陈克利, 孟 敏, 张 鹏, 魏芙蓉, 王国梁,3, 马艳萍

(1.西北农林科技大学 林学院, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 3.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

全球气候变化通过影响大气环流和水文循环,导致全球范围降雨格局的改变[1-2]。在干旱半干旱地区,水分是限制植物生长发育的首要因子[3],将直接影响树木的生理特征和生长速率,从而影响森林生态系统的组成、结构和功能[4-5]。目前,关于降雨格局变化如何影响生长激素在树木不同器官中的分配格局,以及因此对不同器官异速生长的影响尚不清楚,制约着人们对降雨格局变化将如何影响森林生态系统的认识。

土壤水分变化会影响植物器官中激素含量,其中水分对植物体内生长素(IAA)含量的影响较为复杂。敖红等对红皮云杉的研究发现,在轻度和中度干旱时枝条IAA含量有所上升,严重干旱时IAA含量下降[6]。王霞等发现干旱胁迫导致怪柳插穗IAA含量显著增加[7]。刘瑞香等研究沙棘认为,IAA含量与水分亏缺程度无关[8]。这说明土壤水分对植物器官中IAA或与干旱程度、植物种类有关。同样,土壤水分对植物器官中赤霉素(GA3)含量的影响也存在不同。如闫志利等发现干旱胁迫导致豌豆根系内GA3含量下降[9],韩瑞宏等发现,干旱胁迫引起2种苜蓿的GA3含量均下降[10],而张明生等的研究进一步表明,水分减少引起的GA3含量下降幅度与植物种类有关[11]。大量研究表明,降雨对脱落酸(ABA)以及玉米素核苷(ZR)在器官中的分配也有明显影响,但目前结论并不一致[12-14]。目前,关于土壤水分对植物激素含量的影响主要集中在单一或某些重要器官中,对植物不同器官,尤其不同径级细根中植物激素含量的影响缺乏系统研究。对不同器官中多种激素含量协同变化的研究较少,难以系统揭示土壤水分如何通过影响不同器官中不同激素含量的分配格局的影响。所以我们提出假设,土壤水分会影响不同激素含量在植物不同器官中的分布格局,多种激素的分布格局共同决定着树木不同器官的生长。

刺槐(Robiniapseudoacacia)原生长于北美,是一种抗旱树种,在全世界都有广泛种植[15]。近年研究发现,黄土高原北部干旱地区大量刺槐出现生长减慢、枝梢干枯的现象[16],但在南部的淳化生长良好。因此,本研究以黄土高原北部降雨量更少的神木、绥德以及南部降雨量较多的安塞和淳化为取样点,通过研究内源激素、生长和土壤指标,期望在理论上阐明降雨量如何通过影响植物激素在不同器官中的分配进而影响刺槐不同器官的异速生长,为刺槐林管理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

从北到南沿着降雨量梯度,依次选择神木县,绥德县,安塞县和淳化县4个地区。地带性植物分别为典型草原区(神木县),森林草原区(安塞和绥德县)和森林区(淳化县)。黄土高原属于典型的温带大陆性季风气候,由西北到东南逐渐由干旱区、半干旱区变为半湿润区。4个样点土壤类型均以黄绵土为主,从北到南降雨量依次增加,降雨量分别为440.8 mm/a，475.4 mm/a，505.1 mm/a，606.1 mm/a。多年平均温度依次为8.9℃，9.7℃，8.8 ℃和10℃。研究选取生长正常林龄分别为38，35，36，36 a的成熟人工刺槐林。刺槐林基本概况见表1。

表1 人工刺槐林样地基本概况

1.2 试验设计和样品采集

依据降雨量梯度设置4个处理,选取坡度、坡向一致的地段,每个处理划定5个10 m×10 m重复样地。刺槐各器官生物量我们采用Allometric models[17],根据现有生物量除以林龄得到年均积累量。于2017年9月进行野外调查及采样,在每个样地内随机选择三株刺槐记录胸径，地上部分采用高枝剪取样成熟枝与成熟叶，地下部分人工挖掘发育相对完整的根系用游标卡尺分为三级(最细根(0～1 mm)、细根(1～2 mm)和粗根(2～5 mm))并收获表层0—10 cm土样。植物样品需立刻洗净放入10 ml离心管并将其放入携带的液氮罐,带回实验室放入-80℃低温保存。

1.3 样品测定方法

样品测定分为植物器官内源激素(ZR，GA3，IAA和ABA)和土壤的有机碳、全氮和全磷含量。内源激素样品用液氮在球磨仪研磨，用酶联免疫吸附法(ELISA)测定。并计算各激素与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。土壤样品在自然风干研磨过0.15 mm筛备用。土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法,土壤全氮采用凯氏定氮法,土壤全磷用钼蓝比色法测定[18]。

1.4 数据分析

各器官内源激素含量用质量比(ng/g)表示。在Excel中进行数据预处理,SPSS 22.0采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan 检验比较不同降雨量器官内源激素含量差异,使用Origin 2015软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同降雨量对刺槐不同器官生长特征的影响

随着降雨量的增加,总生物量、枝(年均)生物量、根(年均)生物量、干(年均)生物量呈整体增加的趋势(图1)。降雨量较高的安塞和淳化地区刺槐各器官年均累积量均显著高于降雨量较低的绥德和神木地区。安塞和淳化,神木和绥德地区枝(年均)生物量、根(年均)生物量和干(年均)生物量两两间差异不显著。

注：不同小写字母表示不同地区存在显著差异(p<0.05)；图中数据为平均值±标准差。

2.2 不同降雨量对刺槐不同器官内源激素分布格局的影响

图2表明,随着降雨量的增加,各器官内源激素含量不同。不同器官,ZR和ABA的变化趋势整体一致(图2B—D),叶中内源激素含量均显著高于地下根系,在叶中的含量达到最高,分别为104.1 ng/g，12.77 ng/g;在不同径级根,ZR和ABA差异不显著。值得一说的是,ZR在枝中含量最低,远低于叶。对于GA3(图2A),情况与ZR和ABA相反,不同径级根内源激素含量均显著高于叶和枝,在最细根含量达到最大为15.6 ng/g,且枝中最低;对于根系,GA3含量随着直径的升高而降低。对于不同器官IAA(图2C),含量介于27.5～53.2 ng/g,各器官中变化受环境影响,粗根和细根含量均高于其余器官,其中粗根中最高。

同一器官,内源激素随着降雨量变化不一致,降雨量影响了其含量与分配格局。促生长类激素如GA3，ZR(图2A—B),随着降雨量增加,各器官中的激素含量整体上升,根系增幅明显大于地上器官,如淳化地区最细根,细根,粗根GA3含量分别高于神木地区274%,376%和279%。随着降雨量增加,IAA(图2C)变化无显著规律,在神木地区IAA取得最低值。总体上ABA含量(图2D)在三级根系降低,从大到小依次是绥德,安塞,淳化与神木。绥德与安塞各径级根系激素含量差异均不显著(p>0.05),但与神木和淳化均差异显著(p<0.05)。

注：图中数据为平均值±标准差，不同小写字母表示不同地区存在显著差异(p<0.05)。

2.3 不同降雨量对刺槐不同器官内源激素含量比值的影响

由表2可以看出,随着降雨量的增加w(GA3)/w(ABA)，w(ZR)/w(ABA)，w(IAA)/w(ABA)，w(IAA+GA3+ZR)/w(ABA)的比值在叶和枝变化较平稳。

地下三级根系,各内源激素比值变化整体一致,但是增幅不同,随着降雨量的增加,淳化地区w(IAA+GA3+ZR)/w(ABA)比值增幅最大,w(IAA)/w(ABA)比值次之,可能主要由于内源激素IAA的大量合成。同时这与根系年均生物量累积量相一致,表明生物量的累积与激素含量与比值有关。

表2 降雨梯度对刺槐不同器官内源激素含量比值的影响

2.4 内源激素含量与不同器官生物量的关系

由表3可见,叶生物量与ABA和GA3含量呈极显著正相关(p<0.01),与w(ZR)/w(ABA)比值显著负相关(p<0.05);w(GA3)/w(ABA)比值与枝生物量极显著负相关(p<0.01),同时w(ZR)/w(ABA)与枝生物量呈显著负相关(p<0.05);对于根系,与w(ZR)和w(ZR)/w(ABA)呈显著正相关。

2.5 环境梯度对内源激素的影响

由表4可见,刺槐叶和枝与降雨量及土壤理化性质无显著关系,但ABA在叶和枝中与温度呈显著正相关(p<0.05)。细根通常是指直径小于2～5 mm 的根系,其特殊的构造特点以及生理特性使其成为植物吸收水分和养分的主要部分[19],根系除ABA外与降雨量呈显著正相关,其中GA3与最细根,ZR与细根呈极显著正相关,对TP来看,GA3和IAA各级根系均与之显著相关。

表3 刺槐不同器官内源激素含量及其比值与

表4 环境梯度指标与不同器官中内源激素含量的相关性分析

3 讨论与结论

3.1 环境梯度对内源激素的影响

研究发现,环境梯度的变化会影响植物内源激素的含量[20]。植物遇到非生物胁迫会通过改变自身的激素含量从而调节生长以适应环境[12]。本研究发现,随着降雨量增加,不同径级根系ZR与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,这与Levent等的研究结果一致,外界条件胁迫会降低促进生长的激素含量[21],这些激素在植物生长和应对环境都起着重要作用[22-23]。玉米素核苷(ZR)作为植物中最常见的细胞分裂素,可促进细胞分裂,体内营养物质流动[24];GA3能使植物生长加速。对促进生长的激素来讲,最好的办法就是降低此类激素水平,抑制生长,减少水分消耗。干旱条件下,植物适应环境的主要途径是减缓生长,降低水分的消耗。地上器官与地下器官变化格局不一致。ZR在不同径级根系变化规律相近,总体含量显著升高。对于地上部分影响因素较为复杂,无明显规律,李岩等在研究土壤水分条件下玉米的生理对策时发现,则得出玉米根系合成ZR的生理过程对土壤水分亏缺不敏感,即在不同水分条件下ZR含量差异不显著,这可能与植物受干旱胁迫时间和本身的抗旱属性有关[25]。IAA可调节根系代谢,促进根系对水分的透性,使根系伸长,增大根冠比,增强植物对干旱的适应[26],目前研究有的植物升高,有的降低,本研究中,IAA处于波动状态,ABA主要由根系产生,增强植物的环境适应力。本研究表明随着降雨量增加ABA含量在根系整体下降,这与Reddy等在桑树叶片中研究较为一致[27]。但陈博雯等研究发现,干早胁迫下油茶组培苗与实生苗叶片ABA含量均呈现先升后降的趋势[28]。我们分析这或与胁迫时间及种属差异性有关。在水分亏缺时,ABA能加速离子流出保卫细胞从而使保卫细胞膨压降低,诱导气孔关闭,使水分损耗减少,保水能力增强[29]。令人惊奇的是对于ABA来说,各器官神木的ABA含量最低,本研究分析刺槐枯梢情况严重,叶片质量小,为了维持自身的生命活动需要维持相对高的光合作用制造养分,故脱落酸含量低于其他地区。土壤含氮量直接影响刺槐器官含氮量,而氮素是内源激素的组成元素之一,将显著影响内源激素含量[30]。本研究表明降雨量和土壤TN在三级根系各促生长类均有好的相关性,但环境温度,土壤全磷和有机质对其无明显相关性。

植物是一个有机整体,刺槐的生长发育不仅与内源激素绝对含量有关,还与多种激素综合调控有关。w(IAA)/w(ABA)是有拮抗作用的激素,二者的消长会影响植物器官的生长和脱落;w(GA3)/w(ABA)比值变化会影响植物休眠等生理活动,w(IAA+GA3+ZR)/w(ABA)比值则可反映几种内源激素的平衡状态。本研究中其比值在叶和枝中变化较平稳,可见地上器官存在一种调节机制,内源激素含量及比值可能存在一定临界浓度点或阈值。地下根系中,随着降雨量增加,促生长类激素增幅大于抑制生长类激素增幅,表明降雨量的增加,地下根系内源激素的协同更有利于根系生长分化。

3.2 内源激素含量对不同器官生长的影响

降雨量是林木生长的限制性因子,会影响内源激素在各器官中的含量及平衡并通过内部代谢制约器官生长。本研究中,在实际调查中发现降雨量低的神木和绥德地区刺槐总生物量显著降低。这或是刺槐对干旱的适应方式,通过降低生长速度,消耗较少的能量,从而最终让乔木根系减少吸收土壤水分和养分。本研究表明降雨量较高的安塞与淳化地区刺槐各器官年均累积量显著高于降雨量较低的绥德与神木地区(p<0.05),这与kim等的研究结果一致,降雨量的增加有利于森林生物量积累[31]。根系生物量与w(ZR)和w(ZR)/w(ABA)呈显著正相关。在植物遭受胁迫时,ZR起到从根到冠的传递作用,可以促进根框质元素吸收和转运,满足植物根系生长的需要,而ABA可抑制离子跨膜运输影响矿质元素如氮元素的吸收,进而影响根系细胞的生长和分裂[24],这与我们的研究结果接近,根系生物量与ZR显著正相关,但本研究没有发现其与ABA的关系,原因可能是根系主要受ZR影响,ABA对其影响不显著。GA3和ZR均能促进细胞分裂生长,但本研究发现二者与生物量呈负相关,我们分析地上器官受刺槐生境条件综合影响,比如林分密度,以及地下植被,同时受激素含量调控可能存在一定阈值。未来通过多年连续取样,并控制生境环境一致,或许可以解释我们的结果。本研究表明各内源激素会改变在各生长器官的浓度及比例,相关分析表明最终影响各器官的异速生长。

随着降雨量的增加,本研究发现刺槐各器官中ABA含量整体下降,促生长类激素ZR和GA3含量增加,IAA无明显规律。在不同径级根系中,各促生长类激素与脱落酸比值均在增加。相关分析表明,内源激素含量主要受降雨量和土壤TN影响并最终调节各器官生长。后续研究需进一步分析内源激素是如何调控代谢进而影响了器官的差异生长。