文章信息
- 张明如, 翟明普, 尹昌君, 温国胜.
- Zhang Mingru, Zhai Mingpu, Yin Changjun, Wen Guosheng.
- 火炬树克隆分株前后端水平侧根直径不对称性分析
- Analysis on Asymmetry of Horizontal Lateral Root Diameterin Clonal Ramets of Rhus typhina
- 林业科学, 2005, 41(6): 65-71.
- Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(6): 65-71.
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文章历史
- 收稿日期:2004-11-17
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作者相关文章
2. 北京林业大学资源与环境学院 北京 100083;
3. 中国林业科学研究院 北京 100091;
4. 浙江林学院生命科学学院 临安 311300
2. School of Resources and Environment, Beijing Forestry University Beijing 100083;
3. Chinese Academy of Forestry Beijing 100091;
4. School of Life Sciences, Zhejiang Forestry College Lin'an 311300
火炬树(Rhus typhina)原产北美, 属于典型的木本克隆植物。由于火炬树对干旱贫瘠等组合胁迫适应力极强, 且具有较高的美学观赏价值, 所以在华北低山丘陵区退化生境的植被恢复和风景林构建过程中, 被广泛栽植。在华北低山丘陵区疏灌草丛分布的退化生境上, 火炬树克隆繁殖力极强, 引起种群数量迅速增长, 形成大片的火炬树单优群落, 继而本土种构成落叶灌木层片和草本层片逐渐消退。由此, 反映出火炬树种群密度与其克隆繁殖的关系极为密切。
揭示火炬树单优群落形成与其克隆繁殖之间的内在联系, 需要从火炬树克隆分株前端水平侧根直径远大于后端的这一独特发育现象(张明如等, 2004)进行分析研究。理论上, 克隆分株前端水平侧根直径显著大于后端直径意味着为其克隆繁殖扩散准备了更为充足的能量和营养物质。推测成因可能与火炬树克隆分株前后端水平侧根的形成层活动、光合产物积累等因素有关。基于上述推测, 本文比较研究火炬树克隆分株前后端水平侧根光合产物的积累比例、激素种类和含量以及形态解剖特征, 分析火炬树克隆分株水平侧根直径产生差异的原因, 期望为深入、全面地揭示火炬树克隆分株快速形成的机制奠定重要工作基础。
1 研究方法 1.1 调查地区概况研究地区自然概况见张明如等(2004)。
1.2 野外取样调查在2003年生长季初期, 即火炬树休眠芽萌动期, 随机选择1年、2年和3年生克隆分株各3株, 分别在距其根茎处约5 cm前后端, 各截取10 cm长样根, 置于冰壶内。然后将根样放入塑料袋内密封后冰冻保存, 用于室内激素(生长素、细胞分裂素和脱落酸)含量分析测定。
于2003年8月20日挖取火炬树克隆分株(1年生)9株, 盆栽度过缓苗期后, 采用稳定性同位素14C饲喂。火炬树克隆分株(1年生)平均高(28.7±10.4)cm(平均数±标准差, n=9), 平均基径(0.527±0.154)cm, 前端直径(0.590±0.182)cm, 后端直径(0.409±0.115)cm, 平均冠幅(39.4±11.7)cm。然后分别于饲喂后的20 d、30 d和42 d取样, 用于测定光合有机产物在克隆分株各器官的积累量。
依据火炬树克隆分株的年龄序列, 分别1年、2年、3年和4年生各选择1株采样, 截取克隆分株前后端水平侧根根样10 cm, 立即置于FAA固定液(福尔马林5 mL, 醋酸5 mL, 70%酒精90 mL), 用于室内解剖分析。
1.3 室内测定方法 1.3.1 火炬树克隆分株前后端水平侧根激素含量测定采用高效液相色谱法(HPLC)(于建国等, 1994)。
1.3.2 利用14C同位素测定火炬树克隆分株前后端水平侧根光合产物积累于2003年9月8日上午8:00—9:00, 用同位素14C饲喂9株火炬树克隆分株盆栽苗, 要求饲喂叶片叶色正常无病害, 位于树冠上部, 每株喂养14 CO2放射性同位素活度为60 μCi, 喂养时间约40 min。之后于2003年9月28日、10月8日和10月20日3次取样, 每次取样株数为3株, 依据喂养与否和火炬树构件不同区分为喂养叶、其余叶、茎、前端侧根和后端侧根5类样品, 在烘箱内经80~90 ℃烘约16 h, 然后分别称取其烘干质量; 再将烘干样品粉碎, 每个样品称出50 mg放置在测量盘上, 利用同位素测定仪器BH1216型低本底α.β计测量系统(Model BH1216 Low Background Counting System, 北京核仪器厂生产)进行放射性同位素活度分析测定。
1.3.3 火炬树克隆分株前后端水平侧根切片分析将取样带回室内用英国MSE木材切片机切片和在Olympuas BH2型显微镜下显微观察照相。具体步骤:1)切片(厚度为30 μm); 2)染色(挑选薄而平整的切片放入1%的番红水溶液染色, 经过2 h再将切片材料经50%→75%→85%→95%的酒精逐级脱水, 每级停留2~3 min); 3)复染(然后在切片材料薄片上加一滴1%的固绿酒精溶液。大约2~3 s后再用95%的酒精洗去多余的染液); 4)脱水透明(复染切片材料经95%酒精→无水酒精→1/2无水酒精+1/2二甲苯→纯二甲苯; 各级停留5~10 s, 二甲苯可停留5 min到透明为至); 5)树胶封固。
1.4 数据处理 1.4.1 数据预处理方法1) 计算每一样株各样品放射性活度(μCi):
2) 计算每一部分样品放射性同位素活度占整株的百分数:
数据分析利用Excel 2003和SPSS 10.0统计软件处理。其中, 常规计算在Excel上进行; 借助SPSS 10.0统计软件, 采用Paired Sample T检验法, 检验火炬树克隆分株前后端水平侧根的14C稳定性同位素活度的差异是否显著。
2 结果分析 2.1 火炬树克隆分株前后端水平侧根激素含量分析植物激素是植物内源产生的有机化合物, 在极低浓度的条件下, 对植物的生理过程产生显著的影响(潘瑞炽, 2004), 是植物形态建成过程不可缺少的调控因子(白书农, 2003)。一般认为植物激素包括细胞生长素、赤霉素、脱落酸、细胞分裂素和乙烯等5类。
植株芽产生的生长调节物质, 如生长素通过韧皮部输送到植物根部, 而植物根系合成的细胞分裂素则通过木质部输送到芽(白书农, 2003; 潘瑞炽, 2004)。植物地上与地下部分具有极强的相关性, 表现为依赖维管束进行营养物质和信息的双向交流, 地上部分植冠为根系提供光合产物和生长素等从而促进根系生长发育, 同时根系为地上部分提供水分、矿质养分、氮素和在根系合成的植物激素(CTK、GA和ABA)等。
通过测定1年、2年和3年生火炬树克隆分株前后端水平侧根样品激素含量, 1年生克隆分株水平侧根检测到IAA和GA3的含量, 3年生克隆分株仅检测到2株, 而2年生克隆分株前后端未检测到; 对于ABA含量, 仅在3年生克隆分株检测出; 而1年生克隆分株未检测出; 2年生克隆分株仅有2株前端检测出ABA, 后端未检测出ABA。
由图 1A、B可知, 所检测的分株IAA/GA3的比值均以前端水平侧根大于后端。值得注意的是1年生克隆分株, 前后端侧根IAA/GA3大于0.459 3, 而3年生克隆分株前后端侧根IAA /GA3小于0.251 2, 由此说明1年生火炬树克隆分株前后端水平侧根的IAA含量较高, 而3年生时IAA含量较低, GA3含量升高。在火炬树生长初期, IAA/GA3比值较大, 意味着火炬树1年生分株根系生长相对旺盛, 而3年生火炬树克隆分株根系生长相对缓慢。
图 1C显示, 3年生火炬树克隆分株前后端水平侧根ABA含量, 均以前端高于后端。测定结果说明, 3年生火炬树克隆分株水平侧根由于ABA含量较高, 理论上不可能克隆形成新的克隆分株, 同时可能与3年生的克隆分株前后端水平侧根IAA/GA3比值较低有某种联系, 因为理论上ABA具有抑制IAA运输的功能。
生物量增加会受到CO2吸收和激素控制下同化物分配的重要影响, 其中调节光合产物输送过程最重要的激素为植物生长素、细胞分裂素和脱落酸(Larcher, 1999)。分生组织的活动主要受植物激素(如生长素、细胞分裂素及其比例)的调节。通过内源激素含量的变化, 克隆植物调控分株侧根顶端分生组织和侧生分生组织的相对活动强度, 进而调节克隆植物生长构件的可塑性和克隆生长格局的分支数目、分支角度和间隔子长度。一般认为, 顶端分生组织活动旺盛是生长素诱导细胞伸长的结果, 而细胞分裂和侧生组织的形成则是细胞分裂素促进的效应(何池全, 2003)。
火炬树克隆分株前后端水平侧根激素含量相对比例及对比分析结果说明, 在生长期初期1年生克隆分株前端侧根IAA/GA3比值高于后端侧根, 有利于前端水平侧根分生组织的活动, 同时抑制侧生分生组织的活动, 所以1年生克隆分株的根系生长表现为快速向前延伸生长, 侧根数量较少; 3年生克隆分株仍以前端侧根IAA/GA3比值高于后端侧根, 但比值相对较小, 说明侧生分生组织活跃, 顶端分生组织的活动受到抑制。因此, 在3年生克隆分株水平侧根处, 分级侧根的数量发达。
2.2 基于14C同位素技术测定克隆分株光合产物积累状况在生态学研究领域, 许多学者认为稳定性同位素应用技术以其准确、不干扰自然生态系统的基本生态过程、试验周期不受时间限制、安全可靠和可进行示踪试验等优越性而展现了广阔的应用前景(罗耀华等, 1992; 彭根元, 1994; Ziegler, 1995; 林光辉等, 1995)。
韧皮部是光合有机产物在植物体内的主要运输途径(潘瑞炽, 2004), 可通过树皮环割的现象对光合产物的输送途径进行初步推测。然而精确的证明需要借助于放射性同位素示踪的方法, 用含有放射性碳同位素的CO2饲喂特定的叶片, 经过一定时间对待测植物部位或样品进行同位素监测, 一般选取放射性测定仪和放射性自显影等常规测定方法, 从数量上证明植物光合有机产物在不同器官积累的数量和相对比例关系。
2.2.1 火炬树1年生克隆分株不同测定器官14C的放射性平均活度图 2A、B和C分别为2003年9月28日、10月8日和10月20日测定的3株火炬树克隆分株不同器官14C放射性平均活度。以饲喂后同一时间取样进行分析检测, 即3次不同间隔时间(20 d、30 d和42 d)取样测定, 结果表明:14C放射性平均活度为前端水平侧根大于后端, 显示火炬树克隆分株光合产物较多地积累在前端水平侧根, 因此前端直径超过后端直径。另外, 当饲喂后取样间隔时间不同, 火炬树克隆分株前后端水平侧根积累的14C放射性平均活度表现为, 前端侧根积累量的序列为30 d>20 d>42 d, 后端侧根积累量的序列为20 d>30 d>42 d。除饲喂叶片外, 其他测定器官中, 以茎的平均活度最大, 前端侧根次之, 后端侧根或者其余叶最小。显然还需要注意火炬树克隆分株饲喂14C放射性活度, 以及不同测定器官所含14C放射性活度的相对比例。就同一采样时间而言, 火炬树克隆分株个体同位素14C放射性活度积累特点是需要分析的另外一个问题。
比较火炬树不同克隆分株的测定器官的14C放射性活度, 由表 1可知:虽然9株火炬树克隆分株14C放射性饲喂后采样时间不同, 但是检测结果表明, 前端水平侧根14C放射性活度均高于后端水平侧根; 与同一时间采样后平均活度相比, 茎的14C放射性活度相对复杂, 既有大于前端水平侧根直径, 也有小于前端水平侧根直径; 特殊的是, 样株4显示火炬树克隆分株14C放射性活度以前端直径高于饲喂叶。前端水平侧根14C放射性活度高于茎甚至饲喂叶, 说明前端侧根在某些克隆分株个体属于光合有机产物的输送贮藏中心。
在同一采样时间检测火炬树克隆分株不同测定器官, 14C放射性活度大小序列以饲喂叶>茎>前端>后端变化规律为主, 同时每一采样时间也有1株火炬树克隆分株14C放射性的活度大小序列为饲喂叶>前端>茎>后端, 如表 1样木3、4和9。由此说明, 尽管年龄相同, 不同测定器官14C放射性活度变化序列在克隆分株间具有明显的个体差异, 即种群个体的差异反映在火炬树克隆分株上, 克隆等级系统是由异质性分株个体构成的。
2.2.3 火炬树1年生克隆分株不同测定器官14C平均放射性活度百分比同样地, 基于采样时间将火炬树克隆分株划分为3组, 见图 3A、B和C。对于每一组的3株克隆分株, 以测定器官14C平均放射性活度百分比来分析14C同位素在不同器官的相对积累状况, 可以发现, 3组不同测定器官14C平均放射性活度百分比以饲喂叶最高、前端大于后端和茎高于前端为基本变化特征; 随饲喂后采样时间的推移, 茎的14C平均放射性活度百分比不断增加, 由15.32%增至24.45%, 而前端由14.70%增至22.70%再回落至17.47%, 后端由8.11%降至1.80%再回升至2.71%, 饲喂叶则由58.8%下降至44.81%后回升至51.88%。
9株1年生的火炬树克隆分株, 经14C同位素饲喂, 在不同时间间隔采样后, 测定器官14C放射性活度百分比在不同分株间表现的基本特点如表 2:1)所有克隆分株均以前端大于后端, 其中前端变化幅度为1.62%~44.63%, 而后端变化幅度仅为0.31%~19.64%;2)除了表 2样株3、4和9外, 其余均为茎大于前端。此外, 表 2样株4的特殊在于前端14C放射性活度百分比高出饲喂叶8.14%。以14C放射性活度百分比为依据, 既可判断火炬树克隆分株不同器官积累14 C放射性活度相对比例及14C放射性元素在同一分株的转移分配特点, 又可定量说明火炬树克隆分株不同个体的差异。
比较火炬树克隆分株前后端同位素示踪活度的差异性, 统计分析结果显示如表 3。双尾检验概率p=0.018<0.05, 火炬树克隆分株前后端水平侧根同位素活度具有显著性差异。
比较1年生克隆分株前后端水平侧根横切解剖切片(4×), 由图版a、A可知前端侧根木质部结构疏松, 木射线发达且密度大, 呈现多列排列特征; 对应地后端侧根木质部结构致密, 木射线不发达, 木射线密度小, 呈现单列排列特征。
由图版b、B和c、C可知, 2年生克隆分株前后端水平侧根切片(4×), 以同样的放大比例清晰地显示结构上的差异:前端切片仅可显示初生木质部的中心, 导管口径大, 在次生木质部中所占比例大, 木射线宽且密度大; 而后端切片却显示出从初生木质部到形成层的范围, 导管口径小且木射线密度小。
比较3年生克隆分株前后端水平侧根连续切片(4×), 由图版d、D可知前后端侧根解剖结构的差异:形成层活动的结果向内分裂形成次生木质部, 向外分裂形成次生韧皮部, 但两者比例以前者远远高于后者。解剖切片显示, 火炬树克隆分株前端水平侧根次生木质部由形成层形成的比例显著高于后端, 因而克隆分株前端水平侧根直径生长量大于后端直径生长量; 其次前端木质部的导管数量和木射线密度远较后端高。
进一步比较4年生克隆分株前后端水平侧根形成层(40×), 由图版e、E可知, 前端的形成层分裂活动活跃, 分裂速度快; 再由图版f、F(40×)可以看出, 4年生前端水平侧根的导管直径、数量以及木射线远较后端的导管直径、数量以及木射线发达。
3 讨论IAA/GA3比值以火炬树1年生克隆分株前端侧根明显高于后端, 3年生克隆分株的前端略高于后端, 说明火炬树克隆分株侧根向前生长速度和直径生长速度在不同年龄时期是不同的。但, 2年生克隆分株尚未检测出激素含量, 推测原因可能是火炬树克隆分株前后端水平侧根激素含量具有年龄波动特征, 即2年生克隆分株的激素含量为谷值而未能检出。今后, 应继续研究火炬树克隆分株激素波动的机制以及与克隆繁殖扩散和环境资源斑块的关系。
火炬树1~4年生克隆分株前端侧根次生木质部的宽度远超过后端次生木质部的宽度, 前端形成层分裂活动旺盛, 新分生出的细胞层数明显多于后端, 导管的直径和密度较大。前端根部中心储存丰富的营养物质, 发达的木射线意味前端根部横向运输活动活跃。这些因素可能都与火炬树前后端水平侧根直径产生差异密切相关。
一般认为(潘瑞炽等, 2004), 植物在不同的生长发育时期具有明显的生长中心, 生长中心是植物吸收矿质元素输入和光合产物分配去向的优先库。显然, 克隆分株前后端水平侧根与地上光合器官叶片的距离相等, 基于光合产物积累的测定结果, 认为由于火炬树克隆分株前端水平侧根对光合产物的需要量超过了后端水平侧根。所以, 在光合产物输送至根部时, 前端侧根比后端侧根具有更强的竞争力。
14C同位素测定的结果支持下列结论:在生长季后期火炬树克隆分株器官或构件的生长速度依然表现为茎生长快于水平侧根生长, 水平侧根生长又以前端侧根大于后端侧根; 火炬树克隆分株等级系统是由异质分株个体构成的; 在光合产物输入积累过程中, 火炬树克隆分株的茎和水平侧根均属于有机养分的贮藏库和使用库, 光合有机养分贮藏比例以茎>前端>后端为基本特征, 而且, 与水平侧根相比, 茎对光合产物具有较强的竞争力, 与后端水平侧根相比, 前端水平侧根对光合产物具有较强的竞争力。所以, 火炬树克隆分株的茎和前端侧根分别属于优先和次优先生长部位与光合产物的贮藏中心。
火炬树克隆分株的茎和前端侧根分别属于优先、次优先生长中心, 原因与光合有机产物分配、内源激素分布和形成层活动强度有关。再结合火炬树生物量的独特分配格局(张明如等, 2004):克隆分株前端水平侧根高于后端, 地上部分高于地下, 这种组合特性应该视为火炬树特有的繁殖投资策略。亦即, 通过光合产物在克隆分株趋前积累等生理生态过程, 无疑有效地加速了火炬树的克隆繁殖扩散速度; 通过树冠枝叶和树干的优先快速生长, 迅速占据地上空间, 在竞争光合有效辐射的过程中居于有利空间位置。
火炬树采取上述特有的繁殖策略, 促使其克隆分株不断向前扩散并快速扩大树冠的空间范围, 因而不难理解在太行山低山丘陵退化生境中, 火炬树克隆生长对次生疏灌草丛将产生极强的生物胁迫。所以, 研究受克隆分株前后端水平侧根直径大小差异制约的克隆生长, 具有重要的生态意义。克隆分株的不断形成有利于基株的空间拓展, 有利于基株与分株间在异质环境中对资源的共享并降低基株和分株的死亡风险(董鸣, 1996a; 1996b), 从生理整合、资源分享和风险分摊的角度, 去探讨火炬树基株与分株之间光合有机养分的分配过程(Alpert, 1996)及水分的输送特征(Zhang et al., 2002), 揭示克隆生长在个体水平与基株大小的关系(王琼等, 2005), 将是另外值得研究的内容。
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潘瑞炽主编.2004.植物生理学.第五版.北京: 高等教育出版社, 151-154, 167-205
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