植物光合产物分为结构性碳水化合物(structural carbohydrates, SC)和非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrates, NSC)，其中SC包括木质素、纤维素等，是植物形态结构建成的重要物质(潘庆民等，2002)，NSC包括可溶性糖和淀粉，是植物新陈代谢、生长以及防御胁迫环境的能量物质(Koch, 1996；Myers et al., 2007；Adams et al., 2013；Wiley et al., 2013)。光合产物在光合器官中合成，通过韧皮部运输到其他器官，其分配直接影响各器官的生长速率(Lacointe, 2000)和干物质量的积累。不同器官在植物生长过程中的作用不同，了解光合产物的运输与分配规律，可精准预测植物生长趋势并定向控制光合产物分配。

以往对植物光合产物分配的研究多集中在长期积累量的分配特征上，如生物量、NSC(Domisch et al., 2001；Ngugi et al., 2003；张建国等，2003；王云龙等，2004；谷艳芳等，2010)等，随着碳同位素示踪技术在光合产物分配中的应用，利用¹³C同位素脉冲标记技术对近期合成光合产物的分配规律研究不断增多，如杨世超等(2012)发现紫花苜蓿(Medicago sativa)中近期合成光合产物的分配为茎＞叶＞根，Zang等(2014)发现欧洲山毛榉(Fagus sylvatica)幼苗中近期合成光合产物的分配为细根＞粗根＞叶＞茎干＞芽＞细枝，孙昭安等(2018)发现小麦(Triticum aestivum)中近期合成光合产物的分配为地上部分>地下部分。相较于光合产物积累量在不同植物中分配特征的研究，对于近期合成光合产物分配特征的研究相对较少。

马尾松(Pinus massoniana)是我国南方重要的造林树种之一，具有速生丰产、适应性强、生产力高、用途广等特点，在我国生态系统服务、经济和社会效益中具有重要地位(丁贵杰等，2006)。不同环境对马尾松生长的影响已有较多研究(Sun et al., 2010；Zhang et al., 2013；庞丽等，2014；杜明凤等，2017)，但目前尚不清楚新合成的光合产物在马尾松植株中的运输和分配规律。鉴于此，本研究采用¹³C同位素脉冲标记法，探究马尾松植株中新合成光合产物的运输和分配规律，揭示马尾松物质积累的过程，为探讨不同环境干扰下马尾松光合产物分配过程的变化提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验苗木为1.5年生马尾松容器苗，来源于浙江省龙泉市林业科学研究院苗圃。2017年4月中旬将马尾松幼苗移栽于中国林业科学研究院温室，置于盆高14 cm、盆口直径15 cm、盆底直径11 cm的塑料花盆中，每个盆栽植1株。2017年8月初选取生长一致的马尾松幼苗60株，平均株高为(37.27±6.67)cm，平均地径为(5.18±0.51)mm。

1.2 脉冲标记

同位素脉冲标记于2017年8月20日进行，随机选取马尾松幼苗40株，¹³C脉冲标记在Conviron探入式植物生长箱(PGC20，Conviron，Canada)中进行，生长箱内的空气温度为28 ℃、湿度为60%、光照强度为400 μmol·m^-2s^-1，¹³C-CO₂通过¹³C-Na₂CO₃(丰度为99%)(1 mol·L^-1)与过量稀H₂SO₄(1 mol·L^-1)反应产生。标记开始前，马尾松幼苗在没有加入CO₂的环境中生长1 h，使马尾松幼苗先“饥饿”一段时间，以提高标记时对¹³CO₂的吸收率。标记于9：00开始，将¹³C-Na₂CO₃(1 mol·L^-1)溶液通过输液管滴入到稀H₂SO₄溶液中进行反应，并控制¹³C-Na₂CO₃流速使生长箱中的CO₂浓度维持在400 μmol·mol^-1，标记时间持续4 h。

1.3 样品制备

分别在标记前1天和标记结束后的0、2、5、17、24、72、120、168、216和360 h时，随机选取4株植株，共4次重复，分叶(当年生、1年生)、枝(当年生、1年生)、干、根进行全收获取样。每次采样后，在65 ℃烘箱中烘干至恒质量，称其干物质量。用球磨仪(MM400，Retsch，Germany)将样品粉碎，过60目筛，密封保存，用于δ¹³C与碳含量的测定。

在标记结束后的第9天，随机选取未标记的马尾松幼苗9株，按不同部位进行采样(取样部位同上)，3株混合作为1个样，共3次重复。在65 ℃烘箱中烘干至恒质量，粉碎，用于各个器官NSC(可溶性糖、淀粉)含量的测定。

1.4 样品测定方法 1.4.1 样品中δ¹³C与碳含量测定

样品中δ¹³C与碳含量采用DELTA V Advantage同位素比率质谱仪测定(华科精信稳定同位素实验室)，δ¹³C的测定误差不超过0.1‰。

1.4.2 NSC含量的测定

可溶性糖和淀粉含量的测定参照施征等(2017)的方法，略有改动。

1.5 数据处理 1.5.1 各器官中¹³C分配量的计算

样品中的δ¹³C(‰)：

$ {\delta ^{13}}{\rm{C}} = [({R_{\rm{s}}} - {R_{\rm{C}}})/{R_{\rm{C}}}]{\rm{ }} \times 1\;000。$

(1)

式中：R_s为¹³C/¹²C的绝对值之比；R_C(碳同位素标准比值)=0.011 180 2。

¹³C原子百分比F_i(%)：

$ \begin{array}{l} {F_i} = [({\delta ^{13}}{\rm{C}} + 1{\rm{ }}000) \times {R_{\rm{C}}}] \times 100/\\ \;\;\;\;\;\;\;\;[({\delta ^{13}}{\rm{C}} + 1{\rm{ }}000) \times {R_{\rm{C}}} + 1]。\end{array} $

(2)

各器官碳总量C_i(g)：

$ {C_i} = {T_i} \times {W_i}。$

(3)

式中：W_i为各器官的生物量；T_i为各器官的含碳百分比；i为不同器官。

各器官固定的¹³C_i(mg)：

$ ^{13}{C_i} = {C_i} \times ({F_i} - {F_{\rm n}})/100 \times 1\;000。$

(4)

式中:F_n为未标记样品的¹³C原子百分比。

各采样时间点各器官的¹³C分配比例P_i(%)：

$ {P_i}{ = ^{13}}{C_\mathit{i}}{/^{13}}{C_{\rm{F}}}。$

(5)

式中:¹³C_F为所有部位积累¹³C的总和。

1.5.2 各器官的库活力

S_i为各器官单位生物量吸收同化产物的速率，其计算公式为：

$ {S_i} = {P_i}/{\rm{P}}{{\rm{W}}_i}。$

(6)

式中:PW_i为各器官的生物量分配比(%)。

1.5.3 各器官非结构性碳水化合物积累量的计算

各器官可溶性糖积累量W(Su_i)(mg)：

$ W({\rm{S}}{{\rm{u}}_i}) = {\rm{S}}{{\rm{u}}_i} \times {W_i}。$

(7)

式中：Su_i为各器官可溶性糖的含量。

各器官淀粉积累量W(St_i)(mg)：

$ W({\rm{S}}{{\rm{t}}_i}) = {\rm{S}}{{\rm{t}}_i} \times {W_i}。$

(8)

式中：St_i为各器官淀粉的含量。

各器官非结构性碳水化合物的积累量(mg)：

$ W\left({{\rm{NSC}}} \right) = W({\rm{S}}{{\rm{u}}_i}) + W({\rm{S}}{{\rm{t}}_i})。$

(9)

采用Excel 2016和SPSS18.0软件进行数据分析，最小显著性差异(LSD)法进行差异显著性比较，OriginPro 9.0软件作图。

2 结果与分析 2.1 马尾松近期合成光合产物的运输规律

由图 1可知，脉冲标记4 h后，根中δ¹³C为3.34‰，大于标记前(-29.35‰)，说明此时标记期间合成的光合产物已运输到最远库端根中，光合产物从源叶到达根中的运输速率大于0.1 m·h^-1。在源器官中，标记结束后216 h时，当年生叶和1年生叶中δ¹³C已基本趋于稳定，此时源叶中固定的¹³C基本完成了向各个库器官的运输。在各库器官中，δ¹³C在当年生枝、1年生枝、茎干、根中达到最大值的时间分别为标记结束后的72、168、168和216 h，且其最大值分别为342.18‰、208.07‰、180.30‰和259.94 ‰。以上结果说明，光合产物在源器官中合成后，会在一定时间内逐渐向各库器官完成运移。

当年生叶和1年生叶中δ¹³C随着标记时间延长不断积累，同时部分已运输到各库器官。但标记4 h结束后，叶中δ¹³C在24 h内迅速降低，降低幅度分别达33.43%和40.14%，然后缓慢降低，直到216 h时趋于稳定，分别为409.62‰和211.14‰。与此同时，当年生枝、1年生枝、茎干和根等库器官中δ¹³C也在24 h内迅速积累，随后除了当年生枝外，其余3个器官中δ¹³C变化趋于稳定。

由表 1可知，在标记结束后360 h内，当年生叶和1年生叶中δ¹³C的总输出值是标记结束时的55.77%和63.92%，其中，在24 h内输出的δ¹³C分别为初始值的33.43%和40.15%，说明在当年生叶和1年生叶中分别有59.94%和62.81%的¹³C在0~24 h之内完成输出。在各库器官中，标记4 h期间，当年生枝、1年生枝、茎干和根δ¹³C的输入值分别是对应器官中δ¹³C为最大值时的43.66%、55.68%、32.94%和1.29%；在标记结束后0~24 h，其输入值分别为对应器官中δ¹³C为最大值时的41.49%、38.54%、58.36%和77.75%。以上结果表明，光合产物从源器官大量输出的同时，也大量向各库器官中转移。

2.2 马尾松近期合成光合产物的分配及各器官库活力差异

由表 2可知，随标记结束时间延长，马尾松幼苗中固定的¹³C持续减少，在360 h时，¹³C减少了47.66%。但标记刚结束(0 h)时¹³C主要积累在当年生叶和1年生叶中，分配比之和为93.38%。随标记结束时间延长，当年生叶和1年生叶中标记的¹³C含量逐渐减小，各库器官¹³C的分配比例也随之发生改变。当年生枝、1年生枝、茎干和根的分配比例先增加后稍有减小。在标记结束后216 h，¹³C的运输基本稳定后，马尾松幼苗中只有少部分的¹³C损失，且除茎干外，¹³C在各个器官的分配比例未发生显著变化(P＜0.05)，在各器官中的分配大小依次为1年生叶＞当年生叶＞根＞茎干＞1年生枝＞当年生枝，集中分配在功能器官(叶和根)中。

由图 2可知，各器官的库活力大小依次为当年生叶＞当年生枝＞1年生叶＞根＞1年生枝＞茎干，且当年生叶的库活力显著高于其他器官(P＜0.05)，分别为当年生枝、1年生叶、根、1年生枝和茎干的1.60、1.72、1.90、2.28和2.34倍，这表明新生器官(当年生叶和当年生枝)对光合产物有更大的需求能力。

2.3 马尾松幼苗各器官主要含碳物质分配的比较

由图 3可知，在马尾松幼苗中，生物量、总碳、NSC、可溶性糖和淀粉在各器官的积累量存在较大差异，与近期合成的光合产物在各器官的分配趋势相似，均以1年生叶最多，且显著高于其他器官(P＜0.05)，其次为当年生叶和根，而在茎干、1年生枝和当年生枝中的积累量较少。同时，在各器官中NSC的主要成分是可溶性糖，且可溶性糖与NSC积累量的比值均高达75%以上；但在各器官中可溶性糖与淀粉的比值存在差别，其比值以当年生枝最大(为21.96)，且显著高于其他器官(P＜0.05)，其次为当年生叶，根中最小(为3.56)。

3 讨论 3.1 马尾松幼苗光合产物的运输特征

光合产物从源叶到库的运输包括叶肉细胞合成后运输至韧皮部、韧皮部装载、在筛管中运行、韧皮部卸出以及在库器官的吸收等过程(龚月桦等，1999)。本研究表明，¹³C脉冲标记4 h结束时，在37 cm高马尾松幼苗根中已监测到标记的¹³C，由此可推测光合产物从源叶到根的运输速率大于0.1 m·h^-1，该结果与Schneider等(1989)对欧洲落叶松(Larix decidua) (0.1~0.2 m·h^-1)和Thompson等(1979)对黑云杉(Picea mariana)(0.096~0.132 m·h^-1)和班克松(Pinus banksiana)(0.06~0.12 m·h^-1)的研究结果相似，但与Zimmermann(1958)对美国白蜡(Fraxinus americana)(1.25 m·h^-1)的研究结果不同。这主要是因为不同类型树种的韧皮部结构不同，针叶树韧皮部的传导细胞比阔叶树更窄，所以光合产物在针叶树种中具有较慢的运输速率(Kozlowski, 1992)。Pumpanen等(2009)通过比较光合产物在这2种树种中的运输速率，证实了这一观点。

本研究还发现，光合产物从源向库的运输量由多逐渐减少。压力流动学说认为，光合产物在源器官的不断积累会使源端形成较高的压力势，与库端较低的压力势形成压力差，从而推动光合产物向库端运输(宋纯鹏等，2015)。因此，当光合产物合成后，会被快速地运输到库器官中，在各库器官分配逐渐趋于稳定。同时，本研究发现59%以上的光合产物在0~24 h内完成了向各个器官的运输，与Blessing等(2015)对山毛榉的研究结果相似。在监测期间，δ¹³C在当年生枝、1年生枝、茎干和根中到达峰值的时间分别是72、168、168和216 h，从植物形态学上看，光合产物的运输规律是先满足上部器官的积累后再满足下部器官的积累，这符合光合产物分配的“就近原则”。

3.2 马尾松幼苗光合产物的分配特征

监测结束时，马尾松幼苗在标记期间固定的¹³C减少了47.66%，这是因为植株的呼吸以消耗近期合成的光合产物为主(Bahn et al., 2009)。近期合成的光合产物在植株中的运输基本完成后，在各器官的分配以针叶中最多(当年生叶和1年生叶中分配之和为66.09%)，其次为根，枝和茎干中相对较少，与Lippu(1994)对1.5年生欧洲赤松(Pinus sylvestris)和Pumpanen等(2009)对欧洲云杉(Picea abies)、垂枝桦(Betula pendula)和欧洲赤松3种幼苗的研究结果相似。以上结果说明，在幼苗阶段叶是储存光合产物的主要器官，但会随着树龄的增长而发生改变，如Wang等(2014)对4年生油松(Pinus tabuliformis)幼苗进行¹³C脉冲标记后发现，光合产物在各器官中的分配以根中最多，茎干次之，叶中最少。Hansen(1990)研究发现，在8年生欧洲赤松中，近期合成的光合产物在枝条和针叶中的分配仅为8%，而在树干中却高达89%。

库活力表征了单位生物量的库组织吸收光合产物的速率(宋纯鹏等，2015)。在1.5年生马尾松幼苗中当年生叶的库活力最大，当年生枝次之，而1年生叶、根、1年生枝和茎干的库活力相对较小，新生器官快速的细胞分裂往往会加大对光合产物的需求(Ho，1988)。另外，1年生叶的库活力小于当年生叶，说明随着叶龄增大，其生长能力逐渐减弱，对光合产物的需求能力相应减小，固定的光合产物会更多地用于输出。韦莉莉等(2005)对杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗的研究也支持这一结论。

马尾松幼苗的生物量分配、全碳和NSC在各器官的积累量与近期合成光合产物的分配趋势一致，均以针叶中最多，根中次之，茎干和枝中相对较少。叶是光合产物的合成器官，根是水分和养分吸收的主要器官，光合产物在2个器官中的大量积累有利于植物在幼苗阶段生长。其中，NSC各组分在不同器官之间的差异反映了植物器官功能上的差异(刘万德等，2017)，可溶性糖是植物体能量的供应基础，当可溶性糖的积累超过各器官的需求能力时，则启动淀粉的生物合成机制(宋纯鹏等，2015)。马尾松幼苗各器官中可溶性糖的积累量占NSC积累量的75%以上，远高于淀粉，说明马尾松幼苗中的NSC主要是以可溶性糖的形式存在。当年生叶和1年生叶中积累的可溶性糖均高于其他器官，一方面这2个器官是源器官，进行光合作用，光合产物以可溶性糖的形式积累；另一方面光合产物以可溶性糖的形式运输，含量升高便于向其他器官运输。可溶性糖/淀粉的比值以新生器官当年生叶和当年生枝较大，由于新生器官的快速生长会加大对可溶性糖的消耗，相应减小淀粉的积累。可溶性糖/淀粉的比值以根最小，这源于根是主要的库器官，光合产物更多地以淀粉形式积累。

4 结论

在1.5年生马尾松幼苗中，光合产物在源叶中合成后向各库器官的运输速率大于0.1 m·h^-1，其运输量表现为由多逐渐变少至基本完成运输的趋势，且59%以上标记的光合产物在合成后的0~24 h内向各库器官完成输出。标记的光合产物在马尾松幼苗中的运输趋于稳定后，在各器官的分配大小表现为1年生叶＞当年生叶＞根＞当年生枝＞1年生枝＞茎干，与各器官的库容量(生物量)大小一致，而各器官的库活力大小依次为当年生叶＞当年生枝＞1年生叶＞根＞1年生枝＞茎干，各器官的库容量对近期合成光合产物的分配起主导作用。1.5年生马尾松幼苗中全碳和NSC在各器官的积累量以功能器官(叶和根)居多，这一分配规律有利于马尾松幼苗阶段的生长。