克隆植物野牛草對異質(zhì)營養(yǎng)的表型可塑性響應(yīng)

羅棟，錢永強，劉俊祥，韓蕾，李偉，孫振元*

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京100091；2.林木遺傳育種國家重點實驗室中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京100091；3.深圳市福田區(qū)城市管理局，廣東 深圳583000）

植物表型可塑性是同一個基因型植物響應(yīng)并適應(yīng)不同生境而形成不同表型的特性，是植物對環(huán)境條件或刺激的最重要反應(yīng)，也是生物適應(yīng)環(huán)境變化的重要方式。自然生境中營養(yǎng)分布不均勻，常常表現(xiàn)為時間和空間上的梯度性和斑塊性［1-6］。克隆植物可以通過克隆生長，在一定時間內(nèi)形成一個由許多不同等級構(gòu)件組成的形態(tài)和生理上相連的克隆分株系統(tǒng)［7-8］。因而同一植物的不同構(gòu)件，或者同一構(gòu)件的不同部位在不同的生長階段可能會占據(jù)不同的營養(yǎng)斑塊，從而表現(xiàn)出不同的表型反應(yīng)［9-10］。

克隆植物在異質(zhì)生境下的表型可塑性反應(yīng)，是不斷探索有利生境，避開不利生境，實現(xiàn)空間拓展和種群保存與延續(xù)的重要基礎(chǔ)［11-14］。在有利生境，克隆植株通過增加分枝數(shù)量，或縮短間隔子的長度以形成密集型分株，從而最大限度獲取資源［15］。而當(dāng)生長于不利生境時，克隆植物可通過增加間隔子的長度，形成游擊型的分株，逃離不利生境［16-20］。克隆植物還可以通過根系形態(tài)、生理和菌根可塑性變化，最大限度獲取異質(zhì)生境中的資源，提高生態(tài)適應(yīng)能力［15-17］。

克隆植物在不同營養(yǎng)條件下的表型可塑性反應(yīng)不僅與斑塊的營養(yǎng)、斑塊尺度以及斑塊的時空分布格局有關(guān)，與植株個體獲取營養(yǎng)能力也有直接關(guān)系［21-24］。當(dāng)各種因素達到平衡時，克隆植物表現(xiàn)出最適宜的表型可塑性反應(yīng)。植物對營養(yǎng)的表型可塑性反應(yīng)不僅受各個構(gòu)件對所處生境營養(yǎng)條件的影響，還和相連構(gòu)件所處生境營養(yǎng)條件有關(guān)，表現(xiàn)為在構(gòu)件及整株水平上對生境營養(yǎng)的綜合適應(yīng)性反應(yīng)［25］。本實驗以匍匐莖型克隆植物野牛草（Buchloe dactyloides）為材料，通過測定其在不同營養(yǎng)條件下生長指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，研究野牛草對異質(zhì)生境的表型可塑性反應(yīng)，為進一步探索克隆植物對異質(zhì)性生境的適應(yīng)性機制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

遺傳背景一致，具有1條匍匐莖，形態(tài)、大小相同的野牛草單株。

1.2 實驗設(shè)計

實驗于2012年5月在中國林業(yè)科學(xué)研究院南院實驗地中進行。將大小為100 cm×50 cm×25 cm的木框埋入地中，在其中設(shè)置4種不同的營養(yǎng)條件：3種不同尺度的異質(zhì)營養(yǎng)條件和1種同質(zhì)營養(yǎng)條件（圖1）。各營養(yǎng)條件中營養(yǎng)總量相同，每種營養(yǎng)處理設(shè)置6個重復(fù)。每處理含75.0 g Osmocote 313s緩釋肥（16-9-12-2.5MGO＋TE，Everris，ICL Group）。處理1（T1）是尺度為100 cm×50 cm的同質(zhì)營養(yǎng)斑塊，斑塊內(nèi)營養(yǎng)均勻分布；處理2（T2）是尺度為50 cm×50 cm 的異質(zhì)營養(yǎng)斑塊；處理3（T3）是尺度為50 cm×25 cm的異質(zhì)營養(yǎng)斑塊；處理4（T4）是尺度為25 cm×25 cm的異質(zhì)營養(yǎng)斑塊。異質(zhì)營養(yǎng)中高低斑塊相間排列，面積相同；緩釋肥均勻分布于高營養(yǎng)斑塊，而低營養(yǎng)斑塊中不加入任何肥料；斑塊間沒有任何物理阻隔，根系可以在各斑塊中自由生長。將野牛草分株種植于木框長邊框的中部，使得匍匐莖新長分株可以在木框內(nèi)自由生長。

圖1 4種不同的營養(yǎng)處理Fig.1 Four different nutrient treatments

1.3 收獲與測量

實驗第49天測量各營養(yǎng)條件下各斑塊的分株數(shù)、叢數(shù)、分枝數(shù)、間隔子長度和根系長度。處理第49天選取母株上數(shù)第2片完全展開葉，利用IMAGING-PAM調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（德國，WALZ）測定各處理母株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)：初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）和實際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）。根據(jù)Fv＝Fm－F0計算最大光化學(xué)效率（Fv／Fm）［26-28］。測定后收獲植株，殺青后80℃烘干至恒重，測量地上部生物量、根部生物量和總生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 13.0軟件，采用單因素方差分析比較不同營養(yǎng)條件下克隆分株生長、形態(tài)指標(biāo)及母株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異。

2 結(jié)果與分析

各營養(yǎng)條件下分株數(shù)、叢數(shù)和分枝數(shù)的結(jié)果如圖2所示。生長于異質(zhì)營養(yǎng)條件下（T2、T3和T4）的野牛草分株數(shù)顯著高于同質(zhì)營養(yǎng)條件，但各異質(zhì)營養(yǎng)條件間分株數(shù)差異不顯著。生長于斑塊尺度為25 cm×25 cm的異質(zhì)營養(yǎng)條件下（T4）的叢數(shù)和分枝數(shù)顯著高于其他營養(yǎng)條件。

各營養(yǎng)條件下生物量和根冠比結(jié)果如圖3所示。生長于異質(zhì)營養(yǎng)條件下（T2、T3和T4）的野牛草地上部生物量、根部生物量和總生物量均顯著高于同質(zhì)營養(yǎng)條件（T1），但各異質(zhì)營養(yǎng)條件間生物量差異并不顯著。生長于斑塊尺度為50 cm×50 cm的異質(zhì)營養(yǎng)條件下（T2）的根冠比顯著高于其他營養(yǎng)條件。

各營養(yǎng)條件下間隔子長度和根系長度結(jié)果如圖4所示。各異質(zhì)營養(yǎng)條件下間隔子長度和根系長度差異均不顯著。

各營養(yǎng)條件下母株的Fv／Fm和ΦPSⅡ結(jié)果如圖5所示。生長于異質(zhì)營養(yǎng)條件下（T2、T3和T4）的野牛草Fv／Fm顯著高于同質(zhì)營養(yǎng)條件（T1），其中斑塊尺度為50 cm×50 cm和25 cm×25 cm（T2和T4）時，差異更明顯。生長于斑塊尺度為25 cm×25 cm的異質(zhì)營養(yǎng)條件下（T4）的野牛草ΦPSⅡ顯著高于其他營養(yǎng)條件。

圖2 野牛草生長指標(biāo)在不同營養(yǎng)條件下的差異Fig.2 Responses of growth characters of B.dactyloides to different nutrients不同字母表示在P＜0.05差異顯著。下同。Different small letters mean the significant difference at P＜0.05.The same below.

圖3 野牛草生物量和根冠比在不同營養(yǎng)條件下的變化Fig.3 Responses of biomass and root／shoot of B.dactyloides to different nutrients

圖4 野牛草形態(tài)指標(biāo)在不同營養(yǎng)條件下的變化Fig.4 Responses of morphological characters of B.dactyloides to different nutrients

圖5 野牛草葉綠素?zé)晒鈪?shù)在不同營養(yǎng)條件下的變化Fig.5 Responses of chlorophyll fluorescence of B.dactyloides to different nutrients

3 討論

克隆分株間存在營養(yǎng)的生理整合作用，調(diào)控了克隆植物的表型可塑性，使其在不同的營養(yǎng)空間分布狀況下具有不同的表型可塑性反應(yīng)，從而提高了其生態(tài)適應(yīng)能力［29-35］。

野牛草在異質(zhì)營養(yǎng)條件下會產(chǎn)生更多的分株、叢和分枝，積累更多的干物質(zhì)，生長狀況要好于同質(zhì)營養(yǎng)條件，這與前人研究結(jié)果相似［36-38］。克隆植物對生境中營養(yǎng)的斑塊尺度也具有不同的表型可塑性反應(yīng)。野牛草在尺度為25 cm×25 cm的異質(zhì)營養(yǎng)條件下生理整合強度較高，產(chǎn)生較多的分株、叢和分枝，積累更多的生物量，生長狀況要好于其他尺度的異質(zhì)營養(yǎng)條件。根系長度沒有受到生理整合的影響，在各營養(yǎng)條件下差異不顯著。與Wijesinghe和Hutchings［38］研究結(jié)果不同，本實驗中，與同質(zhì)營養(yǎng)條件相比，根系長度雖然沒有發(fā)生變化，但異質(zhì)營養(yǎng)條件下野牛草均會將更多的生物量分配于根系，特別在斑塊尺度為50 cm×50 cm和25 cm×25 cm時更為明顯。“逃離理論”認(rèn)為，克隆植物會增加間隔子的長度以快速逃離各種不利生境［11，16，39-41］。但本實驗中各營養(yǎng)條件下間隔子長度并沒有顯著差異，可能是由于處于低營養(yǎng)斑塊的分株可以獲得處于高營養(yǎng)斑塊中相連分株的供給，減少了不利生境給植株帶來的影響，因而間隔子長度并沒有顯著變化。根冠比、根長和間隔子長度結(jié)果表明生長于尺度為25 cm×25 cm異質(zhì)營養(yǎng)條件的野牛草，其分株間生理整合作用在一定程度上提高了克隆分株對養(yǎng)分的吸收、利用能力。因而認(rèn)為野牛草較適宜生長環(huán)境為25 cm×25 cm異質(zhì)營養(yǎng)條件。

Fv／Fm反映PSⅡ反應(yīng)中心原初最大光能利用效率。ΦPSⅡ則表示PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率。當(dāng)生長于不利生境時，植株的Fv／Fm和ΦPSⅡ往往會下降［43-44］。異質(zhì)營養(yǎng)條件下，克隆母株和分株之間具有較強的生理整合作用［45］。根據(jù)“成本-收益”原則，為了滿足對生長于不利條件下的克隆分株的資源供給，母株會提高自身的光合熒光特性，以獲取更多的光合同化物。與Roiloa和Retuerto［45］研究結(jié)果相似，本實驗中野牛草母株在異質(zhì)營養(yǎng)條件，特別是尺度為25 cm×25 cm異質(zhì)營養(yǎng)條件下具有較高的Fv／Fm和ΦPSⅡ，表現(xiàn)出較強的葉綠素?zé)晒馓匦浴?/p>

4 結(jié)論

生理整合調(diào)控了野牛草的表型可塑性，提高了母株的葉綠素?zé)晒馓匦裕黾恿丝寺》种陮︷B(yǎng)分的吸收、利用能力，使野牛草在異質(zhì)營養(yǎng)條件下的生長狀況好于同質(zhì)營養(yǎng)條件，特別是在尺度為25 cm×25 cm的異質(zhì)營養(yǎng)條件下效果更為明顯。