脱落酸对中国沙棘克隆生长调控机制的研究

吉生丽 聂恺宏 邹 旭 刘春红 高海银 李根前

(1. 西南林业大学林学院，云南 昆明 650224；2. 定边县林业工作站，陕西 榆林 718600)

中国沙棘 (Hippophaerhamnoidesssp.sinensis) 是我国北方旱区的主要造林树种，也是优良的多用途树种和典型的根出条型克隆植物。其侧根 (也称水平根) 水平延伸能力极强，并在延伸过程中产生大量萌蘖植株，这一过程为其克隆生长[1-6]。在不同环境资源水平或异质性条件下，中国沙棘可通过克隆子株大小、数量多少以及侧根延伸和分枝能力的调节形成与之相适应的克隆生长格局，这一过程为其克隆生长调节[3-8]。目前，有关中国沙棘克隆生长调节的研究集中于外在机制，如克隆生长对水分、养分、光照的响应规律及其生态适应意义[9-13]。关于克隆生长调节的内在机制，陈尚曾提出了激素假说。该假说认为：生长素、细胞分裂素分别对植物顶端分生组织和侧生分生组织的活动强度具有调节作用，而且这两种激素比值调控植物克隆生长格局[14]。李甜江的田间试验进一步证实，外源生长素、细胞分裂素用量及其比值对中国沙棘分株生长和子株数量具有显著的调控作用[13]。然而，对主产旱区的中国沙棘而言，脱落酸对提高抵抗逆境胁迫具有重要的作用[15-21]。那么，脱落酸对克隆生长又有什么样的影响，为探讨这一问题，本研究通过灌水强度调节形成土壤水分梯度，分析克隆生长参数 (分株大小、子株数量以及侧根延伸距离和分枝强度)、脱落酸含量及其比值对灌水强度的响应规律，以及脱落酸含量、比值与克隆生长格局参数的因果关系，探讨脱落酸在克隆生长调节过程中的作用规律。

1 试验地概况

试验地设在陕西省定边县，位于毛乌素沙地南缘，地处东经107°15′～108°22′、北纬36°49′～37°53′。该地属于温带半干旱大陆性季风气候，四季分明、光照充足、干旱缺水、风沙肆虐；年平均气温7.9 ℃，最高温37.7 ℃、最低温-29.4 ℃；年均降水量316 mm，且多集中在7—9月，年蒸发量2 490 mm；地形起伏不平、沙丘连绵，海拔1 303～1 907 m；地带性植被为干草原、荒漠草原，区系成分包括旱生、耐盐植物和草甸植物；土壤以风沙土和盐碱土为主，缺磷少氮且水肥保持性差，是陕西省风沙危害和水土流失最严重的地区。

2 材料与方法

2.1 试验设计

试验采用单因素回归设计，在流量相同下通过灌水时间调节形成土壤水分梯度。根据预备试验结果[10]，设置3个灌水处理，分别为试验区年均降水量的3、6、9倍，以不灌水作为对照，包含了干旱胁迫、水分适宜以及水分过多的整个变化过程。5—8月份每间隔5 d灌水1次，即灌水时间为每月的5日、10日、15日、25日和30日。田间布设采用随机排列法，小区面积为3 m × 10 m，重复3次共12个小区。其中，小区与小区之间垄宽0.5 m、高0.3 m，在垄中央深埋1 m的油毛毡和厚塑料膜隔离以防止渗水。每个小区栽植长势一致1 a实生苗30株，株行距为1.0 m × 1.5 m，并在每个重复的两侧设有保护行。

2.2 田间调查

克隆生长能力以分株大小表示，采用 “每木检尺” 法测定，即逐株测定树高、地径、冠幅生长量；克隆繁殖能力以克隆子株数量表示，采用 “个体计数” 法，即逐一小区统计个体数量；克隆扩散能力以水平根的延伸距离和分枝强度表示，采用 “跟踪挖掘” 法，即从母株标准木的某一个一级水平根 (源自母株) 开始，通过跟踪挖掘逐步将与之联结的二级水平根 (源于一级水平根)、三级水平根 (源于二级水平根) 等全部挖出，测定各级水平根粗度、长度、条数以及分枝级数，直到将小区的地下联结构件全部挖出并完成相应的测定。

2.3 激素测定

根据预备测试结果，灌水8 h后采集每个小区平均标准木东、南、西、北4个方向树冠中部的幼嫩叶片作为样品，用锡箔纸包好并在其正反面做好标记后迅速放入液氮罐中冷冻保存，带回实验室用酶联免疫法 (酶联免疫分光光度计：MULTI-SKAN MK3, Thermo；试剂盒：CSB-E0915PI) 测定内源激素ABA、IAA、GA3、ZR含量。

3 结果与分析

3.1 克隆生长对灌水强度的响应

由表1、图1可知：随着灌水强度 (x) 的增大，克隆生长参数 (y) 分株树高、地径、冠幅生长量、子株数量以及一级水平根长度、粗度、条数和水平根总条数均呈下开口抛物线变化，方程拐点即为相应参数最大时的最佳灌水强度。小于最佳灌水强度，克隆生长参数随着灌水强度的增大而上升；等于最佳灌水强度，克隆生长参数最大；大于最佳灌水强度，克隆生长参数随灌水强度的增大而下降。由此表明：随着灌水强度的增大，分株生长、克隆繁殖、克隆扩散能力呈现 “小—大—小” 的连续变化过程。

3.2 脱落酸含量及其比值对灌水强度的响应

由表2可知：对照 (不灌水) 的ABA含量及其与IAA、GA3、ZR比值最高，3倍和9倍灌水次之，6倍灌水的最低，它们之间存在显著差异。由图2可知：随着灌水强度的增大，ABA含量及其与IAA、GA3、ZR的比值呈上开口抛物线变化即先降后升，方程拐点即为ABA含量及其比值最小时的最佳灌水强度。小于最佳灌水强度，ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR比值随着灌水强度的增大而下降；等于最佳灌水强度，ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR的比值最小；大于最佳灌水强度，ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR的比值随灌水强度的增大而上升。由此表明：随着灌水强度的增大，ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR比值呈现 “高—低—高” 的连续变化过程。

表1 克隆生长参数与灌水强度的回归关系Table 1 Regressions between clonal growth parameters and irrigation intensity

图1克隆生长参数与灌水强度的回归关系
Fig.1 Regressions between clonal growth parameters and irrigation intensity

表2 灌水强度对ABA的影响Table 2 Effects of irrigation intensity on ABA

注：字母不同表示差异在P< 0.05的水平显著。

3.3 克隆生长对脱落酸含量及比值的响应

3.3.1分株生长对脱落酸含量及比值的响应

由表3可知：分株树高、地径、冠幅生长量与ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR比值呈极显著负相关，说明分株体型随着ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR比值的增大而变小。另一方面，树高、地径、冠幅生长量之间呈极显著正相关，ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR的比值之间呈极显著正相关，说明它们之间具有协同效应。

图2ABA与灌水强度的回归分析
Fig.2 Regression analysis of ABA ratio and irrigation

表3 生长量与ABA的相关性分析Table 3 Correlative analysis of growth and ABA

注：**表示P< 0.01。

3.3.2克隆繁殖与克隆扩散对脱落酸含量及比值的响应

由表4可知：子株数量以及一级水平根长度、粗度、条数和水平根总条数与ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR比值呈极显著负相关，说明克隆繁殖、克隆扩散能力随着ABA含量以及ABA与IAA、GA3、ZR比值的增大而下降。另一方面，子株数量以及一级水平根长度、粗度、条数和水平根总条数之间呈极显著正相关，说明它们之间具有协同效应。

表4 克隆繁殖能力与ABA的相关性分析Table 4 Correlation analysis between clonal reproductive ability and ABA

注：**表示P< 0.01。

4 结论与讨论

本研究显示：随着灌水强度的增大，分株生长、克隆繁殖 (子株数量)、克隆扩散能力 (侧根延伸距离和分枝强度) 呈下开口抛物线变化即先升后降，而ABA含量以及ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR呈上开口抛物线变化即先降后升，两者变化趋势恰好相反。进一步分析表明：分株生长、克隆繁殖、克隆扩散能力与ABA含量以及ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR呈极显著负相关。而且，分株生长、克隆繁殖、克隆扩散不同指标之间具有协同效应，ABA含量与ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR之间具有协同效应。灌水强度过小，ABA含量及其比值高，克隆生长潜力受到抑制，种群以分株小、数量少 (分布稀疏)、扩散能力弱为特征，克隆生长格局倾向于 “游击型”；灌水强度适宜，ABA含量及其比值低，克隆生长潜力得以充分发挥，种群以分株大、数量多 (分布密集)、扩散能力强为特征，克隆生长格局倾向于 “聚集型”；灌水强度过大，ABA含量及其比值增大，克隆生长潜力受抑制，种群以分株小、数量少 (分布稀疏)、扩散能力弱为特征，克隆生长格局又倾向于 “游击型”。因此，随着灌水强度 “过小—适宜—过大” 的连续变化，分株生长、克隆繁殖、克隆扩散能力呈 “小—大—小” 的连续变化过程，而ABA含量及其与IAA、GA3、ZR比值呈 “高—低—高” 的连续变化过程，中国沙棘通过ABA含量及其比值制约的克隆生长调节形成与灌水强度相适应的生态对策连续体 “游击型-聚集型-游击型”。由此可见：灌水强度诱导ABA含量以及ABA/IAA、ABA/GA3、ABA/ZR发生改变，激素特征的改变决定分株生长、克隆繁殖、克隆扩散能力等克隆生长格局参数，从而形成与环境水资源水平相适应的克隆生长格局。

究其原因：植物生长发育是一个复杂的过程，它既受遗传因素的控制，又受植物激素的调节。虽然人们目前认为基因在调控植物生长发育的各个方面起着首要作用，但植物发育路径受激素调控的思想无需置疑，原因在于激素水平响应基因转录的变化而改变或者激素本身就是基因转录的调控因子[21]。因此，激素在植物生长发育调控过程中起着关键作用和纽带作用，它将基因表达、生理响应、生态适应等环节联系起来。以水分胁迫下的中国沙棘而言，ABA作为一种应激激素有利于提高其抗旱、耐涝能力。干旱时，ABA含量提高可使气孔开张度减小甚至关闭、减少水分散失，从而提高抗旱能力；水涝时，土壤含氧量下降，ABA含量提高可抑制植物的营养生长、降低耗氧速率并诱导某些酶的重新合成，从而增强抗涝能力。但ABA也是一种较强的生长抑制剂，含量的提高却降低植物的生长和繁殖能力[17-20]。因此，随着灌水强度 “过小—适宜—过大” 的连续变化，中国沙棘ABA含量及比值先降后升，从而导致了克隆生长能力先升后降，两者变化趋势恰好相反。另一方面，克隆生长格局的改变具有极其重要的生态适应意义，也决定克隆持久性和种群稳定性[10-12]。灌水过多或过少，中国沙棘克隆生长格局倾向于 “游击型”，可使克隆在较大的空间内占居并获取必要的资源，提高克隆将子株放置在有利生境斑块和逃避不利生境斑块的概率，并有利于削弱克隆内部分株之间的竞争；灌水适宜时，中国沙棘克隆生长格局倾向于 “聚集型”，有利于种群对生境的巩固和利用，并提高种群排斥其他植物种类侵入的能力[9-12]。虽说中国沙棘通过克隆生长调节可形成与水分条件相适应的种群行为，但在环境胁迫下种群必须在生长和繁殖之间做出权衡，从而以更高的概率维持种群的稳定性及克隆的持久性[9-10]。尤其在灌水强度过小或过大的情况下，为了适应水分胁迫，中国沙棘以降低分株生长、克隆繁殖、克隆扩散能力为代价，从而削弱了种群的稳定性和克隆持久性，提高了种群的早衰概率[22]。

综上所述：在不同环境水资源水平下，中国沙棘通过诱导ABA含量及比值发生改变来调控克隆生长，最终使种群形成与之相适应的克隆生长格局，从而以更高的概率维持克隆持久性和种群稳定性。但在干旱缺水或水分过多的情况下，中国沙棘以降低克隆生长能力为代价，分株小、子株少、扩散能力弱，从而降低了种群稳定性和克隆持久性。因此，适度灌水、适当调节激素比例有利于中国沙棘人工林稳定性的长期维持。

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