茍蓉, 游明鴻, 白史且, 劉金平*, 曾曉琳

1. 西華師范大學(xué)西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637009；

2. 四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611731

雌雄異株植物受性別分株影響，維持種群穩(wěn)定性的能力較弱[1]，雌雄個(gè)體對(duì)生境脅迫的適應(yīng)和抵抗能力，決定著個(gè)體存活、種群特征、物種延續(xù)及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。諸多研究說(shuō)明，雌雄個(gè)體對(duì)干旱、養(yǎng)分缺乏、重金屬及鹽脅迫等環(huán)境脅迫，表現(xiàn)出顯著的抗性性別差異[2-5]。多數(shù)雌雄異株植物開(kāi)花之前很難分辨性別，依株高、葉型、葉色等外部形態(tài)辨別的準(zhǔn)確度不高，依易受環(huán)境因素及植物發(fā)育狀況影響的生理指標(biāo)鑒定的可靠性較差[6,7]，依染色體組型和同工酶鑒定的局限性明顯[8,9]，依特異蛋白質(zhì)和分子標(biāo)記鑒定的可信度高，但鑒定程序復(fù)雜、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，難以大范圍推廣，故目前關(guān)于雌雄異株植物抗性研究多是在成年植株上完成。幼苗是生活史中最敏感、最脆弱階段，幼苗對(duì)生境脅迫的適應(yīng)性及抗性性別差異，對(duì)種群密度、年齡結(jié)構(gòu)、性比、出生率和死亡率及空間格局等種群特征影響深遠(yuǎn)。故開(kāi)展幼苗抗性研究，對(duì)雌雄異株植物個(gè)體發(fā)育、種群形成研究及瀕危度評(píng)價(jià)有指導(dǎo)價(jià)值，對(duì)該類(lèi)植物保護(hù)、開(kāi)發(fā)和利用有重要意義。

構(gòu) 樹(shù)（Broussonetia papyrifera） 為 桑 科（Moraceae）構(gòu)樹(shù)屬（Broussonetia）雌雄異株植物，具有材用、飼用、藥用、食用等開(kāi)發(fā)價(jià)值。關(guān)于其形態(tài)特征、群落分布、化學(xué)成分、飼用及藥用價(jià)值[10-13]，及脅迫下的適應(yīng)性和抗性已進(jìn)行了大量研究[14-18]，但諸多研究未區(qū)分雌雄株進(jìn)行，未關(guān)注雌雄個(gè)體生長(zhǎng)、生理、生殖及抗性等方面的性別差異。遺傳特性、生理特化、環(huán)境因子及生殖成本共同作用，導(dǎo)致了雌雄個(gè)體適應(yīng)性和抗逆性差異[3,5]。通過(guò)葉片特征[19]和同工酶[20]分析，初步表明雌雄構(gòu)樹(shù)形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理代謝有差異，關(guān)于其生長(zhǎng)、生理、生殖及抗性基礎(chǔ)的性別差異研究極少。光合作用是決定植物生產(chǎn)性能和抵御能力的物質(zhì)與能量根本來(lái)源，干旱是植物幼苗期最易遭受的生境脅迫，幼苗光合作用對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)速度和應(yīng)對(duì)策略，對(duì)植株存活與否、生長(zhǎng)速度及抗性強(qiáng)弱起決定性作用。

干旱對(duì)光合作用的影響，體現(xiàn)在光合葉面積、光合色素、光合參數(shù)及同化效益等方面。本研究以構(gòu)樹(shù)雌雄扦插幼苗為材料，經(jīng)60 d 干旱處理后，通過(guò)測(cè)定葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉厚、葉面積等葉性狀，測(cè)定Chla、Chlb 和 Caro 等色素含量，及Pn、Gs、Tr、Ci等光合參數(shù)，分析干旱下雌雄株光合葉面積、光合色素組成及光合速率變化規(guī)律，研究干旱脅迫對(duì)構(gòu)樹(shù)幼苗光合能力影響的性別差異。以期為構(gòu)樹(shù)品種選育、栽培養(yǎng)護(hù)、開(kāi)發(fā)利用及資源保護(hù)提供依據(jù)，為雌雄異株植物的開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

于2019 年4 月，在上年標(biāo)記性別的中齡雌雄構(gòu)樹(shù)上，剪取半木質(zhì)化枝條，選取長(zhǎng)3±0.2 cm，粗0.5±0.1 cm，含1 芽、芽距兩端各約1.5 cm、重量0.65±0.01 g 的插穗，生根劑處理后，扦插于以沙土:紫色土：腐殖土1∶1∶1 為基質(zhì)，高40 cm、口徑30 cm 塑料花盆中。每盆同性別扦插5 株，雌雄各12 盆，置相對(duì)濕度60%、光照16 h·d?1、28 ℃的培養(yǎng)箱，期間保持土壤濕潤(rùn)，育苗培養(yǎng)40 d 后，移出培養(yǎng)箱。

在室溫自然蒸發(fā)下，以1 018 mL·盆?1(飽和持水量)澆水48 h、72 h、144 h 和192 h 后，測(cè)得土壤水分(土壤含水量測(cè)定儀TDR300)為飽和含水量的62.15%、48.33%、32.62%和21.89%，為水分充足(CK)、輕度干旱、中度干旱、重度干旱4 個(gè)水分梯度。每性別隨機(jī)3 盆為1 組，分為4 組。分別進(jìn)行干旱處理。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

葉的形狀：每組隨機(jī)選擇9 株，測(cè)葉片數(shù)，自上而下測(cè)第3 葉片的葉長(zhǎng)、葉寬、葉厚(YH-1 型葉厚儀)、單葉面積(YMJ-C 型葉面積測(cè)定儀)和株總?cè)~面積。

葉綠素含量采用乙醇丙酮混合提取法[21]。用LI-6400 便攜式光合儀，光照強(qiáng)度1300lx 下測(cè)現(xiàn)實(shí)光合參數(shù)，在有效輻射為850 μmol·m?2·s?1（光響應(yīng)曲線表明該光照下Pn 最大）的內(nèi)置光源下測(cè)潛在光合速率，于第3 葉片中部隨機(jī)3 點(diǎn)連續(xù)采集3 個(gè)值。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理與處理

用SPSS 19.0 軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并用Duncan 法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（SNK 檢驗(yàn)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對(duì)葉性狀影響的性別差異

干旱顯著影響幼苗的葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉厚、單葉面積和總?cè)~面積(P＜0.05)(見(jiàn)表1)。與水分充足(CK)比較，輕度干旱顯著降低葉長(zhǎng)和總?cè)~面積，中度干旱顯著降低葉寬、單葉面積而增加葉厚，重度干旱則顯著降低葉數(shù)(P＜0.05)，使重度干旱下葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、單葉面積與總?cè)~面積顯著低于其他處理(P＜0.05)，而葉厚最厚。4 個(gè)水分下，雌株葉長(zhǎng)與葉厚大于雄株，葉數(shù)和總?cè)~面積小于雄株(P＜0.05)，而葉寬和單葉面積無(wú)性別差異。

方差分析F值表明，干旱度間葉性狀差異大于性別間 (見(jiàn)表2)，干旱影響大小為葉長(zhǎng)＞總?cè)~面積＞單葉面積＞葉寬＞葉厚＞葉數(shù)；性別影響大小為葉長(zhǎng)＞葉數(shù)＞總?cè)~面積＞葉厚＞葉寬＞單葉面積。干旱脅迫使葉長(zhǎng)和葉寬、單葉面積和總?cè)~面積表現(xiàn)出極顯著性別差異(P＜0.01)，使葉數(shù)和葉厚表現(xiàn)出顯著性別差異(P＜0.05)。雌株主要通過(guò)降低葉數(shù)、增加葉厚應(yīng)對(duì)干旱，雄株主要通過(guò)降低葉長(zhǎng)與單葉面積應(yīng)對(duì)干旱，干旱度越嚴(yán)重雄株光合總?cè)~面積越顯著大于雌株。

2.2 干旱對(duì)光合色素影響的性別差異

干旱對(duì)Chla、Chlb、Caro、Chla+b 和Chla/b 均有顯著影響(P＜0.05)(見(jiàn)表3)。3 個(gè)干旱處理Chla、Chla+b 和Chla/b 顯著大于水分充足(CK)，輕度干旱下Chlb 達(dá)最大值，中度干旱下Chla 和Chla+b 達(dá)最大值，重度干旱下Caro 和Chla/b 達(dá)最大值。Chla、Chlb、Chla+b 隨干旱度增大顯著先增后降，Caro 和和Chla/b 隨干旱度增大不斷增加。輕、中度干旱間Chlb 無(wú)顯著差異，中重度干旱間Caro 和Chla/b 無(wú)顯著差異(P＞0.05)。4 個(gè)水分下，雌株Chla 和Chla+b大于雄株(P＜0.05)，而Chlb、Caro 和Chla/b 無(wú)性別差異(P＞0.05)。

表 1 干旱對(duì)葉性狀影響的SNK 檢驗(yàn)Tab. 1 SNK test of leaf traits under different drought degrees

表 2 葉性狀差異的雙因素方差分析Tab. 2 Two-factor variance analysis about differences of leaf traits

表 3 干旱對(duì)光合色素含量影響的SNK 檢驗(yàn)Tab. 3 SNK test of photosynthetic pigment content under different drought degrees

方差分析F值表明，干旱度間光合色素差異大于性別間 (見(jiàn)表4)，干旱對(duì)色素影響大小為Caro＞Chla+b＞Chla＞Chlb＞Chla/b，性別對(duì)色素影響為Chla＞Chla+b＞Chlb＞Chla/b＞Caro。干旱脅迫極顯著改變了Chla、Caro 和Chla+b 的性別差異(P＜0.01)，顯著改變了Chlb 和Chla/b 的性別差異(P＜0.05)。干旱度越重雄株Chla 和Chla+b 越大于雌株，而Caro 越小于雌株。干旱是影響色素含量的主要因子，雌雄株均通過(guò)提高Caro 和Chla/b 應(yīng)對(duì)干旱。

2.3 干旱對(duì)光合參數(shù)的性別差異

干 旱 對(duì)Pn、Gs、Tr、Ci和PPn有均顯著影響(P＜0.05)(見(jiàn)表5)。輕度干旱Pn、Gs、Tr、Ci均大于CK(P＜0.05)，中度干旱Tr 和Ci 達(dá)最大值 而Pn和Gs低于輕度干旱，重度干旱Pn、Gs、Tr、Ci均低于中度干旱(P＜0.05)。輕中度干旱對(duì)PPn無(wú)影響，重度干旱下PPn下降(P＜0.05)。4 個(gè)水分下，雄株P(guān)n、Gs、Tr、Ci均大于雌株，而PPn小于雌株。輕度干旱利于Pn和Gs，中度干旱利于Tr和Ci，重度干旱造成光合系統(tǒng)破壞使Pn和PPn最低。

表 4 光合色素含量差異的雙因子方差分析Tab. 4 Two-factor variance analysis about differences of photosynthetic pigment content

表 5 干旱對(duì)光合參數(shù)影響的SNK 檢驗(yàn)Tab. 5 SNK test of photosynthetic parameters under different drought degrees

方差分析F值表明，干旱度間光合參數(shù)差異大于性別間 (見(jiàn)表6)，干旱對(duì)色素參數(shù)影響大小為T(mén)r＞Pn＞Gs＞Ci＞ PPn，性別影響為Pn＞Ci＞PPn＞Gs＞Tr。干旱脅迫極顯著增大或縮小了Pn、Gs、Tr、Ci的性別差異，顯著縮小了PPn的性別差異。干旱與性別互作極顯著影響Pn和Tr，顯著影響Ci。

3 討論與結(jié)論

諸多研究表明，植物通過(guò)降低葉片位置、減少葉片數(shù)和葉面積、停止或延緩分蘗數(shù)、縮短節(jié)間長(zhǎng)和莖長(zhǎng)、增加根長(zhǎng)和根數(shù)等構(gòu)件調(diào)節(jié)方式應(yīng)對(duì)干旱[22-24]，本試驗(yàn)中構(gòu)樹(shù)雌雄幼苗均通過(guò)降低株高、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、單葉面積和總?cè)~面積，增加葉厚、莖粗和根長(zhǎng)應(yīng)對(duì)干旱脅迫，與其他植物研究結(jié)果相似。干旱下葉性狀變化表現(xiàn)出顯著性別差異，雌株通過(guò)降低葉片數(shù)，雄株通過(guò)縮小葉長(zhǎng)、葉寬及葉面積應(yīng)對(duì)干旱，雖雌雄株葉性狀適應(yīng)策略不同，結(jié)果都減少總?cè)~面積來(lái)抑制蒸騰水分消耗作用。雄株葉片表皮厚度、柵欄組織厚度、主脈維管束木質(zhì)部厚度及維管束厚度均顯著大于雌株葉片[25]，與本研究雄株葉片厚度大于雌株一致。雄株葉片結(jié)構(gòu)使其具有更高的水分儲(chǔ)存能力和更強(qiáng)的水分輸送能力，故干旱下雄株比雌株保留了更多的總?cè)~面積，使其光合葉面積優(yōu)于雌株。干旱影響分生組織和幼嫩組織發(fā)育，葉面積減少是應(yīng)答缺水早期的表現(xiàn)，同時(shí)幼葉向老葉吸水，加速老葉枯萎死亡[26]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱下雌株單葉面積未減少而老葉衰老，雄株單葉面積縮小而老葉健康，表明在老葉與新葉水分整合也有性別差異。

構(gòu)樹(shù)常通過(guò)缺刻數(shù)、缺刻裂度和表面絨毛密度，形成與生境相適應(yīng)的光合葉面積。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，種群間、個(gè)體間、枝條間及葉片位置間，缺刻數(shù)和缺刻裂度有明顯差異。缺刻不受性別影響，且與植株或枝條年齡無(wú)關(guān)，干旱生境下幼苗常有淺裂出現(xiàn)。本試驗(yàn)在光照柔和、空氣濕度相對(duì)穩(wěn)定的室內(nèi)完成，幼苗葉片均無(wú)缺刻出現(xiàn)。缺刻由不完全顯性基因控制[27]，或葉片分化時(shí)遭遇的空氣濕度和光照強(qiáng)度，是引起葉片缺刻性狀差異的主要原因。缺刻不僅減少單葉面積，改變?nèi)~片水分運(yùn)輸、散失與利用效率，同時(shí)可提高樹(shù)冠透光率與空氣流通性，從而影響整株的光合能力。探究葉片缺刻的遺傳基礎(chǔ)及生境影響機(jī)理，對(duì)認(rèn)知構(gòu)樹(shù)光合葉面積調(diào)節(jié)能力具有重要意義。

植物常依據(jù)生境條件，改變吸收和傳遞光量子的光合色素含量和比例，維持正常光合所需，同時(shí)防止過(guò)剩光能的過(guò)量積累[28]。干旱脅迫下光合色素變化可反映植物對(duì)干旱的敏感度和抵御干旱的能力[29]。諸多研究表明，干旱脅迫使葉綠素合成受阻，降解加快，導(dǎo)致隨干旱度加重葉綠素含量迅速下降[30-31]，其中Chla/b 對(duì)干旱更為敏感降低更快[32]。本試驗(yàn)中，輕中度干旱Chla、Chlb、Chla+b 含量顯著增加，重度干旱雖降低葉綠素含量，但Chla 和Chla+b 含量大于水分充足時(shí)，其中Chla 比Chlb 更易受干旱影響。Chla/b 隨干旱增加而顯著增加，表明構(gòu)樹(shù)為抗旱能力較強(qiáng)的陽(yáng)生樹(shù)種。Caro 具有保護(hù)葉綠素及抗氧化和延緩衰老的作用，常把Caro 增加當(dāng)作植物受傷或衰老的表現(xiàn)，干旱下Caro 與葉綠素含量并線性增減，或許Caro 具有更多未知功能。雌雄株均通過(guò)提高Caro 和Chla/b 應(yīng)對(duì)干旱，但干旱越嚴(yán)重雌株Chla 和Chla+b 含量越大于雄株，說(shuō)明雌株吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的色素基礎(chǔ)強(qiáng)于雄株。

短期或輕度干旱使植物葉片水勢(shì)降低、氣孔關(guān)閉、降低CO2攝取量使光合作用降低[33]，構(gòu)樹(shù)幼苗在輕度干旱下Pn、Gs、Tr和Ci均顯著大于CK，或因葉面積縮小使葉綠體密度和光合色素含量增加，或因輕微水勢(shì)降低激活了光合相關(guān)酶的活性所致。植物通過(guò)關(guān)閉氣孔或降低光合器官活性應(yīng)對(duì)干旱[34]，中度干旱顯著降低了Gs，雖顯著增加了葉綠素含量和Ci，因系統(tǒng)活性降低先抑制了Pn。嚴(yán)重干旱導(dǎo)致光合色素分解，影響光能吸收和轉(zhuǎn)化效率等[35]，對(duì)幼苗光合系統(tǒng)造成不可逆的傷害，致使光合參數(shù)顯著降低。有研究認(rèn)為，雌雄異株植物光合指標(biāo)在水分充足時(shí)無(wú)性別差異，但也有研究證明雌雄異株植物光合指標(biāo)一直存在性別差異[3]。構(gòu)樹(shù)幼苗光合面積、光合色素和光合參數(shù)表現(xiàn)出顯著的性別差異，雌株Chla 與Chla+b 大于雄株，干旱使Chlb無(wú)性別差異的降低，使雌株Chla/b 增大而影響電子傳遞效率，故雌株P(guān)n小于雄株。本試驗(yàn)4 個(gè)干旱條件下，雌株光合色素含量大于雄株，而Pn均小于雄株，但PPn則大于雄株。僅因光源不同使雌雄株P(guān)n和PPn表現(xiàn)大相徑庭，是雌雄株光響應(yīng)能力、光飽和點(diǎn)和表觀量子數(shù)存在性別差異，還是因水分利用率性別差異，導(dǎo)致Pn和PPn呈相反表現(xiàn)，有待于深入研究。

表 6 光合參數(shù)差異的雙因子方差分析Tab. 6 Two-factor variance analysis about differences of photosynthetic parameters