微生境对耐旱石生毛尖紫萼藓水分保持与散失特性的影响

邱 东 张 静 吴 楠，2 陶 冶*

（1. 中国科学院新疆生态与地理研究所，干旱区生物地理与生物资源重点实验室，乌鲁木齐 830011；2. 鲁东大学资源与环境工程学院，烟台 264025）

裸岩是森林生态系统的特殊生境，且因岩面大小、朝向、平整度、坡度及有无遮蔽物的不同，裸岩又可衍生出诸多微生境类型，并在温度、光照和水分条件等方面表现出极大差异性［1］。在山地裸岩生境中，除苔藓以外的其他陆生高等植物几乎难以生存和繁衍［2～3］。因此，这些石生苔藓既是所在生态系统的先锋物种，同时也是维持生态系统功能不可缺少的组成部分［4～7］。在这些石生苔藓中，耐旱的种类生存环境更为残酷，其基质岩石温度日变幅大，白天可达50～60℃，而夜间又很快降到最低点［3］。而且干燥岩石缺乏土壤成分，无法有效持水，石生藓类只能利用自己的表面来吸收降雨、雪融水、隐匿水等，以维持生存和繁衍［2］。在长期进化适应过程中，耐旱藓类在外部形态（如具有叶片毛尖）、细胞结构、生理调节、基因调控等方面均形成了有效的适应机制［7～13］，但仍然需要面临高不确定性的变水环境和水分胁迫。

微环境对耐旱藓类形态和生理等功能性状有着非常显著的影响。如遮阴环境下荒漠齿肋赤藓（Syntrichia caninervis）的盖度和生长状况好于暴露环境下的植株［14］，且前者具有更大的叶绿体及更多的类囊体和基粒［15］。而干燥暴露环境下的苔藓其叶片毛尖与叶长的比例较荫蔽环境下植株更大，这有利于获取更多凝结水并延长水分保持时间［12～13］。对生理功能的研究指出，暴露环境下的苔藓植物比隐蔽环境个体具有更强的胁迫耐受性［16～17］。由此可见，在长期适应进化过程中，同种苔藓植物的不同功能性状在不同微环境下产生了不同的适应性变异和权衡［7］。那么，与荒漠极端干旱环境相比，生于干燥裸岩环境的耐旱藓类对不同微生境具有何种功能性状权衡，需做进一步研究。

毛尖紫萼藓（Grimmia pilifera）是我国广布的苔藓植物之一［18］，属典型的耐旱石生藓类，业已成为开展苔藓植物耐旱机理研究的模式物种之一［11，19～22］。充足的水分是植物生命活动的前提，尤其是生于极端干燥和无规律变水环境（裸岩）中的石生藓类植物。研究表明，毛尖紫萼藓必须维持一定的含水量（相对含水量不低于35%）才能保持有效的光化学效率［23］。在水分来源上，苔藓植物除了通过体内吸收和保持水分外，其体表所具有从纳米、微米到厘米级的多尺度水分收集与传输系统，可以帮助苔藓植株固持大量体外水，是苔藓植物生命代谢活动的重要保障［2，8，13］。因此，能否吸收足量水分（包括内部和外部水）、有效保持水分、延缓水分散失并延长水合时间是耐旱藓类生存和生长所面临的首要挑战。

当前对毛尖紫萼藓的研究多集中于耐旱相关基因［11，20～22］、胁迫（温度、光照、重金属等）生理［19］及脱水——复水过程中光化学效率［23］等方面，而关于微生境对毛尖紫萼藓水分生理影响的研究尚未见报道。对喀斯特地区耐旱石生藓的水分生理有一些研究，但关注点在于不同物种之间［2，24］或干旱胁迫程度的比较［8，25～26］。鉴于此，本研究以位于北亚热带的安徽省安庆市大龙山国家森林公园为研究区，选择向阳裸岩及两种不同植物遮蔽裸岩共3种典型微生境，对比研究不同微生境下毛尖紫萼藓个体大小、内外含水量及脱水过程中水分保持和散失的差异性，综合判断微生境对该物种水分胁迫耐受性的影响及其权衡特征。研究结果将为深入了解毛尖紫萼藓等耐旱石生藓的功能性状权衡及耐旱机制提供科学依据，也能为该物种耐旱基因挖掘、基因调控机制的实验材料选取提供指导。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省安庆市大龙山国家森林公园（116.994°～117.087°E，30.624°～30.692°N），面积为40.18 km2。该地区属于北亚热带湿润季风气候，四季分明，气候温和，雨量充沛；年均太阳辐射总量为407～491 kJ·cm-2，年平均相对湿度77%，年平均气温14.5～16.6℃，≥10℃的积温在5 200℃左右；年平均降水量在1 300～1 500 mm，主要集中在4～8 月，占年降水总量的70%以上；常年主导风向为东北风，占全年风向的52%，其次为西南风；霜少雪稀，无霜期250 d 左右，年日照时数2 012 h［27］。大龙山国家森林公园为大别山南麓余脉，地形复杂陡险，多裸岩。山体坡度多在20°～45°，部分地段在45°以上。植被以马尾松（Pinus massoniana）林和杂阔林为主，土壤以红壤、黄壤和黄棕壤为主。

1.2 研究方法

1.2.1 苔藓样品采集与处理

2018 年1 月初，在大龙山森林公园东部灵山石树景区开展毛尖紫萼藓调查采样。选择竹林边缘荫蔽岩石（记为S-1）、向阳裸岩（记为E）及薜荔（Ficus pumila）灌丛下岩石（记为S-2）3个典型微生境，测量记录岩石面积、苔藓斑块面积、苔藓密度、坡面的坡向、坡度及有无成土等指标，随后用小型取样铲辅助采集适量苔藓样品，装入封口袋内标记保存。苔藓样品带回实验室后，用多级筛网过滤杂质，平铺于报纸上，置于实验台自然干燥。

1.2.2 植株饱和含水量及个体大小测定

实验于2018年1月24日开展。提前对各微生境毛尖紫萼藓植株进行人工筛选，去除夹杂泥沙，剪除下部无叶部分。选取不同微生境毛尖紫萼藓植株各25 株（为1 份），每个微生境取6 份（即6 个重复），共18份苔藓样品。将苔藓植株用蒸馏水充分淘洗，以去除夹杂的泥沙。随后放入盛有蒸馏水的培养皿（高1.5 cm，内径6 cm）内充分水合2 h，期间翻动几次，以去除植株叶片间夹杂的微小气泡和杂质。然后用手术镊子分别将水合的苔藓样品夹出放在对应干燥培养皿内（培养皿质量记为W1），称重记录（质量记为W2）。上述操作在2 min内完成，且夹出样品时不可甩动，以免植株外部水分丢失。将培养皿内的苔藓样品倒在多层滤纸上，迅速吸干外部水分，放入另一批干燥培养皿内（培养皿质量记为W3），称重记录（质量记为W4）。随后开始脱水实验（见1.2.3）。脱水实验完成后，将各苔藓样品连同培养皿放入75℃烘箱内干燥24 h，放至室温后称重（质量记为W5）。3 个微生境毛尖紫萼藓样品分别采用3 台精度0.000 1 g 电子天平同时测定。相关指标计算方法为：

含内外水的饱和鲜重：

仅含内部水的饱和鲜重：

单株干重：

包含内外水的饱和含水量：

饱和外含水量：

饱和内含水量：

包含内外水的含水率：

内含水率（即一般讲的含水率）：

式中，n=25。同时计算外吸水量与内吸水量之比（EW∶IW），以对比不同生境苔藓内外吸水量的差异。

1.2.3 苔藓脱水过程中植株含水量的测定

将上述吸干体外水分的苔藓样品用于脱水实验。以称量饱和内含水量为开始（即第0 min，W4为始重），随后以不同时间间隔累计称量28 次，共计305 min（即第0、5…75、85…125、145…185、215…305 min）。每个时间点（用i 表示）苔藓样品重量（含培养皿）记为Wi，其中0 点时（即i=1）的重量为W4，烘干后质量为W5，培养皿质量为W3。3 组实验使用3台电子天平同时开展，时间为2018年1月24 日10：02～15：07，实验过程中室内温度15℃，相对湿度65%。

分别采用基于植株干重的绝对含水量（AIW，%）、基于饱和水重量的相对含水量（RW，%）、基于鲜重的含水量（WC，%）以及蒸散率（ER，%）、累积蒸散率（CER，%）等指标来反映不同生境下毛尖紫萼藓脱水过程中含水量和水分散失的变化。

式中，i 表示时间序列（1～28），当i=1 时，AIW=SIW。

1.2.4 统计分析方法

对不同微生境毛尖紫萼藓鲜重、干重、各含水量及不同脱水阶段的含水量指标进行One-way ANOVA分析，采用Duncan法进行多重比较。对脱水过程中相对含水量的变化进行最优曲线拟合，并计算达到指定含水量所需的时间。以饱和状态不同含水量参数、蒸散率及脱水时间等多个指标综合判断不同微生境毛尖紫萼藓耐水胁迫能力的差异。常规统计分析和作图在Excel 2013 完成，ANOVA和曲线拟合采用SPSS 19.0软件实现。

2 结果与分析

2.1 不同微生境毛尖紫萼藓个体大小及内外饱和含水量的差异

毛尖紫萼藓单株最大饱和鲜重（FW-A）以向阳裸岩生境最高（55.5 mg），竹林遮蔽生境最低（47.2 mg），薜荔灌丛遮蔽生境居中（52.3 mg）（见图1A）。仅含内吸水量的单株饱和鲜重（FW-B）也以向阳裸岩生境最高（10.8 mg），薜荔灌丛遮蔽生境次之（9.3 mg），竹林遮蔽生境最低（7.7 mg）（见图1B）。样品烘干以后，向阳裸岩和薜荔灌丛遮蔽生境单株干重（DW）最高且无显著差异（分别为3.1和3.0 mg），而竹林遮蔽生境最低（2.2 mg）（见图1C）。

毛尖紫萼藓总绝对饱和含水量（SW）以竹林遮蔽生境最高，达到2 025.9%，即内外总吸水量是自身干重的20.26倍（见图2A）；向阳裸岩（1 697.5%）和薜荔灌丛遮蔽生境（1 657.2%）显著低于竹林遮蔽生境，且二者无显著差异。绝对外含水量（SEW，分别为1 779.0%、1 448.9%和1 444.0%）在3 个生境间的变化趋势与SW 相同（见图2B）。绝对内含水量（SIW）在3 个生境间的差异性不同于前两个指标，表现为竹林遮蔽（246.9%）和向阳裸岩生境（248.6%）无显著差异，但显著高于薜荔灌丛遮蔽生境（213.2%）（见图2C）。对3 种生境外吸水量和内吸水量进行对比发现，尽管竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境的内、外吸水量和吸水总量呈现出显著差异，但在外部吸水能力上（相对于内吸水量）二者没有显著差异（EW：IW 分别为7.2 和6.8），且显著高于向阳裸岩生境（EW：IW 为5.8）（见图2D）。

从基于鲜重的含水量来看，毛尖紫萼藓总饱和含水量（TWC，包含内外水）的变化趋势同SW 和SEW，以竹林遮蔽生境最高（见图2E）。而含水量（WC，仅内吸水量）的差异性则与SIW 相同，即以竹林遮蔽（71.1%）和向阳裸岩生境（71.3%）最高，薜荔灌丛遮蔽生境最低（68.0%）（见图2F）。

2.2 不同微生境毛尖紫萼藓脱水过程中植株含水量变化

分别采用基于干重的绝对含水量（AIW，图3A）、基于饱和水重量的相对含水量（RW，图3B）和基于鲜重的含水量（WC，图3C）共3 个指标来反映不同生境下毛尖紫萼藓脱水过程中含水量的变化。实际脱水时间为305 min，但185 min 以后各生境苔藓含水量不再发生变化，因此图中只保留脱水时间到185 min。无论哪种含水量表示方法，向阳裸岩生境的毛尖紫萼藓含水量降低的速度最慢，且在第185 min 之前均显著高于薜荔灌丛遮蔽生境（见图3）。竹林遮蔽生境与向阳裸岩生境苔藓的初始含水量相同（见图3C），但随后竹林遮蔽生境苔藓含水量降低速度逐渐加快，至第25 min时与向阳裸岩生境呈现显著差异，并一直保持到第165 min。用相对含水量表示脱水过程时（见图3B），3 个微生境均符合“S”型逻辑斯蒂曲线，即含水量呈“缓慢—快速—缓慢”的下降过程。相比之下，竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境苔藓含水量始终无显著差异，但自第5 min 开始直至第145 min，二者含水量均显著低于向阳裸岩生境。

采用基于饱和水的RW 来拟合脱水过程中毛尖紫萼藓含水量的变化趋势。结果表明，3个微生境毛尖紫萼藓脱水最优拟合曲线均为二次方程，决定系数（R2）均在0.998 以上（见表2）。给定了5个RW 值，计算了各拟合方程到达指定含水量所需的时间。可以发现，竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境毛尖紫萼藓在到达任何指定含水量所需时间均较一致，且所有时间均短于向阳裸岩生境。也即向阳裸岩生境毛尖紫萼藓比竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境植株到达指定含水量所需时间更长，失水更慢。不仅如此，随着脱水进程持续，这种时间差逐渐扩大，由RW=80%时的5 min 时差扩大到RW=20%时的26 min 时差（见表2）。在毛尖紫萼藓有效光合作用的转折点RW=35%时［23］，向阳裸岩生境苔藓植株的有效光合作用时间比另两个生境延长了18 min。

表2 基于相对含水量（RW）的不同微生境毛尖紫萼藓最优脱水拟合方程及达到指定含水量所需时间Table 2 The best-fit equations for RW of G. pilifera in different micro-habitats during dehydration and the time reaching the designated RW

2.3 不同微生境毛尖紫萼藓脱水过程中植株水分散失特征

脱水过程中，各微生境毛尖紫萼藓水分蒸散率（ER）呈两个阶段的减小趋势（见图4A）：脱水开始至第70 min 为第一个下降阶段，随后第75 min开始上升，至85 min 时蒸散率达到新高（分别为5.9%、5.9%和6.5%），进而进入第二个下降阶段。在第一阶段，向阳裸岩生境毛尖紫萼藓植株水分散失率显著低于竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境（第30 min 除外），即后两者一直维持较高的失水率。而在第二阶段，情况发生反转，即向阳裸岩生境苔藓水分散失率高于竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境。尽管如此，由于脱水前期竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境苔藓维持较高的脱水率，在第一阶段蒸散率最低的第70 min 时，其累积蒸散率已达67.0%和66.7%，而向阳裸岩生境的苔藓累积蒸散率仅为55.3%（见图4B），相差近12%。因此，无论从蒸散率还是累积蒸散率来看，向阳裸岩生境总比另外两个生境表现出更强的保水能力。

此外，从蒸散率的变异性来看，整个脱水期间（0～185 min）竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境的毛尖紫萼藓蒸散率变化曲线近乎一致，且表现出较大波动性（见图4A），其变异系数（0.46 和0.47）明显高于向阳裸岩生境（0.30）。这表明，向阳裸岩生境的毛尖紫萼藓在应对外界水分变化和自身脱水时能保持相对稳定的脱水速度，这也为其进行脱水后期的生理和结构适应性调节赢得更多时间。

3 讨论

植物生命活动离不开水。不同类型植物对水分的吸收和保持能力有很大差异。种子植物具有发达的维管系统，表现出高效的水分吸收、运输和储存，因而具有较强的体内水分调节能力。但苔藓植物个体矮小，没有维管结构，叶片常为单层细胞；其假根基本不具吸水能力，水分吸收以叶片为主，且极易失水［9］，因此属于典型的变水植物（poikilohydric plant）［7］。外界环境对苔藓植物含水量的影响较大，对于生长于阴湿环境的苔藓种类而言，其外部水分环境相对稳定，植物体也可以保持较稳定的水合状态。而对于旱生藓类而言，除非特殊天气（如连续阴雨）或人工干预，否则植物体很难长时间保持水合状态，其体内水分会在很短的时间内蒸发殆尽。因此，相比于其他高等植物，苔藓植物保水能力差，变水性强，其中以旱生藓类最为典型。

尽管耐旱藓类面临严峻的水胁迫且自身控水能力差，但它们进化出了多种延缓水分散失和增加植株含水量的结构性适应［28～29］。紫萼藓属植物通常成密集垫状、丛状或毯状的藓丛，提高了毛细管系统的持水力，并能有效减少水分蒸发；其叶片干燥时强烈卷缩且具有白色毛尖，不仅能反射强光，减少辐射伤害和水分散失［8，23，28］，而且“毛尖—叶片—植物体”还是一个高效的多尺度的水分收集系统，对耐旱藓类的水分收集、运输和保持都发挥巨大作用［12～13］。耐旱藓类通常叶细胞小、细胞壁厚，其表面的疣状突起也有利于减少水分散失［8～9，23］。此外，在变水过程中，耐旱藓类叶细胞内膜系统的完整性也为其快速恢复生理活性提供了保障［9］。相比之下，具有明显叶片毛尖结构的毛尖紫萼藓也具有上述耐旱藓类相似的形态结构特征，但细胞层面上的微结构特征在不同微生境间有无显著差异尚不清楚，这部分研究工作还在进行之中。

就目前已测不同微生境毛尖紫萼藓植株形态进行对比分析可知，竹林遮蔽生境下苔藓个体最高，但宽度最小，个体重量也最小；然而，该生境苔藓植株各饱和含水量指标均较高，表明其内外吸水能力均较强。向阳裸岩和薜荔灌丛遮蔽生境毛尖紫萼藓个体大小接近，但向阳裸岩生境苔藓外吸水量低于而内吸水量却高于薜荔灌丛遮蔽生境。从内外吸水量比例来看，竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境EW：IW 值相近，而向阳裸岩生境较低。可见，3个微生境毛尖紫萼藓的内外吸水能力各不相同，但实际水分保持能力却以向阳裸岩生境为高。自脱水伊始，向阳裸岩生境苔藓植株就表现出较强的水分保持能力，其RW 始终高于另两个生境，且随着脱水时间延长，这种达到相同含水量的时间差愈来愈明显，表明向阳裸岩生境中生长的毛尖紫萼藓具有更强的脱水耐受性。

目前对不同生境下耐旱藓类形态结构、生理活性差异性了解最多的是荒漠生境中生存的齿肋赤藓。研究发现，灌丛的存在能够为藓类植物提供一个低辐射、高含水量及低蒸发量的相对较优越的生存环境［16～17］，有利于藓类生存。因此，就微生境对耐旱藓类的利弊来讲，荫蔽生境应当是一种更好的生存选择［30］。但是，一旦遮蔽环境变为裸露环境，藓类植物将面临严峻的生存考验。去除灌丛后（即荫蔽生境变为向阳暴露生境），齿肋赤藓植株叶绿素荧光活性持续时间显著缩短，主要归因于灌丛移除导致UV-B 辐射增加及“湿岛效应”消失所致，而植株自身较低的保水能力（即水分散失过快）也是其中一个重要原因［31］。由此可见，本研究中2个遮蔽生境毛尖紫萼藓水分散失速度显著高于向阳裸岩生境；那么，一旦其生境光照增强（如秋冬季节落叶植物叶片脱落导致的遮阴效果减小以及不可预知的人为扰动），毛尖紫萼藓将面临一定的环境胁迫，不利于生存。

野外调查发现，与灌丛生境相比裸露地齿肋赤藓个体较小但密度较高，且其叶长、中下部叶片的中肋宽以及顶部叶片的毛尖长也显著高于灌丛生境，这些特征证明裸露环境苔藓具有更强的抗旱性［32］。在生理方面，裸露环境下齿肋赤藓的光合活性虽然显著低于灌丛下，但其实际光化学效率却明显高于灌丛下［31］，而且裸露生境植株在光合活性、抗氧化酶活性、渗透调节物质含量等方面均具有比活灌丛和死灌丛下生长的植株更强的抗胁迫能力［16～17］，这显然是极端环境下耐旱藓类长期锻炼和适应进化的结果［28］。沙培实验表明，取样于裸露地的齿肋赤藓，沙培植株表现出较优的生长态势（如盖度、密度及株高等均高于灌丛生境），表明裸露地的齿肋赤藓沙培植株具有高度的可塑性和环境适应性，具有潜在培养价值［32］。相比之下，本研究中向阳裸岩生境毛尖紫萼藓也应具有裸露地齿肋赤藓相似的可塑性和环境适应性，故向阳裸岩生境的毛尖紫萼藓是开展耐旱藓类植物相关研究的首选材料来源。

水分是苔藓植物启动光合作用的关键因子。苔藓植物脱水过程中，叶绿素含量及光合作用强度都会下降，并与含水量呈显著正相关。研究表明，毛尖紫萼藓相对含水量（RW）在降到35%之前，其Fv/Fm相对恒定，光合作用较强；而RW 一旦低于35%，其光合效率迅速下降，这说明RW＜35%对光合作用已没有实际意义［23］。本研究中，在相同实验室环境下向阳裸岩生境下的毛尖紫萼藓RW 达到35%比竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽两个荫蔽环境下的植株多用了18 min，即向阳裸岩生境的苔藓植株有了更多的时间进行光合作用，这对于脱水后期苔藓启动防御机制大量耗费能量的补充积累至关重要［9］。研究表明，荒漠耐旱藓类齿肋赤藓在形态和生理功能上均表现出较强的环境适应性。在脱水6 h 后，其叶绿体发育更加充分，外被双层膜清晰，类囊体片层丰富，基粒发达，膜系统完整，嗜锇颗粒增多，而此时叶绿素含量也达到最大值；研究认为齿肋赤藓在含水量适中时具有最大的光合速率，而非完全湿润或完全干燥时［9］。这进一步证明，延长水合时间、延缓到达特定含水量（毛尖紫萼藓为35%）的脱水时间对于耐旱藓类的生存极为重要［23］。由此可见，本研究中向阳裸岩生境中的毛尖紫萼藓比遮蔽生境中的类群具有更强的生存能力。

此外，即使RW＜35%后毛尖紫萼藓光合作用微乎其微，但脱水速度对维持正常细胞结构和生理代谢极为重要［33］。在正常慢速脱水的情况下，苔藓叶片细胞可以通过调节渗透调节物质含量、转换细胞质为玻璃态、进行细胞壁折叠、细胞器表面积最小化、合成耐旱相关蛋白等方式应对脱水胁迫，并以使植物体保持稳定的质膜和天然蛋白二级结构；而快速脱水的植物细胞内的磷脂易丢失，自由脂肪酸增多，蛋白易变性与聚合，氢键聚合减少，而且渗漏的原生质膜也会变得不可修复［28，33］。因此，快速脱水对植物细胞的破坏性显然大于慢速脱水。本研究中，相比于竹林遮蔽和薜荔灌丛遮蔽生境，向阳裸岩生境毛尖紫萼藓脱水速度明显较慢且蒸发速率较为稳定，这为植株启动脱水应答/抵御机制赢得了宝贵的时间，也为再水化夯实了细胞结构完整性的基石［28～29］。

本研究从苔藓植物个体水平的水分吸收、保持与散失的角度研究了不同生境毛尖紫萼藓的耐旱性。不同微生境毛尖紫萼藓个体大小、饱和含水量及脱水速度各有差异，其中向阳裸岩生境毛尖紫萼藓比遮蔽生境具有更强的脱水耐受性，而后者可以通过增加外部吸水量来弥补失水过快的缺陷，这体现了不同微生境毛尖紫萼藓对水分吸收、保持和散失的权衡策略。但这一发现是否为耐旱藓类共有的特征尚不能定论，还需要开展大量的研究加以验证。相比之下，向阳裸岩生境毛尖紫萼藓是研究藓类植物耐旱机制的首选材料。有必要继续深入开展不同微生境毛尖紫萼藓叶、茎微结构、细胞亚显微结构、光合生理等生理生化特征等方面的研究，从多功能性状角度综合分析微生境对毛尖紫萼藓性状权衡的影响，为揭示耐旱石生藓的进化和适应策略提供科学依据。