青楊雌雄幼苗葉片功能性狀的季節(jié)變化特征

摘要： 為揭示雌雄幼苗葉片功能性狀的季節(jié)變化規(guī)律，本研究以青楊（Populus cathayana）雌雄幼苗為研究對(duì)象，分別測(cè)定葉片干物質(zhì)含量、葉片含水量、碳同位素、葉全碳、葉全氮、碳氮比、總酚和縮合單寧8 種植物葉片功能性狀在春季、夏季和秋季的變化，進(jìn)行了變異性分析、差異性檢驗(yàn)、性狀間的相關(guān)性分析和主成分分析. 結(jié)果表明：1）青楊幼苗葉片功能性狀的變異程度存在季節(jié)間差異. 春季變異程度最大，秋季次之，夏季最小. 2）春季葉片水分、碳、氮和總酚含量高，利于植株生長(zhǎng)；秋季葉片干物質(zhì)和縮合單寧含量顯著增加. 3）葉片功能性狀的季節(jié)變化特征存在性別差異. 雄株在春季水分利用效率更高，夏季總酚含量更高，秋季積累了更多的干物質(zhì)；雌株則在秋季有較高的葉片含水量. 總體來(lái)說(shuō)，雄株有更好的抗逆性，雌株有更強(qiáng)的保水能力. 4）雌雄青楊幼苗在不同季節(jié)具有不同的功能性狀組合和相關(guān)關(guān)系；通過(guò)主成分分析表明，碳含量和氮含量分別可作為青楊雌株和雄株葉功能性狀評(píng)價(jià)的主要指標(biāo). 上述結(jié)果表明，青楊雌雄幼苗在不同季節(jié)的資源獲取和利用策略存在顯著不同，從而表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的不同適應(yīng)能力.

關(guān)鍵詞： 青楊； 雌雄異株； 葉片； 功能性狀； 季節(jié)變化

中圖分類號(hào)： Q945. 32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10. 19907/j. 0490-6756. 250030

1 引言

植物功能性狀是植物在其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中與外界環(huán)境相互作用而形成的特征，不僅能反映植物在生存、生長(zhǎng)和繁殖方面的策略，而且也是揭示植物表型差異及其內(nèi)在生理機(jī)制如何適應(yīng)環(huán)境變化的核心［1-4］. 作為植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，葉片是植物獲得能量的重要器官，也是連接植物與外界環(huán)境的重要橋梁，其功能性狀能夠準(zhǔn)確地反映植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)［5-7］. 因此，葉片對(duì)環(huán)境變化十分敏感，尤其是對(duì)春、夏、秋、冬季節(jié)的變化. 季節(jié)變化是光照、溫度、水分、物候等環(huán)境指標(biāo)協(xié)同變化的綜合體現(xiàn)［8］，不僅影響著植物的生長(zhǎng)同時(shí)也決定著植物葉片的功能性狀. 已有的研究表明，植物葉片功能性狀會(huì)隨季節(jié)的變化而發(fā)生改變. 如郁國(guó)梁等［9］發(fā)現(xiàn)博斯騰湖湖濱濕地的5 種優(yōu)勢(shì)植物，由春季至秋季，葉片的氮含量呈遞減趨勢(shì)，而碳氮比呈遞增趨勢(shì)；張雅婷等［10］發(fā)現(xiàn)杉木（Cunninghamia lanceolata）幼樹的葉片在夏季的凈光合速率與氣孔導(dǎo)度顯著低于春季和秋季；Ospina 等［11］對(duì)32種草本植物和4種木本植物進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，晚雨季的葉片干物質(zhì)含量顯著高于初旱季，而初旱季的葉片氮含量顯著高于晚旱季.上述研究證實(shí)了多種植物葉片的功能性狀變化是適應(yīng)不同生存環(huán)境的結(jié)果［12］.

雌雄異株植物，即存在兩個(gè)獨(dú)立性別的植物，僅占被子植物物種的5%～6%［13］. 通過(guò)雌雄個(gè)體分離實(shí)現(xiàn)繁殖分工與資源優(yōu)化分配，是植物性別系統(tǒng)演化的重要策略之一［14］. 有研究表明，雌性通常會(huì)發(fā)展出具有廣泛比根長(zhǎng)度的根結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)大它們的覓食范圍并增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，而雄株則傾向于向土壤中釋放更多的有機(jī)化合物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行挖掘［15，16］. 在風(fēng)蝕條件下，黃柳（Salix gordejevii）雌株傾向于增強(qiáng)葉的光合生產(chǎn)力和莖的支撐力來(lái)保障花序和果序的營(yíng)養(yǎng)輸送和著生空間，而對(duì)雄株光合器官生長(zhǎng)的抑制作用顯著［17］. 功能性狀的性別二態(tài)性可能是雌雄異株植物適應(yīng)不同環(huán)境的重要基礎(chǔ)，但這種功能性狀的季節(jié)變化是否在雌雄植株之間存在顯著差異尚未見報(bào)道.

青楊（Populus cathayana）屬楊柳科楊屬植物，是典型的雌雄異株植物. 作為一種重要的造林樹種，它在我國(guó)北方地區(qū)廣泛分布，對(duì)于水土保持、生態(tài)環(huán)境修復(fù)和林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用. 由于青楊在形態(tài)、生長(zhǎng)發(fā)育以及抗逆能力等方面均表現(xiàn)出明顯的性別二態(tài)性［13］，因而被當(dāng)做開展木本植物性別間差異研究的理想材料. 前人的研究已經(jīng)揭示其性別特異性適應(yīng)的多樣性：在光合生理方面，雌株的凈光合速率和葉綠素含量顯著低于雄株［18，19］. 在營(yíng)養(yǎng)脅迫方面，缺氮時(shí)，雌株根系中的類黃酮含量高于雄株，而雄株的總酚含量高于雌株并具有更強(qiáng)的活性氧清除能力［20］. 在低溫脅迫下，雄株有更高的可溶性糖含量以及更高的超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶和谷胱甘肽還原酶活性［21］. 據(jù)此，我們推測(cè)青楊雌雄植株葉片的功能性狀的季節(jié)變化也可能存在顯著差異. 為了驗(yàn)證該假設(shè)，本試驗(yàn)以青楊雌雄幼苗（該階段是其生長(zhǎng)和發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期）為研究對(duì)象，分別測(cè)定春季、夏季和秋季植株的葉片干物質(zhì)含量（Leaf Dry MatterContent，LDMC）、葉片含水量（Leaf WaterContent，LWC）、碳同位素（δ13C）、葉全碳（TotalCarbon，TC）、葉全氮（Total Nitrogen，TN）、碳氮比（C∶N）、總酚（Total Phenol，Tph）和縮合單寧（Condensed Tannin，CT）8 種功能性狀的變化情況，揭示不同季節(jié)的青楊雌雄幼苗葉片功能性狀的變化差異，為掌握青楊雌雄幼苗對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力提供參考.

2材料與方法

2. 1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地，為亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū). 該區(qū)年均氣溫17. 0 ℃ ，年均降水量1050 mm，常年相對(duì)濕度為78%，年均日照時(shí)數(shù)為1250 h，年均無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)290 d，區(qū)域內(nèi)平均海拔約350 m.

2. 2方法

2. 2. 1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2020 年春季從青楊雌、雄成樹（引種于青海大通）上分別截取一年生枝條扦插于10cm×10cm 黑色塑料營(yíng)養(yǎng)缽中，缽內(nèi)基質(zhì)由泥土、河沙和蛭石按1∶1∶1比例混合而成，扦插前使用生根粉溶液處理枝條. 待扦插條生根并發(fā)芽生長(zhǎng)60 d 后選取生長(zhǎng)狀況一致的雌雄扦插苗移栽至塑料花盆，進(jìn)行單株種植，并放置于自然光照的遮雨棚內(nèi)生長(zhǎng)1 a. 生長(zhǎng)期間溫度控制在20～30 ℃并保持適宜的水分條件. 每種性別處理設(shè)置4個(gè)重復(fù). 在2021年春季（3月至5月）、夏季（6 月至8月）、秋季（9 月至11 月）進(jìn)行采樣，每月采集1 次，共采集9次. 每次每株選擇健康且沒有病蟲害的5～8 片葉片用于葉片功能性狀的測(cè)定.

2. 2. 2葉片功能性狀指標(biāo)的測(cè)定 首先用電子分析天平稱量葉片鮮重（m1，g），然后將葉片置于鼓風(fēng)干燥箱中在70 ℃烘干至恒重并稱量葉片干重（m²，g），計(jì)算葉片干物質(zhì)含量和含水量；將烘干的葉片磨碎過(guò)100目篩用于葉片養(yǎng)分含量、碳同位素、總酚和縮合單寧的測(cè)定. 葉穩(wěn)定碳同位素（δ13C，‰）用Picarro G2131-ICO₂ 激光碳同位素分析儀測(cè)定；葉片全碳（TC，g/kg）和全氮（TN，g/kg）含量用碳氮分析儀（elementar vario MACROCUBE）測(cè)定. 總酚（Tph，g/kg）：采用福林酚比色法. 縮合單寧（CT，g/kg）：采用香草醛-鹽酸法進(jìn)行定量分析.

葉片含水量（LWC，%）的計(jì)算公式為L(zhǎng)WC=（m₁-m₂）/m₁×100%.

葉干物質(zhì)含量（LDMC，g/g）的計(jì)算公式為L(zhǎng)DMC=m₂/m₁.

2. 2. 3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理 采用SPSS 27. 0對(duì)功能性狀指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析. 變異系數(shù)（Coefficientof variation，CV）=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值. 采用單因素方差分析（One-way analysis of variance，ANOVA）和Duncan 法比較雌雄葉片功能性狀季節(jié)差異的顯著性；采用Pearson 相關(guān)性進(jìn)行功能性狀間的相關(guān)性分析；采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）篩選青楊雌雄葉功能性狀隨季節(jié)變化的主要指標(biāo). 用Origin2021 軟件繪圖.

3結(jié)果與分析

3. 1功能性狀的季節(jié)變異特征

由圖1可知青楊幼苗在不同季節(jié)葉片功能性狀變異程度明顯不同. 春季青楊植株葉片功能性狀變異程度最大，秋季其次，夏季最小. 其中，δ13C變異程度最小而TN 的變異程度最大. 此外，雌雄植株葉片功能性狀的變異程度存在顯著性別差異. 春季雌株的LDMC、TC、TN、Tph 的變異系數(shù)比雄株大，尤其是TN 變異系數(shù)高達(dá)75. 75%，顯示出較強(qiáng)的變異性；夏季雄株的CT 的變異系數(shù)顯著高于雌株，而其他指標(biāo)在性別間差異不大；秋季雄株的CT 變異系數(shù)仍然顯著高于雌株，變異系數(shù)為37. 54%. 此外，雄株的LDMC、LWC、TN 和C∶N的變異系數(shù)均比雌株大.

3. 2功能性狀季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特征

從總體上來(lái)看（圖2），LDMC、C∶N、CT 含量由春季到秋季顯著增加，而LWC、TC、TN 含量由春季到秋季顯著降低；δ13C 和Tph 在春季的含量顯著高于夏季和秋季. 此外，青楊雌雄幼苗葉片功能性狀在不同季節(jié)存在著顯著的性別差異. 春季，雄株的δ13C 顯著高于雌株；夏季，雄株的Tph 含量顯著高于雌株；秋季，雄株的LDMC 和C∶N 顯著高于雌株，而雌株的LWC 顯著高于雄株. TC、TN、CT 含量在性別間無(wú)顯著差異.

3. 3不同季節(jié)功能性狀間的相關(guān)關(guān)系

從相關(guān)性分析的結(jié)果來(lái)看（圖3），無(wú)論雌雄，青楊幼苗的LDMC 與LWC、TN 與C∶N 始終表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（Plt;0. 001）. 此外，青楊雌雄幼苗在不同季節(jié)呈現(xiàn)不同的相關(guān)性. 春季，雌株的LDMC 與C∶N、CT 呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 05），而與Tph 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05）. 雄株的δ13C 與TN（Plt;0. 05）、Tph（Plt;0. 001）呈顯著正相關(guān)，與CT 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05），TC 與TN、δ13C 呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 01），與C∶N 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05）；夏季，雌株的LDMC 與Tph 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05），與CT 呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 05），TC與TN 呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 001），C∶N 與TC 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05）. 雄株的LDMC 與δ13C、TN呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01），與C∶N 呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 01）. δ13C 與TN 呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 05）、與C∶N 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05）；秋季，雌株的LDMC 與δ13C（Plt;0. 05）、C∶N 呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 001），與TN 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 01）. 雄株的Tph 與δ13C、TC 呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05）.

3. 4功能性狀的主成分分析

對(duì)青楊雌雄幼苗葉功能性狀進(jìn)行主成分分析（表1），雌株葉功能性狀各指標(biāo)的公因子方差平均值為0. 951，其中最小的是δ13C，為0. 879，按照特征值＞1 為原則，則可以提取出2 個(gè)主要成分，這2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為95. 118%. 雄株葉功能性狀各指標(biāo)的公因子方差平均值為0. 955，其中最小的是CT，為0. 919，按照特征值＞1為原則，則可以提取出2 個(gè)主要成分，這2 個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為95. 446%. 以上青楊雌雄植株的累計(jì)貢獻(xiàn)率均＞85%，說(shuō)明雌雄植株各自的２ 個(gè)主成分因素可分別代表各自葉功能性狀變化的主要因素. 此外，通過(guò)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合得分位次排名可知，雌株前３個(gè)指標(biāo)因子為TC、Tph、TN，雄株前３個(gè)指標(biāo)因子為TN、δ13C、Tph.

4討論

4. 1功能性狀的季節(jié)變異特征

變異系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)離散程度的一個(gè)重要指標(biāo)，其中變異系數(shù) ≤ 0. 2 為弱變異，介于0. 2～0. 5之間為中等變異，而變異系數(shù) ≥ 0. 5 則表示強(qiáng)變異［22］. 一般來(lái)說(shuō)，性狀變異系數(shù)小，表明該性狀呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的特征；相反，性狀變異系數(shù)越大，說(shuō)明植物性狀可塑性越強(qiáng)，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性也越強(qiáng)［23］. 本研究中，除了春季植株的葉全氮表現(xiàn)為強(qiáng)變異外，其他功能性狀的變異系數(shù)較低，這表明植株整體生長(zhǎng)狀況良好. 春季是植物生長(zhǎng)發(fā)育的起始階段，此時(shí)植物從休眠狀態(tài)中恢復(fù)，體內(nèi)的生理和生化活動(dòng)變得活躍，導(dǎo)致功能性狀的變異較大.在這一階段，植物具有較強(qiáng)可塑性，有助于它們進(jìn)行最佳資源分配，從而提高對(duì)環(huán)境適應(yīng)的能力［24］.夏季為植物生長(zhǎng)旺盛期，植株生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，葉片的功能性狀變異相對(duì)較小. 秋季為植物生長(zhǎng)末期，植物開始調(diào)整葉片的物質(zhì)代謝，為越冬做準(zhǔn)備，導(dǎo)致各功能性狀的變異系數(shù)有所增大.

4. 2功能性狀的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化差異

葉片是植物體吸收和貯存養(yǎng)分的主要器官，其功能性狀可以反映植物對(duì)資源的獲取和利用策略、生活史差異及對(duì)環(huán)境的響應(yīng)與適應(yīng)能力等［25］.本研究中，我們對(duì)青楊雌雄幼苗葉片進(jìn)行季節(jié)性采樣，分析結(jié)果表明，植物葉片功能性狀變化特征不但與植物性別有關(guān)而且在不同季節(jié)間也表現(xiàn)出顯著差異. 如葉片干物質(zhì)含量是衡量植物養(yǎng)分積累與保持能力的重要指標(biāo)［26］. 秋季雄株葉片的干物質(zhì)含量顯著高于雌株，表明雄株有更好的抗逆性，為植株越冬提供更多的能量［27-29］. 葉片含水量是反映植物生存環(huán)境水熱條件的重要指標(biāo)，秋季雌株葉片含水量顯著高于雄株，說(shuō)明秋季雌株有更強(qiáng)的保水能力，而雄株體內(nèi)含水量更低有利于增強(qiáng)其抗寒性，為植株越冬做準(zhǔn)備［24］. 植物葉片δ13C 值是衡量植物水分利用效率的重要指標(biāo)［30］.春季雄株的δ13C 值顯著高于雌株，雄株在生長(zhǎng)期可能優(yōu)先分配資源進(jìn)行結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，使其氣孔導(dǎo)度更低，從而提高水分利用效率，表現(xiàn)為更高的δ13C值［31］，表明雄株有較強(qiáng)的水分利用效率和抗旱能力［32］，這與Xu［28］和Zhang［29］等發(fā)現(xiàn)青楊雄株較雌株有更強(qiáng)的抗旱能力的結(jié)果完全一致.

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)雌雄青楊葉片的氮含量由春季到秋季均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其原因可能是春季是植物生長(zhǎng)萌發(fā)時(shí)期，葉片細(xì)胞快速增殖需要大量的氮營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)合成蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物質(zhì)，因而葉氮含量較高；進(jìn)入夏季氮含量因葉片生物量的快速增加而被稀釋；進(jìn)入秋季，葉片逐漸衰老，其營(yíng)養(yǎng)元素由枝條等其他器官進(jìn)行回吸收，氮含量降低［33，34］. 另外，研究發(fā)現(xiàn)青楊雌雄幼苗葉片的氮含量無(wú)顯著性別差異，該結(jié)果與楊鵬等［35］研究的結(jié)果一致.

另一方面，本研究還發(fā)現(xiàn)青楊雌雄葉片的總酚含量在春季最高，而縮合單寧的含量則在秋季最高. 由于總酚和縮合單寧是植物化學(xué)防御機(jī)制中的重要成分［36］，春季低溫導(dǎo)致光合合成酶活性受限可能會(huì)引起光氧化應(yīng)激并促進(jìn)總酚含量增加以應(yīng)對(duì)［37］，因此春季的總酚含量最高. 到了秋季，葉片衰老，葉片中的葉綠素逐漸分解且花青素不斷增多，葉片逐漸顯現(xiàn)出黃色或橙色. 這些生理變化使得葉片內(nèi)的單寧含量顯著增加并達(dá)到最高.相似的結(jié)果在橡樹研究中也有報(bào)道［38］.

在不同季節(jié)中雄株均表現(xiàn)出較好的抗逆性，這一現(xiàn)象凸顯了雄株在資源分配上的優(yōu)先順序，使其能夠在不斷變換的季節(jié)下保留更多能量，以支持越冬. 而雌株在保水能力方面更有優(yōu)勢(shì)，這種特性使得雌株在水資源有限的環(huán)境中表現(xiàn)得更加穩(wěn)定. 由此可見，青楊雌雄植株在資源分配和利用上的策略差異，對(duì)理解其生態(tài)適應(yīng)性有著重要指導(dǎo)意義.

4. 3 功能性狀間的相關(guān)性及主成分分析差異

植物葉片的功能性狀間存在一定的相關(guān)性，并且會(huì)形成適應(yīng)特定環(huán)境的最佳功能性狀組合［1］.如春季雌株葉片干物質(zhì)含量與碳氮比值、縮合單寧呈正相關(guān)及與總酚呈負(fù)相關(guān)，表明雌株在生長(zhǎng)初期更傾向于通過(guò)碳氮比值提升和縮合單寧積累來(lái)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)防御；而雄株碳同位素與葉全碳、葉全氮呈正相關(guān)表明雄株在水分高效利用的同時(shí)，碳氮也協(xié)同積累增強(qiáng)抗旱能力. 總體來(lái)說(shuō)，雄株傾向于通過(guò)高水分利用效率和碳氮協(xié)同積累來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境變化，而雌株更注重通過(guò)碳氮比調(diào)節(jié)和防御物質(zhì)動(dòng)態(tài)分配來(lái)平衡生長(zhǎng)發(fā)育需求. 通過(guò)主成分分析可知，指標(biāo)因子排名越靠前，則表示其在各指標(biāo)中占據(jù)更重要的比重［39］，雌株的功能性狀間的相關(guān)性及主成分分析差異碳含量排名靠前，雄株的氮含量排名靠前，且雌雄植株各功能性狀的綜合位次不同，這反映了它們?cè)谏L(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中著重點(diǎn)的不同.

5結(jié)論

本研究表明青楊雌雄幼苗葉片功能性狀存在顯著季節(jié)動(dòng)態(tài)差異與性別差異. 相較于夏秋季，春季葉片功能性狀變異性最大，表現(xiàn)為高含水量、碳同位素、碳氮元素及總酚含量，低干物質(zhì)含量. 雖然研究中證實(shí)了不同季節(jié)中青楊雌雄幼苗具有不同的功能性狀組合和相關(guān)關(guān)系，但還需持續(xù)多年的觀測(cè)多個(gè)生長(zhǎng)季的動(dòng)態(tài)變化情況才能更準(zhǔn)確的掌握青楊雌雄植株的生存策略.