美麗箬竹鞭段側芽萌發生長的碳素制約作用*

谷 瑞 徐 森 陳雙林 郭子武 楊麗婷

(中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所 杭州 311400)

植物體內的碳既是其生物量主要組分，也是生命活動的能量源泉(王兆國等， 2019)，植物通過調節體內碳供給與碳利用活動，改變其生長速率和光合產物分配，從而適應不斷變化的環境條件(Whiteetal., 2015)。非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate，NSC)，是植物生長代謝過程中重要的能量供應物質(Koch， 1996； Shietal., 2006)，含量高低可體現植物碳獲取與碳支出的平衡關系，也反映了可供植物生長利用的物質水平(Chapinetal., 1990)。光合作用是植物生長發育的原動力，光合色素是植物光合作用的重要物質，其中葉綠素含量多少能影響植物光合能力(施征等， 2012)。碳水化合物作為植物光合作用的主要產物，其含量受光合作用直接影響。因此，研究植物光合色素和碳水化合物含量的變化，有助于掌握植物體內可利用性碳的供應與轉化狀況，了解植物的生理生態過程及其對環境的響應機制。

竹子靠地下莖的側芽萌發、出筍長竹實現生長，其側芽是竹子種群構件生長發育的物質基礎(施建敏等， 2014； 高貴賓等， 2017； 樓一平等， 1997)。對散生竹和混生竹，地下莖側芽既可發育為筍芽，又可發育為鞭芽。筍芽可發育成竹筍和新竹，直接決定竹林地上部分竹筍和竹材的產量；鞭芽的分化和發育決定竹林地下部分鞭系的密度和分布(劉靜等， 2017； 陸媛媛等， 2011)。因此，地下莖側芽萌發特性直接影響竹子無性系種群克隆生長的分布格局、生態對策和發筍成竹質量等(王波等， 2007； 董文淵等， 2002)。鞭體養分對側芽萌發生長有顯著影響，如雷竹(Phyllostachysviolascens)、篌竹(P.nidularia)壯齡鞭內含物豐富，地下莖側芽分化萌發能力強，而老齡鞭生活力明顯衰退，側芽分化能力差(鄭炳松等， 1998； 張卓文等， 2001； 黃甫昭等， 2012 )； 毛竹(P.edulis)苗施肥不僅能為竹鞭提供充足養分又可活化側芽細胞，有效促進側芽大量萌發(梁玖華等， 2004； 余水生等， 2016)。可見，竹鞭養分含量是決定側芽萌發的關鍵。以往研究多集中于如何通過施肥等措施提高竹鞭側芽萌發，而對通過增大竹鞭碳素庫容來促進側芽萌發、提高竹林產量的研究非常少見。

美麗箬竹(Indocalamusdecorus)外形秀麗、枝葉密集，具有觀稈、觀葉、觀叢等多種觀賞價值，且生長繁殖速度快、抗逆性強，種植后易于管理、連年不衰，地下竹鞭縱橫交錯，有很強的護坡和水土保持等功能，是園林綠化中廣泛應用的優質地被類觀賞竹種(龐元湘等， 2018； 劉國華等， 2011； 鄒帆等， 2017)。近年來，地被竹的園林綠化和護岸固土等方面需求不斷擴大，具有育苗繁殖成本低、育苗技術簡單易操作、生長繁殖速度快等優點的鞭段容器育苗技術成為竹類擴繁的重要方式(劉勇， 2000； Wilsonetal., 2007； 杜佩劍， 2008)。筆者前期對美麗箬竹的鞭段容器育苗研究發現，鞭段側芽萌發生長存在明顯的位置偏向性，即鞭段兩端(遠端、近端)側芽萌發生長比例顯著高于鞭段中段(谷瑞等， 2020)，認為這主要受鞭段側芽萌動期的內源激素與養分的共同調控影響，且內源激素對鞭段側芽萌發位置起決定作用，而養分含量可能控制側芽萌發數量(谷瑞等， 2021)。為進一步探究碳素供應對鞭段側芽萌發生長的制約作用，本研究對美麗箬竹應用未帶立竹與帶1株立竹的鞭段，分別開展鞭段容器育苗試驗，研究和測定鞭段側芽的萌發生長狀況以及新竹葉片光合色素、非結構性碳水化合物含量及變化規律，以期探明帶立竹鞭段的側芽萌發生長是否仍存在明顯的位置偏向性； 如果不存在，那么這種偏向性消除現象是否受鞭段碳含量變化的驅動，為促進竹鞭側芽高效萌發、提高竹林產量等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省杭州市臨安區(29°56′—30°23′ N，118°51′—119°72′ E)太湖源觀賞竹種園，屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，年降水量1 250～1 600 mm，年均氣溫15.4 ℃，1 月平均氣溫3.2 ℃，7 月平均氣溫29.9 ℃，極端最低溫度-13.3 ℃，極端最高溫度40.2 ℃，全年大于10 ℃的平均活動積溫5 100 ℃，年均無霜期235天，年日照時數1 850～1 950 h。土壤為紅壤，土層厚度大于60cm。

1.2 試驗設計與處理

2020年3月上旬，在健康生長的美麗箬竹林中，選擇生長健壯、鞭芽飽滿、無病蟲害、長勢良好的竹苗連鞭挖起，選取長20cm左右且鞭節長度基本一致的1年生竹鞭。設置帶1株立竹(With mother bamboo)與未帶立竹(With no mother bamboo)2種鞭段處理。其中，在所選1年生鞭段與母鞭的連接處附近(約0.5cm)保留1株1年生立竹，然后，在近立竹著生處剪除母鞭，即為帶1株立竹的鞭段(圖1A)； 在所選1年生鞭段與母鞭連接處附近(約0.5cm)剪除立竹和母鞭，即為未帶立竹的鞭段(圖1B)。將以上2種處理的1年生鞭段在與母鞭連接處分別剪成3(L1)、6(L2)、9(L3)cm 3種鞭段長度，其鞭徑基本一致，分別為(2.25±0.18)mm、(2.16±0.34)mm、(2.07±0.29)mm。3(L1)、6(L2)、9(L3)cm鞭段長度所帶1株立竹的地徑、高度基本一致，其中，地徑分別為(1.61±0.21)、(1.50±0.28)、(1.63±0.30)mm，高度分別為(15.4±3.27)、(18.67±4.04)、(15.12±2.90)cm。開展埋鞭育苗試驗，共6個處理，分別記為鞭段帶1株立竹的ML1(長3cm)、ML2(長6cm)、ML3(長9cm)和鞭段未帶立竹的NL1(長3cm)、NL2(長6cm)、NL3(長9cm)。每個處理各3盆(3個重復)，共計18盆，每盆放入鞭段或鞭段苗8段。埋鞭育苗容器均采用上端直徑38cm、下端直徑32cm、高度35cm的栽植盆，栽培基質均為泥炭、廢礱糠、黃心土體積比5∶3∶2均勻混合而成，同時基質中均勻拌入體積比為1/30緩釋肥(N∶P2O5∶K2O =15∶15∶15)。育苗具體操作步驟為： 先在盆中填充基質至離容器口沿5cm高度左右，再將鞭段或鞭段苗平放于容器內基質上，后將基質填充至離容器口沿1cm左右，壓實并澆水后，置于遮蔭棚內進行養護，注意及時灌溉和人工清除雜草，保護竹筍-幼竹生長。

圖1 各處理美麗箬竹鞭段斷開示意Fig.1 Schematic diagram of rhizome segment disconnection of I. decorus in each treatment

1.3 取樣及指標測定

2020年8月上旬，每個處理分別取萌發鞭段苗，首先統計各處理各重復鞭段側芽萌發總數量、新竹數量、地徑、高度； 然后，將鞭段沿去鞭方向平均分為3段，稱為近端、中段和遠端，統計在近端、中段和遠端的側芽萌發總數量，分析側芽萌發生長的位置偏向性。其次，對每個處理新竹葉片均勻采樣，分別裝入自封袋，標記，將每袋自封袋葉片分裝成2袋，1袋葉片直接保存在放有冰袋的保鮮箱中，同一天帶回實驗室進行葉綠素含量測定。另一部分新竹葉片置于烘箱內先105 ℃殺青30 min，再80 ℃ 烘至恒質量后粉碎，過40目篩，裝袋儲于真空干燥器中用于測定NSC含量。其中，光合色素含量測定采用80%丙酮提取(王學奎等，2006)。NSC 含量采用蒽酮比色法測定(NSC含量為測得可溶性糖含量和淀粉含量之和)(周永斌， 2009)。

1.4 數據處理與分析

試驗數據在Excel 2007、Origin 2018統計軟件進行整理和圖表制作，采用單因素(One-way ANOVA)方差分析、獨立樣本t檢驗(Student’stTest)和重復測量方差分析(repeated-measure ANOVA)比較不同鞭段長度和是否帶立竹的處理之間在鞭段側芽、新竹生長指標、新竹葉片光合色素、非結構性碳水化合物含量的差異。所有統計分析均在SPSS 24.0軟件上進行，顯著性水平設為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理的側芽萌發位置偏向性

由表1可知，未帶立竹處理各鞭段長度的側芽萌發生長部位比例均表現為近端、遠端顯著高于中段，其中NL1、NL2處理為遠端顯著高于近端(P< 0.05)，而NL3處理為近端和遠端無顯著差異(P> 0.05)，說明側芽萌發位置存在明顯偏向性。對帶立竹的處理，各鞭段長度的側芽萌發部位比例有所不同，表現為ML2、ML3處理的近端、遠端顯著高于中段，但ML1處理的近端、中段和遠端側芽萌發比例無明顯差異。同時，隨鞭段長度增大，未帶立竹處理的各鞭段部位側芽萌發比例無明顯差異，但帶立竹處理的鞭段中段側芽萌發比例顯著降低，而近端、遠端則呈升高趨勢。帶立竹的較短鞭段碳素供給能滿足不同位置的側芽萌發生長，使側芽萌發位置偏向性消除或減弱，但較長鞭段反而會加劇這種位置偏向性，即碳素供給仍處于優先滿足近端、遠端側芽萌發的水平。

表1 試驗處理美麗箬竹不同鞭段部位側芽萌發生長比例①Tab.1 Ratio of lateral bud germination and growth at different rhizome part of Indocalamus decorus in the experimental treatment %

2.2 不同處理的新竹質量和數量變化

由圖2可知，隨鞭段長度增大，帶立竹處理的新竹數量無明顯變化，但未帶立竹處理的新竹數量呈升高趨勢，NL3處理最高。不論鞭段是否帶立竹，新竹地徑、高度在不同鞭段長度間均無明顯差異。同時，與未帶立竹處理相比，帶立竹處理的新竹數量在L1鞭長下顯著升高，而在L2、L3鞭長下差異不大； 但不論鞭段長度如何，帶立竹處理的新竹地徑、高度均顯著高于未帶立竹處理。以上結果表明，鞭段養分優先保障生長一定新竹數量后，再滿足新竹質量。

圖2 不同處理美麗箬竹的鞭段側芽萌發新竹及生長情況Fig.2 Growth status of young bamboos sprouting from rhizome lateral buds of I. decorus with different treatments大寫字母不同表示相同鞭段長度的不同立竹處理差異顯著，小寫字母不同表示相同立竹處理的不同鞭段長度間差異顯著 (P< 0.05)。下同。Different uppercase letters indicate significant differences in the different mother bamboo treatment with the same rhizome length, different lowercase letters indicate significant differences in the different rhizome length with the same mother bamboo treatment (P<0.05).The same below.

2.3 不同處理的新竹葉片光合色素、NSC及其組分含量變化

由表2可知，未帶立竹處理的新竹葉片的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素、淀粉、NSC含量和可溶性糖/淀粉均隨鞭段長度增大而無明顯差異； 但葉片可溶性糖含量呈升高趨勢，NL2、NL3處理顯著高于NL1處理。對帶立竹的處理，新竹葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素含量均隨鞭段長度增大呈升高趨勢，ML2、ML3處理顯著高于ML1處理； 但葉片淀粉和NSC含量變化則相反，葉片可溶性糖含量和可溶性糖/淀粉無明顯變化。同時，帶立竹處理的新竹葉片光合色素、NSC含量均顯著高于未帶立竹處理，但各鞭段長度NSC組分含量變化規律不同，表現為ML1處理的可溶性糖和淀粉含量均顯著高于NL1，而ML2、ML3處理的可溶性糖含量分別顯著高于NL2、NL3，但淀粉含量無明顯變化。以上結果表明，光合色素與NSC及其組分的變化與葉片中碳的存儲與利用之間相互影響。

表2 不同處理美麗箬竹的新竹葉片光合色素、NSC及其組分含量Tab.2 Photosynthetic pigment, NSC content of young bamboo leaves of I. decorus with different treatments

2.4 新竹生長特征和葉片生理特征整體變異分析

由表3可知，新竹地徑和高度的變化僅受立竹處理的極顯著影響，而新竹數量受鞭段長度及兩因素交互作用的顯著影響。葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素和可溶性糖含量的變異主要受立竹處理的限制，鞭段長度的影響也達到顯著或極顯著水平； 葉綠素a/b、淀粉和NSC含量的變異主要受立竹處理的影響，其次為兩因素的交互作用，最后是鞭段長度，三者的影響均達到極顯著水平?？扇苄蕴?淀粉僅受鞭段長度的極顯著影響?？傊?，對比處理和長度因素的F值可知，帶立竹與否對新竹地徑、高度、光合色素和NSC變化的貢獻大于鞭段長度，鞭段長度間差異對新竹數量、可溶性糖/淀粉的貢獻大于帶立竹與否。

表3 美麗箬竹新竹生長特征和葉片生理特征整體變異來源分析①Tab.3 Analysis on the source of overall variation of the growth characteristics and leaf physiological characteristics of I. decorus young bamboos

3 討論

植物芽發育過程受植物的基因型、環境因子、內源激素及信號物質綜合作用的影響(袁進成等， 2007)。本研究發現，未帶立竹處理的美麗箬竹，側芽萌發生長的部位比例對各鞭段長度均表現為鞭段遠端、近端顯著高于中段，表明側芽萌發生長存在明顯的位置偏向性，這主要受鞭段側芽萌動期的內源激素和養分的共同調控(谷瑞等， 2021)。立竹葉片與作為非光合器官的竹鞭之間保持著比較強的源庫關系，地上立竹光合固碳大部分輸入地下相連的鞭段(李翀等， 2016)，成為鞭段側芽萌發生長的主要物質來源。本研究中，帶立竹的處理，側芽萌發生長的部位比例對各鞭段長度有所不同，表現為ML1處理鞭段的近端、中段、遠端側芽萌發生長比例無明顯差異，表明相連立竹供應的碳為鞭段側芽萌發生長提供了物質和能量，保障整條鞭段側芽大量萌發生長，鞭段側芽萌發生長的位置偏向性逐漸消失或減弱。但ML2、ML3處理鞭段的近端、遠端側芽萌發生長比例顯著高于中段，且鞭段越長，中段側芽萌發生長比例越低，表明鞭段近端、遠端因激素刺激鞭段兩端側芽大量萌發，從而使相連立竹供應的碳優先向鞭段近端、遠端運輸，體現了激素控制側芽萌發位置(谷瑞等， 2021)。同時，因相連立竹碳供應有限，僅有“盈余”少部分碳運輸至鞭段中段，碳影響側芽萌發數量，因而鞭段兩端側芽萌發比例較中段高，側芽萌發生長表現出明顯的位置偏向性，且鞭段長度增大，相對加劇了側芽萌發生長的位置偏向性。可見，克隆系統碳供應是決定側芽萌發生長偏向性的重要因子，且相連立竹供應的碳能保障短鞭段的側芽大量萌發生長，但在較長鞭段是不能滿足鞭段中段的側芽萌發生長。

本研究發現，未帶立竹處理的鞭段長度對側芽萌發生長的新竹數量有明顯正效應，但對新竹地徑、高度影響不顯著，說明鞭段較長，其營養物質相對豐富(董文淵等， 1999)，優先促進了新竹株數增加，體現了未帶立竹處理將更多營養用于自身生長以獲得更多光資源的生存策略。而帶立竹的處理，側芽萌發生長的新竹數量、地徑、高度在不同鞭段長度間均無明顯差異，表明新竹生長的養分和能量主要源于相連的立竹。同時，帶立竹與未帶立竹的處理相比，側芽萌發生長的新竹數量總體上無明顯差異，但新竹地徑、高度均顯著增大，表明相連立竹向新竹輸送的碳水化合物優先滿足一定新竹數量生長后，再提高新竹質量。

葉片中的葉綠素含量能影響植物光合能力。非結構性碳水化合物作為植物光合作用的主要產物，反映植物整體的碳供應水平，還能體現植物生長狀況及其環境適應策略(Barbarouxetal.， 2003； Wurthetal.， 2005)。NSC主要由可溶性糖和淀粉等組成，其中可溶性糖是植物呼吸、生長等碳利用活動的底物，可隨時被調動參與植物的各種生理代謝活動(Yuetal.， 2014)，而淀粉是植物組織中長期的能量儲存物質，兩者的比值可反映植物中碳水化合物的轉化和投入情況，一定條件下可以互相轉換(王文娜等， 2018)。

本研究發現，帶立竹處理的新竹葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素和NSC含量對各鞭段長度均顯著高于未帶立竹處理，表明帶立竹促進了新竹葉片光合色素的合成，而較高葉綠素含量利于光能的吸收、傳遞和轉化，保證較高的光合碳同化能力(Xuetal.， 2012)，從而促使光合產物大量積累，非結構性碳庫明顯增大。其中，ML1處理的新竹葉片可溶性糖、淀粉含量較NL1均顯著升高，表明較短鞭段帶立竹的處理可能不受碳限制； ML2、ML3處理的新竹葉片可溶性糖含量亦比NL2、NL3顯著升高，但淀粉含量變化不明顯，表明較長鞭段帶立竹的處理將“新增”碳水化合物主要用于生長和呼吸，而非儲存。本研究中，ML1較ML2、ML3處理的新竹葉片可溶性糖含量無明顯變化，但葉片淀粉、NSC含量顯著升高，而光合色素含量變化則相反，表明ML1處理的新竹光合作用獲得的碳水化合物供新竹生長呼吸利用后，過剩的碳水化合物會以淀粉等形式儲存在葉片中或運輸到竹鞭(Chapinetal.， 1990)。然而，葉片NSC的過量積累會構成對光合作用的反饋抑制，使得ML1處理光合作用下調，不利于植物光合色素的再生(嚴蓓等， 2014)。這表明，非結構性碳庫的大小受光合作用的調節，又反饋于光合作用。ML2、ML3較ML1處理，新竹葉片淀粉和NSC含量顯著降低，但光合色素含量、可溶性糖/淀粉則顯著升高，表明較長鞭段帶立竹的處理為了滿足新竹生理活動需要，提高植物光合作用，將組織中的淀粉轉化為可溶性糖以滿足植物的碳需求(王兆國等， 2019)。方差分析表明，新竹淀粉和NSC的含量受立竹處理、鞭段長度及兩因素交互作用的極顯著影響，立竹處理對新竹的NSC和淀粉含量的顯著促進作用隨鞭段長度增大而明顯減弱； 新竹葉片可溶性糖含量主要受立竹處理影響，其次是鞭段長度，且鞭段長度促進了立竹處理對可溶性糖的合成。這表明，帶1株立竹供應的碳水化合物仍不足以抵制長度的制約，且不同鞭段長度間存在著NSC組分含量及其比例的動態調整。

4 結論

美麗箬竹育苗較短鞭段帶立竹處理的碳供應充足，側芽萌發生長的位置偏向性特征消除或減弱； 但較長鞭段帶立竹處理的碳供應受限，側芽萌發生長仍受抑制或萌發后退筍，其萌發生長存在明顯的位置偏向性，表明側芽萌發生長受克隆系統碳含量的驅動。因此，增大克隆系統碳素庫容是促進側芽大量萌發、提高竹林產量的有效途徑。