圓葉玉蘭葉片非結構性碳水化合物與氮、磷含量對海拔的響應

康喜坤,陳小紅,龔 偉,張騰駒

四川農業大學林學院,成都 611130

非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrates,NSC)主要指糖類和淀粉這兩大類,是植物碳元素的主要供應者,是評價植物碳收支狀況的一個重要量度指標,對植物的生長和適應性有很大影響[1-2]。光合作用不足時NSC可以起到緩沖作用,加上它又是光合作用的產物,因此影響光合作用的因子也會影響植物NSC的含量[3-4]。有研究表明,植物葉片的光合速率會隨葉片氮含量的增加而顯著提高,同時固定同化CO2和制造NSC的能力也增強[5]。磷是植物新陳代謝、能量和蛋白質合成的重要元素[6],因此葉片的光合能力及NSC 的合成不僅受氮含量的影響,也會受到磷含量的影響[7]。

瀕危植物在地理分布有很大的局限性,僅生存在特殊的生境或有限的地方。而海拔是一個重要的環境因素,它會引起光照、溫度、濕度等環境因素的劇烈變化,會極大地影響到植物的生長,從而使植物在生理生態適應性方面產生變化[8]。研究瀕危植物的非結構性碳水化合物和氮、磷等元素對海拔的響應,可以了解瀕危植物在分布環境中的碳水化合物供應狀況,從營養角度探索瀕危植物在不同海拔的生理變化及對海拔的適應機制,并進一步探討不同海拔中瀕危植物的碳收支狀況。目前對植物NSC與氮、磷隨海拔的變化研究較少,對于可利用性碳在植物生長過程中所起的作用及其與氮、磷元素之間關系還缺乏足夠認識[9]。

圓葉玉蘭(Magnoliasinensis)為木蘭科木蘭屬落葉灌木或小喬木,為國家Ⅱ級重點保護野生植物、四川省特有珍稀瀕危植物和優先拯救保護的極小種群野生植物[10]。圓葉玉蘭零星散生于四川中部以及北部的常綠落葉闊葉混交林中,僅在蘆山縣和彭州市發現有成片分布,主要分布在海拔1800—2400 m的林緣和灌叢中。目前僅有曾洪和陳小紅[11]對圓葉玉蘭進行過種群生態學研究,其研究基礎還很薄弱。本文研究了生長在蘆山縣不同海拔的圓葉玉蘭的葉片NSC、氮、磷含量及其相互關系,擬回答下述問題(1)NSC、N、P含量隨海拔升高的變化規律如何?它們之間有何關系?(2)NSC與N、P對圓葉玉蘭的生長有無限制作用?(3)通過NSC含量變化,是否可以了解圓葉玉蘭的碳收支狀況?對這些問題的回答,可以幫助人們了解圓葉玉蘭的生理生態特征,理解其在不同海拔的生長表現,探討碳供應水平情況,并揭示這些指標在生理生態適應機制中發揮的作用。

1 試驗地概況

試驗地位于四川省西部的雅安市蘆山縣境內大川鎮大熊貓基因交流走廊帶(102°52′—103°11′E,30°01′—30°49′N),地勢北高南低,土壤為山地黃壤,呈微酸性；屬亞熱帶濕潤氣候,氣候溫和,年平均氣溫為14.1—17.9℃；雨量充沛,年降雨量達到1000—1800 mm以上。圓葉玉蘭集中分布在馬桑坪-匯源電站、小牛井公路沿線兩旁、及黃水河支流小溝、磨坊溝、鹿廠溝溝谷兩旁[11],海拔在1800—2400 m范圍內,多生長在陡坡、崖壁處,其生境環境復雜、條件惡劣且地質活動頻繁。圓葉玉蘭分布較集中,為優勢植物,僅有少數的鐵杉(Tsugachinensis)、卵葉釣樟(Linderalimprichtii)、領春木(Eupteleapleiospermum)、槭屬(Acer-spp.)、柳屬(Salix-spp.)等喬木伴生,灌木主要有川莓(Rubussetchuenensis)、貼毛箭竹(Fargesiaadpressa)、紅花懸鉤子(Rubusinopertus)等木本植物,草本則有蟹甲草(Parasenecioforrestii)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、冷水花(Pileanotata)、繁縷(Stellariamedia)等。對該區內圓葉玉蘭實地調查后,選取了間隔約100 m的6個海拔點作為采樣點,每個采樣點設置2個采樣地,共計12個采樣地,基本情況見表1。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2016年8月在每個采樣地隨機篩選3株生長健康、大小基本一致的圓葉玉蘭植株,每株選取樹冠中部4個方向的生長發育良好、健康的成熟葉片20枚混合取樣,先在105℃下殺青30 min,再在80℃中烘干至恒重,備用。

表1 采樣地基本情況Table 1 Basic situation of Magnolia sinensis

2.2 NSC組分及N、P含量的測定

將烘干樣品研磨并過2 mm篩,作為測定樣品。稱取一部分樣品采用蒽酮比色法[12]測定NSC,包括可溶性糖(葡萄糖、果糖、蔗糖)和淀粉。

稱量一部分樣品采用硫酸-高氯酸消煮法對樣品進行處理,之后采用全自動間斷化學分析儀(Smartchem 200,AMS集團)測定葉片氮含量,采用鉬銻抗紫外可見分光光度法測定葉片磷含量[13]。

2.3 數據處理

NSC含量=可溶性糖含量+淀粉含量。

數據統計分析在SPSS 20.0 軟件中完成,采用One-Way ANOVA分析和Duncan檢驗法進行多重比較,進行Pearson相關分析,相關圖表制作在Microsoft Excel 2016中完成。

3 結果與分析

3.1 不同海拔圓葉玉蘭葉片NSC組分和N、P含量變化

如表2所示,圓葉玉蘭葉片蔗糖含量、果糖含量、可溶性糖、淀粉含量、NSC和可溶性糖/淀粉比值在不同海拔間差異極顯著。圓葉玉蘭葉片的蔗糖含量和淀粉含量均隨海拔變化表現為“W”型的變化趨勢,果糖含量、可溶性糖含量和可溶性糖/淀粉比值均隨海拔升高呈現“N”型變化趨勢,葉片NSC含量隨海拔的增加呈現先上升后下降的變化,在P4處達最大值。圓葉玉蘭葉片的蔗糖、果糖、可溶性糖、可溶性糖均在P6處顯著高于P1處。

圓葉玉蘭葉片的N含量、P含量、N/P比值的范圍分別為10.41—18.26 mg/g、1.42—1.85 mg/g、6.70—12.91,且N含量和N/P比值在不同海拔間差異極顯著。氮含量整體隨海拔增加呈先下降變化趨勢；磷含量隨海拔變化表現為“M”型變化趨勢；N/P比值隨海拔的增加呈降低的變化趨勢。

3.2 不同海拔圓葉玉蘭葉片NSC與N、P化學計量特征的變化

由圖1可以看出,可溶性糖/N、淀粉/N、NSC/N、淀粉/P在不同海拔間差異極顯著,可溶性糖/P和NSC/P的比值在不同海拔間差異顯著。圓葉玉蘭葉片可溶性糖/N比值呈顯著上升趨勢；而淀粉/N和NSC/N比值呈先上升后下降的變化趨勢,均在P5處達到最大值；可溶性糖/P比值隨海拔的增加呈先上升后下降的變化,在P4處達到最大值。而淀粉/P和NSC/P的比值均隨海拔的增加呈現“W”型的變化趨勢,分別在P6和P2處達到最低值。

表2 不同海拔圓葉玉蘭葉片的非結構性碳水化合物(NSC)變化Table 2 Characteristics of non-structural carbohydrates(NSC)in leaves of Magnolia sinensis

同行不同小寫字母表示在0.05水平間的存在顯著性差異

3.3 不同海拔圓葉玉蘭葉片NSC與N、P的相關關系

對圓葉玉蘭葉片的NSC與N、P含量進行Pearson分析可知(表3)：蔗糖含量與果糖含量、可溶性糖含量、NSC、可溶性糖/淀粉比值均呈極顯著正相關關系；果糖含量與可溶性糖含量、NSC、可溶性糖/淀粉比值呈極顯著正相關關系,而與N含量、N/P比值呈顯著負相關關系；可溶性糖含量與NSC、可溶性糖/淀粉比值呈極顯著正相關關系,與N/P比值呈顯著負相關關系；淀粉含量與NSC呈極顯著正相關關系,與P含量呈顯著的負相關關系,與可溶性糖/淀粉比值呈極顯著負相關關系；N/P比值與P含量呈極顯著負相關,與可溶性糖/淀粉比值呈顯著負相關,而與N含量呈極顯著正相關。

4 討論

植物葉片的NSC組分含量通常能反映植物整體的碳供應水平,還能體現植物生長狀況及其對環境的適應策略[14-15]。植物NSC組分中的淀粉因具有不可移動的特性被普遍認為是儲備物質,而可溶性糖可隨時被調動參與植物的各種生理代謝活動[15-16]。本研究發現,圓葉玉蘭的葉片可溶性糖含量在P6處顯著大于P1處,與周永斌等[12]、Li等[17]的研究結果一致,表明低溫等惡劣環境對可溶性糖的有效性沒有影響,也不限制高海拔植物的持續發展[12,18-22]。有研究表明,冬季樹木存活與生長季末期樹木組織中的可溶性糖含量水平密切相關,高的可溶性糖可以提高組織細胞液滲透壓,防止細胞內結冰從而保護植物順利度過冬天[19]。不同海拔的圓葉玉蘭葉片NSC含量差異極顯著,隨海拔的升高表現為“低-高-低”的單峰變化過程,生長在P4處的圓葉玉蘭,葉片NSC含量最高,碳水化合物供應充足,而分布于其上及其下的圓葉玉蘭,因面臨不同的水分、溫度等環境,導致NSC含量降低,與吳杰等[23]對油竹的研究結果相似。隨著海拔升高,溫度降低,會導致植物的淀粉向可溶性糖轉變,而本研究中圓葉玉蘭葉片淀粉含量呈“W”型的變化趨勢,其變化趨勢較特別,除受低溫影響外,還可能是受到磷元素的影響,由于圓葉玉蘭葉片P含量隨海拔升高呈“M”變化趨勢,且不同海拔圓葉玉蘭葉片的P含量與葉片淀粉呈顯著的負相關關系,表明P含量對淀粉含量有抑制作用。但圓葉玉蘭葉片的可溶性糖/淀粉比值隨海拔升高(溫度降低)而逐漸增大,表明可溶性糖/淀粉比值在圓葉玉蘭抵御低溫脅迫中起著重要的作用[17,22]。可溶性糖與淀粉的相互轉化被公認為是一種有效的植物抗逆脅迫機制,要有足夠高的糖/淀粉比值,植物才能順利越冬,是植物對環境條件的一種積極響應[17,24],這與Li等[17]提出的在高海拔處的樹木不僅依賴于總的NSC含量,而且需要高的可溶性糖/淀粉比值的觀點相一致。

表3 不同海拔圓葉玉蘭葉片NSC與N、P的相關系數Table 3 Correlation coefficients of the contents of NSC,soluble sugar,N and P in the leaves of Magnolia sinensis at different altitudes

*P<0.05,相關性顯著；**P<0.01,相關性極顯著

植物葉片N、P含量及其化學計量關系不但反映了植物對環境條件的適應[25],還是評估生態系統限制因子的主要指標[26-27]。有研究表明[28],N/P比值在15時被認為是臨界狀況；當N/P比大于16,表明其生長主要受到磷元素的限制；當N/P比小于14,則其生長主要受到氮元素的限制。本研究中,圓葉玉蘭葉片的N含量和N/P比都隨海拔上升而下降,且N/P比值在各海拔處均小于14,表明圓葉玉蘭的生長主要受氮元素限制。圓葉玉蘭葉片P含量隨海拔變化表現為“M”型變化趨勢,則可能是受到其生長環境土壤中P含量的影響。圓葉玉蘭葉片的N含量與可溶性糖、淀粉含量和NSC均呈負相關關系,可能由于N含量增加會促進葉片中NSC組分轉移到庫器官,參與形態建成從而導致可溶性糖、淀粉和NSC含量下降[29]；而N含量減少則會抑制NSC組分轉移到庫器官,使葉片中可溶性糖、淀粉和NSC含量較多。植物體NSC是植物重要的代謝能量來源,植物體NSC、N和P含量及其比例,在很大程度上反映了可供植物生長利用的物質水平、NSC 產出與N、P的投入比例關系及利用效率,而探究NSC與N、P的比例關系還可以了解N、P在植物碳代謝過程中對NSC組分含量與動態平衡的影響[17,29]。本研究中,不同海拔圓葉玉蘭葉片可溶性糖/N比值顯著升高,淀粉/N比值則呈“∧”型的變化趨勢,即P5處葉片淀粉含量達到最高值,N含量達到最低值,淀粉/N達到最大值,這表明不同海拔圓葉玉蘭葉片N含量減少主要用于可溶性糖的合成,抑制葉片淀粉的增加。可溶性糖/P比值在總體上呈升高的變化趨勢,這表明圓葉玉蘭葉片P含量可促進可溶性糖的累積,加速淀粉的消耗；而淀粉/P比值呈“W”型的變化趨勢,P含量隨海拔呈“M”型變化趨勢,是由于不同海拔圓葉玉蘭葉片P含量與淀粉含量變化趨勢相反。NSC/N比在P6處顯著高于P1處,高海拔處葉片NSC含量高意味著碳供應充足,進一步說明碳含量沒有限制圓葉玉蘭的生長和發育。

綜上所述,隨著圓葉玉蘭生長地的海拔變化,其葉片的非結構性碳水化合物和氮、磷含量表現出不同的適應策略,其NSC含量較高,這表明圓葉玉蘭生長可能不受碳限制。但本研究僅僅分析了不同海拔處圓葉玉蘭葉片的非結構性碳水化合物和氮、磷含量,今后應結合環境因子和其他生理指標,深入探討圓葉玉蘭的生態適應機理和瀕危機制,提出更好的保護策略促進圓葉玉蘭的種群繁衍。