遮荫条件下黄檗生长和生理响应的性别差异研究

张 玲 张东来

(1.黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨 150081； 2.黑龙江省林业科学院，哈尔滨 150081)

光照是植物生命活动中最重要的生态因子之一。光照过强或过弱均可对植物造成显著影响[1]。为了有效利用异质光资源，植物不仅可以相应地改变叶片厚度、比叶面积大小等,还可改变植冠构型,从而相应改变叶的空间配置，以提高对光的吸收和利用[2]。生物量反映植物的生长状况，遮荫会导致光合利用的能量不足，叶绿素参与光合作用中光能吸收、传递和转化，其含量是衡量植物耐阴性的重要指标[3]。植物通过调节体内保护酶活性来主动适应环境带来的伤害，SOD、POD和CAT是酶促系统中重要的保护酶，是一个完整的防氧化系统，可作为检测植物是否受胁迫的一个生理指标[4]。丙二醛是膜系统脂质过氧化的终产物，其含量可以反映膜脂过氧化程度和植物对逆境抗性的强弱[5]。可溶性糖和可溶淀粉是植物通过光合作用产生的重要能源和碳源，对维持细胞膜的完整性、调节植物组织渗透压和增强植物抗逆性具有重要作用[6]。

雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分，自然种群中其雌雄个体的性别比例通常是1∶1，但随水分、养分、光照、温度、CO2和干扰水平等的不同而有所不同，引起性别间在生长、形态、生理、生殖及抗逆性等方面表现出明显的差异[7～11]。

黄檗(PhellodendronamurenseRupr.)，雌雄异株植物，喜光，但幼苗都生活在一种光照不足的逆境群落,这种遮荫环境导致其幼苗更新生境发生变化，自然生境的破坏可能是其野生资源濒危的主要原因[12]。基于此，开展遮荫环境下黄檗幼苗雌雄的形态、生理及代谢物质变化规律研究，通过测定这些指标，可以分析出雌雄异株植物抗逆能力差异，探索黄檗雌雄在苗期对遮荫条件响应策略，为黄檗野生资源保护及雌雄分配格局研究提供依据。

1 材料与方法

试验材料来源于哈尔滨市劳动公园同一种源同一树龄雌雄大树当年萌生枝，通过人工扦插获得的雌雄植株，2018年4月末选取生长良好、高矮一致的40株幼树，分别为雌株20株、雄株20株。草炭土装入试验盆(直径35 cm，高40 cm)，每盆装土5 kg。遮荫处理为：自然光和用遮荫纱网调节光强分别为35%遮荫(轻度)、65%遮荫(中度)、85%遮荫(重度)处理。土壤湿度控制为同时、同量喷水，遮荫处理从4月30日到8月30日。于8月30日，采集成熟新鲜叶片为实验材料，每项指标采3株雌雄，每株3个重复。

1.1 测定项目与方法

1.1.1 形态指标测定

叶的性状指标测定：相同条件下，各处理组随机选取雌雄各3株，选取植株顶尖第3对叶片10片，游标卡尺测定叶长、叶宽、株高。

生物量的测定：挖取每个处理组的完整植株5株，清洗茎、叶，将每株叶、叶柄、茎、根(粗根、细根)分离并分别装袋，在105℃下烘至恒重后称量。干重为各构件的生物量。

1.1.2 叶绿素含量测定

采用乙醇比色法测定叶绿素含量。

1.1.3 抗氧化酶活性和MDA含量的测定

SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定；POD活性采用愈创木酚法测定；CAT活性采用过氧化氢法测定；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法测定。

1.1.4 可溶性糖和可溶性淀粉含量的测定

可溶性糖和可溶性淀粉含量采用苯酚法测定。

1.2 数据处理

采用Excel2003和SPSS19.0软件对数据进行统计分析。采用双因素方差分析法(two-way ANOVA)、单因素方差分析法(one-way ANVOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较α=0.05。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同遮荫环境对黄檗生长的影响

由表1可知，在85%遮荫处理黄檗叶长最大，显著高于对照(P<0.01)，性别差异不显著。雄株叶宽、株高在85%遮荫处理最大(P<0.01)，雌株在65%遮荫处理最大。雄株叶生物量在65%遮荫处理最大，雌株在35%遮荫处理最大，显著高于其他处理(P<0.01)。雄株茎生物量在85%遮荫处理最大，显著高于对照处理(P<0.01)，雌株茎生物量在65%遮荫处理最大，显著高于其他处理(P<0.05)。雌雄株叶柄生物均在65%遮荫处理最大，总生物量、根生物量在对照处理最大，显著高于遮荫处理(P<0.01)，雌株在35%遮荫和65%处理生物量积累显著高于雄株，重度遮荫后雄株生物量积累大于雌株。总之，遮荫处理更有利于黄檗形态生长，轻度遮荫雌株生物量积累大于雄株，重度遮荫后雄株大于雌株，说明雌株对轻度遮荫具有更敏感的适应性，对重度遮荫雄株的适应性比雌株强。

表1 不同遮荫条件下黄檗雌雄植株形态学特征

注：同列表示不同遮荫处理与对照间差异显著性*P<0.05

Note:Different small letters mean significant difference between CK and different shading treatment at 0.05 level

2.2 不同遮荫处理下黄檗株叶绿素含量的差异

由方差分析表明(见表2)，黄檗叶绿素a含量在遮荫条件下差异极显著(P<0.01)，性别与遮荫协同作用差异不显著；叶绿素b含量性别间差异不显著，遮荫条件和性别与遮荫协同作用差异极显著(P<0.01)；遮荫条件下总叶素含量达到极显著水平(P<0.01)。由图1可看出，与对照相比，重度遮荫处理(85%)显著增加了黄檗幼苗的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量，黄檗叶绿素含量在对照处理时性别差异显著(P<0.01)，重度遮荫比对照处理雄株的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量相对增加56.50%、36.56%和49.28%，雌株增加46.56%、59.49和51.25%。可见，遮荫处理有利于促进黄檗叶绿素积累。

图1 遮荫处理下黄檗幼苗叶片的叶绿体色素含量Fig.1 Chlorophyllpigments content of male and female P.amurense under different shading

图2 遮荫条件对黄檗雌雄株抗氧化酶活性Fig.2 The effects on antioxidant enzyme contents of P.amurense under different shading

2.3 不同遮荫处理下黄檗株抗氧化酶活性和MDA含量差异

如图2所示，黄檗雄株SOD、POD、CAT酶活性显著高于雌株，SOD酶活性均随遮荫强度的增强而增大，POD和CAT酶活性结果相反，即随遮荫强度的增强而减小的趋势，MDA含量在对照处理时最高，为26.99±0.42 nmol·g-1FW(雄株)，26.81±0.15 nmol·g-1FW(雌株)。

由图3可以看出，遮荫处理对黄檗酶活性影响差异显著(P<0.01),性别对SOD、POD酶活性影响差异不显著，性别和遮荫协同作用对SOD、POD酶活性影响差异不显著；性别、遮荫处理对CAT酶活性影响差异显著(P<0.01)，性别和遮荫协同作用对CAT酶活性影响不显著。MDA含量性别间差异显著(P<0.05),遮荫处理对MDA含量影响差异极显著(P<0.01)，性别和遮荫协同作用差异不显著。黄檗在自然光下SOD酶活性为雄株大于雌株，35%遮荫处理为雌株大于雄株，65%、85%遮荫处理SOD酶活性为雄株大于雌株；POD酶活性均为雄株大于雌株，遮荫处理没有影响POD酶活性在性别间的差异；CAT酶活在自然光照条件下为雄株大于雌株，35%遮荫处理为雌株大于雄株，65%、85%遮荫处理为雄株大于雌株；MDA含量自然光照为雄株大于雌株，遮荫处理均为雌株大于雄株，说明遮荫对黄檗雄株细胞抗氧化能力强于雌株。

2.4 不同遮荫处理下黄檗株可溶性糖和可溶性淀粉含量的差异

由图4可以看出，黄檗在35%遮荫处理可溶性糖含量最高，为0.283 3±0.112 6 μg·mg-1(雄株)、0.251 9±0.007 0 μg·mg-1(雌株)，雄株大于雌株，性别间差异不显著，遮荫对可溶性糖含量影响差异显著(P<0.05)，遮荫和性别间协同作用不显著；可溶性淀粉含量在35%遮荫条件下最高，为1.944 6±0.416 4 μg·mg-1(雄株)、2.056 3±0.325 7 μg·mg-1(雌株)，雌株大于雄株，遮荫、性别及协同作用均不显著。

图3 遮荫条件对黄檗雌雄株MDA含量影响Fig.3 The effects on malondialdenhyde contents of P.amurense under different shading

图4 遮荫条件对黄檗幼苗雌雄株可溶性糖可溶性淀粉含量影响Fig.4 The effects on starch and sugar contents of P.amurense Rupr. under different shading

3 讨论

3.1 遮荫条件对黄檗幼苗雌雄株形态和生物量的影响

植物应对遮荫环境采取改变构件性状的生存策略[13]，研究认为适当遮荫的环境更有利于幼苗的生长及生物量积累[14]，例如胡桃楸[15]，金荞麦[1]、薇甘菊和鸡屎藤[16]。由于植物对养分的吸收和积累依赖于光合作用提供能力量，因而地上部对光的竞争间接影响到地下根系竞争[7]。本研究中，遮荫处理有利于黄檗雌雄株地上形态生长，限制地下生物量积累，说明黄檗幼苗利用增加地上部分构件的生长，捕获更多的光能，以提高对光能的吸收与利用，减少地下部分的投入，降低自身的根冠比来增加幼苗地上部分接触面积，争取更多的光照资源，适应遮荫环境。相同树龄、环境条件下黄檗雌雄株形态特性、抗氧化防御酶活性、内源激素等指标存在显著差异，黄檗雌雄株叶宽、CAT酶活性、SOD酶活性、内源生长素、赤霉素、玉米素含量差异显著[17]，遮荫环境条件下其叶宽、酶活性等指标差异均不显著。说明遮荫弱化了性别间的形态和生理差异，是雌雄异株植物对遮荫环境而采取的适应性生存策略。即黄檗在幼龄期为适应遮荫环境，改变形态特征和生理指标，适应遮荫环境条件，逐步提高对光的利用能力。

研究证实雌雄株在胁迫环境下生理、生殖、生态响应存在着性别差异[18]。雌株往往容易受到逆境的干扰，例如青杨雌株的生长和光合能力对干旱胁迫更为敏感[19]，雌株的胸径、冠幅、最大光合速率、表观量子效率等均比雄株高，雌株具有更高的光能捕获能力[20]。生物量越大，积累的干物质越多，苗木的质量就越好，对逆境环境的适应能力就越强[21]，本研究轻度遮荫雌株生物量积累大于雄株，雌株适应遮荫环境能力强于雄株，与众多研究结果一致[6,8]。进一步分析叶绿素含量、酶活性及MDA含量后发现，遮荫处理下雌株的大多数性状均高于雄株，与先前的研究结果类似[17,20,22]。随着遮荫时间和强度的增加，雄株采用增大生物量应对遮荫胁迫的生存策略，可能是雌雄株的生物学特性及物质贮藏过程有关。

3.2 遮荫条件对黄檗幼苗雌雄株叶绿素含量的影响

叶绿素是光合作用的物质基础，其含量组成极易受生境影响[11]。遮荫提高了各草坪草叶片的叶绿素含量，随着遮荫程度的加大，其叶绿素含量呈显著上升趋势[23]。遮荫条件可以提高金荞麦叶绿素含量和叶绿素荧光参数，并能够较好地保护光反应系统[1]。杜鹃、红山茶幼苗叶片中总叶绿素、叶绿素a及叶绿素b含量在50%～80%的遮光条件下最高，在全光照条件下最低，说明遮荫条件有利于叶绿素的积累[24]。本研究中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均在85%遮荫条件下最高，原因是叶绿素总是处于一个不断合成和分解的动态变化中，在强光下比在遮荫下合成和分解达到平衡的浓度低，从而叶绿素含量往往随遮荫强度的增大而升高，黄檗幼苗在重度遮荫条件下积累更多叶绿素，为提高光能捕获能力，保证叶片的光合功能。环境胁迫下叶绿素含量性别间差异不显著[8～9,25]，与本研究结果一致，需要延长遮荫的时间进一步研究雌雄株光合物质基础对性别间的影响。

3.3 遮荫条件对黄檗幼苗雌雄株抗氧化酶活性和MDA含量的影响

植物体内的活性氧会在植物受到胁迫时增生，在一定程度增加酶类活性及抗氧化物质含量，保护植物细胞免受伤害[26]。MDA含量高低是膜脂过氧化作用强弱的一个重要指标，可作为生理参数的变量来反映胁迫下植物受伤害的程度[27]。本研究中黄檗雌雄植株SOD酶活性随遮荫强度的增强而增大，POD、CAT酶活性随遮荫强度的增加而减少,说明黄檗在幼苗期更适合遮荫环境条件，强光照条件不利于黄檗幼苗生长，这与狭叶景天和文冠果幼苗的研究结果相似[28]。桑树雄株在铅胁迫下SOD活性调节能力大于雌株，并表现出比雌株更强的适应能力[4]。本研究对照条件下SOD和POD活性为雄株大于雌株，一方面说明雄株抗氧化能力强于雌株，另一方面说明遮荫条件弱化了雄株的抗氧化能力，因为植物应对外界胁迫的保护酶系统相当复杂。本实验只遮荫处理一个生长期，长期的遮荫环境能否使黄檗幼苗雌雄株合理配置资源且协调生长，适应遮荫环境，还有待进一步研究。研究表明在植物组织多种酶和膜系统遭到破坏时，MDA含量会大幅度提高。对照处理MDA含量为雄株大于雌株，遮荫处理均为雌株大于雄株，说明遮荫对黄檗幼苗雄株细胞抗氧化能力强于雌株，黄檗幼苗当受到强光胁迫时，代谢速度加快引起活性氧积累，在遮荫条件下雄株维持细胞膜完整性的能力和抵抗胁迫能力大于雌株，这一结果与许多研究相一致[19,29]。不同遮荫处理下黄檗雌雄株MDA含量随遮荫强度的增大而减小，说明遮荫对黄檗幼苗生物膜系统伤害不严重，不影响植株的正常代谢，也正说明了黄檗幼苗期适应遮荫环境条件。

3.4 遮荫条件对黄檗雌雄株可溶性糖和可溶性淀粉含量的影响

可溶性糖和可溶性淀粉(NSC)是碳水化合物代谢、暂时贮藏和运输的主要形式，也是呼吸作用的主要底物，参与植物代谢和渗透调节功能，与植物的抗性密切相关[30]。研究表明遮荫、干旱等因素均可能造成植物碳摄取障碍，进而会影响到植物的生长、碳素分配及抗逆能力[31]。遮荫后影响光合作用和可溶性糖的合成或分解、运转和积累，进而影响呼吸作用和细胞渗透压[30]。本研究黄檗幼苗在35%遮荫处理时可溶性糖和可溶性淀粉含量最高，随着遮荫强度的增加逐渐降低，可能的原因是重度遮荫降低了光合作用，呼吸作用加强而造成糖分和淀粉的消耗。遮荫处理下可溶性糖与可溶性淀粉含量与POD酶活性和MDA含量变化趋势一致，说明黄檗幼苗期适应遮荫条件下，遮荫处理对叶片起到了一定的保护作用。

研究表明遮荫下叶片可溶性糖、可溶性淀粉含量下降，以80%遮荫下降最显著，遮荫强度的增加使MDA含量下降，植物通过降低叶绿体活动来减少光能吸收和激活一系列酶促和非酶促反应以消除体内活性氧，减少叶片的伤害[32]。叶片的可溶性代谢物质水平、叶绿体功能都受不同光强和低温的调节，使其能适应不同的环境条件生长[33]。可溶性糖含量变化可以判断植物生长状态，作为植物生理活动评价的参考指标，并间接反映苗木的生长情况。本研究遮荫处理的苗木叶绿素含量最高但其可溶性糖含量却相对较低，这可能是由于幼苗随着遮荫程度的增加，其透光度太低，导致光合作用强度减弱，光合产物减少，糖含量也会有所下降，遮荫条件下黄檗幼苗可溶性糖和可溶性淀粉含量在性别间差异不显著，可能原因是本实验仅对一个生长季的黄檗幼苗期雌雄株进行了研究，随着遮荫时间的推移，遮荫对其形态及生理必然有不同的影响，还有待进开展更深层次的研究。