遮阴对葎草构件性状及生物量 结构影响的性别差异

郭海燕，刘航江，刘金平，游明鸿，谢瑞娟

(1.西华师范大学西南山地特色植物种质适应与利用研究所，四川 南充 637009； 2.四川省草原科学研究院，四川 成都 611731)

雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分，其种类、数量及适应性对物种多样性保护和生态系统维护具有积极的作用[1]。雌、雄株在形态、生理、生活史和表型上存在差异[2-4]，性别的分株表达使雌雄异株植物维持种群稳定性的能力较差[5]。雌雄个体在生长、形态、分布、生殖及抗逆性等方面的性别差异[6]，使雌雄异株植物遭遇生境胁迫时，种群性比发生变化，种群的繁殖能力下降，最终导致种群所在的生态系统结构和功能发生改变[7]。雌雄异株攀援草本植物，集雌雄异株植物的性别分化性、攀援植物对外界支持物的依赖性、草本植物的短寿命性等特点于一身，若雌雄株在相对短暂的生活史中，不能及时、同步、协调地采取应对胁迫的有效措施，顺利完成生活史并产生充足的后代，将导致物种面临巨大的存续风险。

桑科葎草属植物葎草(Humulusscandens)是具有饲用、药用及生态治理等价值的雌雄异株攀援草本植物[7-8]，常以鲜嫩饲草、青贮及饲料添加剂等服务于畜牧业[9]。关于葎草的研究主要集中在营养成分、药物成分和对其他生物的化感作用等方面[10-12]，对雌雄异株植物特性导致的雌雄个体发育、生殖形成、种群性比等方面进行了较为浅显的分析[13-15]，对胁迫生境下形态塑性、繁殖机理及应激响应进行了初步的探讨[16-18]。光是植物主要的能量来源，且对植物形态塑性和生理结构等有信号作用。葎草攀援性决定其具有觅光潜力，而短命性要求其对光照变化有快速的适应策略，性别分化性要求雌雄株对光照条件采取协同匹配的生长变化，才能保证物种的存活与延续。研究葎草对光的适应策略和响应能力，对其个体发育、种群形成、适应度及种群扩繁等研究具有重要的现实意义。

本研究采用人工设置4个遮阴度，通过测定雌、雄株的构件性状、水分分配、生物量结构及根冠比的变化，分析遮阴对葎草生长发育的影响，研究雌雄株对遮阴响应的性别差异，拟回答以下问题：1)葎草如何通过构件性状变化适应不同遮阴生境？2)葎草如何通过生物量与水分分配适应不同的遮阴生境？3)雌、雄株应对或适应遮阴生境的生长策略有何性别差异？4)雌雄株能否采取协同匹配的生长策略？以期为雌雄异株植物生理生态研究、资源保护利用和生态系统可持续发展等研究奠定基础，为野生植物资源保护与利用、生态环境治理及中草药持续性应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

2017年3月，以四川省南充市西华师范大学校园荒地内处于幼苗期的野生葎草为材料，挖取1～2对真叶的幼苗进行移植。选用口径50 cm、高34 cm的花盆，以河沙∶腐殖土体积比按1∶1作为基质，按每盆3株栽植，共40盆。置25 ℃的室内培养，以自然光为基础，用遮阴网围成六面体遮阴罩，借助光合有效辐射计(GLZ-C)设置全光照(0)、轻度(25%)、中度(50%)、重度遮阴(75%)共4个光照梯度，随机10盆为一组进行处理，期间仅进行水分管理。于7月20日，待全部植株花芽分化现花蕾(不同遮阴度间现花蕾时间相差2～7 d，雄株比雌株早1～5 d)，可识别雌雄时，进行测定。

1.2 测定项目与方法

叶性状：花序出现后，每组随机选取雌、雄各3株，测定由上而下第3叶的叶长、叶宽、叶柄长、叶厚，用托普YMJ-C型叶面积测定仪测定单叶面积和总叶面积，3次重复。茎性状：测定茎的节间长(取基部3节的均值)、茎直径、最长茎长，3次重复。根性状：测完茎叶后，出盆冲洗泥土后测定根长。生物量及水分含量：分离并清洗叶、茎、根，用吸水纸吸干，称鲜重后，装信封中，于105 ℃烘至恒重称干重。

水分分配比=(构件鲜重-构件干重)/单株总含水量×100%；

单株总含水量=单株各构件鲜重之和-各构件干重之和；

根冠比=根系干重/(茎干重+叶干重)×100%；

生物量分配比=各构件生物量(干质量)/单株生物总量(根、茎、叶的干质量之和)×100%；

叶面积比率=叶片面积/生物量；

比叶面积=叶片面积/叶生物量。

1.3 数据分析

采用SPSS 17.0软件，进行Duncan多重比较和SNK检验。

2 结果与分析

2.1 遮阴对构件性状的影响

2.1.1叶性状 遮阴度对葎草叶性状有不同程度影响(表1)，叶长、叶宽在中度和重度遮阴下变小(P<0.05)；叶厚在轻度和中度遮阴时有显著变化，在重度遮阴下显著变薄(P<0.05)。性别对葎草的叶长、叶宽有显著影响，雌株的叶长、叶宽显著大于雄株(P<0.05)，在轻度遮阴时叶宽在性别间差异最大，叶厚无显著性别差异(P>0.05)。进一步方差分析表明(表2)，遮阴对叶长、叶宽、叶厚有极显著影响(P<0.01)，影响程度表现为叶宽>叶长>叶厚；性别间叶长、叶宽有极显著差异(P<0.01)，性别对叶长的影响小于对叶宽的影响；性别与遮阴互作对葎草叶性状无显著影响(P>0.05)。

2.1.2叶面积参数 遮阴度对叶面积参数有不同程度影响(表1)，大体随遮阴度增加单叶面积呈先增后减趋势。雌株总叶面积随遮阴度增加逐渐增加，雄株总叶面积先减后增，中度遮阴时总叶面积显著小于全光照和轻度遮阴。叶面积比率和比叶面积随遮阴度逐渐增加，重度遮阴下叶面积比率和比叶面积显著大于全光照和轻度遮阴(P<0.05)。性别间单叶面积和总面积有显著差异(P<0.05)，雌株的单叶面积显著大于雄株(P<0.05)，在轻度遮阴时雌、雄株单叶面积差别最大，雄株的总面积显著大于雌株(P<0.05)，在全光照时雌、雄株总面积差别最大，随着遮阴度增加差异逐渐缩小，雌雄株的叶面积比率和比叶面积无显著差异(P>0.05)。进一步方差分析表明(表2)，遮阴度对单叶面积、总面积、叶面积比率、比叶面积均有极显著影响(P<0.01)，影响程度表现为单叶面积>总面积>比叶面积>叶面积比率；性别间单叶面积有极显著差异(P<0.01)，总面积有显著差异(P<0.05)；性别与遮阴度对叶面积参数无显著交互作用(P>0.05)。

表1 不同遮阴条件对葎草叶性状的影响Table 1 Effects of different shading conditions on leaf trait of Humulus scandens

♀:雌株;♂:雄株;同列不同大写字母表示同一遮阴度不同性别间差异显著(P<0.05)，同列不同小写字母表示同一性别不同遮阴度间差异显著(P<0.05)。下同。

♀: Female;♂: Male; Different capital letters within the same column for the same shading degree indicate significant differences between sexes at the 0.05 level; different lowercase letters within the same column for the same sex indicate significant differences among shading degrees at the 0.05 level. Similarly, for the following tables.

表2 葎草叶性状性别差异的双因素方差分析Table 2 Two-factor variance analysis of the effects of sex differences on leaf trait of Humulus scandens

F值表示F检验的显著性，F越大表示越显著，P值表示概率值。下同。

Fvalue indicates the significance ofFtest with greaterFvalue meaning more significant.Pvalue indicates the probability value; similarly for the following tables.

2.1.3根、茎性状 遮阴对葎草茎性状有不同程度影响(表3)，对根长几无影响(P>0.05)。随遮阴度增加茎直径逐渐减小，重度遮阴较全光照茎直径下降约42%；雌、雄株茎长随着遮阴度增加先增长后变短，在轻度遮阴下茎长分别是重度遮阴的1.75倍和1.7倍；节间长在重度遮阴下较全光照显著变短(P<0.05)。性别间茎长和节间长有差异，雄株茎长大于雌株(P<0.05)，在轻度遮阴时差异最大；雄株节间长小于雌株(P<0.05)，雌雄间茎直径和根长无显著差异(P>0.05)。方差分析表明(表4)，遮阴度对茎直径、茎长、节间长有极显著影响(P<0.01)，影响程度表现为茎长>茎直径>节间长；性别间茎长和节间长有极显著差异(P<0.01)，茎直径和根长无显著差异(P>0.05)，性别与遮阴度交互作用对根茎性状无显著影响。

表3 不同遮阴条件对葎草茎性状与根性状的影响Table 3 Effects of different shading conditions on stem trait and root trait of Humulus scandens

表4 葎草茎性状与根性状的双因素方差分析Table 4 Two-factor variance analysis of stem trait and root trait of Humulus scandens

2.2 遮阴对水分分配的影响

遮阴度对叶、茎水分比例有不同程度影响(表5)，重度遮阴下叶水分显著大于中度遮阴(P<0.05)，茎水分比例显著小于中度遮阴。性别间叶、茎水分有显著差异，雄株叶水分显著大于雌株(P<0.05)。随遮阴度增加，雌、雄株叶水分差距逐渐增大，中度遮阴下差距达到最大，在重度遮阴时差距缩小，且低于全光照；雄株茎水分小于雌株(P<0.05)，雌雄株茎水分间的变化趋势与叶水分变化趋势一致；根水分在性别间无显著差异(P>0.05)。方差分析表明(表6)，遮阴度对叶、茎水分比例有极显著影响(P<0.01)，对根水分比例无显著影响(P>0.05)。性别对叶、茎水分比例有极显著影响(P<0.01)，对根水分比例无显著影响(P>0.05)。性别与遮阴度对构件水分比例交互作用不显著(P>0.05)。

2.3 遮阴对生物量结构的影响

2.3.1生物量分配 遮阴度对生物量分配有不同程度影响(表7)，叶分配随遮阴度增加先减后增；茎分配在重度遮阴下较中度遮阴时显著降低(P<0.05)；遮阴对总生物量有显著影响，中度和重度遮阴使总生物量显著小于轻度遮阴和全光照时。性别间茎分配和总生物量有显著差异，雌株的茎分配大于雄株(P<0.05)，在重度遮阴时性别间差异最小；雄株总生物量大于雌株(P<0.05)，中度遮阴时雌雄株生物量差异最大。叶、根分配受性别影响较小(P>0.05)。方差分析表明(表8)，遮阴度对叶、茎分配比和总生物量有极显著影响(P<0.01)，对根分配比有显著影响(P<0.05)，遮阴度对生物量分配比的影响程度表现为茎>叶>根。性别间茎分配比和总生物量有显著差异(P<0.05)，茎分配比和总生物量受遮阴度影响较性别影响大。性别与遮阴度互作间对分配比和总生物量无显著影响。

表5 遮阴对葎草各构件水分分配比例与根冠比的影响Table 5 Effect of sex on each component water distribution and root-shoot ratio of Humulus scandens under shading %

表6 葎草各构件水分分配比例与根冠比的双因素因素分析Table 6 Two-factor variance analysis of each component water distribution and root-shoot ratio of Humulus scandens

表7 不同遮阴条件对葎草生物量分配的影响 Table 7 Effect of sex on biomass allocation of Humulus scandens in different shade conditions

表8 生物量分配的双因素方差分析Table 8 Two-factor variance analysis in terms of biomass allocation

2.3.2根冠比 遮阴度对根冠比有不同程度影响(表5)，重度遮阴下根冠比显著大于轻度遮阴，根冠比在性别间有显著差异，雄株的根冠比显著大于雌株(P<0.05)。进一步方差分析表明(表6)，遮阴度对根冠比有极显著影响(P<0.01)，性别对根冠比有显著影响(P<0.05)，性别与遮阴度对根冠比交互作用不显著。

3 讨论

光是影响植物生存、生长的最重要的环境因子，不仅影响植物的光合作用，同时还以环境信号的形式作用于植物，调节植物形态建成、生理代谢和解剖结构变化等来适应不同的光照条件[19-20]。植物通过抬高叶片位置、增大叶片面积、变薄叶片厚度、增大节间长、减少分枝数、降低根长和根数等方式来应对遮阴胁迫[21-25]。雌雄异株是植物适应不良生存环境的进化方式之一，雌、雄株对环境胁迫的应对能力与响应速度直接关系种群结构及种群发展趋势[26]。因物种特性和生长环境等方面的影响，不同雌雄异株植物的雌、雄个体对胁迫环境的反应也不尽相同。本研究表明，遮阴度对葎草构件性状、水分分配、生物量结构和根冠比均有显著影响，且雌雄个体表现出明显的性别差异，雌株对遮阴的响应更敏感。

葎草的茎长随遮阴度增加不断增大，雌株增幅大于雄株。叶长、叶宽、叶厚、单叶面积、茎直径随遮阴度增加不断下降，在一些研究中出现同样的结果[27-28]，在遮阴处理下葎草可通过自身的调节以适应环境的变化。重度遮阴较全光照条件雌株总叶面积增加79%，雄株下降51%，说明雌株通过增加叶面积和茎长来扩展空间，帮助叶片逃离阴蔽环境的胁迫，雄株则采用缩小体形应对遮阴胁迫的生存策略。雌株在重度遮阴条件下，单叶变窄、总叶面积增大、茎生长加快变长、构件生物量变小，雄株叶总面积减小、各构件变化幅度较雌株小，可见雄株与雌株相比在营养、水分、空间等资源的竞争处于劣势，雄株的资源有效利用率明显低于雌株。本研究通过对不同遮阴胁迫下葎草雌、雄的水分分配进行分析，结果发现，根水分比例在性别间无显著差异，雄株的茎水分比例显著小于雌株，叶水分比例显著大于雌株，进一步分析得知雄株没有保守的水分利用策略，在遮阴胁迫下雄株将更多的水分分配到叶片，通过消耗大量水分来促进生长，尽快完成营养生长向生殖生长的转化，同时也说明葎草主要通过改变茎、叶水分分配比来应对遮阴胁迫。

通常用生物量累积量和生物量分配来研究植物对胁迫生境的适应能力和各项生理功能间的平衡关系[29]，植物优先向可减缓或克服胁迫因子的构件分配生物量，用来减少胁迫环境对植物造成伤害。本研究中，葎草性别间叶、根生物量分配比差异较小，但雌株茎生物量分配比显著大于雄株。单株生物量随着遮阴度增加先增大后减小，在轻度遮阴时达到最大值，叶分配比例呈现先减小后增大，在中度遮阴时达到最小值，茎分配比例呈现先增大后减小的趋势，说明轻度遮阴对葎草的生长无抑制作用，且在该环境能够下生长良好；而中度、重度遮阴环境下生长欠佳，葎草生物量的积累受到抑制。随着遮阴度增加，葎草会根据生物量来控制叶与茎之间的配比平衡，表明葎草具有极强的应对遮阴胁迫的生长策略。本研究只对遮阴作用下结构形成和生长策略进行了比较分析，植物对遮阴的生理响应能力及反映速度是决定其抗性的关键，关于葎草对遮阴胁迫响应的具体机理及应对策略有待进一步深入研究。

4 结论

葎草具有在遮阴胁迫下进行构件性状及生物量分配的自我调节能力，当光照在生理适应范围内降低时，雌株增加叶面积来增加光合面积，以适应弱光环境，雄株则因为遮阴度增加减少了叶面积的生长，以缩小体形应对遮阴胁迫。葎草通过控制总叶面积和降低根茎叶生物量分配比来达到降低地上部分、减少水分散失和适应遮阴胁迫的目的。雌雄个体能依据遮阴变化，协调的调整构件形成和改变生长策略，顺利完成营养生长向生殖生长转变，为生殖生长、种子形成及物种延续奠定基础。