周朝彬，譚岷山，龔 偉

(1 四川農(nóng)業(yè)大學 林學院 林業(yè)生態(tài)工程省級重點實驗室， 成都 611130；2 石河子大學 農(nóng)學院，新疆石河子 832000)

木質部由導管(管胞)、纖維、軸向薄壁組織以及射線構成，其中導管或管胞負責礦質養(yǎng)分及同化物(氨基酸、激素等)的向上軸向運輸；木射線擔負徑向輸導和貯藏養(yǎng)分的作用[1-2]。同化物經(jīng)木質部的長/短距離運輸，將光合產(chǎn)物從光合器官運輸?shù)椒枪夂掀鞴僦匈A藏或用于組織生長，對于植物生長發(fā)育及其對逆境的適應等都具有重要意義[3-4]。

已有的木質部運輸研究報道中，主要圍繞導管分子性狀與軸向運輸?shù)年P系展開[5-9]。研究明確了不同物種導管運輸中存在著運輸安全性和有效性的權衡：窄導管運輸效率低，但水力安全性高[10]；導管直徑大，有利于水分運輸，但安全性差[11]。木射線是木材橫切面上徑向排列的束狀薄壁細胞組織，木射線與導管、無穿孔管狀分子組成水分運輸聚合體，完成木質部徑向運輸[12]。在木射線的水分運輸功能方面，Zimmermann的假說為多數(shù)學者接受：即邊緣兩側的射線細胞紋孔大，參與水分運輸；中間的射線細胞紋孔小，不參與水分運輸。但上述研究結論是從具單列或多列射線的植物中得出的，對于寬射線的劃分和解釋顯然不適用[13]。目前，僅有極少數(shù)學者研究了木射線的徑向運輸。Sauter等通過測量淀粉積累速率，估算了糖在楊樹木射線中的運輸速率，并發(fā)現(xiàn)必須通過胞間連絲才能完成木射線徑向運輸[14]。

梭梭(Haloxylonammodendron)為莧科(Amaranthaceae)梭梭屬植物，主要分布在中亞和西伯利亞地區(qū)，是極具生態(tài)價值的固沙植物。在中國主要分布于寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅西部、青海北部、新疆等西北地區(qū)[15]。梭梭是一種耐鹽堿、抗旱、抗寒的固沙植物，常生于沙丘、鹽堿土荒漠、河邊沙地等處[16]，對于干旱荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維持以及生物多樣性保持等方面發(fā)揮著重要作用。根部可寄生名貴中藥肉蓯蓉(Cistanchedeserticola)，具有很高的經(jīng)濟價值[17]。目前，關于梭梭的研究主要集中在群落結構[18-19]、生理生態(tài)[20-21]、幼苗更新[22-24]和解剖結構[25-26]等方面。

許多研究證實，春季來臨時，秋季大量貯存在木射線細胞內(nèi)的淀粉通過擴散或其他機制進入導管，形成徑向運輸[27]。有(無)機養(yǎng)分分解、運輸?shù)冗M程會導致木射線細胞中養(yǎng)分物質的動態(tài)變化。換言之，通過測定木質部養(yǎng)分物質的變化可以反映木質部的徑向運輸特征。在梭梭年生長過程中，春季梭梭的萌芽開花主要利用上一年樹體內(nèi)的貯藏物質，而生長期梭梭同化枝的同化產(chǎn)物則是樹體各器官生長的主要碳水化合物來源。在年齡和季節(jié)變化中，隨著生長發(fā)育速度的加快或減緩的改變，梭梭木質部同化產(chǎn)物的徑向運輸有什么特征，目前尚不清楚。鑒于此，本研究探討不同樹齡、不同季節(jié)梭梭木質部NSC及其組分的徑向運輸速率的變化動態(tài)，分析NSC及其組分的徑向運輸速率與木射線和導管解剖結構的相關性，以便為古爾班通古特沙漠梭梭木質部解剖結構及其運輸功能研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

古爾班通古特沙漠位于N 44°15′～46°50′，E 84°50′～91°20′，是中國第二大沙漠，面積4.88萬km2，海拔300～600 m。古爾班通古特沙漠遠離海洋，為溫帶干旱荒漠氣候，年降水量70～150 mm之間。夏季酷熱，最高溫可達40 ℃以上。冬季寒冷而漫長，最低溫可至-40 ℃以下。1月平均氣溫為-15～-20 ℃。7月平均氣溫為23～26 ℃，年蒸發(fā)量2 000～2 800 mm。沙漠內(nèi)部絕大部分為固定和半固定沙丘，其面積占整個沙漠面積97%，形成中國面積最大的固定、半固定沙漠。固定沙丘上植被覆蓋度40%～50%，半固定沙丘達15%～25%。沙漠內(nèi)植物種類較豐富，可達百余種。沙漠的西部和中部以中亞荒漠植被區(qū)系的種類占優(yōu)勢，廣泛分布白梭梭(H.persicum)、梭梭、苦艾蒿(Artemisiasantolina)、白蒿(A.terraealbae)、蛇麻黃(Ephedradistachya)和多種短命植物等。

1.2 材料與取樣

2016年5、7和10月的月初及月末在149團(N 44°58′，E 86°13′)選擇較少受人為干擾樣地，選取2～4 cm、6～8 cm、10～12 cm、14～16 cm基徑范圍的成年梭梭并測量樹高和基徑。采用宋于洋等[28]的梭梭年齡估算模型，求得樹齡分別為8年生(2～4 cm)、13年生(6～8 cm)、18年生(10～12 cm)、23年生(14～16 cm)。掛牌標記后，截取直徑2～3 cm的梭梭枝條，去掉樹皮，截成長度15～20 cm的小段封袋帶回實驗室，分別進行處理：用作木質部石蠟切片觀測的材料，進行FAA固定處理后轉入70%乙醇中保存；用作非結構性碳水化合物(NSC)及其組分含量測定的材料先進行殺青(105 ℃，20 min)處理，使其體內(nèi)酶變性失活，然后80 ℃烘干，粉碎，制成分析樣品。

1.3 指標測定

1.3.1木質部解剖結構測量① 射線組織解剖觀察：將包埋材料制成長寬1 cm、厚1～3 mm左右的小塊，染色10～30 min(番紅溶液)后不需脫水，直接采用石蠟包埋。蠟塊凝固后，使用滑走切片機(MICROM HM430，German)切取弦切面和橫切面，切片厚度分別為5 μm和9～11 μm，用2種染色劑復染(蘇木精試劑，番紅試劑)。于光學顯微鏡下觀察射線高度、寬度、壁厚及導管等解剖特征(圖1)。

② 導管結構觀察：將固定液中的樣品取出用蒸餾水沖洗后，劈成火柴棍大小放入試管中，加入適量離析液(10%鉻酸液+10%硝酸液，等量混合)，使材料完全浸泡，離析約12 h，搖勻，取上清液制成臨時裝片，于光學顯微鏡下觀察導管長度、直徑等形態(tài)特征。

③ 木質部解剖結構測量：使用尼康4500數(shù)碼相機拍攝射線和導管解剖結構，WinCell木細胞成像系統(tǒng)測量射線高度、寬度、射線細胞壁厚度、導管長度以及導管直徑(各指標均重復50次)?？扇苄蕴呛偷矸酆康臏y定均用蒽酮比色法進行測定[29]，兩者含量之和為NSC。

1.3.2徑向運輸速率計算參照Sauter 等[14]方法進行。首先求得梭梭樹干密度(D，g·cm-3)，測量單位切面上射線細胞內(nèi)腔面積(A，cm2·cm-2)，然后求得可溶性糖、淀粉和NSC的月積累量(C，g·g-1·月-1，生長季節(jié)淀粉在分解，月積累量為負值，此處取絕對值)，那么，1 cm3樹干(V)中通過切面為1 cm2表面的徑向傳輸速率(radial translocation rate，RTR，g·cm-2·月-1)為：RTR=C×D÷A

其中，不同樹齡徑向運輸速率為該樹齡3個季節(jié)徑向運輸速率的平均值，不同季節(jié)徑向運輸速率為該季節(jié)4個樹齡徑向運輸速率的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。兩因素方差分析不同樹齡以及不同季節(jié)木質部導管長度、導管直徑、射線高度、射線寬度和射線細胞壁厚度、NSC、淀粉和可溶性糖運輸速率的差異顯著性(Tukey，a= 0.05)，采用Pearson(兩尾)相關性(Pearson相關系數(shù))分析4個樹齡3個季節(jié)的NSC、淀粉和可溶性糖的徑向運輸速率與射線、導管組織解剖特征間的相關性。

a．弦切面；b.橫切面圖1 梭梭木質部射線和導管解剖特征a. Tangential section; b. Cross sectionFig.1 Anatomical features of vessel and ray in H. ammodendron xylem

2 結果與分析

2.1 不同樹齡、不同季節(jié)梭梭木質部解剖結構觀察

隨著樹齡的增加，梭梭導管和射線解剖特征均表現(xiàn)出增加趨勢(表1)。不同樹齡間導管長度、射線寬度和射線細胞壁厚度差異不顯著(P>0.05)， 23年生的導管直徑顯著高于13年生和18年生(P<0.05)，23年生的射線高度顯著高于8年生(P<0.05)。不同季節(jié)梭梭木質部解剖結構表現(xiàn)出顯著差異(表2)。導管長度和導管直徑表現(xiàn)為5月最高的規(guī)律，而射線高度、射線寬度和射線細胞壁厚度則表現(xiàn)為10月最高的規(guī)律。

2.2 不同樹齡非結構性碳水化合物(NSC)及其組分的徑向運輸速率

不同樹齡對梭梭木質部NSC及其組分的徑向運輸速率有顯著影響(P<0.05，表3)，總體表現(xiàn)為NSC及其組分的徑向運輸速率隨樹齡增長呈現(xiàn)遞增的規(guī)律。13年生和18年生樹齡間的NSC、可溶性糖和淀粉的徑向運輸速率差異不顯著(P>0.05)。NSC徑向運輸速率最高為23年生的梭梭，達0.153 g·cm-2·月-1，分別比8年生、13年生和18年生高91.25%、36.61%和25.41%?？扇苄蕴菑较蜻\輸速率最高為23年生的梭梭，達0.267 g·cm-2·月-1，分別比8年生、13年生和18年生高52.57%、24.19%和17.11%。淀粉徑向運輸速率最高也為23年生的梭梭，達0.114 g·cm-2·月-1，分別比8年生、13年生和18年生高20.0%、10.68%和7.55%。

表1 不同樹齡梭梭木質部解剖結構特征

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤，不同樹齡解剖結構為該樹齡3個季節(jié)解剖結構的平均值；不同字母表示同一指標不同樹齡間差異顯著(P<0.05)

Note: Data are mean ± SE, the anatomical structures of different tree ages are the average anatomical structure of the three season in the same tree age. Different letters indicate a significant difference among different tree ages at the level of 0.05

表2 不同季節(jié)梭梭木質部解剖結構特征

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤，不同季節(jié)木質部解剖結構為該季節(jié)4個樹齡解剖結構的平均值；不同字母表示同一指標不同季節(jié)間差異顯著(P<0.05)

Note: Data are mean ± SE, the anatomical structures of different seasons are the average anatomical structure of the four tree ages in the same season. Different letters indicate a significant difference among different seasons at the level of 0.05

2.3 不同季節(jié)NSC及其組分的徑向運輸速率

在不同季節(jié)中NSC及其組分的徑向運輸速率差異顯著(P<0.05，表4)。5月和10月的梭梭木質部NSC徑向運輸速率間差異不顯著(P>0.05)，7月梭梭木質部NSC徑向運輸速率顯著低于5月和10月(P<0.05)。可溶性糖徑向運輸速率表現(xiàn)為5月最高、10月次之、7月最低的規(guī)律，且不同月之間差異顯著(P<0.05)。從5月到10月，淀粉徑向運輸速率呈遞減規(guī)律，5月份徑向運輸速率最高(0.138 5 g·cm-2·月-1)，10月最低(0.082 g·cm-2·月-1)，且不同季節(jié)之間的差異顯著(P<0.05)。

2.4 NSC及其組分徑向運輸速率與射線及導管解剖結構的相關性

對梭梭木質部可溶性糖、淀粉和NSC的徑向運輸速率與導管長度、導管直徑、射線高度、射線寬度和射線細胞壁厚度間進行相關性分析(表5)，結果表明，可溶性糖徑向運輸速率與導管長度呈顯著正相關(P<0.05)，與導管直徑和射線高度呈極顯著正相關(P<0.01)；淀粉徑向運輸速率與導管長度、導管直徑間呈極顯著正相關(P<0.01)，與射線寬度和射線細胞壁厚度呈顯著負相關(P<0.05)；NSC徑向運輸速率與導管直徑、射線高度間呈極顯著正相關(P<0.01)。

表3 不同樹齡梭梭可溶性糖、淀粉和NSC的徑向運輸速率

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤，不同樹齡徑向運輸速率為該樹齡3個季節(jié)徑向運輸速率的平均值；不同字母表示同一指標不同樹齡間差異顯著(P<0.05)

Note: Data are mean ± SE, the radial transport rates of different tree ages are the average radial transport rates of the three seasons in the same tree age. Different letters indicate a significant difference among different tree ages at the level of 0.05

表4 不同季節(jié)梭梭NSC及其組分徑向運輸速率

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤，不同季節(jié)徑向運輸速率為該季節(jié)4個樹齡徑向運輸速率的平均值；不同字母表示同一指標不同季節(jié)間差異顯著(P≤0.05)

Note: Data are mean ± SE, the radial transport rates of different seasons are the average radial transport rates of the four tree ages in the same season. Different letters indicate a significant difference among different seasons at the level of 0.05

表5 NSC及其組分的徑向運輸速率與射線和導管解剖結構的相關性

注：**表示在 0.01 水平(雙側)顯著相關；*表示在 0.05 水平(雙側)顯著相關

Note :** indicate a significant correlation at the level of 0.01 (bilateral); * indicates a significant correlation at the 0.05 level (bilateral)

3 討 論

3.1 梭梭木質部NSC及其組分徑向運輸速率特征

本研究表明梭梭木質部可溶性糖、淀粉以及NSC的徑向運輸速率均隨樹齡增長而增大(P<0.01)。這可能是隨著樹齡的增加，有機物合成、梭梭生長所需的有機無機養(yǎng)分、水分等也在不斷增加的緣故。已有的研究表明，梭梭個體的生命周期中，從幼年期、成年期到衰老期，隨著樹齡的增加，新梢生長量發(fā)生顯著變化[30]。當新梢生長量明顯減少且出現(xiàn)枯枝時，表明梭梭開始從成年期過渡到衰老期，此時林分生長狀況變差。對民勤綠洲人工梭梭林生長狀況的研究表明，26～31a生梭梭林新梢生長量明顯減少，生長狀況差[30]。表明26a時梭梭從成年期開始進入衰老期。在本研究中，23a生時梭梭NSC及其組分的徑向運輸速率顯著高于其他齡級(P<0.05)，表明在古爾班通古特沙漠中，23a生梭梭仍處于成年期，梭梭個體仍能保持良好的新梢生長和光合同化能力，合成大量NSC并運輸?shù)礁髌鞴儆糜谥仓陚€體生長發(fā)育。這與王繼和等[30]的研究結果一致。至于古爾班通古特沙漠中梭梭何時從成年期開始進入衰老期，還有待進一步研究。

從不同季節(jié)梭梭可溶性糖、淀粉和NSC徑向運輸速率研究結果中發(fā)現(xiàn)，5月的NSC及其組分的徑向運輸速率最高(P<0.01)。這是由于梭梭在年生長動態(tài)中，春季(5月)水熱條件好，3月中旬梭梭開始萌動，4月上旬芽大部分開放、開花，5月份同化枝進入迅速生長期。隨后由于夏季高溫、干旱、強光等原因梭梭進入胚胎休眠和夏休眠期，同化枝減緩生長以適應惡劣環(huán)境。秋季環(huán)境條件改善后，梭梭完成結實和種子成熟，同化枝開始脫落，隨后進入冬季休眠[31]。5月梭梭萌芽、展葉開花時期需要大量的NSC等能量物質，這些有機物質主要來源于上一年樹體內(nèi)的貯藏物質。5月的NSC及其組分的徑向運輸速率最高表明此時梭梭生長發(fā)育旺盛，同化枝生長、開花結實以及根系生長需要消耗大量的有機物質。有研究表明，7月梭梭同化枝光合速率高于10月[32]，依此推理7月的NSC運輸速率應該高于10月。然而，本研究表明NSC和可溶性糖的徑向運輸速率均表現(xiàn)出10月高于7月的規(guī)律。在古爾班通古特沙漠中，7月由于沙漠氣溫高、降水少、蒸發(fā)蒸騰強烈等不利因素導致梭梭生理水分虧缺，梭梭通過同化枝脫落方式以適應惡劣環(huán)境[33]；推測此時由于同化枝的部分脫落導致同化產(chǎn)物的合成總量可能并不高。然而，9 月下旬隨著氣溫日趨平穩(wěn)，梭梭進入結實盛期[33]，10月梭梭營養(yǎng)生長基本停止，開始積累營養(yǎng)物質進入休眠期。此季節(jié)梭梭種子的成熟需要大量的營養(yǎng)物質供應，推測此時的徑向運輸速率反而較高。

3.2 NSC及其組分徑向運輸速率與木質部解剖結構關系

在木質部中，導管作為軸向運輸系統(tǒng)，與徑向運輸系統(tǒng)的射線構建成一個完整的運輸體系，負責植株體內(nèi)的養(yǎng)分、水分以及激素的運輸。一般說來，導管直徑越大、射線越高，運輸能力越強[34-35]。本研究發(fā)現(xiàn)，梭梭NSC、可溶性糖以及淀粉的徑向運輸速率均與木質部導管直徑呈顯著相關(P<0.01)，表明較大的導管直徑更有利于物質運輸。然而，射線高度僅與可溶性糖和NSC的徑向運輸速率顯著相關(P<0.01)，與淀粉的徑向運輸速率間相關性不顯著(P>0.05)，這是否由于淀粉分子大不能在細胞間自由移動[36]引起，還是存在其他原因，還需要進一步研究。導管長度與可溶性糖和淀粉的徑向運輸速率分別呈顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)正相關，推測可能是由于導管分子越長，在一定運輸距離內(nèi)，可減少導管分子間通過穿孔板連接的頻率，進而提高運輸效率。

4 結 論

(1)隨著樹齡的增加，梭梭導管和射線解剖特征均表現(xiàn)出增加趨勢。導管長度和導管直徑表現(xiàn)為5月份最高的規(guī)律，而射線高度、射線寬度和射線細胞壁厚度則表現(xiàn)為10月份最高的規(guī)律。

(2)梭梭木質部NSC、可溶性糖和淀粉的徑向運輸速率隨樹齡增長呈不斷增大的規(guī)律。13年生和18年生樹齡間的NSC、可溶性糖和淀粉的徑向運輸速率差異不顯著(P>0.05)。

(3)5和10月份的梭梭木質部NSC徑向運輸速率顯著高于7月份(P<0.05)。可溶性糖徑向運輸速率表現(xiàn)為5月份最高、7月份最低的規(guī)律(P<0.05)。從5月到10月，淀粉徑向運輸速率呈遞減規(guī)律，且不同季節(jié)之間的差異顯著(P<0.05)。

(4)可溶性糖徑向運輸速率與導管長度(P<0.05)、導管直徑和射線高度呈顯著正相關(P<0.01)；淀粉徑向運輸速率與導管長度、導管直徑間呈極顯著正相關(P<0.01)，與射線寬度和射線細胞壁厚度呈顯著負相關(P<0.05)；NSC徑向運輸速率與導管直徑、射線高度間呈極顯著正相關(P<0.01)。