性別和發育階段對絨毛白蠟光合特征及葉功能性狀的影響

張碧嘉,于 淼,徐 晴,王澤錦,樊大勇,楊寶祥,袁啟華,張新娜,*,徐程揚

1 北京林業大學 森林培育與保護教育部重點實驗室,干旱半干旱地區森林培育及生態系統研究國家林草局重點實驗室,城市林業研究中心,北京 100083 2 北京市西山試驗林場管理處,北京 100095 3 永定河休閑森林公園管理處,北京 100010

葉片功能性狀能夠顯著影響生態功能,并反映植被對環境的響應和適應對策。Wright等[1]提出的葉經濟型譜中包括了凈光合速率(Pn)、比葉面積(SLA)、葉氮含量(LNC)等六類葉片功能性狀。研究發現植物葉經濟型譜由快速投資-回收到緩慢投資-回收維度變化,反映了植物對環境適應的不同對策[2-4]。葉經濟型譜在預測全球變化下生態系統結構和功能的變化[5-6]、恢復生態學[7]、入侵生態學[8-9]等各個生態學研究領域均有重要的研究價值。對于葉經濟型譜的進一步研究表明,氣候[3,10]、種間及種內關系[11-12]、基因變異[13]、環境脅迫[14-15]均顯著影響葉經濟型譜,反映在兩兩性狀關系之間的斜率、截距和位移上。

然而,目前很少研究性別分化對葉經濟型譜的影響。事實上,雌雄異株植物對維持物種多樣性具有重要意義,是陸地生態系統必不可少的組成部分。相關研究表明,雌雄異株植物生殖資源分配策略是否存在性別間差異尚無統一認識,絕大多數研究認為,雌性植株往往在繁殖過程中投入更多的資源,進而導致不同性別個體在葉片大小[16]、光合性能[17]、氣孔導度和水分利用效率[18]等葉片功能性狀上存在遺傳差異。但不同研究結果也不盡相同,以光合能力和氣孔導度為例,部分研究表明,雌性植株凈光合速率普遍高于雄性,同時表現出更高的氣孔導度[17,19-20],但也有研究發現雄性植株具有更高凈光合速率和水分利用效率[18-19],這可能與不同的發育階段相關。有研究表明,植物葉片化學元素在不同的發育階段存在差異[21-22],養分在不同發育階段具有的不同分配方式,主要是滿足不同生長期對植物養分的需求。

雌雄異株植物絨毛白蠟(FraxinusvelutinaTorr.)具有適應性強、耐鹽堿、耐水澇等優良特性,是鹽堿地的重要綠化樹種[23]。已有研究發現絨毛白蠟樹種存在明顯的性別分化,主要表現在葉片礦質元素含量等方面,已經成為影響林分健康及其生態功能發揮的關鍵問題[24]。光合能力、葉功能性狀與樹體的生長發育密切相關,在不同季節動態,植物對光需求量和資源分配存在性別間差異,探究性二態植物的光合特征及其葉功能性狀的關系,對造林樹種選擇及樹木精準管護具有重要意義。本研究以雌雄異株絨毛白蠟為研究對象,在不同繁殖活動時期對不同性別植株的光合特征和葉功能性狀進行測定,旨在回答以下問題:(1)不同發育階段絨毛白蠟的光合能力是否存在差異?(2)不同發育階段絨毛白蠟葉功能性狀是否存在性別間差異?(3)凈光合速率與葉功能性狀間的關系是否存在性別間差異?

1 材料與方法

1.1 采樣方法

試驗地點位于北京市海淀區溫泉苗圃(40°3′N,116°10′E),在樣地中標記9年生不同性別絨毛白蠟31株,其中雄樹22株,雌樹9株,雄樹樹高為(7.4±0.6)m、胸徑為(13.4±1.1)cm,雌樹樹高為(7.3±0.4)m、胸徑為(13.5±1.1)cm,雌雄樣本植株樹高、胸徑無顯著差異(T=27.32,P=0.15),生長狀況良好。于2021年5月至10月進行采集,將整樣本植株樹枝條進一步劃分為一級枝、二級枝和三級枝(圖1)。每一個樣本植株選擇南向生長狀況一致、健康無病蟲害的二級枝3-5個,用標簽進行標記。將發育階段劃分為坐果期(5-6月)、果實膨大期(8月)和果實成熟期(10月)3個時期,在每個發育階段,選擇晴朗無風的天氣,在上午9:00-11:00期間采集標記好的三級枝的葉片進行生理指標的測定。

圖1 枝條分級示意圖Fig.1 Branch classification schematic

1.2 生理指標測定方法

1.2.1光合指標測定

在天氣晴朗的上午9:00-11:00點,對每個發育階段的31株絨毛白蠟,采用高枝剪剪取所標記的三級枝(2-3枝),即刻放入裝滿清水的水桶中,隨后于水下剪去1/2長度枝條以防木質部栓塞導致的光合能力下降。預實驗表明,在1200μmol m-2s-1飽和光強下2個小時光合速率、氣孔導度沒有下降,說明并未出現木質部栓塞現象。采用Li-6400便捷式光合測定儀(Li-Cor,Lincoln,NE,USA),選取苗木上的第5-6片(從頂部向下數)向陽完整功能葉片進行光合作用的測定,測定最新展開葉的凈光合速率(Pn),測定時設置光強為1200μmol m-2s-1,相對空氣濕度30%-50%,葉室溫度為25℃,CO2濃度為(400±5)μmol/mol。當在此條件下達到穩態氣體交換速率時,記錄凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰(Tr)和細胞間CO2濃度(Ci)。瞬時水分利用效率(WUEi)為凈光合速率與蒸騰速率之比。

CO2響應曲線的測定,保持光強和葉室溫度條件不變,CO2濃度分別設置為400、300、200、150、100、50、400、400、600、800、1200、2000μmol/mol,每個濃度下穩定4-6min,穩定后記錄數據。根據Long和Bernacchi模型[25]計算Rubisco的最大羧化速率(Vcmax)和最大電子傳遞速率(Jmax)。

1.2.2葉面積、葉干重測定

光合測定結束后,將部分最新完全展開葉取下帶回實驗室,利用Epson數字化掃描儀以及Win RHIZO圖像分析軟件測量葉面積(LA,cm2)。將葉片樣品置于105℃下殺青30min,后在80℃下烘干至恒重(至少72h),稱量葉干重(LB,g)。比葉面積(SLA,cm2/g)為葉面積與葉干重比值,比葉重(LMA,g/cm2)為葉干重與葉面積之比。

1.2.3葉綠素含量測定

將光合測定結束后的葉片,采用乙醇丙酮混合液提取法進行測定[26]。避開主脈將新鮮葉片剪成1-2mm寬的細條后混勻,準確稱取0.1g于15mL離心管中并加入10mL乙醇∶丙酮=1∶1的提取液,將裝有樣品的離心管放置于黑暗環境中直到葉片完全變為白色。將提取液倒入比色皿中,分別在波長663、645nm下使用島津UV-2600紫外可見分光光度計測定吸光值。每個樣品重復測定3次。計算公式如下:

(1)

(2)

葉綠素總量:Chl(mg/g)=Chla+Chlb

(3)

其中,M為稱取的葉片質量(g)。

1.2.4葉片全氮含量測定

將完全烘干的葉片樣本用研磨儀將葉片粉碎,過100目篩(孔徑為0.147mm),稱取葉片5mg,采用“動態閃燒-色譜分離(改進杜馬斯燃燒法),使用元素分析儀(FLASH2000 CHNS/O)測定樣品全氮含量(LNC,mg/g)[27]。

1.3 數據分析

本研究數據采用雙因素方差分析研究性別與發育階段對光合特征、葉功能性狀的影響,采用Pearson分析凈光合速率與葉功能性狀間的兩兩相關性。并針對凈光合速率與葉功能性狀間關系采用標準化主軸估計(Standardized major axis regression,SMA)分析。本研究涉及的所有數據均采用Excel 2016進行數據整理,使用R 4.1.2軟件進行計算,其中“smatr”程序包用于SMA計算[28],使用Origin 2022軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同發育階段雌雄個體的光合能力

絨毛白蠟的光合能力在不同發育階段存在顯著差異,在坐果期,光合能力偏低,在果實膨大期光合能力增強,而在果實成熟期下降,其總體趨勢為先上升后下降。對于不同性別植株而言,在坐果期與果實成熟期,雄樹的光合能力高于雌樹,而在果實膨大期,雌樹的光合能力偏高于雄樹(圖2)。

圖2 絨毛白蠟雌雄植物在不同發育階段的CO2響應曲線Fig.2 CO2 response curves of male and female plants of Fraxinus velutina Torr. at different development stages

由表1、表2可知,果實膨大期的凈光速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、瞬時水分利用效率(WUEi)顯著高于坐果期與果實成熟期。坐果期與果實成熟期,絨毛白蠟雌樹的Pn、Gs、Ci、Tr、WUEi、最大羧化速率(Vcmax)和最大電子傳遞速率(Jmax)顯著高于雌樹,但在果實膨大期,絨毛白蠟雌樹的Pn、Gs、Ci、Tr、WUEi、Vcmax、Jmax顯著高于雄樹。絨毛白蠟雌雄個體的Pn、Gs、Ci、Tr、WUEi、Vcmax、Jmax在發育階段間均存在顯著差異(P<0.05),但雌雄之間的Pn、Ci、Tr、WUEi、Vcmax、Jmax性別間無顯著差異(P>0.05)。

表1 不同發育階段絨毛白蠟雌雄個體光合特征參數Table 1 Photosynthetic characteristic parameters of male and female plants of F. velutina at different development stages

表2 不同發育階段絨毛白蠟雌雄個體光合特征的雙因素方差分析Table 2 Results of two factor ANOVA on photosynthetic characteristics of male and female individuals of F. velutina at different development stages

2.2 不同發育階段葉功能性狀的性別間差異

如圖3所示,雄樹的葉干重(LB)和葉面積(LA)均大于雌樹,且LB和LA在性別與時期間均顯著差異,不同發育階段葉綠素含量(Chl)和葉片氮含量(LNC)存在顯著差異,而比葉面積(SLA)和比葉重(LMA)在性別與時期間差異均不顯著。雄樹的Chl在坐果期和果實成熟期大于雌樹,且時期間差異顯著,雄樹的LNC在坐果期和果實成熟期高于雌樹,且在性別與時期間均顯著差異。

圖3 不同發育階段絨毛白蠟葉片生長指標Fig.3 Leaf growth indexes of F. velutina at different development stagesS1:坐果期Fruit setting stage.;S2:果實膨大期Fast-growing stage;S3:果實成熟期Fruit ripening stage;性別與時期間差異顯著(P<0.05*,P<0.001***,P>0.05ns)

表3顯示,雄樹的Pn與LB、LA、Chl、LNC呈顯著正相關(P<0.01);LB與LA、Chl呈極顯著正相關(P<0.001),與SLA則呈顯著負相關(P<0.001);LA與SLA、Chl、LNC呈顯著正相關(P<0.05)。雌樹的Pn與LB、LA、SLA、Chl、LNC呈顯著正相關(P<0.05);LB與LA呈顯著正相關(P<0.01),與SLA則呈顯著負相關(P<0.01);LA與SLA、Chl、LNC呈顯著正相關(P<0.01),Chl與LNC呈顯著正相關(P<0.05)。其他各性狀之間無顯著相關性(P>0.05)。

表3 絨毛白蠟雌雄個體凈光合速率與葉功能性狀間的Pearson相關性(n=31)Table 3 Pearson correlation between male and female leaf functional traits of F. velutina

2.3 凈光合速率與葉功能性狀間的性別分析

SMA結果顯示(表4),Pn在葉功能性狀間的標準化主軸斜率存在性別間差異,雄樹的LB斜率顯著于雌樹且大于1.0(P<0.001),LA、SLA、LNC的斜率大于雌樹且小于1.0(P<0.05),雌樹的Chl斜率顯著于雄樹且大于1.0(P<0.05)。

表4 不同性別植株凈光合速率與葉功能性狀間SMA回歸結果Table 4 Summary of standardized major axis (SMA) regression results for the components examined in both genders

圖4顯示,絨毛白蠟雌雄個體的Pn與LB、LA、SLA、Chl和LNC均呈顯著正相關(P<0.05)。結果表明隨著凈光合速率的增強,LB、LA、SLA、Chl、LNC含量在增大,其中雄樹的LB、LA、SLA、LNC斜率大于雌樹,說明雄樹隨著凈光合速率增強的LB、LA、SLA、LNC增長速度大于雌樹;雌樹的Chl斜率大于雄樹,雌樹隨著凈光合速率增強的Chl增長速度大于雄樹。

圖4 絨毛白蠟葉片凈光合速率(Pn)與葉功能性狀之間的關系Fig.4 Correlation between net photosynthetic rate (Pn) and leaf functional traits of F. velutina leaves

3 討論

研究表明不同發育期對雄樹和雌樹光合和葉片功能性狀有顯著影響。盡管交互作用對于大多數光合和性狀參數影響不顯著,但坐果期,雌樹的光合能力顯著高于雄樹。進一步分析其不同發育階段雌雄株的光合生理和特征后發現,雄樹在坐果期和果實成熟期具有更高的Pn、Gs、WUEi、Vcmax、Jmax,這與多數前人研究結果一致[29-31],雌樹在果實膨大期的Pn、Gs、WUEi、Vcmax、Jmax均大于雄樹,這與馬文寶等[32]在連香樹的研究結果一致。在坐果期間,雄樹Pn、Gs、Tr高于雌樹,可能是因為雌樹剛進行結實,將大部分資源用于繁殖過程,較少資源用于葉的光合作用過程,進而導致其光合能力低于雄樹[33-34]。進入果實膨大期,雌樹Pn、Gs、Tr高于雄樹,表明雌樹在果實成熟過程中,果實充當碳和營養匯的角色,發育中果實的強大碳匯增加了相鄰葉片的光合速率,類似的發現在其他樹種中也有研究表明[17,20,35-36]。而在果實成熟期,雌雄植株的Pn均下降,但雄樹的Pn仍大于雌樹,可能是雄樹的氣孔導度高于雌樹而導致的,有研究指出凈光合速率的降低是因為氣孔導度的下降導致的CO2供應減少[37]。按相對生長理論的碳經濟模型[38],相對生長速率是凈同化速率(NAR)和葉面積比(LAR)的乘積。而LAR是比葉面積(SLA)和葉生物量比(LMR)的乘積,NAR的主要貢獻者是光合速率(Pn)。就整個發育階段而言,雄樹和雌樹在Pn和SLA上均差異不顯著(表2,圖3)。因此宋愛云等人所觀察到的雌樹長勢較弱,抗逆性能較差[24]的原因,可能與LMR等生物量分配模式相關。Pn在性別間差異不顯著也體現在Vcmax和Jmax上,兩者共同決定了Pn[39-40]。就整個發育階段而言雄樹的Gs大于雌樹(表1),暗示雄樹對蒸騰水分散失的整體控制能力要低于雌樹。兩性之間WUEi無顯著差異,出現這種矛盾結果的原因可能是瞬時水分利用效率不能反映長期水分利用效率[20,41],因此需要用穩定性碳同位素等研究方法進一步研究。有研究表明生長速率高的樹種水分利用效率低[42]。

Cui等人發現[43],柳枝稷(PanicumvirgatumL.)在不同生育期的光合能力因葉片結構和生理調節而不同。雌雄異株植物的雌雄個體的光合能力明顯因葉功能性狀受到發育期的調節而不同,這表明隨著生長發育階段不同,葉功能性狀會發生變化,雌雄植株對環境因子的響應也會發生變化[31,44]。在不同生長發育階段,絨毛白蠟雌雄個體在葉功能性狀上差異顯著,雄樹在坐果期和果實成熟期的LB、LA、Chl、LNC含量顯著高于雌樹(圖3),雄樹表現出更強的光合能力是因為雄樹具有更大的葉片進行光資源的捕獲[18],此外,LNC在一定程度上能夠直接影響植物的光合能力[45];雌樹則在果實膨大期的Chl、LNC含量高于雄樹(圖3),進而導致雌樹在該發育階段具有較強的生長和光合能力,可能是雌樹在結果期增加更多的碳進而表現出更大的光合能力[46],可被認為是一種補償更高生殖投資的機制[33]?？梢?隨著發育階段不同,絨毛白蠟植物體內功能性物質會發生變化并存在差異。雌雄異株植物受性選擇的影響,為滿足生殖的特定需求具有不同的適應策略,造成性二態植物之間生理生態性狀出現差異[19]。

葉功能性狀與植物生物量及其對資源的獲取和利用密切相關[47],且葉功能性狀與光合作用之間的關聯性是植物長期適應環境的結果。研究SMA結果發現(圖4),LB、LA、SLA與Pn呈顯著正相關(P<0.05),這與多數研究結果一致[48-49],進一步而言,本研究結果表明在葉功能性狀與Pn之間關系上,雄樹和雌樹之間出現一定差異。有研究認為,SLA反映了物種的截光能力[50](單位資源投資的截光面積),因此SLA vs.Pn的關系表明了其光能利用效率,也就是單位質量的光合速率[51]。雄樹在SLA vs.Pn上其斜率高于雌樹,說明雄樹的光能利用率高于雌樹。葉綠素作為植物重要的光合色素,一定濃度范圍內直接決定了植物光吸收能力和光合作用能力[52]。研究發現,雌樹與雄樹的Chl vs.Pn呈顯著正相關(圖4),但斜率兩者之間差異不大,說明在光吸收率上并無性別間差異(P>0.05)。氮是植物生長的重要元素,葉片中氮含量常與葉片的光合速率呈正相關[53-54],兩者間的關系反映了光合氮素利用效率[55]。絨毛白蠟雌雄樹的LNC vs.Pn呈顯著正相關(P<0.05),雄樹的斜率大于雌樹(圖4),斜率越大植物單位葉片含氮量的光合速率越高,這表明雄樹比雌樹具有更高的光合氮素利用效率,顯然,雄樹與雌樹在生物量和氮素分配上模式并不一致,雄樹的光能利用效率和光合氮素利用效率高于雌樹,表明雌樹將更多的生物量和氮素用于非光合作用過程,這可能與其在生長-防御-繁殖的權衡關系調節相關。

不同環境中植物功能性狀的差異,反映了植物個體獲取環境資源的方式有所不同,因此植物采取的生活史策略會存在差異[56]。絨毛白蠟雌雄個體在光合特征與葉功能性狀上存在差異,在不同發育階段雌雄個體間差異顯著,可能是絨毛白蠟雌雄個體在不同發育階段的生活史策略存在差異,進而導致在不同發育階段表現出不同的光合特征與葉功能性狀差異。

4 結論

綜上所述,絨毛白蠟雌雄個體在不同發育階段的光合特征和葉功能性狀存在差異,是由于兩者的生活史策略不一樣所導致的。在坐果期和果實成熟期,雄樹表現出更高的生長和光合能力,可能是雄樹具有較大的葉片,能夠獲取較多的光合資源用于生長,雌樹則在果實膨大期表現出更高的光合能力,這可能有利于補償雌樹的生殖投入,從而維持其生長和生存能力。本文揭示了不同發育階段下性別對絨毛白蠟光合特征和葉功能性狀的影響,為進一步理解性別對性二態植物生長發育的影響機制提供理論依據。