基于野外調查和同質種植園實驗的蘆葦植物功能性狀變異研究

馬香艷,劉樂樂,尹美淇,宋慧佳,朱鵬程,于曉娜,杜 寧,王仁卿,郭衛華,*

1 山東大學生命科學學院生態學與生物多樣性研究所,青島 266237

2 山東省植被生態工程技術研究中心,青島 266237

3 山東青島森林生態系統定位研究站,青島 266237

自然界中的植物個體表型會受到遺傳因素與環境因素的共同影響,從發育和遺傳機制來看,種內性狀可以分為遺傳變異主導的性狀和表型可塑性主導的性狀兩類[1- 2],前者產生的變異是由遺傳基因決定且可穩定遺傳的,后者產生的變異是由環境直接塑造的,即同一基因型的植物個體在不同的生長環境中表現出不同的表型[3],但是短時間內產生的這種表型變異通常不能被后代繼承。雖然這兩種機制存在較大的差別,但它們協同共存,都是生物適應異質環境的重要手段[4]。在全球氣候變化背景下,植物對多重環境變化的響應及適應機制成為生態學研究的熱點[5- 6],植物表型變異及其內部機制的研究不僅有助于解析植物對環境的適應策略,還能對物種未來分布和進化的預測模型提供理論依據。

植物功能性狀是植物應對環境變化形成的一系列形態、生理、物候等特征屬性,這些屬性通常是在植物中比較常見的表型,可以直接或者間接地反映生存環境的變化[7- 8]。比如,隨著氣溫升高,植物葉片的氮磷含量下降,氮磷比呈現上升趨勢[9]；與濕潤生境相比,處于干旱生境中的植物葉片單位面積葉干重較大,葉片氣孔導度較低,有利于植物提高水分利用效率[10]。同時,植物功能性狀也受譜系影響,研究者對中國東部森林中48個植物物種的出葉時間、葉片大小、葉片單位面積質量等葉片性狀間的相關性進行研究時,發現了其性狀受到了物種系統發育差異的強烈影響[11],遺傳因素在植物生長的整個過程中也發揮著重要的作用。此外,當環境發生變化時,植物性狀的改變往往不是單一的,而是多個植物功能性狀協同變化的,性狀間存在復雜的協同和權衡關系,共同維持和調節植物的生命活動[4, 12],植物的葉片氮含量、比葉面積等與資源獲取相關的葉性狀之間聯系緊密,葉片氮含量升高,往往伴隨著比葉面積的升高[13]。植物功能性狀既相互聯系又存在較大的種內與種間差異,普定喀斯特地區的木本植物相比于同緯度其他生境植物來說,有著較小的葉面積和較大的葉組織密度等性狀特征,這些有利于減少蒸騰和增加養分儲存的性狀組合可能是其適應干旱貧瘠的喀斯特環境而采取的生態策略[14]。植物功能性狀變異性及性狀相關性的研究對于理解植物應對全球變化、環境監測與評價、生態保護和恢復等理論研究和實踐活動具有重要意義[15]。

廣泛分布的物種所處的環境多樣,往往具有大量的表型變異,由于局部適應還會形成穩定的種內分化[16]。蘆葦(Phragmitesaustralis)作為一種世界廣布的濕地植物,主要通過風媒異交的種子進行有性生殖,也可以通過根狀莖進行營養繁殖,具有非常高的種內遺傳多樣性和表型可塑性,而且其生態適應幅度很寬,可以生長在內陸湖泊、河口和濱海灘涂等淺水濕地,也可以生長在鹽堿、荒漠等惡劣的環境中[17- 19]。蘆葦生境的多樣性導致了其豐富的生態型,在中國河西走廊地區根據生境不同將蘆葦劃分為沙丘蘆葦、沼澤蘆葦、鹽化草甸蘆葦等[20],在黃河下游根據蘆葦種群形態的變異規律,將該地區蘆葦劃分為鹽生蘆葦、淡水蘆葦、巨型蘆葦3個形態類型[21]。在全球尺度上,蘆葦的株高和單株最大生物量隨著緯度的增加而減少,而這兩個性狀的表型可塑性隨著緯度的增加而增加,這種性狀和表型可塑性變異都是對環境適應的結果[22]。然而,現在對中國蘆葦的研究只局限于小區域,缺少對中國蘆葦在較大尺度上的對比研究,這限制了對中國蘆葦表型分化與生態適應的深入認識。黃河上游的寧夏平原和黃河下游的黃河三角洲都處于黃河流域,具有連通性,同時跨越中國西部和東部不同的氣候區域,又具有氣候差異性,這為我們在更大尺度上的研究提供了良好的地理條件。同時,蘆葦作為一種世界廣布的植物,其高度的表型變異和豐富的生態型為我們研究植物種內表型差異提供了良好的實驗材料。目前已有較多研究探討了蘆葦適應異質生境的策略[23],但是從表型可塑性和遺傳變異兩方面闡明其適應機制的報道卻相對較少。

本實驗以蘆葦為研究對象,將野外調查測量實驗和同質園移栽實驗結合起來,比較分析黃河上游寧夏平原和黃河下游黃河三角洲兩個區域蘆葦的植物功能性狀差異,揭示蘆葦在不同氣候區域的表型分化和不同性狀之間的潛在聯系,加深對蘆葦的適應性進化機制的認識。

1 研究方法

1.1 野外調查和采樣

寧夏平原位于黃河上游(35.83°N—39.38°N,104.28°E—107.20°E),處于中國西部內陸地區,為典型的溫帶大陸性氣候,晝夜溫差和氣溫年較差大,7月氣溫最高,平均為20.0—23.1℃,1月氣溫最低,平均為-8.2—-6.6℃,平均年降水量為262.3—363.2mm,干旱少雨,生態環境脆弱[24- 25]。黃河三角洲位于黃河下游(36.55°N—38.12°N,118.07°E—119.18°E),處于中國東部臨海區域,具有中國暖溫帶最廣闊、最完整的新生河口濕地,為溫帶大陸季風性氣候,年平均氣溫約為12.1℃,年平均降水量約為551.6mm,四季分明,光照充足,雨熱同期[26],而且水鹽生境異質性強,具有許多的蘆葦單優群落[21]。

2018年7月下旬和8月上旬,分別在黃河三角洲和寧夏平原兩個區域各調查30個蘆葦種群,種群之間距離大于10km,每個種群內選取5棵健康植株,個體間相距約20m,即在寧夏平原和黃河三角洲各選取150株植株個體進行植物功能性狀的測定。所測的功能性狀和測量方法如下,植株地面位置到植株最大高度的距離為株高；靠近地面或水面的蘆葦節間的直徑為基徑；每個區域中抽穗的蘆葦種群數量除以總的種群數量為抽穗占比。在所選植株上隨機選取3片完全展開的、生長健康的葉片,葉片最后端到葉尖間的距離記為葉長；葉片最寬處的距離為葉寬；測完葉長、葉寬后將3片葉子疊在一起,對折兩次后測量葉片平均厚度為葉厚。通過掃描、圖像處理程序ImageJ v1.8.0確定葉面積,然后將葉片放入80℃烘箱中48h烘至恒重得到葉干重,計算得出蘆葦葉片的比葉面積(Special leaf area,SLA)。最后沿著地面或水面收獲所測植株的地上部分,烘至恒重得到植株干重,再加上之前測得的3片葉子的葉干重即為蘆葦整株地上生物量。根據野外測量地點的情況,收集部分種群中所測蘆葦的根狀莖,將其帶回實驗室用于后續的同質種植園試驗。

1.2 同質種植園實驗

蘆葦同質園位于山東省青島市山東大學青島校區(36.36°N,120.69°E),屬于典型的溫帶季風性氣候,年平均氣溫為13.2℃,年平均降水量為666.7mm,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥[27]。我們共采集了寧夏平原18個種群的根狀莖(每個種群選取1個個體),黃河三角洲16個種群的根狀莖(每個種群選取1個個體),于2018年8月,將這些蘆葦根狀莖分別種植在內徑約25cm、高約33cm、容量約16L的塑料桶中并放置于溫室。于2019年5月,將所有發芽蘆葦轉移到露天同質種植園中,桶間距為1m,確保不同種群蘆葦間彼此不受影響。在蘆葦生長期間,定期對蘆葦進行除蟲、施肥、人工除草,定期澆水,保持水分等資源充足。

2019年9月,將每桶蘆葦作為統計單位,從每桶蘆葦中選取5棵健康植株,用與野外相同的方法測得同質園蘆葦的株高、基徑、葉長、葉寬、葉厚、比葉面積等性狀,并觀察數出每桶中蘆葦的株數。同時,分別記錄桶中蘆葦是否抽穗,用每個區域中抽穗的蘆葦種群數量除以每個區域的總種群數量得到抽穗占比。除了以上形態性狀外,在同質園中還測量了葉片氣體交換、葉綠素熒光、葉片含氮量、葉片含磷量等生理指標。在晴朗無云的天氣條件下,在早上9點到11點,使用Li- 6800便攜式光合儀(LI-COR,美國)進行測量,設置其光強為1800 μmol m-2s-1,二氧化碳濃度為400 μmol/mol,溫度為25℃,濕度為50%,空氣流速為400 μmol/s,測得蘆葦的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度。同時,使用PAM- 2500便攜式調制葉綠素熒光儀(WALZ,德國)對植物葉片測定瞬時熒光值(Ft)和最大熒光值(Fm’),然后通過計算得到PSII的實際量子效率、非光化學淬滅、電子傳遞效率、PSII的最大量子效率等熒光參數。光合和熒光指標測量完畢后,收獲同質園中蘆葦的地上部分,烘干測定每桶蘆葦地上生物量。新鮮葉片的全氮含量使用凱氏定氮法獲得。植物樣品經過濃硫酸消解后,用鉬銻抗比色法測定總磷含量。

1.3 統計分析

測量的數據使用Microsoft Excel 2016進行整理,使用IBM SPSS Statistics V21.0數據分析軟件對所測的性狀數據進行t檢驗和Duncan檢驗,以比較在野外和同質園環境下的寧夏平原和黃河三角洲蘆葦性狀的差異。為檢驗性狀的可遺傳性與可塑性,對同質園中寧夏平原蘆葦的株高、基徑、葉長、葉寬、葉厚、比葉面積等性狀分別與相對應的野外種群性狀進行Pearson相關性和線性回歸分析。為檢驗性狀之間的協同與權衡關系,對所測的主要性狀進行Spearman相關性分析。繪圖工具采用GraphPad Prism 8.4.2和R軟件。

2 結果

2.1 不同種源間蘆葦植物功能性狀比較

在野外環境中,來自寧夏平原和黃河三角洲的蘆葦在株高、基徑、葉長、葉寬、葉厚性狀上存在顯著差異(圖1；表1)；在同質園環境下,來自兩個地區的蘆葦在基徑、葉長、葉寬、葉厚性狀上也存在顯著差異(圖1；表2)。來自寧夏平原的蘆葦無論是在野外還是同質園環境下,其基徑、葉長、葉寬都顯著低于黃河三角洲蘆葦(圖1),但寧夏平原蘆葦的抽穗占比要高于黃河三角洲蘆葦(表1；表2)。在野外環境中,寧夏平原蘆葦的株高、葉厚顯著高于黃河三角洲蘆葦(圖1；表1)。在同質園環境中,兩個種源間的蘆葦在光合、呼吸等生理性狀上均無差異(表3),但在葉片化學元素氮、磷含量和植株密度方面存在顯著差異,來自寧夏平原的蘆葦葉片含氮量和含磷量較低(表2),在植株數量(密度)上顯著多于黃河三角洲蘆葦(表2)。

表1 野外寧夏平原和黃河三角洲蘆葦的植物功能性狀比較

表2 同質園中寧夏平原和黃河三角洲蘆葦的形態及化學元素含量性狀比較

表3 同質園中寧夏平原和黃河三角洲蘆葦的生理性狀比較

圖1 寧夏平原和黃河三角洲蘆葦在野外和同質園環境中植物功能性狀的比較(數值為平均值±標準誤差)

2.2 蘆葦植物功能性狀間的關聯分析

蘆葦的各個植物功能性狀之間具有不同的關聯,研究結果表明,無論是野外還是同質園環境中,比葉面積和基徑、葉厚性狀間都存在顯著負相關關系(圖2)。大部分蘆葦都表現出葉長和葉寬兩個性狀的顯著正相關,然而大多數蘆葦的株高與基徑、葉長、葉寬等性狀間無顯著相關性(圖2)。

圖2 蘆葦植物功能性狀間Spearman相關性分析

2.3 野外和同質園中蘆葦植物功能性狀相關性分析

寧夏平原蘆葦在野外和同質園兩種環境下表現出了不同的表型,對于株高、葉長兩個性狀來說,兩個環境下生長的蘆葦之間存在顯著正相關關系(表4),而在基徑、葉寬、葉厚、比葉面積等性狀上不存在顯著的相關關系(表4)。

表4 寧夏平原蘆葦在同質園和野外的植物功能性狀Pearson相關性和線性回歸分析

3 討論與分析

來源于不同環境的植物在株高、基徑、葉片性狀等植物功能性狀上會產生差異,這是植物為適應不同環境

表格第2、3列為性狀平均值±標準差,表格第4、5列為t檢驗結果而采取的生存策略[4]。來自寧夏平原和黃河三角洲的蘆葦在野外和同質園中都在株高、基徑、葉長、葉寬、葉厚等形態性狀方面存在顯著性差異,在葉片含氮量和含磷量等化學成分含量等性狀上也有顯著不同,但是在葉片氣體交換、葉綠素熒光等生理性狀和比葉面積性狀方面并無顯著差異。蘆葦性狀間也存在協變現象,通過性狀間相互權衡、相互影響來使植物達到資源利用最優化[28],維持其正常的生長。當生存環境發生很大的變化時,寧夏平原蘆葦的株高和葉長還是主要受到遺傳因素的影響,基徑、葉寬、葉厚、比葉面積等性狀受到環境的影響較大,遺傳和環境共同影響著植物的功能性狀。在未來全球變化的大背景下,植物可能會不斷通過遺傳變異和表型可塑性兩種機制在新環境中生存繁殖和定居[3]。

在不同的氣候等環境條件下,蘆葦種群會發生本地適應,產生穩定的表型分化。中國東西部不同來源植物間的穩定表型分化的形成可能和降水有關,對內蒙古草原與荒漠區中4種一年生植物進行模擬研究時就發現,隨著有效降水梯度的增加,植物的生長期、植物高度、葉長、生物量等均隨之增加[29]。在本研究中,黃河三角洲靠近海岸,年平均降水量為551.6mm,降水豐沛,地質復雜且異質性強[26],而寧夏平原處于內陸地區,年平均降水量為262.3—363.2mm,降水不足,氣候干燥[25],在正常年份,黃河三角洲年平均降水量約為寧夏平原的兩倍,水分可能成為限制寧夏平原蘆葦葉片性狀的主要因素之一。對于草本植物來說,在抽穗、開花期,降水量越多,物候發生時間越提前[30]。但是有的研究卻發現,土壤水分的減少可能導致植物快速完成營養生長而提前進入生殖生長階段,長期干旱造成了植物物候的提前[29, 31]。在同質園中,我們發現寧夏平原蘆葦抽穗時間早于黃河三角洲蘆葦,寧夏平原蘆葦抽穗比例也大于黃河三角洲蘆葦(表2),這與在野外觀察到的寧夏平原蘆葦抽穗植株占比遠遠大于黃河三角洲蘆葦相一致(表1),長期對不同水分條件的適應形成了兩個地區蘆葦由遺傳控制的穩定表型分化。在本研究中,野外寧夏平原蘆葦的株高顯著高于黃河三角洲蘆葦(圖1),可能是由于黃河三角洲鹽分含量過高,抑制了蘆葦的生長,這與在加鹽處理的控制實驗中得到的結果相一致,加鹽處理下,河口型和內陸型兩種生態型蘆葦的株高都呈現出下降趨勢,都遭受到了鹽脅迫,株高下降也是蘆葦針對高鹽生境的一種表型適應策略[32]。兩個地區蘆葦的株高在野外條件下也存在顯著差異,但是在同質園環境下,這種株高差異消失(圖1),表明了環境對植物有著很大的影響,表型可塑性也是蘆葦產生表型分化以適應環境變化的重要機制。因此,蘆葦在不同氣候環境下的植物功能性狀變異受遺傳變異和表型可塑性共同影響。

植物的葉片性狀與植物利用資源的能力密切相關,而且也能反映出植物應對不同環境的生存策略[33]。其中,比葉面積是最重要的性狀之一,能反映植物對不同生境的適應特征,使其成為植物功能性狀研究中的重要指標[34]。許多研究認為,在資源豐富的環境中生長的物種往往有較高的比葉面積,而較低的比葉面積和大的葉片厚度有利于植物適應資源匱乏的環境[35]。在本研究中,同質園中的蘆葦比葉面積要顯著高于野外環境中的蘆葦(圖1),因為在同質園中,蘆葦生長環境相對優越,與野外生境相比,水熱光資源較為充裕,較大的比葉面積有利于其充分利用光照,快速獲取資源。在對木本植物的研究中也證明了這點,研究表明,來自濕潤環境的櫟樹具有高的比葉面積和低的葉片厚度,同時具有較高的光合速率,但生長速率因時期而異,是一種提高競爭能力的資源獲取策略[36]。黃河三角洲蘆葦的葉長、葉寬等葉片性狀都顯著大于寧夏平原,葉片中的氮磷含量也較高,但是黃河三角洲蘆葦的密度卻遠遠小于寧夏平原蘆葦(表2),這反映了植物適應環境的不同策略,黃河三角洲蘆葦偏向于對資源快速獲取的方式來適應環境,而寧夏平原蘆葦則通過增加株數、提高繁殖力來維持生長,都是植物長期適應環境形成的結果[37]。

植物對環境的適應并不是通過單一性狀的改變而實現的,植物的各個性狀之間是相互關聯、相互影響的[28]。現在研究的對象也從植物葉片拓展到了根、莖、花、種子等其他器官及植物整體性狀[12],植物的不同器官(如葉、莖和花)對資源環境變化的響應往往是相互作用的,以便其進行有效的生長和繁殖,例如在武夷山59種木本植物的樹皮、莖干、葉片功能性狀特征及關聯研究中發現,樹皮厚度與莖干含水率、莖干氮含量呈極顯著負相關,樹皮碳含量與莖干碳含量呈顯著正相關[38],功能性狀間的關聯性有利于植物快速調整生存策略以適應環境。在本研究中,比葉面積和基徑兩個植物性狀是協同變化的,兩者間呈顯著負相關關系(圖2),即植物比葉面積越大,基徑越小,蘆葦通過比葉面積和基徑兩個性狀間的協變來共同適應環境,體現性狀間的相互權衡。這種相關性不僅體現在植物不同器官之間,同一個器官內也具有很強的協變性[39],例如葉片形態大小和葉片表面溫度間存在某種關聯,在高溫干旱區域,小的葉片利于降低葉片表面溫度,這是植物對特殊生境的一種適應策略[40]。這種性狀協變性的大小還可能會限制表型可塑性,有研究表明不同的環境條件會改變或導致性狀協變性的變化,從而使表型可塑性得到改變,但是在研究中這種協變性相對較為穩定,所以對表型可塑性影響較小[41]。

同種植物的植物功能性狀變異不僅受到表型可塑性的影響,也受到遺傳因素的控制,二者可以同時作為某些植物耐受性強、生態型豐富的重要原因。當植物的生存條件突然改變,植物的表型可塑性導致其產生與原來不同的功能性狀來適應新環境,例如本研究中蘆葦在同質園環境中比葉面積大大增加。這種機制能使植物快速的改變生存策略,在最短的時間內獲得最高的資源利用效率。表型可塑性也可能是物種避免滅絕或遷徙的一種策略,通過增強個體的適應能力來擴大其對多種環境更廣泛的耐受性[22]。植物如果長期生存在某一特定環境中,遺傳基因可能發生改變,導致植物表型產生穩定的變異,這是植物長期適應其生存環境的結果,就像本研究中寧夏平原蘆葦的株高和葉長受到遺傳因素的影響,當環境改變時仍然保持相同的生長策略,在野外和同質園環境下都具有顯著相關性。當然,在全球氣候變化的大背景下,更多不同來源的蘆葦對多重環境因子的響應機制還需要得到持續的關注和探究[42]。

本論文探究了黃河上下游蘆葦在野外和同質種植園中的植物功能性狀變異規律,揭示了遺傳分化和表型可塑性在蘆葦環境適應中的重要作用,對進一步研究廣布植物物種對全球環境變化的響應和適應機制具有重要意義,也為蘆葦濕地的保護、恢復和管理提供了科學依據。