海南特有滅絕級(jí)植物爪耳木的葉片功能性狀

劉咲頔，王祝年， 王清隆， 王 鵬， 葉秀旭

(1.海南大學(xué)，海南 ?？?70100； 2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱帶作物品種資源研究所， 海南 海口 570100)

爪耳木(Lepisanthesunilocularis)隸屬無患子科(Sapindaceae)鱗花木屬(Lepisanthes)常綠灌木，為國(guó)家Ⅲ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物，海南特有滅絕級(jí)植物[1-2]。在消失近80 a后，王清隆等[3-4]在海南省樂東縣尖峰鎮(zhèn)附近再次發(fā)現(xiàn)，但僅有1個(gè)居群共5株殘存，且是由1株母株通過橫走側(cè)根生長(zhǎng)出不定芽形成的5株居群，將其移栽至位于海南儋州的南藥種質(zhì)圃(E109°50′9″，N 19°51′9″)中，經(jīng)過5 a繁育，目前已育成30余株且長(zhǎng)勢(shì)良好。

植物功能性狀是指影響植物體存活、生長(zhǎng)、繁殖和死亡的一系列植物屬性，是植物在生長(zhǎng)發(fā)育和進(jìn)化過程中適應(yīng)外界環(huán)境條件的結(jié)果[5]。葉片是植物進(jìn)行光合作用的重要器官，其合成的有機(jī)化合物是植物生長(zhǎng)發(fā)育所消耗能量的主要來源之一。葉片是植物對(duì)外界資源條件尤其是光資源變化反應(yīng)最敏感的器官[6]，其功能性狀的變化在一定程度上反映植株獲取光照資源的能力[7]。葉片功能性狀主要分為形態(tài)性狀、結(jié)構(gòu)性狀和生理性狀等，其中形態(tài)和結(jié)構(gòu)性狀與光合速率、水力導(dǎo)度等生理性狀密切相關(guān)，可一定程度上反映植物與光照、水分及土壤肥力等環(huán)境因子的功能關(guān)系[8]。

爪耳木具有極耐干旱、耐鹽堿的優(yōu)良特性，是濱海地區(qū)較為理想的綠植樹種。爪耳木的根可入藥，具有一定的經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值。目前，制約爪耳木種群大小的最大因素是雌雄花不同期且雄花開放極少，導(dǎo)致其自然條件下很難結(jié)實(shí)，有性生殖受到極大制約。雖然爪耳木極耐干旱，在極端干旱條件下依然不會(huì)死亡，但仍將導(dǎo)致其生殖生長(zhǎng)幾乎停止，其種子在干旱條件下成活率極低。爪耳木是海南特有的滅絕級(jí)(EX)珍稀植物，時(shí)隔80 a再次被發(fā)現(xiàn)，很多特性都尚不明確，研究其葉片功能性狀可更好地了解爪耳木的生長(zhǎng)習(xí)性。鑒于此，采用差異顯著性分析、主成分分析及聚類分析等方法，比較新葉與老葉的功能性狀差異，探明影響爪耳木生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素及最適生長(zhǎng)條件，以期為擴(kuò)大海南特有滅絕級(jí)(EX)瀕危植物爪耳木的種群數(shù)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 葉片 爪耳木當(dāng)年生新葉和多年生老葉，采自海南儋州南藥種質(zhì)圃(E 109°50′9″，N 19°51′9″)。

1.1.2 試劑 98%濃硫酸、40%氫氧化鈉溶液、20 g/L硼酸溶液和0.1 mol/L鹽酸溶液，市購(gòu)。

1.1.3 儀器與設(shè)備 AUY220電子分析天平，日本島津儀器有限公司；EH125ZH酶標(biāo)儀，奧豪斯公司生產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 葉片采集 2019年5月17日10:00-11:00在種質(zhì)圃內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的爪耳木植株，采集光照充足無遮擋，無明顯病蟲害和機(jī)械損傷，位于每枝中段生長(zhǎng)完全的當(dāng)年生新葉和多年生老葉各30片，標(biāo)號(hào)(1～60)并稱重后置于封口袋中保存。

1.2.2 不同發(fā)育階段爪耳木葉功能性狀的差異 將新葉30片和老葉30片各視為1個(gè)總體，分別采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對(duì)其鮮重(WF)、飽水重(WT)、干重(WD)、葉面積(LA)、含水量(LWC)、相對(duì)含水量(LRWC)、比葉重(SLW)、全氮含量(LNC)和全磷含量(LPC)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α<0.05)。 鮮重：葉片采下后立即標(biāo)號(hào)并用電子天平稱量每片葉的鮮重。飽水重：從封口袋中取出采下的新葉和老葉，分別置入2個(gè)盛有清水的保溫盒中浸泡，蓋上保鮮盒將其放在恒溫箱中保存7 h后取出，使用紙巾吸去葉片表面殘留的水跡，使用精度為0.01 mg的電子天平稱量，記錄各葉片的飽水重。干重：將測(cè)過飽水重的葉片展開盛于托盤上，105℃殺青20 min，再90℃烘干20 h至恒重后稱葉片干重。葉面積：采用畫紙稱重法測(cè)出各新鮮葉片的面積。全氮含量：將干燥處理過的爪耳木葉粉碎，80℃烘干至恒重，過40目篩，稱取約0.3 g加入消化管中，每管加入10 mL濃硫酸；待樣品充分消解后，采用凱式定氮法[9]測(cè)定葉片全氮含量。全磷含量：使用硫酸-過氧化氫消化待測(cè)的爪耳木葉干樣，使其中存在的各種形態(tài)磷轉(zhuǎn)變成正磷酸鹽。然后采用鉬銻抗顯色劑反應(yīng)測(cè)定全磷含量。

根據(jù)鮮重、飽水重、干重和葉面積計(jì)算比葉重、相對(duì)含水量和葉片含水量。

SLW=WF/LA×100%

LRWC=(WF-WD)/(WT-WD)

LWC=(WF-WD)/WF

1.2.3 不同發(fā)育階段爪耳木葉片功能性狀因子間的相關(guān)性 采用相關(guān)性分析法對(duì)新葉與老葉間WD、LA、LWC、LRWC、SLW、LNC和LPC性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.2.4 不同發(fā)育階段爪耳木葉功能性狀的主要影響因素 采用因子分析和主成分分析(PCA)探究其性狀間的相互影響及性狀在不同生長(zhǎng)發(fā)育過程中的重要性。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SAS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)育階段爪耳木葉片的功能性狀

從圖1看出，新葉和老葉部分葉片功能性狀存在顯著性差異。LWC：新葉和老葉的分別為60.21%和52.17%，新葉極顯著大于老葉；WD和SLW：老葉和新葉分別為0.046 g、0.037 g和0.017 g、0.013 g，老葉顯著大于新葉。LA、LRWC、LNC和LPC：老葉分別為5.670 cm2、72.954%、16.872 g/kg和1.173 g/kg，新葉分別為5.125 cm2、79.807%、16.467 g/kg和1.272 g/kg，各項(xiàng)指標(biāo)老葉與新葉差異不顯著?？梢姡先~與新葉的差異主要體現(xiàn)在葉面積、含水量及干物質(zhì)積累量等方面，葉片的氮、磷含量方面并沒有顯著差異。說明，爪耳木新葉和老葉代謝的速率相近。

注：圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different and lowercase letters in the figure indicate significance of difference atP<0.05 level respectively among different treatments.

圖1不同發(fā)育階段爪耳木葉片的功能性狀

Fig.1 Functional traits ofL.unilocularisleaves at different growth stages

2.2 不同發(fā)育階段爪耳木葉片功能性狀因子間的相關(guān)性

從表1看出，WD與LWC、LRWC和LPC呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.568、-0.442和-0.560；LWC與LRWC、LA(r=0.800和0.181)，WD與LA、SLW(r=0.614和0.819)均呈極顯著正相關(guān)；LWC與LPC(r=0.288)呈顯著正相關(guān)；LRWC與LNC(r=-0.316)，LA與LPC(r=-0.305)，SLW與LPC(r=-0.634)均呈顯著負(fù)相關(guān)。

對(duì)比各性狀公因子1和公因子2的絕對(duì)值(表2)可知，WD、SLW和LPC受公因子1的影響較大，其公因子的絕對(duì)值分別為0.312、0.330和0.279；而LWC、LRWC和LNC受公因子2的影響較大，其公因子的絕對(duì)值分別為0.434、0.441和0.238。

表1 爪耳木葉功能性狀間的相關(guān)性

注：*和**分別表示相關(guān)性顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

Note:* and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.

表2 爪耳木葉片功能性狀的公因子載荷矩陣

2.3 不同發(fā)育階段爪耳木葉功能性狀的主要影響因素

由表3可知，主成分1和主成分2的特征值分別為3.140和1.684(>1)，主成分1的貢獻(xiàn)率為44.86%，主成分2的貢獻(xiàn)率為24.06%，二者的累積貢獻(xiàn)率為68.92%。其中，主成分1中以WD、LWC、SLW和LPC所占比重較大，其在主成分1中所占的系數(shù)絕對(duì)值分別為0.533、-0.393、0.451和-0.396；主成分2中，LWC、LRWC和LA所占比重較大，其在主成分2中所占的系數(shù)絕對(duì)值分別為0.486、0.527和0.506。說明，WD、LWC、SLW和LPC是主成分1中比較重要的性狀；LWC、LRWC和LA是主成分2中比較重要的性狀。

表3爪耳木葉片功能性狀各主成分的特征值與貢獻(xiàn)率

Table 3 Eigenvalue and contribution rate of different principal components of functional traits ofL.unilocularisleaves

指標(biāo)Index主成分1Principalcomponent 1主成分2Principal component 2葉干重WD0.5330.148葉含水量LWC-0.3930.486葉相對(duì)含水量LRWC-0.3340.527葉面積LA0.2490.506比葉重SLW0.4510.275葉含氮量LNC0.164-0.293葉含磷量LPC-0.396-0.217特征值 Eigenvalue3.1401.684貢獻(xiàn)率/% Contribution rate44.8624.06累計(jì)貢獻(xiàn)率/% 44.8668.92 Cumulative contribution rate

根據(jù)各樣本的主成分1和主成分2的得分聚類，以主成分1為y軸，主成分2為x軸的散點(diǎn)-聚類(圖2)顯示，各樣本大致聚成2個(gè)主要的集團(tuán)，一個(gè)絕大多數(shù)由新葉組成，另一個(gè)絕大多數(shù)是老葉組成，其在坐標(biāo)軸上的差異主要體現(xiàn)在縱坐標(biāo)上，即其主成分1得分差異較大。而主成分1中WD、LWC、SLW和LNC所占比重較大，因此，可以判斷爪耳木不同生長(zhǎng)時(shí)期葉片功能性狀主要受WD、LWC、SLW和LNC等4個(gè)性狀的影響。

注：編號(hào)1～30為新葉，31～60為老葉。

Note: 1～30 and 31～60 indicates the new leaves and perennial old leaves respectively.

圖2爪耳木老葉和新葉葉功能性狀PCA分析的散點(diǎn)-聚類

Fig.2 PCA scatter-cluster of functional traits of the old leaves and new leaves ofL.unilocularis

3 結(jié)論與討論

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，其功能性狀能較好地反映植物當(dāng)前生長(zhǎng)發(fā)育階段的一些特性，如所需的營(yíng)養(yǎng)元素等[10]。葉面積是衡量植物光合能力的重要指標(biāo)[11]，比葉重可作為衡量植物相對(duì)生長(zhǎng)速率的指標(biāo)[12]。植物的葉片功能性狀可以反映其生長(zhǎng)地區(qū)的環(huán)境情況，其改變可揭露植物生境的演替[13-14]。

葉片含磷量在主成分1中有比較重要的影響。有研究表明，隨著生長(zhǎng)時(shí)期的變化，老葉的磷含量低于新生葉片，原因在于植物葉片獲得的營(yíng)養(yǎng)更多地運(yùn)輸?shù)狡渌鞴儆糜谏㈤_花及結(jié)實(shí)等[15]。爪耳木沒有產(chǎn)生這種情況可能是因?yàn)槠涮厥獾臑l危機(jī)制，爪耳木多數(shù)是由1株母株通過橫走側(cè)根形成的不定芽形成子株，其根部呈網(wǎng)狀且扎根非常淺，生長(zhǎng)也十分緩慢，自然生長(zhǎng)條件下極少結(jié)實(shí)，如此可能導(dǎo)致其新葉與老葉氮磷含量之間的變化無顯著性差異。而老葉與新葉間的差異可能更多體現(xiàn)在干物質(zhì)的積累量上，這些可從干重和葉面積看出。

葉片氮含量可以說明植物光合能力的高低[16-17]；有研究認(rèn)為，葉片氮含量與光合速率呈顯著正相關(guān)[18]；另有研究認(rèn)為，葉片氮含量與光合速率呈負(fù)相關(guān)甚至不相關(guān)[19]。研究結(jié)果表明，葉干重、葉含水量、比葉重和葉含氮量等4個(gè)性狀是影響爪耳木葉生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，今后可以從這些因素入手研究爪耳木的葉片功能性狀與其生長(zhǎng)發(fā)育之間的關(guān)系。

研究結(jié)果表明，葉片氮含量的增加或減少與其不同生長(zhǎng)時(shí)期無顯著相關(guān)性(r=0.560)，但并不能說明氮含量在爪耳木葉片生長(zhǎng)發(fā)育過程中不重要。有研究表明，在與爪耳木同屬無患子科龍眼的生產(chǎn)中，發(fā)生“沖梢”的個(gè)體葉片氮含量顯著高于正常開花的個(gè)體[20]。葉片氮含量是植株生長(zhǎng)的重要影響因素，可能是由于海南位于熱帶地區(qū)，光照強(qiáng)度比較高，新葉和老葉的光合速率趨于1個(gè)穩(wěn)定值，導(dǎo)致葉片氮含量并無明顯的上升或下降。后期可對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期爪耳木葉片的光合特性等進(jìn)行深入研究。

該研究結(jié)果表明，葉含水量是影響爪耳木生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，也說明水分是影響爪耳木營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。保護(hù)爪耳木可以從水分的角度切入，結(jié)合氮元素多寡對(duì)爪耳木生殖生長(zhǎng)的影響，探究爪耳木對(duì)環(huán)境元素的需求，從而更好地了解其瀕危機(jī)制，進(jìn)而采取更多有效手段對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。