不同種源羊草表型差異性

李 陽(yáng),魏繼平,馬紅媛,*

1 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)春 130102 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

植物的性狀與環(huán)境有著緊密的關(guān)系,它是植物在特定環(huán)境下生存策略的重要表現(xiàn)[1- 2]。在當(dāng)今全球劇烈的氣候條件變化下,植物的生存環(huán)境在時(shí)間和空間上不斷變化著,對(duì)于一些廣泛分布的物種來(lái)說(shuō),植物通常會(huì)通過(guò)調(diào)整表型特征來(lái)增加自身的適合度,以削弱不良環(huán)境對(duì)生長(zhǎng)、繁殖造成的不良影響,造成不同地區(qū)植物表型的差異[3- 5]。表型分化不僅可以反映生存環(huán)境的質(zhì)量,也可以反映出物種對(duì)于環(huán)境的忍受力。從物種進(jìn)化角度來(lái)看,變異是生物進(jìn)化的基礎(chǔ),有利于物種種內(nèi)、種間競(jìng)爭(zhēng),提升物種在自然群落中的生態(tài)位。因此,探索物種表型分化對(duì)于植物物種適應(yīng)環(huán)境變化來(lái)具有重要的作用[6- 9]。種群種內(nèi)的多樣性有以下兩個(gè)原因:表型可塑性和遺傳變異。前者由于環(huán)境變化某個(gè)特定基因有著不同表型,后者為自然選擇壓力下的遺傳變異[10- 12]。物種在適應(yīng)環(huán)境中表現(xiàn)出的這兩種生長(zhǎng)策略是不矛盾的,同一物種適應(yīng)即可以有表型可塑性又可以有遺傳分化,這與它們生存環(huán)境相關(guān)[13]。對(duì)物種表型分化差異的研究不僅能夠了解它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略,而且能夠?qū)ξ磥?lái)物種進(jìn)化、發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。

羊草(Leymuschinensis)是多年生根莖型植物,具有適口性好、蛋白質(zhì)含量高和耐鹽堿等特點(diǎn),在世界范圍內(nèi)具有廣泛的地理分布,并在發(fā)展草原經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要地位[14]。近些年來(lái)關(guān)于羊草研究表明,不同種源的羊草在形態(tài)、單穗長(zhǎng)度、小穗數(shù)、過(guò)氧化物歧化酶(POD,Peroxidase)和超氧化物歧化酶(SOD,Superoxide dismutase)酶活性等特征中存在差異,經(jīng)過(guò)同地栽培后,這種差異在后代中也體現(xiàn)出來(lái)[15- 18]。這種傳遞到后代的表型差異還可以通過(guò)遺傳同化的過(guò)程保持穩(wěn)定[1,19],增強(qiáng)后代環(huán)境適應(yīng)能力。Wang等的研究發(fā)現(xiàn),羊草總植株密度、營(yíng)養(yǎng)枝、生殖枝生物量隨著降水量的增加而增加,隨干旱指數(shù)的增加而下降。得出了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)可能是兩種生態(tài)型產(chǎn)生的原因[20]。Yuan等對(duì)灰綠型羊草和黃綠型羊草的研究發(fā)現(xiàn),灰綠色羊草有著比黃綠色羊草更強(qiáng)的適應(yīng)性,在莖高、穗長(zhǎng)、葉面積、種子重量等方面存在顯著差異,并認(rèn)為這與年均溫、年降水量和土壤水分含量相關(guān)[11]。Guo等在中國(guó)東北沿大尺度干旱梯度的研究表明,羊草的葉片厚度隨著干旱程度的增加而增加[21]。因?yàn)楦蟮娜~片厚度可以為水分儲(chǔ)存提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),并在進(jìn)化角度上有利于有效水分利用。我們近期研究發(fā)現(xiàn),GA3引發(fā)羊草種子存在可以遺傳的表型差異,在子一代和子二代中穩(wěn)定發(fā)生[22]。

以往的研究都主要集中在個(gè)別的環(huán)境因子或者控制試驗(yàn)上,而在同質(zhì)園移栽條件下觀察羊草表型差異的報(bào)道較少。本研究選取4個(gè)種源地的羊草為研究對(duì)象,開(kāi)展同質(zhì)園試驗(yàn),分析其對(duì)環(huán)境適應(yīng)特性,闡明不同種源的羊草對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境是否具有較高的表型差異？這種表型差異是由遺傳因素還是環(huán)境因素造成？

1 研究方法

1.1 不同種源羊草采集

本研究所在的同質(zhì)園試驗(yàn)地位于中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所(43°5′—45°15′ N,124°18′—127°2′ E)。于2017年4月末羊草返青時(shí)期,分別在吉林省松嫩平原西部的鎮(zhèn)賚(ZL),洮北區(qū)(TB),大安市(DA)和大安市姜家甸草場(chǎng)(JC)種源選取羊草,5月初進(jìn)行田間單枝移栽。共分為4個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)設(shè)置8個(gè)重復(fù)樣,小區(qū)之間設(shè)有保護(hù)行,定期澆水、除草,每次澆水量保持一致。長(zhǎng)春市年平均氣溫4.9 ℃,年降水量593.8 mm,屬于溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣侯類(lèi)型。

1.2 光合測(cè)定

在2017年8月,選擇晴朗無(wú)云天氣,使用Li- 6400便攜式儀進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為9:00—11:00,每個(gè)種源選取6枝長(zhǎng)勢(shì)均勻的羊草作為研究對(duì)象,選取羊草葉片頂端第二片展開(kāi)葉進(jìn)行測(cè)定,3次重復(fù),取平均值。由Li- 6400便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)出各項(xiàng)數(shù)據(jù),測(cè)定指標(biāo)包括：凈光合速率Pn(μmol m-2s-1)和蒸騰速率Tr(mmol m-2s-1)。測(cè)定的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到水分利用效率(WUE)。WUE(μmolCO2/mmolH2O)=Pn/Tr。

1.3 比葉面積的測(cè)定

將采集的葉片用Li- 3000型便攜式葉面積儀進(jìn)行葉面積的測(cè)定,將不同種源地的葉片取回到實(shí)驗(yàn)室,用Li- 3000型便攜式葉面積儀測(cè)定葉面積(S),每個(gè)種源地取6枝羊草,對(duì)所有葉片測(cè)定葉面積；之后,將羊草葉片放在105 ℃殺青2 h,然后在85℃下烘24 h至恒重,用1/10000g電子天秤稱重(W)。比葉面積(SLA)用以下公式進(jìn)行測(cè)定：SLA(cm2/g)=S/W。

1.4 表型性狀的測(cè)定

利用刻度尺測(cè)量羊草的株高、葉片長(zhǎng)度；用游標(biāo)卡尺測(cè)定羊草的葉寬、莖直徑等指標(biāo)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

以每枝羊草為統(tǒng)計(jì)單位,各種源羊草株高、葉長(zhǎng)等平均值代表該種源的總體水平。使用RStudio軟件(R- 3.3.3版本)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)。在進(jìn)行不同種源羊草性狀特征比較時(shí),采用Tukey進(jìn)行多重比較。在數(shù)據(jù)分析之前,數(shù)據(jù)的正態(tài)性(shapiro-wilk)和方差齊性(LeveneTest)都進(jìn)行了檢驗(yàn),必要時(shí)數(shù)據(jù)需進(jìn)行Log轉(zhuǎn)換等以滿足正態(tài)性和方差齊性的條件。最后使用Origin 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種源間羊草生長(zhǎng)特性比較

圖1 不同種源羊草葉片表型比較Fig.1 The comparison of leaf traits between provenancesZL:代表鎮(zhèn)賚種源地羊草；TB:代表洮北種源地羊草；DA:代表大安種源地羊草；JC:代表姜家甸草場(chǎng)種源地羊草;不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

來(lái)自4個(gè)種源地的羊草株高、葉長(zhǎng)、葉寬以及莖直徑均存在顯著差異(圖1和圖2)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,4個(gè)種源地羊草的株高存在顯著差異(df=3,F=19.3,P<0.05),其中ZL和TB均顯著高于DA和JC種源地,但ZL和TB之間無(wú)顯著差異(圖1)。4個(gè)種源地羊草葉長(zhǎng)存在顯著差異(df=3,F=12.48,P<0.05),其中TB種源地葉長(zhǎng)顯著高于其他三個(gè)種源,而其他三個(gè)種源羊草葉長(zhǎng)沒(méi)有顯著差異(圖1)。4個(gè)不同種源地羊草葉寬存在顯著差異(df=3,F=29.32,P<0.05),ZL和TB種源地羊草葉寬均顯著高于DA和JC種源地(圖1)。不同種源莖直徑之間存在顯著差異(df=3,F=9.15,P<0.05)。ZL種源地莖直徑最高,且顯著高于DA和JC種源(圖1)。

圖2 不同種源羊草生長(zhǎng)情況,每個(gè)種源羊草選取六枝 Fig.2 Image of Leymus chinensis growth. Six plants were selected for each provenance

2.2 不同種源間葉、鞘和莖生物量比較

4個(gè)種源地羊草葉的鮮重存在顯著差異(df=3,F=6.144,P<0.05),其中ZL和TB種源顯著高于其他兩個(gè),DA與JC種源之間無(wú)顯著差異(圖3)。4個(gè)種源地羊草鞘的鮮重存在顯著差異(df=3,F=13.77,P<0.05),各種源鞘鮮重表現(xiàn)為：ZL>TB>DA>JC,其中ZL種源顯著高于其他3個(gè)種源,而其他3個(gè)種源間差異并不顯著(圖3)。4個(gè)種源地羊草莖的鮮重存在顯著差異(df=3,F=7.464,P<0.05),各種源莖鮮重表現(xiàn)為ZL>TB>DA>JC,其中ZL和TB種源顯著高于其他兩個(gè),但DA與JC種源之間無(wú)顯著差異(圖3)。4個(gè)種源地羊草葉干重存在顯著差異(df=3,F=3.35,P<0.05),各種源葉干重表現(xiàn)為：TB>ZL>DA>JC,其中TB種源顯著高于JC種源(圖3)。4個(gè)種源地羊草鞘干重存在顯著差異(df=3,F=5.787,P<0.05),各種源鞘干重表現(xiàn)為：ZL>TB>DA>JC,其中ZL和TB種源顯著高于JC種源(圖3)。4個(gè)種源地羊草莖干重存在顯著差異(df=3,F=5.419,P<0.05),各種源莖干重表現(xiàn)為：ZL>TB>DA>JC,其中ZL和TB種源顯著高于JC種源(圖3)。

圖3 不同種源間葉、鞘和莖的生物量的比較 Fig.3 The comparison of biomass of leaves, sheaths and stems between different provenances

2.3 不同種源間羊草光合特性、表型特征比較

不同種源地羊草葉片凈光合速率不存在顯著差異(df=3,F=22.11,P<0.05),而蒸騰速率(df=3,F=4.43,P<0.05)和水分利用效率(df=3,F=20.72,P<0.05)存在顯著差異(圖4)。4個(gè)種源地Pn大小表現(xiàn)為：JC>ZL>DA>TB(圖4)。各種源間Tr大小表現(xiàn)為：JC>TB>ZL>DA,ZL與JC種源之間存在顯著差異,DA與JC種源之間存在顯著差異(圖4)。各種源間WUE表現(xiàn)為：ZL>DA>TB>JC。不同種源地羊草生物量之間存在顯著差異(df=3,F=3.87,P<0.05),ZL種源地為最高,且顯著高于JC種源地,但與TB和DA不存在顯著差異,各種源羊草生物量表現(xiàn)為：ZL>DA>TB>JC(圖4)。不同種源地羊草比葉面積之間存在顯著差異(df=3,F=5.75,P<0.05),羊草比葉面積在不同種源間表現(xiàn)為：ZL>JC>TB>DA,DA種源與其他三個(gè)種源均存在顯著差異,并且DA種源呈現(xiàn)出了最低的比葉面積的特征(圖4)。不同種源地羊草分蘗數(shù)之間不存在顯著差異(df=3,F=1.06,P=0.39),各種源羊草分蘗數(shù)表現(xiàn)為：DA>ZL>JC>TB(圖4)。

圖4 不同種源間羊草光合特性、表型特征的比較 Fig.4 The comparison of photosynthetic characteristics and phenotypic characteristics between different provenancesPn表示為凈光合速率,net photosynthetic rate；WUE表示為水分利用效率,water ues efficiency; Tr表示為蒸騰速率,transpiration rates

3 討論

3.1 不同種源羊草表型特征的差異

表型可塑性被認(rèn)為是物種發(fā)生進(jìn)化和適應(yīng)的基本條件,在物種適應(yīng)生境中發(fā)揮重要作用,并逐漸成為植物適應(yīng)環(huán)境變化產(chǎn)生表型差異的機(jī)制[23-25]。本研究中,羊草表型差異明顯也證明了羊草在不同生境中有著較高的表型可塑性。在親本經(jīng)歷過(guò)環(huán)境的干擾后,親本生長(zhǎng)的環(huán)境能夠強(qiáng)烈的影響后代生長(zhǎng)特性的表達(dá)[26]。在本研究中,不同種源羊草葉片表型特征存在顯著差異。表明羊草的表型差異性是在長(zhǎng)期的環(huán)境變化中由遺傳因素造成的。這樣的結(jié)果在其他類(lèi)似的研究中也有發(fā)現(xiàn),在受到長(zhǎng)期的過(guò)度放牧或刈割處理誘導(dǎo)的記憶下,羊草后代葉片表型大小會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)[27-28]。Groot等的研究則表明,后代表型差異變化是依賴于親本生存環(huán)境的[29]。表型差異的形成在多年生植物物種中被認(rèn)為是重要的生長(zhǎng)策略,因?yàn)橄啾拳h(huán)境條件的快速變化,自然選擇產(chǎn)生的基因變化是很慢的[30]。各種源分蘗數(shù)高低特征與水分利用效率和生物量相似,表現(xiàn)為：DA>ZL>JC>TB(圖4)。本研究中,ZL種源羊草長(zhǎng)勢(shì)最好,且在其他特征中都表現(xiàn)出最高值。雖然各種源羊草分蘗數(shù)相差較多,但各種源間并不存在顯著差異,這可能是各種源羊草分蘗可塑性較低。

植物的葉片性狀與植物利用資源的能力密切相關(guān),并能反映植物為了適應(yīng)多變的環(huán)境而形成相應(yīng)的生長(zhǎng)對(duì)策[31]。作為反映植物利用資源重要的指標(biāo)之一,比葉面積(SLA)代表植物體單位質(zhì)量的干物質(zhì)所獲得的捕光面積,它常常與植物的生長(zhǎng)對(duì)策有緊密的聯(lián)系,能夠反映植物適應(yīng)環(huán)境的特征。比葉面積也是評(píng)價(jià)群落生產(chǎn)力與結(jié)構(gòu)是否合理的依據(jù)[32]。生長(zhǎng)在豐富資源環(huán)境條件下的物種常常具有很高的比葉面積[32-34]。有研究認(rèn)為,SLA較高的植物往往具有較高的凈光合速率、生長(zhǎng)速率,和養(yǎng)分利用效率。而低SLA的物種能夠?qū)Y源匱乏的環(huán)境產(chǎn)生積極的適應(yīng)力[35]。在本研究中,ZL種源羊草的SLA最高,DA種源羊草SLA顯著低于其他三個(gè)種源,表明DA種源羊草生長(zhǎng)資源環(huán)境較為差,這可能因?yàn)橹参锿ㄟ^(guò)比葉面積和葉片組織密度共同來(lái)維持體內(nèi)的水平平衡,減少比葉面積,葉干質(zhì)量減小,葉組織密度增大造成的[36]。這與宋沼鵬等人對(duì)五角楓(Acermono)的研究結(jié)果相似[37]。也有研究認(rèn)為,SLA的降低代表著葉片將變得更厚,蛋白都集中在葉中并參加到光合作用中以減少了水分虧缺對(duì)光合作用的負(fù)面作用[38]。羊草SLA低也可以被認(rèn)為植物為了獲取環(huán)境中最大的碳收入和最少的水分消耗而采取的一種良性的生存對(duì)策。本研究將SLA與葉片干物質(zhì)含量一塊研究發(fā)現(xiàn),DA種源有最低的SLA值,但有著較高的葉片干物質(zhì)含量。Rose等認(rèn)為,具有較低SLA而葉片干物質(zhì)含量較高的植物有著更高的水分利用效率和資源獲取能力,借此適應(yīng)貧瘠的環(huán)境條件[39]。在環(huán)境影響物種后代繁殖條件下,良好的條件使親本產(chǎn)生大量中等質(zhì)量的后代,而在貧瘠的生境中,親本則產(chǎn)生數(shù)量較少但適應(yīng)力很高的后代[9]。這被認(rèn)為是植物適應(yīng)異質(zhì)生境的一種權(quán)衡對(duì)策。

生物量分配是植物生活史理論中的核心概念,也是植物生長(zhǎng)狀態(tài)和適應(yīng)生境能力的重要指標(biāo)[40]。植物受到生物或非生物壓力下,會(huì)權(quán)衡的將獲取的資源分配給不同部位[41-42],借此提高植物的適合度,增強(qiáng)它們的生存能力與競(jìng)爭(zhēng)能力。植物種群的生殖分配是植物與環(huán)境相互作用、長(zhǎng)期進(jìn)化性的結(jié)果,不僅受到自身遺傳學(xué)因素影響,也受到環(huán)境因素的影響,從而表現(xiàn)出明顯的地域差異。在本研究中,我們發(fā)現(xiàn)在不同的種源中,葉、鞘和莖都存在顯著差異,而且葉的生物量占葉鞘莖總體生物量的一半以上。Marchiori等的研究認(rèn)為,高生物量是由強(qiáng)的光合作用引起的,在達(dá)到光飽和點(diǎn)之前,光合作用的增強(qiáng)能夠積累更高的生物量[38]。這也符合本實(shí)驗(yàn)中不同種源羊草凈光合速率的差異。相比良好條件的環(huán)境,干旱的生境使植物的后代有著更發(fā)達(dá)的根系系統(tǒng),這使得經(jīng)歷過(guò)干旱脅迫的后代有著比生長(zhǎng)在良好條件下的后代有更高的生物量[15]。Hamann等的最新研究認(rèn)為,地上生物量是隨著干旱的增加而降低,這也是通過(guò)植物將更多生物量分配到根系中來(lái)解釋的[43]。在本研究中,ZL和DA種源的生物量較高也有可能是因?yàn)橛H代生長(zhǎng)在干旱的條件下,通過(guò)遺傳效應(yīng)使得后代具有更發(fā)達(dá)的根系系統(tǒng)從而產(chǎn)生更高的生物量。根據(jù)生物量最優(yōu)分配理論,當(dāng)植物生長(zhǎng)遇到養(yǎng)分和水分限制時(shí),植物會(huì)將生物量更多的分配到根部。而當(dāng)植物受到光照和溫度限制時(shí),某些植物則將更多地生物量分配的地上部分[44]。但由于本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)地下生物量進(jìn)行測(cè)定,故無(wú)法推斷羊草整體生物量分配情況,這需要后續(xù)的研究。

3.2 不同種源的生理特性差異

光合作用在植物生活史中復(fù)雜的生理過(guò)程,受到多種因素綜合作用的影響,如葉綠素含量,緯度,CO2濃度等[45-46]。凈光合速率(Pn)是植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵,Pn的決定了植物光合作用的大小,并制約著植物的生長(zhǎng)量和生長(zhǎng)速率。Martin等認(rèn)為,Pn和種源原地的氣候條件相關(guān)聯(lián),這是植物在長(zhǎng)期的環(huán)境適應(yīng)中形成的結(jié)果[47]。也有研究認(rèn)為,氣孔因素和葉肉細(xì)胞的羧化活動(dòng)也能影響凈光合速率[48]。然而在本研究中,各種源羊草Pn沒(méi)有顯著差異。Ren等的研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期過(guò)度放牧條件通過(guò)降低葉片葉綠素含量和Rubisco酶活性來(lái)降低羊草后代的光合作用,并且調(diào)控了一系列光合速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠體的相關(guān)基因[28]。因此,不同種源間Pn不存在顯著性差異有可能是因?yàn)樵陂L(zhǎng)期的環(huán)境適應(yīng)中,不同種源的羊草葉片中的葉綠素含量或氣孔因素等差異不大引起的。

植物葉片水分利用效率(WUE)為測(cè)定植物碳固定效率、耗水量和評(píng)估植物在脅迫條件下的適應(yīng)性提供了重要指標(biāo)[48]。全先奎等人認(rèn)為,WUE和種源原地的年平均氣溫、年平均降水量呈負(fù)相關(guān),和年平均干燥度呈正相關(guān)[49]。Warren等認(rèn)為,不同種源桉樹(shù)(Eucalyptussideroxylon)的葉片WUE存在差異,但與降水無(wú)明顯的關(guān)系[50]。在干旱的條件下,羊草有更高的WUE,使其能在廣泛的生境中生存[49]。而作為影響WUE變化的兩大關(guān)鍵因子凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr),兩者的變化都會(huì)直接影響WUE。在本研究中發(fā)現(xiàn),各種源間羊草Tr存在顯著性差異,Pn不存在顯著性差異,這說(shuō)明各種源環(huán)境較為干旱,空氣中的水分和土壤含水量較低,對(duì)于Tr的影響比Pn大造成的[51]。本研究中,JC種源雖然凈光合速率和蒸騰速率表現(xiàn)出最高值,但是由于蒸騰速率過(guò)高,反而降低了WUE,積累的干物質(zhì)量也因?yàn)楹粑饔帽幌牡簟Ｍㄟ^(guò)對(duì)比各種源WUE大小可發(fā)現(xiàn)：ZL>DA>TB>JC,而不同種源生物量(干重)也與此一致。這可能是因?yàn)檩^高的WUE會(huì)加速生物量的積累造成的。

4 主要結(jié)論

本研究將4個(gè)不同種源地的羊草,經(jīng)過(guò)同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)后,不同種源的羊草形態(tài)、生長(zhǎng)和生理中特征存在顯著性差異。本研究不僅發(fā)現(xiàn)在同質(zhì)園羊草移栽情況下表型差異顯著,還發(fā)現(xiàn)羊草的表型有很廣的可塑性范圍。并且認(rèn)為這種可傳遞到子代的表型差異是由遺傳因素主導(dǎo)的。這為羊草在未來(lái)全球氣候變化中的適應(yīng)力提供了新的觀點(diǎn)。除此之外,本研究在未來(lái)將選取更多環(huán)境因素的參數(shù),為羊草表型差異提供更強(qiáng)有力的證據(jù)。而羊草的表型差異在消除不同環(huán)境影響后能否穩(wěn)定保持,有待深入研究。