中國西南幾種松樹球果鱗片松脂含量對(duì)球果延遲開放的影響

王 兵，施國杉，李昭華，龍左卿，蔣澤艷，蘇文華，張光飛＊

(1.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所，云南 昆明 650500；2.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 勐臘 666303；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

延遲開放(Serotiny)是木本植物在火災(zāi)環(huán)境下的一種常見特征和生活史策略，它表現(xiàn)為種子在冠層封閉的球果中保留了1 個(gè)以上的繁殖周期[1]。研究發(fā)現(xiàn)，目前有1 000 余種植物存在種子延遲開放現(xiàn)象，其中，普遍認(rèn)為松屬(Pinus Linn.)植物是延遲開放的代表[1]，大量關(guān)于延遲開放的研究是基于松屬植物開展的[2-5]。

具有延遲開放性狀的樹種林冠中儲(chǔ)存了大量成熟和健康的多年宿存的種子，只有在火災(zāi)后才會(huì)迅速打開，以提高森林的火災(zāi)恢復(fù)能力，使森林在火災(zāi)后能夠迅速恢復(fù)[6]。雖然大量研究表明，高溫可以促進(jìn)延遲開放的球果打開[7-10]，但是球果延遲開放背后的機(jī)制尚不明確。

松樹成熟的球果鱗片是由死細(xì)胞組成，不具有自主運(yùn)動(dòng)的能力[11]。在電子顯微鏡觀察下，發(fā)現(xiàn)鱗片由2 層組織組成，鱗片的內(nèi)表面由纖維組織構(gòu)成，成束排列，鱗片的外表面由厚壁細(xì)胞組成[12-13]。二者的拉伸剛度和吸濕膨脹系數(shù)都存在顯著差異，水分的變化引起纖維運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致鱗片張開或閉合[11,14]。延遲開放的球果是由于鱗片中有松脂，松脂作為一種粘合材料起到密封球果不讓內(nèi)部水分丟失，使球果成熟后保持長期閉合。有研究表明，松脂粘合力消失的溫度大概在45～50℃[15-17]，高溫可能使松脂粘合力消失，從而導(dǎo)致球果打破延遲開放，但是松脂含量與延遲開放之間的關(guān)系尚不清楚。

云南松(P.yunnanensis Franch.)、高山松(P.densata Mast.)、思茅松(P.kesiya var.langbianensis Gaussen.)以及馬尾松(P.massoniana Lamb.)是中國西南地區(qū)4 種常見松屬植物，也是常見的采脂樹種[18]，其中，云南松是我國西南地區(qū)的特有種，以云南高原為起源和分布中心，在四川、貴州、廣西、西藏均有分布，在云南西北橫斷山區(qū)與高山松毗連，在云南西南部則與思茅松鄰接[19]。云南松種群具有豐富的多態(tài)性、突出的生態(tài)地理變異以及明顯的種群間多型性，其變種有生態(tài)小種地盤松(P.yunnanensis var.pygmaea Hsueh.)和地理小種細(xì)葉云南松(P.yunnanensis var.tenuifolia Cheng et Law.)[20]。已有研究表明，云南松是延遲開放樹種[5]，其球果在枝頭宿存多年后內(nèi)部種子仍有較高的萌發(fā)率，且高溫烘烤會(huì)打破云南松球果的延遲開放[10]。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究以云南松的3 個(gè)變種(云南松原種、地盤松、細(xì)葉云南松)和馬尾松、思茅松、高山松為研究對(duì)象，每個(gè)物種選取4～6 個(gè)地點(diǎn)，調(diào)查其延遲開放度并測(cè)定球果鱗片松脂含量，旨在探討松屬植物球果鱗片松脂含量對(duì)球果延遲開放的影響，進(jìn)一步加深對(duì)延遲開放的認(rèn)識(shí)，豐富松屬植物延遲開放的研究。

本研究選取了6 個(gè)物種共28 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行松樹延遲開放度的調(diào)查和當(dāng)年閉合球果的采樣(圖1)。云南松選取了云南省內(nèi)富源、舊縣、興仁、武定、姚安和祿豐6 個(gè)地點(diǎn)；地盤松選取了勤豐、格薩拉、牟定新橋和尋甸潘所海4 個(gè)地點(diǎn)；細(xì)葉云南松選取了興義天生橋、冊(cè)亨縣弼佑鄉(xiāng)、隆林革布鄉(xiāng)、萬峰湖和雅長5 個(gè)地點(diǎn)；思茅松選取了墨江通關(guān)鎮(zhèn)、寧洱、普洱、景谷和鎮(zhèn)沅5 個(gè)地點(diǎn)；高山松選取了小中甸、格咱鄉(xiāng)、普達(dá)措和麗江4 個(gè)地點(diǎn)；馬尾松選取了廣西隆林、貴州貴陽、湖南宜章和安徽霍山4 個(gè)地點(diǎn)。

圖1 采樣分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites

1.2 研究方法

1.2.1 球果宿存年的調(diào)查 云南松、地盤松、細(xì)葉云南松和高山松主干和側(cè)枝的頂部每年只分化生長發(fā)出1 段新枝，馬尾松每年生長1 段(廣東2 段)，思茅松2 a 分化出1 段新枝，新枝和上年生長的老枝之間會(huì)形成一個(gè)較明顯的環(huán)狀節(jié)，球果著生在節(jié)上。因此，可依據(jù)球果著生節(jié)的位置推算出結(jié)實(shí)年份和宿存延遲開放時(shí)間。

1.2.2 延遲開放度調(diào)查 球果成熟后繼續(xù)留在樹枝上的閉合球果的數(shù)量占這棵樹產(chǎn)生的所有球果數(shù)量的比例就是延遲開放度[21]。于2017 年10 月，每個(gè)地點(diǎn)選取30 棵樹(每棵樹至少間隔50 m)，計(jì)數(shù)每棵樹閉合球果(未成熟的球果不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，因?yàn)闊o法確定其成熟后立即開放或是延遲開放)和開放球果的數(shù)量，估算球果的延遲開放度。

1.2.3 松脂含量測(cè)定 每個(gè)地點(diǎn)選取10 顆當(dāng)年成熟的球果，剝下約1～2 g 鱗片，剪碎后放入質(zhì)量為m0的茶袋中；再將樣品放入-60℃超低溫冰箱冷凍12 h，使鱗片內(nèi)水分結(jié)晶，之后放入冷凍干燥機(jī)中凍干24 h 后，稱質(zhì)量為m1；將樣品放入乙醚-乙醇(3:1)混合液浸泡12 h 后，再以乙醚-乙醇混合液進(jìn)行索氏提取[22-23]，30 min 1 次循環(huán)，循環(huán)20 次后，放入烘箱100℃烘至恒定質(zhì)量，記為m2，利用殘差法[24]測(cè)定松脂含量為：

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)先用Excel 進(jìn)行簡單整理后作圖，IBM SPSS Statistics 在95%水平上進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析，Duncan 檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 松樹球果宿存差異分析

球果宿存是其延遲開放的基礎(chǔ)。調(diào)查結(jié)果(圖2)發(fā)現(xiàn)：幾個(gè)物種的宿存年分別為高山松(5.46±0.93)a、地盤松(4.73±1.56) a、思茅松(4.03±0.83) a、細(xì)葉云南松(3.92±0.65) a、云南松(3.63±1.59) a、馬尾松(1.26±0.80) a?？梢钥闯觯核薮婺暝谖锓N間差異顯著，其中，高山松的宿存年最高，馬尾松的宿存年最低(F=6.29，P=0.001)。

2.2 云南松種內(nèi)的延遲開放度與球果鱗片松脂含量差異性及相關(guān)性分析

圖2 不同松樹球果宿存年差異性比較Fig.2 The dfference comparison of the years of stored seeds in pines

圖3 云南松變種內(nèi)延遲開放度和球果鱗片松脂含量Fig.3 The degree of serotiny and the resin content of cone scales in P.yunnanensis varieties

圖3 表明：云南松、地盤松、細(xì)葉云南松的球果延遲開放度差異極顯著(F=21.58，P＜0.001)，地盤松(88.25±12.65)%＞云南松(37.35±27.71)%＞細(xì)葉云南松(3.64±5.43)%；云南松、地盤松、細(xì)葉云南松的球果鱗片松脂含量也差異顯著(F=6.73，P=0.011)，地盤松(7.91%±0.90%)%＞云南松(6.57±1.18)%＞細(xì)葉云南松(5.48±0.76)%。由圖4 可看出：球果延遲開放度總體上隨著鱗片松脂含量的增加而增大，二者呈顯著正相關(guān)(R2=0.997，P=0.036)。

2.3 四種松樹種間延遲開放度與球果鱗片松脂含量差異性及相關(guān)性分析

圖4 云南松3 個(gè)變種間延遲開放度與球果鱗片松脂含量的關(guān)系Fig.4 The relationship between the degree of serotiny and the resin content of cone scales in P.yunnanensis varieties

圖5 四種松樹的延遲開放度和球果鱗片松脂含量Fig.5 The degree of serotiny and the resin content of cone scales in 4 pines

圖5 表明：在中國西南4 種常見的松樹中，云南松的延遲開放度最高，為(37.35±27.71)%，極顯著 (F=6.162，P=0.006) 高于思茅松(2.26±1.16)%、馬尾松(2.76±5.53)%和高山松(3.62±3.47)%，而思茅松、馬尾松和高山松之間無差異；4 種松樹中，思茅松的球果鱗片松脂含量最低(4.57±0.46)%，顯著 (F=7.721，P=0.002) 低于云南松(6.75±1.18)%、高山松(8.09±1.32)%和馬尾松(6.48±1.32)%，而云南松、馬尾松、高山松的球果鱗片松脂含量差異不顯著。圖6 表明：4 種松樹間，延遲開放度與球果鱗片松脂含量并沒有顯著的正相關(guān)性(R2=0.01，P=0.902)。

2.4 28 個(gè)松樹種群延遲開放度與球果鱗片松脂含量散點(diǎn)圖分析

不考慮種間及種內(nèi)的影響，將28 個(gè)松樹種群的延遲開放度與球果鱗片松脂含量做散點(diǎn)圖。由圖7 可知：球果鱗片松脂含量為3.9%～9.38%，可以觀察到，松脂含量與球果延遲開放度不具有線性關(guān)系(R2=0.182，P=0.024)；但當(dāng)球果鱗片松脂含量小于6%時(shí)，延遲開放度極低（0%～6.05%），即無論何種松樹物種、哪個(gè)種群，當(dāng)松脂含量低于6%時(shí)，種群的延遲開放水平都極低，表現(xiàn)為非延遲開放種群；當(dāng)松脂含量大于6%時(shí)，延遲開放度變化較大，為0%～100%。

圖6 四種松樹的延遲開放度和球果鱗片松脂含量的關(guān)系Fig.6 The relationship between the degree of serotiny and the resin content of cone scales in 4 pines

圖7 28 個(gè)樣地球果鱗片松脂含量和延遲開放度的散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plots of the degree of serotinyand the resin content of cone scales of 28 sites

3 討論

延遲開放是木本植物適應(yīng)火災(zāi)的一種生活史對(duì)策，而球果宿存是球果延遲開放的基礎(chǔ)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，球果宿存年極低的馬尾松(圖2)其延遲開放度也表現(xiàn)的極低(2.76±5.53)%(圖5)，而其他幾個(gè)種都具有3～6 a 的宿存(圖2)。云南松和地盤松有較高的延遲開放度，而細(xì)葉云南松、思茅松、高山松基本沒有延遲開放(圖3、圖5)，說明宿存在枝條上的球果，還受其他因素影響，選擇開放或者閉合。

有研究報(bào)道，球果延遲開放已經(jīng)獨(dú)立進(jìn)化了多次[25-26]，且在基因?qū)用嬗啥嗷蚩刂芠27-28]。松脂是松屬植物分泌的樹脂，具有黏性，常用于制作粘合劑[18]。許多研究認(rèn)為，松脂作為粘合材料可以使球果鱗片密封、種子延遲開放[15-17]。Kossuth 等[29]將球果鱗片的外層部分剝下，分別測(cè)定鱗片外層和內(nèi)部的松脂含量，認(rèn)為鱗片外層松脂含量的增加可能有助于保持球果在秋季脫水和開放前閉合。本研究直接測(cè)定整個(gè)鱗片的松脂含量，發(fā)現(xiàn)延遲開放度與球果鱗片松脂含量的關(guān)系在種內(nèi)水平與種間水平具有不同的表現(xiàn)。

在種群水平上(圖7)，不同種群球果鱗片松脂含量與延遲開放度雖然不具有線性相關(guān)(R2=0.182，P=0.024)，但松脂的含量卻對(duì)延遲開放有著決定性作用。當(dāng)球果鱗片松脂含量低于6%時(shí)，球果基本沒有延遲開放現(xiàn)象；當(dāng)球果鱗片松脂含量高于6%時(shí)，這時(shí)雖然松脂含量滿足密封球果的條件，但可能受環(huán)境或者松脂理化性質(zhì)如松脂熔點(diǎn)、松脂粘合力大小的影響，不同松種的延遲開放度表現(xiàn)極大的波動(dòng)[16,30]。高山松的球果鱗片松脂含量雖然高達(dá)(8.09±1.32)%，但它的延遲開放度僅有(3.62±3.47)%。其球果鱗片松脂含量高可能是因?yàn)楦呱剿墒窃颇纤珊陀退傻奶烊浑s交種[31]。打破延遲開放需要高溫，而高山松可能因?yàn)榉植紖^(qū)海拔高、溫度低，火災(zāi)相對(duì)很難發(fā)生，延遲開放對(duì)其繁殖反而是不利的[32]，所以，高山松表現(xiàn)較低的延遲開放度。

云南松屬于延遲開放物種，云南松3 個(gè)變種的(圖4)球果鱗片松脂含量與延遲開放度具有正相關(guān)關(guān)系(R2=0.997，P=0.036)，除松脂含量，變種間松脂其他性狀(松脂熔點(diǎn)、樹脂道等)的基因差異很小，球果鱗片松脂含量影響著延遲開放度的大小[33]；但在物種水平(圖6)上，可能由于松脂各個(gè)性狀的基因在物種間都存在較大差異，球果鱗片松脂含量與延遲開放度上不呈線性相關(guān)(R2=0.01，P=0.902)。此外，延遲開放還受環(huán)境的影響，過火[34]、氣候[30]、林分結(jié)構(gòu)[15]等都會(huì)使延遲開放度產(chǎn)生很高的差異性。此次種間采樣分布區(qū)域跨度過大，氣候差異大，故氣候等環(huán)境因素的差異也可能弱化了球果鱗片松脂含量和延遲開放度的種間關(guān)系。

4 結(jié)論

球果宿存是延遲開放的基礎(chǔ)，球果鱗片松脂含量低于6%的松屬植物基本沒有延遲開放。在具有延遲開放的云南松種內(nèi)的3 個(gè)變種間，球果鱗片松脂含量與其延遲開放度呈正相關(guān)；但在物種水平，球果鱗片松脂含量與其延遲開放度并無線性關(guān)系。在以后的研究中，除球果鱗片松脂含量外，還應(yīng)綜合考慮球果形態(tài)、鱗片結(jié)構(gòu)、鱗片樹脂道、球果松脂熔點(diǎn)、球果松脂粘合力大小等對(duì)松屬植物球果延遲開放的影響。