甘肅貝母生物量和營養物質生殖分配研究

馬瑞麗，陳 垣，郭鳳霞，武 睿，焦旭升

(1. 甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 定西市農業科學研究院，甘肅 定西 743000；3. 青海省青藏高原特色生物資源研究重點實驗室，青海 西寧 810008)

植物各構件生物量是植物與環境因素相互作用的結果，對于生物量分配模式的量化分析是植物生態學和植物進化史研究的重要組成部分。影響植物生物量分配方式的因素很多，生物性狀既受到自身遺傳物質決定，也受到外界環境因子的影響[1]，如植物的生物學特性、不同生長發育階段、外界干擾和不同環境梯度等。植物生物量分配模式的改變是植物適應不同環境和資源水平的重要策略[1-2]，植物通過生物量分配的優化配置來適應多樣化的環境[3-4]。植物體各器官之間相互聯系、相互作用，生殖生長以營養生長作為物質基礎，生殖器官發育的程度與營養器官的生長有密切的關系[5]。生殖分配是植物將所有可利用資源分配給生殖生長的比例，即總資源供給生殖器官的比例，它是植物產生后代、種群得以延續和發展的關鍵因素[6]。生殖分配控制著植物生殖生長與生存的平衡，反映了生殖構件生物量與非生殖構件生物量的比例，是影響植物種群生存及繁衍的關鍵因素，對于指導農林業生產實踐具有重要意義。

甘肅貝母(FritillariaprzewalskiiMaxim.)屬于百合科多年生草本植物，是川貝母的基源植物之一，俗稱“岷貝”，野生資源分布在青藏高原2 400～4 300 m的高山草叢中。由于野生資源生長環境氣候寒冷、晝夜溫差大、紫外輻射強、生態因素復雜，因此植物可獲取的資源總量較低，從而導致生長緩慢、有性繁殖率低，加之需求量不斷增加，過量的采集和生境惡化等原因的影響，其野生資源蘊藏量急劇下降，屬于瀕危藥用植物，人工栽培已成為保護甘肅貝母野生資源和產業可持續發展的重要手段。目前，人工栽培甘肅貝母所面臨的技術難題如種子灌漿特性[7]及種子發芽條件[8]已有報道，但甘肅貝母生殖分配規律未見報道。在植物生活史中，生殖分配策略及調節影響著植物的生長繁殖，雖然前期研究為甘肅貝母人工馴化及規模化栽培提供了技術依據，但其營養和生殖生長機理尚不明確。為了填充完善甘肅貝母人工栽植技術，本研究分析了生殖生長階段甘肅貝母在現蕾期、盛花期、果實膨大期和果實成熟期四個物候期各器官生物量分配及生殖分配特性和策略。本研究不僅可以了解甘肅貝母生殖分配的可塑性調節，還可以推測其潛在的生殖能力，同時可以更好的了解甘肅貝母適應和抵抗逆境的生存策略，為進一步研究甘肅貝母生殖生長特性、保護野生資源和人工栽培調控提供重要理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

該試驗地位于甘肅省定西市漳縣石川鎮(104°15' E,34°33' N)，海拔2 670 m，年平均氣溫4.2℃，≥0℃日照時數1 629 h，≥10℃日照時數1 048 h，年降水量500～612 mm，且主要集中在7，8，9三個月，無霜期136 d，屬高寒地區，氣候冷涼，土壤為高山草甸土，土壤有機質 31.52 g·kg-1、水解氮 16.2 mg·kg-1、全氮 2.1 g·kg-1、有效磷 7.9 mg·kg-1、速效鉀 204 mg·kg-1、pH為7.2，土層深厚、土壤肥沃。本研究以人工栽植6年生及以上處于生殖生長的甘肅貝母植株為供試材料，播種材料經甘肅農業大學中草藥栽培與鑒定專業陳垣教授鑒定確認為野生甘肅貝母(FritillariaprzewalskiiMaxim.)鱗莖。試驗材料行株距為10 cm×5 cm。甘肅貝母返青后，在生長環境相對一致的試驗區設置3個2 m×2 m的重復試驗小區，每個小區內每行至少選擇5株生長勢相對一致的植株進行標記，各小區至少標記100株作為試驗材料。試驗小區除草等管理措施一致，盡量減少人為干擾因素。

1.2 試驗材料

甘肅貝母在定植前5年只有營養生長，地上部分僅長出1枚基生葉片，處于營養生長階段。定植第6年開始抽莖出現花蕾，進入生殖生長階段。該試驗材料為人工栽植6年生以及上處于生殖生長階段的甘肅貝母植株。試驗于2018年5月中旬至7月上旬在甘肅省漳縣石川鎮試驗地進行，分別在植株現蕾期、盛花期、果實膨大期和成熟期4個不同生長階段采樣。為保證下一階段采樣時樣本的小環境密度與此次采樣的密度保持相對一致，采樣時將每個小區劃分為4個1 m × 1 m的樣方，各階段隨機選擇1個樣方，在樣方內挖取不少于10株已標記的甘肅貝母完整植株，每個生長階段采樣重復3次。將采樣植株分別裝入自封袋帶回實驗室，用清水緩慢沖洗干凈鱗莖及根系部的泥土，按照根系、莖、鱗莖、葉片和果實(花)將各器官分離，并單獨保存，在65 ℃烘干24 h至恒重，取出待降至室溫后用精度為0.0001 g分析天平稱重。稱重后將相同器官混合，分別粉碎后保存備用。

1.3 營養元素含量測定

植物樣品營養元素含量測定在甘肅省農業科學研究院資源環境重點實驗室測定，每個樣品重復3次。全氮采用凱氏定氮法利用K-370全自動凱氏定氮儀(瑞士B-CHI)測定，全磷采用鉬銻抗比色法利用T6紫外分光光度計(北京普析通用)測定，全鉀采用火焰光度法利用GH-5火焰光度計(北京檢測)測定[9]。

1.4 數據分析與處理

生物量生殖分配以所有采集樣品中隨機選擇10株以上植株測定數據進行分析，營養元素生殖分配測定試驗結果以各小區試驗材料為重復進行分析。生物量分配在不同物候期的差異性和各器官營養元素在不同物候期差異性分析采用SPSS 19.0(SPSS Inc.,Chicago. IL,USA)統計分析軟件對所得數據進行處理，首先對不同處理間進行方差分析，若差異顯著，再進一步進行LSD多重比較；采用Microsoft Office Excel 2007軟件進行回歸分析，在冪函數、直線、拋物線和指數4種函數關系中進行比較，選擇擬合系數較高的函數關系作為不同器官生物量關系的分析模型；用植株的各器官生物量在植株總生物量中所占的比率分別表示根系、莖、鱗莖、葉片和果實(花)生物量的分配比，其中以花生物量分配比為生殖分配1 (Reproductive Allocation 1,RA1)，果生物量分配比為生殖分配2(Reproductive Allocation 2,RA2)，即花或果實生物量與植株總生物量之間的比值；變異系數為各器官生物量標準偏差與平均值之間的比值，計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 甘肅貝母植株各器官生物量及其分配變化

表1為甘肅貝母在現蕾期、盛花期、果實膨大期和成熟期各器官生物量的分配情況。根系生物量從現蕾期至果實成熟期，隨著植株的生長逐漸減小，在果實成熟期具有最小值；植株莖、鱗莖、葉片，以及總生物量均隨著植株的生長而不斷增大，增幅最大的為鱗莖，最小的為葉片；在植株生殖生長階段，隨物候期的推移，在盛花期、果實膨大期和成熟期，生殖器官生物量逐漸增大，甘肅貝母在進行生殖生長的同時，也在進行營養生長。

由表1可知：在整個生育期，根系生物量分配所占比例很少，平均為1.8%，且隨物候期的推移逐漸減小；莖和鱗莖生物量分配所占比例較大，平均依次為26.8%和48.9%；莖生物量分配隨物候期的推移在各生長階段總體變化為逐漸減小，但差異不顯著；鱗莖生物量分配在現蕾期顯著小于其他生長階段，從盛花期開始顯著增大，到成熟期達到最大；葉片生物量分配所占比例平均為12.4%，在現蕾期最大，從盛花期開始顯著減小，但盛花期、果實膨大期和成熟期之間差異不顯著；生殖分配所占比例與葉相當，平均為10.2%，RA1在現蕾期顯著大于盛花期，生殖分配RA2在果實膨大期和成熟期差異不顯著，生殖分配RA總體變化呈現先減小后增大趨勢。

營養器官根系、莖、鱗莖、葉片生物量的變異系數在生殖生長階段的平均值都大于生殖器官花(果實)生物量的變異系數，表明生殖器官花(果實)生物量的表型可塑性弱于營養器官生物量；營養器官根系、莖、鱗莖、葉片生物量分配的變異系數在生殖階段的平均值都小于生殖器官果實生物量分配的變異系數，表明生殖器官果實生物量分配的表型可塑性強于營養器官生物量分配。生殖器官RA值的變異系數隨物候期推移先減小后增大，表明生殖器官表型可塑性先減弱后增大。

2.2 甘肅貝母植株生殖器官與營養器官生物量關系

由圖1和圖2可知，甘肅貝母在整個生殖生長階段，生殖器官生物量與分株莖生物量呈顯著線性正相關關系(P<0.001)，生殖器官花(果實)生物量是隨著分株莖生物量的增加而增加的，在各物候期表現出相同的生長規律；在整個生殖生長階段，生殖器官生物量與鱗莖生物量和總生物量在花期呈顯著線性正相關關系(P<0.001)，在果期呈顯著拋物線關系(P<0.001)，生殖器官生物量隨物候期的推移，在果期與鱗莖和總生物量的線性正相關生長規律發生改變，在生殖生長后期，生殖器官生物量增加，而鱗莖和總生物量不一定增加；在花期，花生物量與莖生物量、鱗莖生物量和總生物量之間的線性方程斜率均小于0.1，表明在花期，花生物量迅速增大時，莖、鱗莖和植株生物量增大緩慢；在整個生殖生長階段，生殖器官生物量與根系生物量和葉生物量呈顯著拋物線關系(P<0.001)，即在生長后期，生殖器官生物量增加，而根系和葉生物量反而降低，在各物候期表現出相同的生長規律。上述結果表明，在甘肅貝母生殖生長階段，隨著物候的推移，不同器官的生長規律存在差異，這主要與植物對各器官的生物量分配有關。

表1 甘肅貝母種群分株各器官生物量分配

注：1，2，3，4是不同物候期，依次分別為現蕾期、盛花期、果實膨大期、果實成熟期。不同小寫字母表示不同物候期差異顯著(P<0.05)

Note:1,2,3,4 are phonologicals,budding stage,flowering stage,fruit enlargement stage and fruit ripening stage,respectively. Different lowercase letters indicate significant differences among the different phonological stage at the 0.05 level

圖1 甘肅貝母分株花生物量與各器官的關系

圖2 甘肅貝母分株果生物量與各器官的關系

2.3 甘肅貝母各器官在不同物候期營養元素分配

圖3為氮(圖3-A)、磷(圖3-B)和鉀(圖3-C)三種營養元素在植株不同物候期各器官中的分配組成比變化。氮素平均組成百分比最高的為葉片，達到2.52%，最小的為鱗莖，僅為0.98%，果實和莖干中平均組成百分比介于兩者之間，分別為2.41%和1.05%；果實和鱗莖中氮素在盛花期組成百分比顯著低于現蕾期和成熟期，而葉片和莖干中氮素組成百分比隨著物候期的推移呈逐漸降低趨勢。磷素在果實中的組成百分比顯著高于鱗莖、葉片和莖干，分別為0.29%，0.11%，0.17%和0.09%；果實中磷素組成百分比在盛花期顯著低于現蕾期和成熟期，鱗莖中磷素組成百分比隨著物候期的推移逐漸升高，葉片和莖干中磷素組成百分比隨著植株的生長逐漸降低。鉀素在果實和鱗莖不同物候期的組成百分比變化差異不顯著，平均組成百分比分別為2.54%和0.90%；葉片中的鉀素在盛花期比現蕾期有小幅增大，而成熟期顯著降低；莖干中的鉀素隨物候的推移逐漸降低，在果實成熟期顯著低于現蕾期和盛花期。隨生殖生長的進行，氮和磷元素在生殖器官中的組成百分比在盛花期顯著降低，隨果實的生長，氮和磷元素在生殖器官中的組成百分比又顯著增加，而鉀元素在整個生殖生長期間保持相對穩定的狀態。總體看來，在整個生殖生長階段，鱗莖中營養元素保持相對穩定狀態，而其余器官中營養元素氮磷鉀組成比隨生殖生長呈降低趨勢。

圖3 甘肅貝母不同物候期營養元素氮磷鉀在各器官中的分配組成比Fig 3 The percentage composition of nitrogen,phosphorus and kalium of each organs in different phonological stage of F.przewalskii Maxim.

3 討論

3.1 不同物候期甘肅貝母種群各器官生物量分布

環境因子和生長階段對營養資源在植物體內各器官之間的分配有不同程度的影響[10-11]。甘肅貝母根系生物量在現蕾期至果實成熟期逐漸減小，而植株的莖干、鱗莖、葉片，以及總生物量逐漸增大，在果實成熟期達到最大，但與生殖器官生物量的相關關系并不顯著。甘肅貝母的根系是在7月初地上部分倒苗后至冬季地下部分停止生長前逐漸形成，在來年春季地上部分開始抽莖，新鱗莖形成后逐漸退化，生物量逐漸減小，這與周小玲等[12]對塔里木盆地脹果甘草根系生長規律的研究結果相同。根系是多種營養物質的貯存器官，當現蕾期生殖器官快速生長時，從根系運輸大量的營養物質供給地上花(果實)、莖干和葉片生長，而根系本身生物量較小，從土壤環境中吸收營養物質的能力較緩慢，導致根系生物量逐漸減小，其余各器官生物量逐漸增大。

3.2 不同物候期甘肅貝母生物量生殖分配變化規律

植株的生長狀況受植株各器官生物量的直接影響[13]，植物體不同生長發育階段，同化產物的分配中心也不相同。植株生物量分配是植株各器官營養生長結果的體現，生物量分配受到光合作用、光合產物的運輸和儲存、呼吸作用，以及個體發育和環境因子等多方面的調控，使其產生復雜的生物量分配機制[14-15]。小麥和玉米等收獲籽粒的作物，在籽粒形成期同化物的分配中心則轉移到籽粒上[16-17]。甘肅貝母植株生物量分配是植株各器官營養生長結果的體現，在整個生殖生長階段，甘肅貝母生殖生長階段生殖分配低于鱗莖和莖干生物量分配，但生殖器官的生物量為逐漸增大，因此，甘肅貝母在生殖生長階段并不是以生殖器官生長為主，而是在植株營養生長和生殖生長同時進行，在植株總生物量不斷積累的過程中完成生殖生長的各階段。甘肅貝母在生殖生長階段是以鱗莖的生長為主，鱗莖生物量分配在盛花期到果實成熟期變化最大，是以降低莖和葉生物量的分配來增加對鱗莖的生物量投入，將同化物分配中心從莖干轉移至鱗莖。在植物生長的不同時期，對有性生殖的投入是一個動態變化的過程，一般認為植物的生殖分配與植株個體大小存在關系[18]，隨著植株個體生物量增大，對生殖器官的生物量分配也會相應增加，生殖分配比例減小[19-20]，但有許多研究發現各物種生殖分配與植株個體大小間關系不盡相同，肉蓯蓉(Cistanche)[21]和白刺屬(Nitraria)[22]植物生殖分配與植株個體生物量關系隨物候的推移也呈現同樣的分配規律；而四川大頭茶(Gordonia)[23]生殖分配比例隨植株個體增加呈增大關系；寸草苔(Carexduriuscula)[24]、駝絨藜(Ceratoidesarborescens)[25]和川鄂連蕊茶(CamelliaRosthorniana)[26]的生殖分配比例在一定范圍內與個體大小呈正相關關系，之后與個體大小呈負相關關系；鹽蒿(Artemisiahalodendron)[27]隨物候推移生殖分配比例與植株個體生物量所占比例相對恒定；但也有研究指出生殖分配與個體大小并不存在一定的相關關系[28]。甘肅貝母生殖分配RA1隨植株的增大呈降低趨勢，生殖分配RA2隨植株的增大相對保持恒定，生殖生長階段以鱗莖生長為主。從資源分配策略上分析，甘肅貝母大部分資源主要用于個體鱗莖生長，有限的光合產物最大程度的轉移至鱗莖儲藏，以保證倒苗后提供足夠的營養物質供植物在長期休眠生長中使用，6年生甘肅貝母的花芽是在5年生甘肅貝母7月份倒苗后至冬季休眠前形成，來年開春迅速抽莖開花，這是青藏高原短命植物為了完成生活史對環境的特殊響應。

3.3 不同物候期甘肅貝母種群生殖器官與分株各器官生物量的關系

植物在生長發育過程中，各器官生物量分配常見的關系有指數函數、冪函數和線性關系，許多研究結果都呈冪函數和線性相關關系[29]。本研究發現，甘肅貝母在整個生殖生長階段，生殖器官生物量與根系生物量和葉生物量均呈顯著的拋物線關系，植株處于生殖生長階段時需要大量的營養物質，而葉片光合作用不能為植株儲存和提供充足的同化物，同時，根系成為植株生殖生長營養物質補充供應的主要來源，從而導致在生殖生長階段根系生物量和葉生物量與生殖器官生物量呈拋物線關系；在整個生殖生長階段，生殖器官生物量與莖生物量呈顯著的線性關系，表明隨物候期的推移，生殖器官生物量隨莖生物量的增大而呈現上升趨勢。在花期，生殖器官生物量與鱗莖生物量和總生物量呈顯著的線性關系，而在果期，生殖器官生物量與鱗莖生物量和總生物量呈顯著的拋物線關系，表明生殖器官在不同的物候期表現出不同的生長規律。甘肅貝母是青藏高原的一種特殊短命植物，其生育期短，休眠期長，根系和花芽都是在前一年休眠期在地下形成，來年春天迅速抽莖開花結實，完成生命史，其生長對環境具有特殊的響應機制。在研究植物生長關系時，R2的大小決定了相關密切程度，可用來衡量遺傳因素所占的比重，而1-R2則代表環境因素的影響程度[6]。在各生長階段，甘肅貝母花生物量與根系生物量的R2均小于50%，表明根系在生殖生長期間主要受環境因素的影響；根據花生物量與莖生物量、葉片生物量和總生物量的R2可以發現莖、葉片和整個植株在現蕾期和果實成熟期主要受環境因素的影響，而在盛花期和果實膨大期主要受遺傳因素影響；根據花生物量與鱗莖生物量的R2可以發現鱗莖在現蕾期、果實膨大期和果實成熟期主要受環境因素的影響。因此，在人工馴化栽培甘肅貝母時，主要在生長初期和后期加強水肥管理，甘肅貝母在同一栽培生境條件下，生殖生長具有較大的生態可塑性。

3.4 不同物候期甘肅貝母植株各器官營養物質分配

氮、磷和鉀元素是植物體必須的營養元素，對植物體物質吸收、運輸和利用，以及有機物質的合成都有重要的作用，直接影響到植株正常的生理狀態。氮是維持土壤環境的關鍵元素，也是植物生長發育必須的營養元素[30]，是植物體內蛋白質、核酸和葉綠素的重要組成部分，在植物體各代謝環境起到重要作用[31]。在甘肅貝母處于生殖生長階段的各物候期，氮平均組成百分比最高的為葉片，主要存在于核酸和葉綠素等光合系統中，以促進葉片的同化作用；磷參與植物體內碳水化合物的運輸、淀粉和多糖的合成，還可以促進植物組織的生長，增強根系和枝條的生長；鉀是光合作用中多種酶的活化劑，提高酶活性，參與氮的吸收[32]。磷和鉀在果實中的組成百分比顯著高于其他器官。在現蕾期和盛花期，鉀在葉片中具有較高的組成百分比，而在成熟期顯著降低，主要是由于在生殖生長前期葉片成熟，鉀可以活化多種與光合作用相關的酶，促進同化物質的產生，當果實處于成熟期，葉片老化嚴重，鉀運輸至果實或者流失，致使葉片中鉀含量顯著降低。在整個生殖生長階段，生殖器官中氮元素和磷元素的組成百分比在盛花期顯著低于現蕾期，到果實成熟期又顯著增大，但顯著低于現蕾期，鉀元素百分比在整個生殖生長過程中呈相對平穩狀態。總體來看，從現蕾期到果實成熟期，果實、葉和莖中營養元素氮磷鉀組成百分比均呈下降趨勢，而鱗莖中營養元素保持相對平穩狀態，甘素貝母生殖生長是以消耗各器官營養元素保證鱗莖正常生長為主，周小玲[13]等研究發現野生脹果甘草(Glycyrrhiza) 生殖生長是營養元素積累的過程，而甘肅貝母這種營養元素生殖分配方式與此相反。甘肅貝母在高山嚴酷的生長環境下，有性繁殖周期長，繁殖率極低，主要以鱗莖繁殖為主維持種群的延續，表明甘肅貝母在進化過程中形成了特殊的生殖分配對策。

4 結論

在整個生殖生長過程中，隨著物候推移，甘肅貝母根系生物量逐漸減小，而植株的莖、鱗莖、葉片，以及總生物量逐漸增大，且在果實成熟期達到最大。在生殖生長階段，甘肅貝母并不是以生殖器官生長為主，而是以鱗莖的生長為主，在植株總生物量不斷積累的過程中完成生殖生長的各階段，甘肅貝母在進化過程中形成了特殊的生殖分配對策，主要以鱗莖繁殖為主延續種群。本研究雖然從生物量和營養元素方面對甘肅貝母生殖分配進行了研究了解，但仍需要通過分子水平研究來切實了解分配和調控機理，以便更好為甘肅貝母人工馴化栽培提供理論依據。