白刺器官間非結構性碳水化合與C∶N∶P計量比的關聯性

孫小妹, 何明珠, 楊睿哲, 李金霞, 陳年來,*

1 甘肅農業大學資源與環境學院, 蘭州 730070 2 中國科學院西北生態環境資源研究院 沙坡頭沙漠研究試驗站, 蘭州 730000 3 西北農林科技大學資源與環境學院, 楊凌 712100

碳水化合物(carbohydrate, CHO) 是植物的光合產物,為植物提供生長繁殖以及維持生命的能量。近年來越來越多的證據表明碳水化合物也是一種信號分子,它可與激素、氮素等信號聯絡,參與調節植物體一系列代謝活動,并形成復雜的信號網絡對植物的逆境響應、生長發育進行調控[1]。CHO通常分為結構性碳水化合物 (structural carbohydrates, SCs)與非結構性碳水化合物 (non-structural carbohydrates, NSCs)[2]。SCs主要包括木質素和纖維素,是植物形態建成的主要物質；而NSCs是植物體內表征碳收支狀況的能源指標,主要由具有維持細胞滲透壓和抵御逆境作用的可溶性糖(Soluble sugar, SS)[3]和具有貯存作用的淀粉(starch, ST)組成[4]。淀粉白天暫時儲存于葉片,長期存儲在根系和莖干中,用于滿足未來植物生長的需求[5]。該兩者會因環境因子的改變而發生轉化作用,例如,長期水分虧缺會使淀粉轉化為可溶性糖,增強細胞滲透調節作用,以抵御干旱傷害,故而NSCs構成變化是植物在干旱生境下生存的一個重要特征[6- 7]。

養分吸收是荒漠植物適應水分脅迫和營養元素限制環境的另一種重要生存機制[8]。其中N和P是植物生長所需的基本元素,N主要由可溶性蛋白N和類囊體蛋白N組成。可溶性蛋白N主要是Rubisco,而類囊體蛋白N是葉綠素形成的基礎；大約75%的無機氮儲存在葉綠體中,直接用于光合作用[9]。植物對土壤磷的可利用性反應強烈,因為磷不僅用于滿足核糖體合成蛋白質,而且對植物光合產物的運輸是不可或缺的[10]。因此,植物中C∶N∶P計量比的變化直接受到光合速率的影響[11]。研究表明在遮蔭狀況下,喬木物種間NSCs與C、N和P的交互效應會影響植物的生存和生長策略[4]。因此,研究植物NSCs與C∶N∶P化學計量比特征的變化及其之間的關系,對于探究植物應對氣候變化加劇的生命策略具有重要意義。

葉片、莖和根之間的營養分配模式反映了植物獲取、運輸和儲存營養的能力[12]。Chapin[13]指出,莖和根不僅是結構成分,而且是植物生物合成中吸收、運輸、積累和儲存營養物質的關鍵器官。例如,在木本植物中,貯藏蛋白占總可提取蛋白的25%—30%,分布于植物的結構(纖維素)組織、樹皮和根中[14]。這些儲存的營養物質在干旱條件下會對葉片的生長起重要的支持作用,因為干旱條件不利于營養物質的吸收和CO2的同化。因此,為了充分了解荒漠植物適應干旱生境的生長策略,研究葉片和貯藏器官(莖和根)的營養物質和非結構性碳水化合物的積累及分配至關重要。

目前,全球氣候變化和人類活動加劇問題日益嚴峻,氣溫升高、降水變化、極端氣候事件增多等因素正在改變著全球陸地生態系統的結構、功能與服務[15]。荒漠植物群落由于其生態脆弱性和敏感性,對全球環境變化的響應尤為劇烈和顯著。白刺(Nitrariatangutorum),雙子葉多年生蒺藜科灌木,耐旱、喜鹽堿、耐瘠薄,廣泛分布于中國干旱地區,是荒漠、半荒漠草地植被的優勢種。本研究擬通過對阿拉善地區白刺器官間C∶N∶P計量比特征和NSCs積累及分配的分析,加深對我國荒漠生態系統優勢種白刺的生存和生長策略的理解,以便更好地服務于退化生態系統的恢復及荒漠化治理。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

阿拉善高原地處內蒙古最西部( 37°24′—42°47′N,97°10′—106°53′E),占地面積約為25萬km2,氣候干旱,大部分地區是荒漠。年降水量變幅為40—200 mm,日照時間為2900—3400 h,年均溫5.8—8.8℃。主要以荒漠化草原和典型荒漠為主,植被蓋度僅為15%—30%[16]。在阿拉善高原沿國道選取典型的白刺群落,Plot1靠近省道317的敦德哈日,Plot2途經省道218靠近巴彥陶海,Plot3沿省道218靠近沙日呼魯斯。Plot1與Plot2間直線距離64 km,Plot2與Plot3間直線距離48 km。

圖1 樣點分布圖Fig.1 The location of the plot sites

表1為取樣點相應環境因子的年均氣象數據。考慮到采樣期3個樣點的土壤含水量可能存在受降雨的影響,利用年均空氣相對濕度作為樣點間干旱程度的依據。從Plot1、Plot2到Plot3海拔逐漸降低,年均溫(mean annual temperature,MAT)逐漸增加,年均降雨量(mean annual precipitation,MAP)為118 mm、111 mm和110 mm,>10℃的積溫逐漸增加,空氣相對濕度(relative moisture,RM)逐漸降低,即干旱程度逐漸加劇,干旱程度為Plot1

表1 研究區概況

1.2 試驗設計

于2014年8月植物生長季內調查沿途出現的典型白刺植被群落,樣點均遠離公路,以減少交通道路的影響。依據氣象資料選取3個不同干旱程度樣點(Plot1、Plot2、Plot3),每個樣點選擇5個白刺優勢群落,植被調查灌木樣方面積為10 m×10 m,利用隨機取樣法采集植物樣品。

1.3 樣品采集與室內測定

每個小區內選取生長良好的白刺灌木3—5株,利用根鉆(直徑10 cm)收集0—40 cm處2—5 mm的根系,根據莖干上芽鱗痕、質地、色澤等選擇2年生莖干,葉片為所選擇莖干中部的成熟葉片。然后按照根、莖、葉標記裝袋。同時在每個小區按照五點法采集土壤樣品,分為表層0—1 cm、1—10 cm、10—20 cm、20—40 cm。土壤樣品自然風干后過100目篩子,用于測定土壤有機質、全N和全P。土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法),全氮的測定采用半微量凱氏法,全磷的測定采用HClO4-H2SO4消煮，鉬銻抗顯色法。野外采集的植物樣品先用自來水沖洗至少1次,去掉灰塵等雜物,然后用去離子水沖洗3次。于105℃下殺青10 min,60℃下烘干至恒重。植物樣品經研磨后用80 μm的篩子過篩,植物全C的測定利用CN聯合分析儀；植物全N和全P的測定采用HClO4-H2SO4消煮法,經定容、沉淀和稀釋后用SmartChem 200化學分析儀(West Co Scientific Instrument, Brookfielg, USA)[17]。可溶性糖的測定采用經典的蒽酮比色法,淀粉含量的測定采用高氯酸法,NSC含量=可溶性糖含量+淀粉含量[4]。

1.4 數據分析

2 結果與分析

2.1 樣點間土壤養分含量

從表層到地下40 cm,土壤有機質含量和土壤全N含量在樣點Plot1(R2=0.732,P=0.0004；R2=0.599,P=0.0031)、Plot2(R2=0.905,P<0.0001；R2=0.663,P=0.0013)、Plot3(R2=0.920,P<0.0001；R2=0.596,P=0.0033)中均呈顯著的下降趨勢(圖2)。隨土層深度增加,土壤全P含量在樣點Plot1(R2=0.669,P=0.0012)和Plot3(R2=0.557,P=0.0053)中呈下降趨勢,在Plot2中差異不顯著(R2=0.319,P=0.0557)(圖2)。

同一土層深度,Plot3樣點的有機質含量極顯著高于Plot1和Plot2(P<0.01)；除表層1cm處,Plot2樣點的有機質含量顯著低于Plot1(P<0.05)(圖2)。同一土層深度的土壤全N和全P變化規律一致：Plot1>Plot2>Plot3(圖2)。

圖2 三個樣點土壤有機質、全N和全P含量隨土層深度的變化 (平均值±標準誤差, n=5)Fig.2 Soil organic matter, total nitrogen and phosphorus concentrations varied with soil depth at three sampling sites (Mean±SE, n=5)

2.2 樣點間白刺非結構性碳水化合物積累及分配

隨干旱程度加劇,白刺NSCs變化規律并不一致。Plot2樣點白刺根、莖、葉中可溶性糖含量和可溶性糖淀粉比分別極顯著大于Plot1(13.8%、11.7%、19.7%和52.0%、64.1%、65.1%)和Plot3樣點(63.2%、51%、40.2%和90.9%、88.2%、78.9%)(P<0.01)(圖3)。Plot3樣點白刺根、莖、葉中淀粉含量分別極顯著高于Plot1和 Plot2(P<0.01)(圖3)。Plot3樣點白刺根系中NSCs的含量顯著低于其他兩個樣點(P<0.01),莖干和葉片中NSCs的含量在3個樣點間差異不顯著(P>0.05)(圖3)。

在Plot1和Plot2樣點,根系可溶性糖含量和可溶性糖：淀粉高于莖和葉片,Plot3樣點中葉片可溶性糖含量和可溶性糖：淀粉顯著高于根系(37%和50.8%)與莖干(32.2%和37.4%)(P<0.01)(圖3)。Plot1和Plot2樣點葉片的淀粉含量高于莖干(30.2%和9.5%)與根系(19.8%和25.8%)(P<0.01),Plot3樣點中淀粉含量的變化與Plot1中呈相反趨勢(圖3)。在3個樣點中,NSCs含量均表現為在葉片與根系中差異不顯著,但均顯著高于莖干(P<0.05)(圖3)。

如圖4所示,隨干旱程度加劇,Plot2和Plot3樣點的白刺根系碳含量顯著低于Plot1樣點(P<0.05),而Plot1樣點的根系N、P含量與Plot2和Plot3樣點中無顯著差異(P>0.05)；莖干C、N、P含量在3個樣點中的變化規律不一致,Plot2樣點的葉片C、N、P含量分別比Plot1高4.2%、26.8%、32.0%,Plot1比Plot3樣點分別高3.0%、10.2%、33.5%(P<0.01)(圖4)。Plot1樣點的根系C∶N和N∶P與Plot2和Plot3樣點間差異不顯著(P>0.05)；莖干中C∶N、C∶P和N∶P在3個樣點間變化規律不一致；Plot3樣點葉片C∶N、C∶P和N∶P顯著大于Plot1(7.4%、31.5%、25.9%)和Plot2(29.2%、51.3%、31.2%)(P<0.01)(圖4)。

在Plot1、Plot2與Plot3樣點間,葉片C含量顯著低于根系和莖干(90.7%和159.9%、161.8%和279.9%、71.5%和139.1%)(P<0.01)(圖4)；葉片N含量和N∶P在3個樣點中顯著高于根系和莖干(P<0.01)(圖4)；在Plot1和Plot2樣點中,P含量具有與N含量相同的規律,在Plot3樣點中,根系P含量顯著大于莖干(13.1%)和葉片(27.9%)(P<0.05)(圖4)；莖干中C∶N和C∶P在3個樣點中均顯著高于根系和葉片(P<0.05)(圖4)。

2.3 白刺器官間非結構性碳水化合物、計量比特征和環境因子間的關系

分析器官間NSCs及構成與C∶N∶P計量比間的相關性發現,根、莖、葉中可溶性糖含量與淀粉含量呈顯著負相關(表2)。根中P含量與可溶性糖含量和NSCs含量負相關與淀粉含量正相關,C∶N、C∶P分別與可溶性糖含量正相關與淀粉含量負相關。莖中N含量與可溶性糖含量負相關與淀粉含量正相關,C∶N與淀粉含量負相關。葉中N、P含量分別與可溶性糖含量正相關與淀粉含量負相關,C∶N、C∶P、N∶P分別與可溶性糖含量負相關與淀粉含量正相關。

圖3 三個樣點白刺非結構性碳水化合物積累及分配 (平均值±標準誤差, n=5)Fig.3 The accumulation and distribution of non-structural carbohydrates in N. tangutorum at three sampling sites (Mean±SE, n=5)不同大、小寫字母分別表示處理間差異顯著性水平為P<0.01 和 P<0.05;SS: 可溶性糖Soluble sugar；SF: 淀粉Starch; NSCs: 非結構性碳Non-structural carbohydrates

表2 NSCs構成與C∶N∶P計量比間相關系數

圖4 三個樣點白刺器官間C∶N∶P化學計量比特征 (平均值±標準誤差, n=5)Fig.4 C∶N∶P stoichiometry in N. tangutorum at three sampling sites (mean ± standard error, n=5)

分析環境因子對器官間NSCs與C∶N∶P計量比的影響表明,土壤全P含量與莖干NSCs含量正相關。RM與葉片NSCs含量正相關。MAP與根系N、莖干N、葉片C∶N和可溶性糖含量正相關與莖干C∶N、根系C∶N、葉片N含量顯著負相關。MAT和10T與根、莖、葉中NSCs含量負相關(圖5)。

圖5 基于RDA的環境因子對白刺器官間計量比特征和非結構性碳水化合物的影響效應Fig.5 Effects of environmental factors on C∶ N∶ P stoichiometry and non-structural carbohydrate of N. tangutorum among organs based on redundancy analysis器官 R: 根; S: 莖干; L: 葉片. 非結構性碳水化合物 SS：可用性糖; ST: 淀粉; SS∶ST: 可溶性糖∶淀粉; NSCs: 非結構性碳.計量比特征 C: 植物碳含量; N:植物氮含量; P: 植物磷含量; C:N: 碳氮比; C:P: 碳磷比; N:P: 氮磷比. 環境因子 MAT: 年均溫; MAP: 年均降水量; 10T: 大于10℃的積溫; RM: 空氣相對濕度; P: 土壤P含量

根系NSCs與葉片和莖中NSCs含量,與根、莖、葉中可溶性糖,與根、莖C∶P正相關；根系NSCs與根淀粉和P含量,與葉中C∶P負相關。莖NSCs與莖中P含量負相關。根中淀粉含量與葉片C∶P和根中P含量正相關；根中淀粉與葉片P含量和根中C∶P,與根、莖、葉中可溶性糖含量負相關。根中可溶性糖含量與莖、葉可溶性糖含量,與根、莖、葉中NSCs含量,與根、莖中C∶P正相關；根中可溶性糖含量與根淀粉和P含量,與葉中C∶P負相關。莖、葉中的淀粉含量與根中N、P含量,與莖中N含量,與葉中C∶N正相關；莖、葉中的淀粉含量與葉片中的N、P含量,與根、莖中的C∶N負相關。

3 討論與結論

3.1 白刺非結構性碳水化合物的積累與分配

在干旱脅迫下,植物體內儲存的NSCs可作為光合產物供應不足時的碳源緩沖物質,暫時供應植物應對干旱脅迫時生長和代謝所需的能量,或者用于渡過水分脅迫后生長的能量補給[4]。因此,NSCs的儲存被認為是植物應對干旱生境抵御和恢復能力的重要表征特征[18- 19]。研究發現,隨干旱程度加劇,白刺根莖葉中NSCs的絕對含量減少,可溶性糖含量先增加后降低,淀粉含量先降低后增加,可溶性糖:淀粉先增加后降低(圖2)。一定程度的水分虧缺會使淀粉轉化為可溶性糖,增強細胞滲透調節作用,以抵御加重的干旱脅迫,故而造成可溶性糖濃度、可溶性糖:淀粉值增大和NSCs值下降[20- 22]。O′Brien等[23]也認為植物NSCs 濃度高時在干旱中存活的時間長,是由于相對多的NSCs可用于植物水勢和水力學導度的維持以抵御持續干旱的脅迫[24]。然而在Plot3樣點水分虧缺加劇時,白刺降低了器官內可溶性糖的含量,淀粉的存儲顯著增加(圖2)。關于該結果可能有兩方面的原因：第一,由于水分虧缺加劇,阻礙了光合產物向次生代謝過程中功能結構性物質的轉化或合成,從而使淀粉積累[25]；第二,由于過度的水分虧缺使氣穴栓塞阻礙,滲透調節作用被阻斷,可溶性糖繼而轉化為淀粉存儲[23, 26]。以上研究結果說明,白刺通過淀粉向可溶性糖的轉化來應對適當范圍內水分脅迫的傷害；隨水分虧缺加劇,白刺會存儲多的淀粉于體內,以待水分改善后補給組織器官修復所需的能量。

Xiao[27]等指出NSCs在不同器官間的分配格局是植物對環境適應能力的綜合體現。然而,現有關于植物NSCs的研究大部分是基于室內的控制試驗,或者僅基于葉片水平的研究居多[4, 20, 24]。葉片雖然是植物光合作用的關鍵器官,但是葉片水平的NSCs并不能完全代表整株層面[28]。比較根、莖、葉中NSCs含量及構成發現,3個樣點間規律不一致。在Plot1樣點,根系中的可溶性糖高于莖干和葉片,相應根系中的淀粉含量低于莖干和葉片(圖1)。王延平等[29]在楊樹的研究中發現,楊樹通過將根系中的淀粉轉化為可溶性糖,從而維持生理代謝活動促進吸水。這與Von[5]發現的規律一致：淀粉白天暫時儲存于葉片中,長期存儲在根系和莖干中,可溶性糖和淀粉兩者會因環境因子的改變而發生轉化。在Plot3樣點,葉片可溶性糖含量高于莖干和根系,而根系淀粉含量最高,說明干旱生境下白刺的根系是淀粉的存儲器官。這也印證了前面的結果,白刺通過將根系中存儲的淀粉轉化為可溶性糖來維持代謝促進吸水,從而應對水分虧缺的生境。

3.2 白刺C∶N∶P計量比特征的變化

水分虧缺影響植物營養元素的吸收和運輸過程,嚴重時造成礦質營養元素的失衡[30]。最近的一項meta-分析表明干旱對植物體內平均N(降低3.73%)、P(降低9.18%)含量的影響總體為負；干旱影響植物N、P含量的機制分三個過程：N、P營養元素的限制階段、養分限制轉為水分限制的過渡階段、以水分限制為主的長期階段[31]。研究發現從Plot1到Plot3樣點,隨干旱程度加劇,白刺葉片中C、N、P含量隨干旱加劇先增加后下降(圖3)。可能由于在Plot1樣點水分還不是限制性因子,白刺主要受N和P的共同限制(N∶P=15.21,14

到目前為止,已有大量的研究來描述一定地理區域內植物的生態化學計量特征,尤其是關于草本植物器官間C∶N∶P計量比特征的變化[36- 37]。由于取樣困難和人工成本較高,關于自然群落中荒漠灌木的化學計量特征研究較少,而已有研究多集中于分析葉片的營養狀況,而對灌木莖和根的取樣分析研究較少[31-32]。白刺根、莖中的全C含量顯著高于葉片中的C含量(圖3)。在干旱條件下,所有植物器官的干物質積累都會不同程度地減少。一般來說,在干旱條件下,葉片比莖或根更容易受到脅迫[38],這也是干旱脅迫下根冠比增大的原因之一：減少對地上的投資和增大根系系統用于水分的吸收[39]。 葉片相較于莖干和根系,具有高的N、P含量和低的C∶N、C∶P(圖3),表明白刺不同的器官以不同的方式分配可利用的營養,其中莖干和根系可能扮演“營養庫”的角色,在白刺的生長過程中供給所需的營養物質。在營養元素虧缺的狀況下,植物分配多的N、P于光合結構,用于維持正常的C同化和植物生長[40]。除了形態解剖特征外,例如：葉片較小、氣孔較大、細胞壁增厚等,滲透調節是抵抗干旱脅迫的有效途徑。我們的研究結果已經證明了白刺器官間存在可溶性糖與淀粉的相互轉換,通過調節滲透勢來抵抗干旱(圖2)。

3.3 白刺器官間NSCs與C∶N∶P計量比特征間的關系

白刺根、莖、葉NSCs含量及構成與C∶N∶P計量比特征間存在關聯性。結果表明,葉片N、P濃度和C∶N、C∶P是引起白刺NSCs貯藏的關鍵因素。我們的結果與其他植物的結果一致[4]。葉片光合能力和NSCs合成不僅受到葉片N濃度的影響,而且與葉片P濃度密切相關[41]。葉片N濃度越高,光合速率越快；葉片P是植物代謝、能量和蛋白質合成的關鍵元素[36]。表現為葉片N、P含量與莖、葉可溶性糖含量正相關和淀粉含量負相關(圖5)；根中P含量與根中淀粉含量正相關和可溶性糖含量負相關(表2)。器官間P含量在Plot1中由葉片>根系變為在Plot3中根系>葉片,且Plot3中白刺葉片N∶P>16(圖4)。生態化學計量學中葉片N∶P比可作為判斷植物生長受N限制或P限制的依據,N∶P<14和>16分別表示植被生長受氮限制和磷限制[42],即干旱加劇使白刺生長受到P限制。考慮到植物P不僅用于滿足核糖體合成蛋白質,而且對植物光合產物的運輸是不可或缺的[10]。因此,判斷白刺器官間P含量的變化對NSCs構成和貯藏的波動起著至關重要的作用,并影響可溶性糖和淀粉的相互轉化。即干旱加劇過程中P含量可作為判斷白刺碳代謝和生長狀態的一個強有力指標。

綜上所述, 隨干旱加劇,土壤全N、全P含量從表層到地下40 cm均呈下降趨勢。白刺根莖葉中NSCs的絕對含量隨干旱加劇而降低,相應根中可溶性糖含量先增加后降低,根中淀粉含量先降低后增加；表明白刺通過淀粉向可溶性糖的轉化來應對適當范圍內水分脅迫的傷害；干旱加劇使白刺將多的淀粉存儲于根系,以待水分改善后補給組織器官修復所需的能量。白刺葉片中C、N、P含量隨干旱加劇先增加后下降,在Plot3樣點分配到葉片的N、P含量下降,C∶N和C∶P上升,葉片N∶P>16；說明白刺器官間以不同的方式分配可利用的營養,其中莖干和根系在白刺的生長過程中可能扮演“營養庫”的角色,且隨干旱加劇,白刺的生長受到水分和P的雙重限制,通過提高對N、P利用效率的策略來適應干旱生境。白刺根、莖、葉NSCs含量及構成與C∶N∶P計量比特征間存在關聯性,我們推測白刺器官間P含量的變化對NSCs構成和貯藏的波動起著至關重要的作用,并影響可溶性糖和淀粉的相互轉化。干旱加劇過程中P含量可作為判斷白刺碳代謝和生長狀態的一個強有力指標。