黃土高原降雨梯度對刺槐不同器官內源激素分布格局及生長的影響

陳克利, 孟 敏, 張 鵬, 魏芙蓉, 王國梁,3, 馬艷萍

(1.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

全球氣候變化通過影響大氣環(huán)流和水文循環(huán),導致全球范圍降雨格局的改變[1-2]。在干旱半干旱地區(qū),水分是限制植物生長發(fā)育的首要因子[3],將直接影響樹木的生理特征和生長速率,從而影響森林生態(tài)系統的組成、結構和功能[4-5]。目前,關于降雨格局變化如何影響生長激素在樹木不同器官中的分配格局,以及因此對不同器官異速生長的影響尚不清楚,制約著人們對降雨格局變化將如何影響森林生態(tài)系統的認識。

土壤水分變化會影響植物器官中激素含量,其中水分對植物體內生長素(IAA)含量的影響較為復雜。敖紅等對紅皮云杉的研究發(fā)現,在輕度和中度干旱時枝條IAA含量有所上升,嚴重干旱時IAA含量下降[6]。王霞等發(fā)現干旱脅迫導致怪柳插穗IAA含量顯著增加[7]。劉瑞香等研究沙棘認為,IAA含量與水分虧缺程度無關[8]。這說明土壤水分對植物器官中IAA或與干旱程度、植物種類有關。同樣,土壤水分對植物器官中赤霉素(GA3)含量的影響也存在不同。如閆志利等發(fā)現干旱脅迫導致豌豆根系內GA3含量下降[9],韓瑞宏等發(fā)現,干旱脅迫引起2種苜蓿的GA3含量均下降[10],而張明生等的研究進一步表明,水分減少引起的GA3含量下降幅度與植物種類有關[11]。大量研究表明,降雨對脫落酸(ABA)以及玉米素核苷(ZR)在器官中的分配也有明顯影響,但目前結論并不一致[12-14]。目前,關于土壤水分對植物激素含量的影響主要集中在單一或某些重要器官中,對植物不同器官,尤其不同徑級細根中植物激素含量的影響缺乏系統研究。對不同器官中多種激素含量協同變化的研究較少,難以系統揭示土壤水分如何通過影響不同器官中不同激素含量的分配格局的影響。所以我們提出假設,土壤水分會影響不同激素含量在植物不同器官中的分布格局,多種激素的分布格局共同決定著樹木不同器官的生長。

刺槐(Robiniapseudoacacia)原生長于北美,是一種抗旱樹種,在全世界都有廣泛種植[15]。近年研究發(fā)現,黃土高原北部干旱地區(qū)大量刺槐出現生長減慢、枝梢干枯的現象[16],但在南部的淳化生長良好。因此,本研究以黃土高原北部降雨量更少的神木、綏德以及南部降雨量較多的安塞和淳化為取樣點,通過研究內源激素、生長和土壤指標,期望在理論上闡明降雨量如何通過影響植物激素在不同器官中的分配進而影響刺槐不同器官的異速生長,為刺槐林管理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

從北到南沿著降雨量梯度,依次選擇神木縣,綏德縣,安塞縣和淳化縣4個地區(qū)。地帶性植物分別為典型草原區(qū)(神木縣),森林草原區(qū)(安塞和綏德縣)和森林區(qū)(淳化縣)。黃土高原屬于典型的溫帶大陸性季風氣候,由西北到東南逐漸由干旱區(qū)、半干旱區(qū)變?yōu)榘霛駶檯^(qū)。4個樣點土壤類型均以黃綿土為主,從北到南降雨量依次增加,降雨量分別為440.8 mm/a，475.4 mm/a，505.1 mm/a，606.1 mm/a。多年平均溫度依次為8.9℃，9.7℃，8.8 ℃和10℃。研究選取生長正常林齡分別為38，35，36，36 a的成熟人工刺槐林。刺槐林基本概況見表1。

表1 人工刺槐林樣地基本概況

1.2 試驗設計和樣品采集

依據降雨量梯度設置4個處理,選取坡度、坡向一致的地段,每個處理劃定5個10 m×10 m重復樣地。刺槐各器官生物量我們采用Allometric models[17],根據現有生物量除以林齡得到年均積累量。于2017年9月進行野外調查及采樣,在每個樣地內隨機選擇三株刺槐記錄胸徑，地上部分采用高枝剪取樣成熟枝與成熟葉，地下部分人工挖掘發(fā)育相對完整的根系用游標卡尺分為三級(最細根(0～1 mm)、細根(1～2 mm)和粗根(2～5 mm))并收獲表層0—10 cm土樣。植物樣品需立刻洗凈放入10 ml離心管并將其放入攜帶的液氮罐,帶回實驗室放入-80℃低溫保存。

1.3 樣品測定方法

樣品測定分為植物器官內源激素(ZR，GA3，IAA和ABA)和土壤的有機碳、全氮和全磷含量。內源激素樣品用液氮在球磨儀研磨，用酶聯免疫吸附法(ELISA)測定。并計算各激素與ABA含量的比值，以w(GA3)/w(ABA)，w(IAA)/w(ABA)，w(ZR)/w(ABA)和w(IAA+GA3+ZR)/w(ABA)表示。土壤樣品在自然風干研磨過0.15 mm篩備用。土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法,土壤全氮采用凱氏定氮法,土壤全磷用鉬藍比色法測定[18]。

1.4 數據分析

各器官內源激素含量用質量比(ng/g)表示。在Excel中進行數據預處理,SPSS 22.0采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan 檢驗比較不同降雨量器官內源激素含量差異,使用Origin 2015軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同降雨量對刺槐不同器官生長特征的影響

隨著降雨量的增加,總生物量、枝(年均)生物量、根(年均)生物量、干(年均)生物量呈整體增加的趨勢(圖1)。降雨量較高的安塞和淳化地區(qū)刺槐各器官年均累積量均顯著高于降雨量較低的綏德和神木地區(qū)。安塞和淳化,神木和綏德地區(qū)枝(年均)生物量、根(年均)生物量和干(年均)生物量兩兩間差異不顯著。

注：不同小寫字母表示不同地區(qū)存在顯著差異(p<0.05)；圖中數據為平均值±標準差。

2.2 不同降雨量對刺槐不同器官內源激素分布格局的影響

圖2表明,隨著降雨量的增加,各器官內源激素含量不同。不同器官,ZR和ABA的變化趨勢整體一致(圖2B—D),葉中內源激素含量均顯著高于地下根系,在葉中的含量達到最高,分別為104.1 ng/g，12.77 ng/g;在不同徑級根,ZR和ABA差異不顯著。值得一說的是,ZR在枝中含量最低,遠低于葉。對于GA3(圖2A),情況與ZR和ABA相反,不同徑級根內源激素含量均顯著高于葉和枝,在最細根含量達到最大為15.6 ng/g,且枝中最低;對于根系,GA3含量隨著直徑的升高而降低。對于不同器官IAA(圖2C),含量介于27.5～53.2 ng/g,各器官中變化受環(huán)境影響,粗根和細根含量均高于其余器官,其中粗根中最高。

同一器官,內源激素隨著降雨量變化不一致,降雨量影響了其含量與分配格局。促生長類激素如GA3，ZR(圖2A—B),隨著降雨量增加,各器官中的激素含量整體上升,根系增幅明顯大于地上器官,如淳化地區(qū)最細根,細根,粗根GA3含量分別高于神木地區(qū)274%,376%和279%。隨著降雨量增加,IAA(圖2C)變化無顯著規(guī)律,在神木地區(qū)IAA取得最低值。總體上ABA含量(圖2D)在三級根系降低,從大到小依次是綏德,安塞,淳化與神木。綏德與安塞各徑級根系激素含量差異均不顯著(p>0.05),但與神木和淳化均差異顯著(p<0.05)。

注：圖中數據為平均值±標準差，不同小寫字母表示不同地區(qū)存在顯著差異(p<0.05)。

2.3 不同降雨量對刺槐不同器官內源激素含量比值的影響

由表2可以看出,隨著降雨量的增加w(GA3)/w(ABA)，w(ZR)/w(ABA)，w(IAA)/w(ABA)，w(IAA+GA3+ZR)/w(ABA)的比值在葉和枝變化較平穩(wěn)。

地下三級根系,各內源激素比值變化整體一致,但是增幅不同,隨著降雨量的增加,淳化地區(qū)w(IAA+GA3+ZR)/w(ABA)比值增幅最大,w(IAA)/w(ABA)比值次之,可能主要由于內源激素IAA的大量合成。同時這與根系年均生物量累積量相一致,表明生物量的累積與激素含量與比值有關。

表2 降雨梯度對刺槐不同器官內源激素含量比值的影響

2.4 內源激素含量與不同器官生物量的關系

由表3可見,葉生物量與ABA和GA3含量呈極顯著正相關(p<0.01),與w(ZR)/w(ABA)比值顯著負相關(p<0.05);w(GA3)/w(ABA)比值與枝生物量極顯著負相關(p<0.01),同時w(ZR)/w(ABA)與枝生物量呈顯著負相關(p<0.05);對于根系,與w(ZR)和w(ZR)/w(ABA)呈顯著正相關。

2.5 環(huán)境梯度對內源激素的影響

由表4可見,刺槐葉和枝與降雨量及土壤理化性質無顯著關系,但ABA在葉和枝中與溫度呈顯著正相關(p<0.05)。細根通常是指直徑小于2～5 mm 的根系,其特殊的構造特點以及生理特性使其成為植物吸收水分和養(yǎng)分的主要部分[19],根系除ABA外與降雨量呈顯著正相關,其中GA3與最細根,ZR與細根呈極顯著正相關,對TP來看,GA3和IAA各級根系均與之顯著相關。

表3 刺槐不同器官內源激素含量及其比值與

表4 環(huán)境梯度指標與不同器官中內源激素含量的相關性分析

3 討論與結論

3.1 環(huán)境梯度對內源激素的影響

研究發(fā)現,環(huán)境梯度的變化會影響植物內源激素的含量[20]。植物遇到非生物脅迫會通過改變自身的激素含量從而調節(jié)生長以適應環(huán)境[12]。本研究發(fā)現,隨著降雨量增加,不同徑級根系ZR與GA3含量和w(ZR+GA3+IAA)/w(ABA)，w(GA3)/w(ABA)，w(ZR)/w(ABA)，w(IAA)/w(ABA)比值增加,這與Levent等的研究結果一致,外界條件脅迫會降低促進生長的激素含量[21],這些激素在植物生長和應對環(huán)境都起著重要作用[22-23]。玉米素核苷(ZR)作為植物中最常見的細胞分裂素,可促進細胞分裂,體內營養(yǎng)物質流動[24];GA3能使植物生長加速。對促進生長的激素來講,最好的辦法就是降低此類激素水平,抑制生長,減少水分消耗。干旱條件下,植物適應環(huán)境的主要途徑是減緩生長,降低水分的消耗。地上器官與地下器官變化格局不一致。ZR在不同徑級根系變化規(guī)律相近,總體含量顯著升高。對于地上部分影響因素較為復雜,無明顯規(guī)律,李巖等在研究土壤水分條件下玉米的生理對策時發(fā)現,則得出玉米根系合成ZR的生理過程對土壤水分虧缺不敏感,即在不同水分條件下ZR含量差異不顯著,這可能與植物受干旱脅迫時間和本身的抗旱屬性有關[25]。IAA可調節(jié)根系代謝,促進根系對水分的透性,使根系伸長,增大根冠比,增強植物對干旱的適應[26],目前研究有的植物升高,有的降低,本研究中,IAA處于波動狀態(tài),ABA主要由根系產生,增強植物的環(huán)境適應力。本研究表明隨著降雨量增加ABA含量在根系整體下降,這與Reddy等在桑樹葉片中研究較為一致[27]。但陳博雯等研究發(fā)現,干早脅迫下油茶組培苗與實生苗葉片ABA含量均呈現先升后降的趨勢[28]。我們分析這或與脅迫時間及種屬差異性有關。在水分虧缺時,ABA能加速離子流出保衛(wèi)細胞從而使保衛(wèi)細胞膨壓降低,誘導氣孔關閉,使水分損耗減少,保水能力增強[29]。令人驚奇的是對于ABA來說,各器官神木的ABA含量最低,本研究分析刺槐枯梢情況嚴重,葉片質量小,為了維持自身的生命活動需要維持相對高的光合作用制造養(yǎng)分,故脫落酸含量低于其他地區(qū)。土壤含氮量直接影響刺槐器官含氮量,而氮素是內源激素的組成元素之一,將顯著影響內源激素含量[30]。本研究表明降雨量和土壤TN在三級根系各促生長類均有好的相關性,但環(huán)境溫度,土壤全磷和有機質對其無明顯相關性。

植物是一個有機整體,刺槐的生長發(fā)育不僅與內源激素絕對含量有關,還與多種激素綜合調控有關。w(IAA)/w(ABA)是有拮抗作用的激素,二者的消長會影響植物器官的生長和脫落;w(GA3)/w(ABA)比值變化會影響植物休眠等生理活動,w(IAA+GA3+ZR)/w(ABA)比值則可反映幾種內源激素的平衡狀態(tài)。本研究中其比值在葉和枝中變化較平穩(wěn),可見地上器官存在一種調節(jié)機制,內源激素含量及比值可能存在一定臨界濃度點或閾值。地下根系中,隨著降雨量增加,促生長類激素增幅大于抑制生長類激素增幅,表明降雨量的增加,地下根系內源激素的協同更有利于根系生長分化。

3.2 內源激素含量對不同器官生長的影響

降雨量是林木生長的限制性因子,會影響內源激素在各器官中的含量及平衡并通過內部代謝制約器官生長。本研究中,在實際調查中發(fā)現降雨量低的神木和綏德地區(qū)刺槐總生物量顯著降低。這或是刺槐對干旱的適應方式,通過降低生長速度,消耗較少的能量,從而最終讓喬木根系減少吸收土壤水分和養(yǎng)分。本研究表明降雨量較高的安塞與淳化地區(qū)刺槐各器官年均累積量顯著高于降雨量較低的綏德與神木地區(qū)(p<0.05),這與kim等的研究結果一致,降雨量的增加有利于森林生物量積累[31]。根系生物量與w(ZR)和w(ZR)/w(ABA)呈顯著正相關。在植物遭受脅迫時,ZR起到從根到冠的傳遞作用,可以促進根框質元素吸收和轉運,滿足植物根系生長的需要,而ABA可抑制離子跨膜運輸影響礦質元素如氮元素的吸收,進而影響根系細胞的生長和分裂[24],這與我們的研究結果接近,根系生物量與ZR顯著正相關,但本研究沒有發(fā)現其與ABA的關系,原因可能是根系主要受ZR影響,ABA對其影響不顯著。GA3和ZR均能促進細胞分裂生長,但本研究發(fā)現二者與生物量呈負相關,我們分析地上器官受刺槐生境條件綜合影響,比如林分密度,以及地下植被,同時受激素含量調控可能存在一定閾值。未來通過多年連續(xù)取樣,并控制生境環(huán)境一致,或許可以解釋我們的結果。本研究表明各內源激素會改變在各生長器官的濃度及比例,相關分析表明最終影響各器官的異速生長。

隨著降雨量的增加,本研究發(fā)現刺槐各器官中ABA含量整體下降,促生長類激素ZR和GA3含量增加,IAA無明顯規(guī)律。在不同徑級根系中,各促生長類激素與脫落酸比值均在增加。相關分析表明,內源激素含量主要受降雨量和土壤TN影響并最終調節(jié)各器官生長。后續(xù)研究需進一步分析內源激素是如何調控代謝進而影響了器官的差異生長。