致死性干旱對8種樹種幼苗非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

趙 楠，廖迎春，黃國敏，劉文飛，沈芳芳，段洪浪

（南昌工程學(xué)院 江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點實驗室 南昌 330099）

在氣候變化背景下，降水格局不斷改變，干旱災(zāi)害發(fā)生的頻率和強度日益增加[1]。水分是影響植物生長的主要環(huán)境因素之一，因此水分虧缺會對植物的生長發(fā)育和生存造成重要影響[2]。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物 (nonstructural carbohydrates，NSC)作為植物體內(nèi)的碳存儲物質(zhì)，表征植物體內(nèi)碳收支和碳平衡狀態(tài)。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要包括葡萄糖、果糖、蔗糖等可溶性糖(soluble sugars，SS) 和淀粉(starch，ST)兩類物質(zhì)。可溶性糖是光合作用的直接產(chǎn)物，可以直接參與植物生長、代謝過程，并具有調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的重要作用；淀粉是植物體內(nèi)的主要儲能物質(zhì)，而且可溶性糖與淀粉兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換而且可溶性糖與淀粉兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換[3]。有研究認(rèn)為，長期干旱脅迫下光合速率會先于呼吸速率下降，從而造成非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量下降，當(dāng)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物不能滿足細(xì)胞的代謝需求時，就會發(fā)生“碳饑餓(carbon starvation) ”，導(dǎo)致植物死亡[4]。比如MITCHELL等[5]的研究表明輻射松(Pinus radiata)干旱死亡時，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量降低了約50%。而ADAMS等[6]對可食松(Pinus edulis)的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫使得植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量下降了近30%，并認(rèn)為“碳饑餓”是導(dǎo)致植物死亡的原因。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞生長比光合作用和呼吸作用對細(xì)胞膨壓的依賴性和敏感性更高，因此干旱脅迫下生長會先于光合作用受到抑制，造成碳水化合物的需求小于供給，從而導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累[7]。比如李亞楠等[8]對麻櫟（Quercus acutissima）的研究表明干旱脅迫不僅不會造成“碳饑餓”現(xiàn)象，反而可以顯著提高植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量，并認(rèn)為非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累是植物應(yīng)對干旱脅迫的策略之一，但GRUBER等[9]對歐洲赤松（Pinus sylvestris）的研究發(fā)現(xiàn)，干旱死亡時其組織器官非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量并未降低，“碳饑餓”并非導(dǎo)致其死亡的原因。因此，盡管目前很多研究表明，水力失衡(hydraulic failure，即木質(zhì)部栓塞阻礙水分傳輸，并進一步引起細(xì)胞脫水死亡)[10]是植物死亡的主要機制，但是植物死亡過程中“碳饑餓”是否發(fā)生或者有何貢獻仍未有一致性結(jié)論。近年來我國亞熱帶地區(qū)降水呈減少趨勢[11]，對該地區(qū)樹木生長造成一定影響。江西省屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，季節(jié)性干旱頻發(fā)[12]。本研究以亞熱帶和江西地區(qū)常見落葉樹種和常綠樹種為研究對象，通過盆栽實驗，人為控制水分條件，探究各樹種在致死性干旱脅迫過程中可溶性糖、淀粉、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量及可溶性糖與淀粉比例變化規(guī)律，為進一步揭示亞熱帶常見樹種幼苗干旱死亡的生理機制提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料2018 年 3月，選取長勢均勻良好的落葉樹種[無患子（Sapindus mukurossi）、楓香（Liquidambar formosana）]和常綠樹種[深山含笑（Michelia maudiae）、苦櫧（Castanopsis sclerophylla）、木荷（Schima superba）、青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca）、杜英（Elaeocarpus decipiens）、樟樹（Cinnamomum camphora）]8種樹種的1 a生長期幼苗移栽于底部具有小孔的7.6 L花盆，每盆種植苗木1株，供試土壤為風(fēng)干混勻的南昌工程學(xué)院附近人工林地表層土壤，為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育而成。所有盆栽均置于塑料遮雨棚內(nèi)。在實驗開始前對所有苗木進行正常灌溉6個月，并定期對苗木進行統(tǒng)一施肥，確保其正常生長。

1.2 實驗設(shè)計2018年8月開始進行水分處理。本實驗設(shè)置2個水分處理（每個處理重復(fù)數(shù)為3）：對照（CK）處理：在整個實驗期間正常進行灌溉，使土壤含水量維持在田間持水量；致死性干旱（D）處理：實驗期間不進行灌溉，使其快速干旱，直至死亡（當(dāng)樹苗葉片全部枯萎變黃，莖干干枯，即認(rèn)為已達(dá)到本實驗的死亡標(biāo)準(zhǔn)[13?14]）。本實驗的死亡標(biāo)準(zhǔn)主要強調(diào)了植物地上部分死亡。另外，本實驗并未精確跟蹤各樹種的死亡時間，但均保證在死亡后采樣。

實驗結(jié)束后，將樹苗完整地從盆中取出，用清水沖洗干凈，迅速帶回實驗室。將樹苗分成根、莖、葉3部分，分別裝入信封，105 ℃殺青1 h后，在70 ℃烘干至恒重。然后將樣品研磨，過0.25 mm篩子，用于可溶性糖、淀粉、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量測定。可溶性糖與淀粉采取蒽酮比色法測定，兩者之和即為非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量，兩者之商即為SS/ST[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗不同樹種、不同處理及其交互作用對樹苗的可溶性糖、淀粉 和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量及 SS/ST 的影響。利用t檢驗進一步檢驗樹種器官水分處理之間的差異。實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，實驗數(shù)據(jù)的顯著水平設(shè)定為P<0.05。使用Sigmaplot 13.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 致死性干旱對各樹種幼苗可溶性糖含量的影響除莖的SS外，不同樹種的根和葉的可溶性糖含量存在顯著差異（表1），但各器官的可溶性糖含量對干旱脅迫的響應(yīng)有所不同（圖1）。無患子、楓香葉片的SS含量對致死性干旱的響應(yīng)并不顯著。干旱死亡時，相對于CK，深山含笑、苦櫧、杜英、樟樹的葉片的可溶性糖含量分別下降79.3%、18.1%、14.2%和64.4%，但木荷、青岡櫟的葉片的可溶性糖含量分別上升47.7%、37.9%。相對于CK，干旱處理的無患子、木荷、青岡櫟的莖的可溶性糖含量分別上升44.1%、16.8%和47.5%，但楓香、杜英、樟樹的莖的可溶性糖含量與CK相比無顯著差別。而深山含笑、苦櫧的莖的可溶性糖含量卻分別下降41.4%、65.3%。再則，與CK相比，無患子、楓香、木荷的根的可溶性糖含量顯著上升，其中木荷根的可溶性糖含量上升147.3%，上升幅度最大。深山含笑、杜英、樟樹的根的可溶性糖含量顯著下降，其中樟樹根的可溶性糖含量下降48.5%，下降幅度最大。而苦櫧、青岡櫟的根的可溶性糖含量無顯著變化（圖1）。

圖1 致死性干旱對葉、根、莖的可溶性糖含量的影響Fig. 1 Effect of lethal drought on soluble sugar content in leaves, stems and roots.

表1 水分處理、樹種及其交互作用對非結(jié)構(gòu)性碳水化合物各組分濃度影響的方差分析Tab. 1 ANOVA for the main and interactive effects of water treatment and species on contents of NSC and related components

2.2 致死性干旱對各樹種幼苗淀粉含量的影響不同樹種幼苗的葉、莖、根的ST含量對干旱脅迫的響應(yīng)存在一定差異（圖2）。致死性干旱會顯著升高無患子的葉、根、莖的淀粉含量；無患子幼苗死亡時，其葉、根、莖的淀粉含量分別較CK上升了35.9%、228.2%和15.0%。楓香、深山含笑、苦櫧、青岡櫟的葉、根、莖的淀粉含量在干旱脅迫下均較CK處理顯著下降，其中楓香和深山含笑的下降趨勢較顯著，楓香和深山含笑的幼苗死亡時，楓香和深山含笑的葉、根、莖的淀粉含量分別下降至CK的25.9%、63.2%、29.4%和55.6%、36.5%、23.1%。干旱脅迫下，木荷、樟樹的葉片的淀粉含量與CK無顯著差異，但木荷、樟樹的根、莖的淀粉含量顯著低于CK。而杜英的葉、莖的淀粉含量較CK顯著降低，但杜英的根的淀粉含量對干旱脅迫的響應(yīng)不顯著。

圖2 致死性干旱對葉、根、莖的淀粉含量的影響Fig. 2 Effect of lethal drought on starch content in leaves, stems and roots.

2.3 致死性干旱對各樹種幼苗非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響干旱脅迫會使無患子的葉、根、莖和木荷的葉、根的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量顯著高于CK；其中無患子的根的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量對干旱脅迫較敏感，在干旱致死時，無患子的根的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量上升了152.9%。干旱脅迫會顯著降低楓香的葉、莖和杜英、深山含笑、苦櫧、青岡櫟、樟樹的葉、根、莖的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量。其中深山含笑的變化最顯著，深山含笑的幼苗死亡時，其葉、莖、根的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量分別下降至CK的43.3%、29.6%、41.6%（圖3）。

圖3 致死性干旱對葉、根、莖非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）含量的影響Fig. 3 Effect of lethal drought on NSC content in leaves, stems and roots.

2.4 致死性干旱對各樹種幼苗可溶性糖與淀粉含量比值的影響可溶性糖與淀粉含量比值（SS/ST）的數(shù)值越大，表明植物體內(nèi)可溶性糖含量占比越高，同時由于植物體內(nèi)的可溶性糖和淀粉之間可以相互轉(zhuǎn)化，SS/ST也可以反映其轉(zhuǎn)化情況?？偟膩碚f，干旱脅迫下，不同樹種幼苗的SS/ST變化趨勢存在一定差異（圖4）。干旱脅迫使無患子和樟樹的莖的SS/ST較CK上升，而無患子和樟樹的葉、根的SS/ST較CK下降，其中樟樹的葉的SS/ST下降幅度最大，即實驗結(jié)束時，D處理較CK下降了45.7%。D處理的楓香、苦櫧、木荷、青岡櫟的葉、莖、根的SS/ST顯著高于CK。其中楓香的SS/ST上升趨勢最為明顯，楓香的葉、莖、根的SS/ST分別較CK上升了227.8%、288.9%、152.8%。干旱脅迫使深山含笑的莖、根的SS/ST上升，但其葉的SS/ST則下降；杜英幼苗的葉、莖的SS/ST上升而其根的SS/ST則下降。

圖4 致死性干旱對葉、根、莖可溶性糖與淀粉含量比值（SS/ST）的影響Fig. 4 Effect of lethal drought on ratio of soluble sugars to starch in leaves, stems and roots.

3 討 論

干旱脅迫下，植物細(xì)胞膨壓降低，會對其碳同化過程產(chǎn)生影響[16]。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物作為植物體內(nèi)碳水化合物的一種存在形式，其含量可以反映植物體“碳源”和“碳匯”的平衡關(guān)系，進而反映植物對干旱脅迫的適應(yīng)策略[3]。致死性干旱脅迫下，楓香、無患子、木荷、青岡櫟的可溶性糖含量呈上升趨勢；其中木荷最典型，死亡時D處理各器官的可溶性糖含量均顯著高于CK。本研究的植物干旱死亡時，木荷、青岡櫟D處理的葉的可溶性糖含量顯著高于CK，這可能是因為較高濃度的可溶性糖有利于維持細(xì)胞滲透勢，維持葉片吸水[9]。而本研究的無患子、楓香、木荷干旱死亡時D處理的莖的可溶性糖含量顯著高于CK，與沈超等[2]研究的結(jié)果一致，沈超等[2]認(rèn)為莖的較高濃度的可溶性糖含量可能有利于維持莖養(yǎng)分運輸?shù)墓δ堋o患子、楓香、木荷D處理的根的可溶性糖含量顯著高于CK，這可能是因為根作為植物吸水及植物與外界進行養(yǎng)分交換的器官，根的較高濃度可溶性糖可以維持根的吸水能力[17]。相反，本研究的深山含笑、苦櫧、杜英、樟樹的可溶性糖含量在干旱死亡時下降, 與王昕等[18]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫導(dǎo)致刺槐（Robinia pseudoacacia）的可溶性糖含量顯著下降的結(jié)果一致，其中深山含笑最典型，死亡時D處理的各器官的可溶性糖含量均顯著低于CK，這可能是由于在長期干旱脅迫下光合作用過程受阻，同化的可溶性糖減少，加之呼吸消耗，造成植物體內(nèi)可溶性糖含量下降[19]。

致死性干旱脅迫下，楓香、杜英、深山含笑、苦櫧、木荷、青岡櫟、樟樹的幼苗除部分器官的淀粉含量無顯著變化外，各器官的淀粉含量均顯著降低，與王昕等[18]研究結(jié)果相似。干旱脅迫下，植物通常會將淀粉水解為可溶性糖，從而維持細(xì)胞滲透壓，以增強植物吸水能力，延長植物存活時間，因而可能是植物的一種抗旱策略[20]。另外，也有研究認(rèn)為干旱脅迫會在植物莖干內(nèi)形成栓塞，影響水分運輸，而植物為恢復(fù)其運輸功能，會消耗植物體內(nèi)儲存的淀粉[21]，也會造成淀粉含量下降。而無患子在干旱死亡時，其葉、莖、根的淀粉含量均顯著上升，這可能是干旱脅迫雖然同時對無患子光合作用和生長代謝產(chǎn)生限制，但生長等“碳匯”需求減少的幅度大于“碳源”下降的幅度，因而多余的可溶性糖轉(zhuǎn)化為淀粉積累[22]。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物對干旱的響應(yīng)是可溶性糖與淀粉綜合響應(yīng)的結(jié)果。本研究中，D處理的無患子的葉、莖、根和木荷的葉、根的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量會顯著高于CK，體現(xiàn)了這兩個樹種在干旱死亡時仍積累非結(jié)構(gòu)性碳水化合物。它們通過干旱時積累非結(jié)構(gòu)性碳水化合物，保證充足的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲存，以待干旱脅迫解除時重新萌發(fā)，從而可能有利于旱后恢復(fù)[23]。而D處理中楓香、杜英、深山含笑、苦櫧、青岡櫟與樟樹的葉、根、莖非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量均顯著低于CK，說明在干旱脅迫下，這些樹種幼苗存在一定程度的“碳饑餓”現(xiàn)象[10]。D處理下，楓香、苦櫧、木荷、青岡櫟的根、莖、葉的SS/ST均大于CK處理，與MARTINEZ-VILALTA等[24]研究結(jié)果一致。一方面可能是因為樹木通過消耗淀粉維持甚至提高可溶性糖含量，以維持細(xì)胞膨壓和調(diào)節(jié)滲透壓，另一方面可能因為莖可以消耗淀粉以修復(fù)干旱脅迫造成的栓塞[25]。無患子的葉、根在D處理中的SS/ST顯著小于CK，主要由于淀粉含量上升，從而進一步體現(xiàn)了碳源匯關(guān)系的不平衡[26]。然而，干旱脅迫下深山含笑、杜英、樟樹的各器官的可溶性糖和淀粉含量變化存在差異，導(dǎo)致SS/ST無一致性變化規(guī)律，這可能與可溶性糖和淀粉在植物中的不同生理功能[27]及不同植物“源”的同化能力和“匯”的需求存在差異的有關(guān)[5,28]。不同植物抗旱策略不同，造成了其SS/ST變化存在差異[29]。

面對干旱脅迫，落葉樹種（如楓香、無患子）可以通過落葉減少水分損失，而常綠樹種無此現(xiàn)象。但從非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量角度分析，本研究中植株非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量變化趨勢的不同更多表現(xiàn)為樹種間的差異，而非落葉與常綠間的差異。鑒于本研究中落葉樹種數(shù)量的限制，因此，落葉?常綠之間的比較還不夠充分，未來的研究需要利用更多樹種來對比落葉—常綠樹種的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物對干旱響應(yīng)的策略差異。

4 結(jié) 論

干旱死亡時，部分樹種的葉（青岡櫟、木荷）、莖（無患子、楓香、木荷）、根（無患子、楓香、木荷）的可溶性糖含量顯著高于CK，而部分樹種的可溶性糖含量下降（杜英、深山含笑、苦櫧、樟樹）。本研究大部分樹種（楓香、杜英、深山含笑、苦櫧、木荷、青岡櫟、樟樹）均存在淀粉含量下降的現(xiàn)象，但下降幅度在樹種與器官間存在差異，而無患子干旱死亡時淀粉含量則顯著高于CK，體現(xiàn)了淀粉積累。綜合可溶性糖與淀粉變化規(guī)律，干旱死亡時部分樹種的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累（無患子葉、莖、根和木荷葉、根），而部分樹種各器官非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量顯著下降（杜英、深山含笑、苦櫧、青岡櫟、樟樹），可能存在一定程度的“碳饑餓”威脅。綜上，本研究結(jié)果表明不同物種的各器官非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量及其組份存在較大差異，且極端干旱下亞熱帶樹種的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物無一致性變化規(guī)律，種間差異明顯，體現(xiàn)了應(yīng)對干旱脅迫的碳收支策略的多樣性。未來氣候變化導(dǎo)致降雨格局多變的背景下，極端干旱下的樹木的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物響應(yīng)規(guī)律仍是生態(tài)研究中值得重視的問題。