。根據預實驗,高鈣處理添加的鈣以氯化鈣水溶液的形式添加到土壤。

2017年5月12日挑選發芽一致的種子進行播種,每盆播種3粒種子,待種子出土1周后進行間苗,每盆保留一株長勢一致的幼苗。間苗前進行合理的水分管理,以確保幼苗的正常生長。間苗后進行鈣處理并在土壤含水量降至目標水量后開始水分控制,用稱重法每兩天測定花盆重量,記錄不同處理耗水量并根據土壤耗水量添加水分,整個試驗過程中所添加的水分均為去離子水。在水分處理3個月后結束試驗,進行相關指標測定。

1.2 指標測定

1.2.1光合參數的測定

選擇2017年6月10日(即干旱處理一周后)和9月11日晴朗的上午,使用Li-COR公司的Li- 6400便攜式光合測定儀測定麻櫟幼苗樹梢第三片完全展開的健康葉片,葉室配有LED紅藍光源,有效光輻射強度(Photosynthetically active radiation,PAR)設置在1000 μmol m-2s-1,每個處理隨機選擇3個重復。測定的光合參數為凈光合速率(Net photosynthetic rate,Pn,μmol m-2s-1)和氣孔導度(Stomatal conductance,Gs,mol m-2s-1)。

1.2.2植物樣品的采集

在生長期末尾落葉前進行植物樣品的采集,將收獲的植株清洗干凈吸干植株表面水后分為根、莖、葉放入信封,烘箱105℃殺青30 min,隨后65℃烘至恒重,使用萬分之一天平測定植株根、莖、葉生物量。

1.2.3NSC的測定

烘干后的植物各部分樣品粉碎后,過100目篩,裝入自封袋標記備用。稱取干樣50 mg,放入10 mL離心管,加入4 mL 80%乙醇,80℃水浴30 min,3000 r/min離心10 min,將上清液倒入刻度試管中,其殘渣加入2 mL 80%乙醇重復提取2次,合并上清液,上清液經活性炭80℃脫色,定容后即為可溶性糖待測液,蒽酮比色法測定625 nm波長下的吸光度,根據標準曲線求出提取液中糖的含量；在提取可溶性糖后的沉淀加蒸餾水糊化15 min,隨后用9.2 mol/L高氯酸2 mL提取15 min后離心,收集上清液,再向沉淀中加入4.6 mol/L高氯酸2 mL提取15 min后離心,合并上清液,用蒽酮比色法測定625 nm波長下的吸光度,根據標準曲線求出提取液中糖的含量,在計算淀粉含量時將所得糖含量乘以0.9作為扣除水量后的實際淀粉含量。非結構性碳水化合物以可溶性糖和淀粉的總和表示。

1.3 數據處理

植株平均可溶性糖或淀粉或非結構性碳水化合物含量(mg/g)=(根可溶性糖或淀粉或非結構性碳水化合物含量×根系生物量+莖可溶性糖或淀粉或非結構性碳水化合物含量×莖生物量+葉片可溶性糖或淀粉或非結構性碳水化合物含量×葉片生物量)/整株生物量。用SPSS 19.0和Excel 2016進行數據統計分析,采用單因素ANOVA分析不同處理間光合參數和非結構性碳水化物含量的顯著性差異(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同處理對麻櫟幼苗生長及光合參數的影響

圖1 麻櫟幼苗生物量Fig.1 Biomass of Q. acutissima seedlings 對照CK：Control,即正常供水不添加鈣；干旱DC：Drought,即供水量減至最大持水量的40%±5%,不加鈣；干旱-高鈣DH：Drought and high calcium,即供水量為土壤最大持水量的40%±5%并添加800 mg kg-1 Ca2+;不同小寫字母表示處理麻櫟幼苗間生物量差異顯著(P<0.05)

圖1表明,干旱和干旱-高鈣處理下麻櫟幼苗的生長都受到抑制,而干旱-高鈣對麻櫟幼苗生長的限制更顯著(P<0.05)。干旱脅迫下麻櫟幼苗生物量較對照顯著降低15.95%(P<0.05)。干旱-高鈣處理下麻櫟幼苗生物量較對照和干旱處理均顯著降低,分別下降56.38%和48.10%。

從圖2可見,干旱初期,干旱及干旱-高鈣處理,麻櫟幼苗葉片凈光合速率較對照分別下降17.07%和49.44%,其中干旱-高鈣處理下葉片凈光合速率和氣孔導度下降顯著；氣孔導度較對照分別下降40.14%和58.42%,顯著降低。與單一干旱相比,干旱初期干旱-高鈣處理顯著降低了麻櫟幼苗葉片凈光合速率和氣孔導度,分別下降39.03%和30.54%。干旱持續3個月后,干旱及干旱-高鈣處理下麻櫟葉片凈光合速率和氣孔導度顯著降低,其中凈光合速率分別下降93.36%和93.31%,氣孔導度分別下降58.33%和63.78%。而干旱和干旱-高鈣處理間葉片凈光合速率和氣孔導度差異不大。

圖2 麻櫟幼苗光合參數Fig.2 Photosynthetic characteristics of Q. acutissima seedlings不同小寫字母表示干旱初期處理間差異顯著,不同大寫字母表示干旱3個月處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同處理對麻櫟幼苗NSC含量和分配的影響

從表1可見,麻櫟幼苗的平均可溶性糖含量在干旱和干旱-高鈣處理下較對照分別增加了15.38%(P<0.05)和15.56%(P<0.05),但是兩處理不同器官可溶性糖含量卻有不同的變化趨勢：與對照相比,干旱處理的麻櫟幼苗莖和葉可溶性糖含量均增加,僅根系可溶性糖含量降低,但干旱對麻櫟各個器官可溶性糖含量影響并不顯著。干旱-高鈣處理的麻櫟幼苗根系及莖可溶性糖含量均降低,其中根系可溶性糖含量顯著下降,僅葉片可溶性糖含量顯著增加。與單一干旱處理相比,干旱-高鈣處理顯著降低了根系及莖可溶性糖含量,分別下降53.18%和44.44%。葉片及植株平均可溶性糖含量分別增加19.66%和0.17%,增加不明顯。

表1 麻櫟幼苗各個器官可溶性糖含量

不同小寫字母表示不同處理間麻櫟幼苗各個器官可溶性糖含量差異顯著(P<0.05)

表2表明,麻櫟幼苗根系、莖及植株平均淀粉含量在干旱處理時達到最高,干旱-高鈣處理下淀粉含量最低,葉片淀粉含量隨對照、干旱及干旱-高鈣處理依次增加。與對照相比,干旱處理下麻櫟幼苗根系、莖、葉及植株平均淀粉含量顯著增加；干旱-高鈣處理降低了根系及植株平均淀粉含量,葉片淀粉含量顯著增加。與單一干旱相比,干旱-高鈣處理下麻櫟幼苗根系、莖及植株平均淀粉含量分別下降57.71%、61.16%和55.84%,顯著降低；葉片淀粉含量增加2.84%,變化不顯著。

表2 麻櫟幼苗各個器官淀粉含量

不同小寫字母表示不同處理間麻櫟幼苗各個器官淀粉含量差異顯著(P<0.05)

由表3可知,與對照相比,干旱處理麻櫟幼苗根、莖、葉片及植株平均NSC含量均顯著增加,干旱-高鈣處理下麻櫟幼苗根系、莖及植株平均NSC含量顯著降低,葉片NSC含量顯著增加。干旱-高鈣處理下,麻櫟幼苗根系、莖及植株平均NSC含量分別下降57.05%、57.54%和41.11%,顯著降低；葉片NSC含量顯著增加14.52%。

表3 麻櫟幼苗各個器官NSC含量

不同小寫字母表示不同處理間麻櫟幼苗各個器官NSC含量差異顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 NSC含量

干旱處理的麻櫟幼苗平均NSC含量較對照顯著升高,出現NSC積累的現象。樹木在干旱條件下碳同化量下降,但同時生長速率的降低減少了對碳的需求,當樹木生長速率下降的速率快于光合速率降低的速率時,光合產物更多的以NSC的形式儲存[4,28]。一些研究者認為NSC積累是被動過程,尤其是淀粉的積累對植物抗旱性并無幫助[3],但是逆境條件下植物提高NSC儲存量是植物應對逆境的生態對策之一,同時組織中NSC含量的變化在很大程度上影響著樹木應對逆境的能力以及逆境后恢復生長的能力[2],因此NSC積累是樹木適應干旱的有效生態對策之一。

干旱和高鈣共同作用下麻櫟幼苗平均NSC含量較對照和干旱處理均顯著降低。干旱-高鈣處理降低NSC含量的原因之一在于能夠更顯著地降低光合作用(圖2)。干旱會導致氣孔關閉,降低光合底物二氧化碳的吸收,同時損傷葉肉細胞,降低光合酶活性,從而降低光合速率[29- 31]。鈣元素是調控氣孔關閉的信號物質,高鈣能夠誘導氣孔關閉,從而降低光合作用[19- 21]。本研究中干旱和干旱-高鈣處理3個月后均顯著降低了麻櫟光合作用,但是在實驗處理初期,干旱-高鈣處理較對照已經顯著地降低麻櫟光合作用(圖2),造成光合產物供給大量減少,從而在顯著抑制麻櫟生長的同時降低NSC含量。另外,鈣離子是植物重要的第二信使,調控眾多生理過程[32- 33],NSC含量的降低可能與過量鈣離子調控的生理過程有關,但是對于過多的鈣離子如何影響能量(NSC)儲存、呼吸作用和生長等影響NSC含量的生理過程,目前尚不明確。

3.2 NSC分配

干旱處理的麻櫟幼苗中,除根部可溶性糖略有減少外,麻櫟幼苗各器官可溶性糖、淀粉、NSC含量都增加,這與雷虹等[28]研究結果一致,可溶性糖是光合產物的運輸媒介[34],可作為生長的原料或轉化為淀粉儲存[3],而干旱條件下樹木生長受限可溶性糖得到積累并部分轉化為淀粉[35]。根系可溶性糖降低原因可能是干旱條件下生長量主要集中在根部[36],從而消耗了根系中的可溶性糖。

干旱-高鈣處理改變了麻櫟幼苗的NSC分配,葉片NSC含量顯著升高,根和莖中的NSC含量卻顯著降低(表1—表3)。表明干旱-高鈣處理抑制了NSC從碳源(葉片)到碳匯(根)的運輸,導致碳源組織中NSC積累而碳匯組織NSC降低出現碳負平衡。張海平[37]在研究花生時也發現高鈣條件下葉中會出現淀粉累積。但是具體生理機制尚缺少系統闡明,在后續研究中需進一步研究。NSC對于植物適應逆境以及逆境后的恢復具有重要意義,對于落葉樹種,葉中的NSC將隨著落葉損失掉,根和莖中的NSC才是其度過休眠期后再次萌發生長的主要能量來源,根和莖中NSC的減少將抑制植物適應逆境的能力。

3.3 干旱-高鈣導致植物碳饑餓的可能性

干旱條件下,樹木NSC變化趨勢隨樹種不同而差異很大[38]。碳饑餓假說認為在長期干旱條件下,樹木呼吸作用大于光合作用,出現NSC含量減少,最終使得NSC含量無法支持樹木代謝而死亡。而極端干旱條件下,樹木往往在未消耗掉儲存的NSC之前就由于水力失敗而死亡,因此樹木的碳饑餓往往是在長期干旱過程中發生的[39- 41]。因此,在更長時間尺度下比較干旱對麻櫟幼苗NSC變化動態的影響能夠更好的反應麻櫟幼苗在干旱條件下出現碳饑餓的可能性,即使本研究中單一干旱條件下麻櫟幼苗生長降低,NSC含量升高的現象,隨著干旱持續時間的增加,碳的負平衡同樣會出現,存在碳饑餓的風險。然而干旱-高鈣環境下,麻櫟幼苗平均NSC含量較對照顯著減少,表明干旱-高鈣處理縮短了樹木保持碳平衡的時間,而干旱和高鈣是干旱半干旱地區樹木自然生長過程中需要長期客觀面對的環境脅迫,因此樹木在高鈣土壤上發生碳饑餓的風險更高。

另外Sala等人認為碳饑餓的過程可能由于非結構性碳水化合物的傳輸受阻,而導致樹木局部器官發生碳饑餓[42]。干旱-高鈣處理的麻櫟幼苗NSC更多積累在葉中,根和莖中分配的NSC顯著減少,如出現干旱落葉或樹木進入休眠狀態落葉,則會加劇樹木NSC減少的趨勢,增加樹木發生碳饑餓致死的可能性。

4 結論

干旱-高鈣處理減少了麻櫟幼苗平均NSC含量的同時,抑制了NSC由葉向莖和根的運輸,干旱-半干旱區高鈣土壤上生長的樹木更易發生碳饑餓死亡。