甘肃贝母生物量和营养物质生殖分配研究

马瑞丽，陈 垣，郭凤霞，武 睿，焦旭升

(1. 甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070； 2. 定西市农业科学研究院，甘肃 定西 743000；3. 青海省青藏高原特色生物资源研究重点实验室，青海 西宁 810008)

植物各构件生物量是植物与环境因素相互作用的结果，对于生物量分配模式的量化分析是植物生态学和植物进化史研究的重要组成部分。影响植物生物量分配方式的因素很多，生物性状既受到自身遗传物质决定，也受到外界环境因子的影响[1]，如植物的生物学特性、不同生长发育阶段、外界干扰和不同环境梯度等。植物生物量分配模式的改变是植物适应不同环境和资源水平的重要策略[1-2]，植物通过生物量分配的优化配置来适应多样化的环境[3-4]。植物体各器官之间相互联系、相互作用，生殖生长以营养生长作为物质基础，生殖器官发育的程度与营养器官的生长有密切的关系[5]。生殖分配是植物将所有可利用资源分配给生殖生长的比例，即总资源供给生殖器官的比例，它是植物产生后代、种群得以延续和发展的关键因素[6]。生殖分配控制着植物生殖生长与生存的平衡，反映了生殖构件生物量与非生殖构件生物量的比例，是影响植物种群生存及繁衍的关键因素，对于指导农林业生产实践具有重要意义。

甘肃贝母(FritillariaprzewalskiiMaxim.)属于百合科多年生草本植物，是川贝母的基源植物之一，俗称“岷贝”，野生资源分布在青藏高原2 400～4 300 m的高山草丛中。由于野生资源生长环境气候寒冷、昼夜温差大、紫外辐射强、生态因素复杂，因此植物可获取的资源总量较低，从而导致生长缓慢、有性繁殖率低，加之需求量不断增加，过量的采集和生境恶化等原因的影响，其野生资源蕴藏量急剧下降，属于濒危药用植物，人工栽培已成为保护甘肃贝母野生资源和产业可持续发展的重要手段。目前，人工栽培甘肃贝母所面临的技术难题如种子灌浆特性[7]及种子发芽条件[8]已有报道，但甘肃贝母生殖分配规律未见报道。在植物生活史中，生殖分配策略及调节影响着植物的生长繁殖，虽然前期研究为甘肃贝母人工驯化及规模化栽培提供了技术依据，但其营养和生殖生长机理尚不明确。为了填充完善甘肃贝母人工栽植技术，本研究分析了生殖生长阶段甘肃贝母在现蕾期、盛花期、果实膨大期和果实成熟期四个物候期各器官生物量分配及生殖分配特性和策略。本研究不仅可以了解甘肃贝母生殖分配的可塑性调节，还可以推测其潜在的生殖能力，同时可以更好的了解甘肃贝母适应和抵抗逆境的生存策略，为进一步研究甘肃贝母生殖生长特性、保护野生资源和人工栽培调控提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

该试验地位于甘肃省定西市漳县石川镇(104°15' E,34°33' N)，海拔2 670 m，年平均气温4.2℃，≥0℃日照时数1 629 h，≥10℃日照时数1 048 h，年降水量500～612 mm，且主要集中在7，8，9三个月，无霜期136 d，属高寒地区，气候冷凉，土壤为高山草甸土，土壤有机质 31.52 g·kg-1、水解氮 16.2 mg·kg-1、全氮 2.1 g·kg-1、有效磷 7.9 mg·kg-1、速效钾 204 mg·kg-1、pH为7.2，土层深厚、土壤肥沃。本研究以人工栽植6年生及以上处于生殖生长的甘肃贝母植株为供试材料，播种材料经甘肃农业大学中草药栽培与鉴定专业陈垣教授鉴定确认为野生甘肃贝母(FritillariaprzewalskiiMaxim.)鳞茎。试验材料行株距为10 cm×5 cm。甘肃贝母返青后，在生长环境相对一致的试验区设置3个2 m×2 m的重复试验小区，每个小区内每行至少选择5株生长势相对一致的植株进行标记，各小区至少标记100株作为试验材料。试验小区除草等管理措施一致，尽量减少人为干扰因素。

1.2 试验材料

甘肃贝母在定植前5年只有营养生长，地上部分仅长出1枚基生叶片，处于营养生长阶段。定植第6年开始抽茎出现花蕾，进入生殖生长阶段。该试验材料为人工栽植6年生以及上处于生殖生长阶段的甘肃贝母植株。试验于2018年5月中旬至7月上旬在甘肃省漳县石川镇试验地进行，分别在植株现蕾期、盛花期、果实膨大期和成熟期4个不同生长阶段采样。为保证下一阶段采样时样本的小环境密度与此次采样的密度保持相对一致，采样时将每个小区划分为4个1 m × 1 m的样方，各阶段随机选择1个样方，在样方内挖取不少于10株已标记的甘肃贝母完整植株，每个生长阶段采样重复3次。将采样植株分别装入自封袋带回实验室，用清水缓慢冲洗干净鳞茎及根系部的泥土，按照根系、茎、鳞茎、叶片和果实(花)将各器官分离，并单独保存，在65 ℃烘干24 h至恒重，取出待降至室温后用精度为0.0001 g分析天平称重。称重后将相同器官混合，分别粉碎后保存备用。

1.3 营养元素含量测定

植物样品营养元素含量测定在甘肃省农业科学研究院资源环境重点实验室测定，每个样品重复3次。全氮采用凯氏定氮法利用K-370全自动凯氏定氮仪(瑞士B-CHI)测定，全磷采用钼锑抗比色法利用T6紫外分光光度计(北京普析通用)测定，全钾采用火焰光度法利用GH-5火焰光度计(北京检测)测定[9]。

1.4 数据分析与处理

生物量生殖分配以所有采集样品中随机选择10株以上植株测定数据进行分析，营养元素生殖分配测定试验结果以各小区试验材料为重复进行分析。生物量分配在不同物候期的差异性和各器官营养元素在不同物候期差异性分析采用SPSS 19.0(SPSS Inc.,Chicago. IL,USA)统计分析软件对所得数据进行处理，首先对不同处理间进行方差分析，若差异显著，再进一步进行LSD多重比较；采用Microsoft Office Excel 2007软件进行回归分析，在幂函数、直线、抛物线和指数4种函数关系中进行比较，选择拟合系数较高的函数关系作为不同器官生物量关系的分析模型；用植株的各器官生物量在植株总生物量中所占的比率分别表示根系、茎、鳞茎、叶片和果实(花)生物量的分配比，其中以花生物量分配比为生殖分配1 (Reproductive Allocation 1,RA1)，果生物量分配比为生殖分配2(Reproductive Allocation 2,RA2)，即花或果实生物量与植株总生物量之间的比值；变异系数为各器官生物量标准偏差与平均值之间的比值，计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 甘肃贝母植株各器官生物量及其分配变化

表1为甘肃贝母在现蕾期、盛花期、果实膨大期和成熟期各器官生物量的分配情况。根系生物量从现蕾期至果实成熟期，随着植株的生长逐渐减小，在果实成熟期具有最小值；植株茎、鳞茎、叶片，以及总生物量均随着植株的生长而不断增大，增幅最大的为鳞茎，最小的为叶片；在植株生殖生长阶段，随物候期的推移，在盛花期、果实膨大期和成熟期，生殖器官生物量逐渐增大，甘肃贝母在进行生殖生长的同时，也在进行营养生长。

由表1可知：在整个生育期，根系生物量分配所占比例很少，平均为1.8%，且随物候期的推移逐渐减小；茎和鳞茎生物量分配所占比例较大，平均依次为26.8%和48.9%；茎生物量分配随物候期的推移在各生长阶段总体变化为逐渐减小，但差异不显著；鳞茎生物量分配在现蕾期显著小于其他生长阶段，从盛花期开始显著增大，到成熟期达到最大；叶片生物量分配所占比例平均为12.4%，在现蕾期最大，从盛花期开始显著减小，但盛花期、果实膨大期和成熟期之间差异不显著；生殖分配所占比例与叶相当，平均为10.2%，RA1在现蕾期显著大于盛花期，生殖分配RA2在果实膨大期和成熟期差异不显著，生殖分配RA总体变化呈现先减小后增大趋势。

营养器官根系、茎、鳞茎、叶片生物量的变异系数在生殖生长阶段的平均值都大于生殖器官花(果实)生物量的变异系数，表明生殖器官花(果实)生物量的表型可塑性弱于营养器官生物量；营养器官根系、茎、鳞茎、叶片生物量分配的变异系数在生殖阶段的平均值都小于生殖器官果实生物量分配的变异系数，表明生殖器官果实生物量分配的表型可塑性强于营养器官生物量分配。生殖器官RA值的变异系数随物候期推移先减小后增大，表明生殖器官表型可塑性先减弱后增大。

2.2 甘肃贝母植株生殖器官与营养器官生物量关系

由图1和图2可知，甘肃贝母在整个生殖生长阶段，生殖器官生物量与分株茎生物量呈显著线性正相关关系(P<0.001)，生殖器官花(果实)生物量是随着分株茎生物量的增加而增加的，在各物候期表现出相同的生长规律；在整个生殖生长阶段，生殖器官生物量与鳞茎生物量和总生物量在花期呈显著线性正相关关系(P<0.001)，在果期呈显著抛物线关系(P<0.001)，生殖器官生物量随物候期的推移，在果期与鳞茎和总生物量的线性正相关生长规律发生改变，在生殖生长后期，生殖器官生物量增加，而鳞茎和总生物量不一定增加；在花期，花生物量与茎生物量、鳞茎生物量和总生物量之间的线性方程斜率均小于0.1，表明在花期，花生物量迅速增大时，茎、鳞茎和植株生物量增大缓慢；在整个生殖生长阶段，生殖器官生物量与根系生物量和叶生物量呈显著抛物线关系(P<0.001)，即在生长后期，生殖器官生物量增加，而根系和叶生物量反而降低，在各物候期表现出相同的生长规律。上述结果表明，在甘肃贝母生殖生长阶段，随着物候的推移，不同器官的生长规律存在差异，这主要与植物对各器官的生物量分配有关。

表1 甘肃贝母种群分株各器官生物量分配

注：1，2，3，4是不同物候期，依次分别为现蕾期、盛花期、果实膨大期、果实成熟期。不同小写字母表示不同物候期差异显著(P<0.05)

Note:1,2,3,4 are phonologicals,budding stage,flowering stage,fruit enlargement stage and fruit ripening stage,respectively. Different lowercase letters indicate significant differences among the different phonological stage at the 0.05 level

图1 甘肃贝母分株花生物量与各器官的关系

图2 甘肃贝母分株果生物量与各器官的关系

2.3 甘肃贝母各器官在不同物候期营养元素分配

图3为氮(图3-A)、磷(图3-B)和钾(图3-C)三种营养元素在植株不同物候期各器官中的分配组成比变化。氮素平均组成百分比最高的为叶片，达到2.52%，最小的为鳞茎，仅为0.98%，果实和茎干中平均组成百分比介于两者之间，分别为2.41%和1.05%；果实和鳞茎中氮素在盛花期组成百分比显著低于现蕾期和成熟期，而叶片和茎干中氮素组成百分比随着物候期的推移呈逐渐降低趋势。磷素在果实中的组成百分比显著高于鳞茎、叶片和茎干，分别为0.29%，0.11%，0.17%和0.09%；果实中磷素组成百分比在盛花期显著低于现蕾期和成熟期，鳞茎中磷素组成百分比随着物候期的推移逐渐升高，叶片和茎干中磷素组成百分比随着植株的生长逐渐降低。钾素在果实和鳞茎不同物候期的组成百分比变化差异不显著，平均组成百分比分别为2.54%和0.90%；叶片中的钾素在盛花期比现蕾期有小幅增大，而成熟期显著降低；茎干中的钾素随物候的推移逐渐降低，在果实成熟期显著低于现蕾期和盛花期。随生殖生长的进行，氮和磷元素在生殖器官中的组成百分比在盛花期显著降低，随果实的生长，氮和磷元素在生殖器官中的组成百分比又显著增加，而钾元素在整个生殖生长期间保持相对稳定的状态。总体看来，在整个生殖生长阶段，鳞茎中营养元素保持相对稳定状态，而其余器官中营养元素氮磷钾组成比随生殖生长呈降低趋势。

图3 甘肃贝母不同物候期营养元素氮磷钾在各器官中的分配组成比Fig 3 The percentage composition of nitrogen,phosphorus and kalium of each organs in different phonological stage of F.przewalskii Maxim.

3 讨论

3.1 不同物候期甘肃贝母种群各器官生物量分布

环境因子和生长阶段对营养资源在植物体内各器官之间的分配有不同程度的影响[10-11]。甘肃贝母根系生物量在现蕾期至果实成熟期逐渐减小，而植株的茎干、鳞茎、叶片，以及总生物量逐渐增大，在果实成熟期达到最大，但与生殖器官生物量的相关关系并不显著。甘肃贝母的根系是在7月初地上部分倒苗后至冬季地下部分停止生长前逐渐形成，在来年春季地上部分开始抽茎，新鳞茎形成后逐渐退化，生物量逐渐减小，这与周小玲等[12]对塔里木盆地胀果甘草根系生长规律的研究结果相同。根系是多种营养物质的贮存器官，当现蕾期生殖器官快速生长时，从根系运输大量的营养物质供给地上花(果实)、茎干和叶片生长，而根系本身生物量较小，从土壤环境中吸收营养物质的能力较缓慢，导致根系生物量逐渐减小，其余各器官生物量逐渐增大。

3.2 不同物候期甘肃贝母生物量生殖分配变化规律

植株的生长状况受植株各器官生物量的直接影响[13]，植物体不同生长发育阶段，同化产物的分配中心也不相同。植株生物量分配是植株各器官营养生长结果的体现，生物量分配受到光合作用、光合产物的运输和储存、呼吸作用，以及个体发育和环境因子等多方面的调控，使其产生复杂的生物量分配机制[14-15]。小麦和玉米等收获籽粒的作物，在籽粒形成期同化物的分配中心则转移到籽粒上[16-17]。甘肃贝母植株生物量分配是植株各器官营养生长结果的体现，在整个生殖生长阶段，甘肃贝母生殖生长阶段生殖分配低于鳞茎和茎干生物量分配，但生殖器官的生物量为逐渐增大，因此，甘肃贝母在生殖生长阶段并不是以生殖器官生长为主，而是在植株营养生长和生殖生长同时进行，在植株总生物量不断积累的过程中完成生殖生长的各阶段。甘肃贝母在生殖生长阶段是以鳞茎的生长为主，鳞茎生物量分配在盛花期到果实成熟期变化最大，是以降低茎和叶生物量的分配来增加对鳞茎的生物量投入，将同化物分配中心从茎干转移至鳞茎。在植物生长的不同时期，对有性生殖的投入是一个动态变化的过程，一般认为植物的生殖分配与植株个体大小存在关系[18]，随着植株个体生物量增大，对生殖器官的生物量分配也会相应增加，生殖分配比例减小[19-20]，但有许多研究发现各物种生殖分配与植株个体大小间关系不尽相同，肉苁蓉(Cistanche)[21]和白刺属(Nitraria)[22]植物生殖分配与植株个体生物量关系随物候的推移也呈现同样的分配规律；而四川大头茶(Gordonia)[23]生殖分配比例随植株个体增加呈增大关系；寸草苔(Carexduriuscula)[24]、驼绒藜(Ceratoidesarborescens)[25]和川鄂连蕊茶(CamelliaRosthorniana)[26]的生殖分配比例在一定范围内与个体大小呈正相关关系，之后与个体大小呈负相关关系；盐蒿(Artemisiahalodendron)[27]随物候推移生殖分配比例与植株个体生物量所占比例相对恒定；但也有研究指出生殖分配与个体大小并不存在一定的相关关系[28]。甘肃贝母生殖分配RA1随植株的增大呈降低趋势，生殖分配RA2随植株的增大相对保持恒定，生殖生长阶段以鳞茎生长为主。从资源分配策略上分析，甘肃贝母大部分资源主要用于个体鳞茎生长，有限的光合产物最大程度的转移至鳞茎储藏，以保证倒苗后提供足够的营养物质供植物在长期休眠生长中使用，6年生甘肃贝母的花芽是在5年生甘肃贝母7月份倒苗后至冬季休眠前形成，来年开春迅速抽茎开花，这是青藏高原短命植物为了完成生活史对环境的特殊响应。

3.3 不同物候期甘肃贝母种群生殖器官与分株各器官生物量的关系

植物在生长发育过程中，各器官生物量分配常见的关系有指数函数、幂函数和线性关系，许多研究结果都呈幂函数和线性相关关系[29]。本研究发现，甘肃贝母在整个生殖生长阶段，生殖器官生物量与根系生物量和叶生物量均呈显著的抛物线关系，植株处于生殖生长阶段时需要大量的营养物质，而叶片光合作用不能为植株储存和提供充足的同化物，同时，根系成为植株生殖生长营养物质补充供应的主要来源，从而导致在生殖生长阶段根系生物量和叶生物量与生殖器官生物量呈抛物线关系；在整个生殖生长阶段，生殖器官生物量与茎生物量呈显著的线性关系，表明随物候期的推移，生殖器官生物量随茎生物量的增大而呈现上升趋势。在花期，生殖器官生物量与鳞茎生物量和总生物量呈显著的线性关系，而在果期，生殖器官生物量与鳞茎生物量和总生物量呈显著的抛物线关系，表明生殖器官在不同的物候期表现出不同的生长规律。甘肃贝母是青藏高原的一种特殊短命植物，其生育期短，休眠期长，根系和花芽都是在前一年休眠期在地下形成，来年春天迅速抽茎开花结实，完成生命史，其生长对环境具有特殊的响应机制。在研究植物生长关系时，R2的大小决定了相关密切程度，可用来衡量遗传因素所占的比重，而1-R2则代表环境因素的影响程度[6]。在各生长阶段，甘肃贝母花生物量与根系生物量的R2均小于50%，表明根系在生殖生长期间主要受环境因素的影响；根据花生物量与茎生物量、叶片生物量和总生物量的R2可以发现茎、叶片和整个植株在现蕾期和果实成熟期主要受环境因素的影响，而在盛花期和果实膨大期主要受遗传因素影响；根据花生物量与鳞茎生物量的R2可以发现鳞茎在现蕾期、果实膨大期和果实成熟期主要受环境因素的影响。因此，在人工驯化栽培甘肃贝母时，主要在生长初期和后期加强水肥管理，甘肃贝母在同一栽培生境条件下，生殖生长具有较大的生态可塑性。

3.4 不同物候期甘肃贝母植株各器官营养物质分配

氮、磷和钾元素是植物体必须的营养元素，对植物体物质吸收、运输和利用，以及有机物质的合成都有重要的作用，直接影响到植株正常的生理状态。氮是维持土壤环境的关键元素，也是植物生长发育必须的营养元素[30]，是植物体内蛋白质、核酸和叶绿素的重要组成部分，在植物体各代谢环境起到重要作用[31]。在甘肃贝母处于生殖生长阶段的各物候期，氮平均组成百分比最高的为叶片，主要存在于核酸和叶绿素等光合系统中，以促进叶片的同化作用；磷参与植物体内碳水化合物的运输、淀粉和多糖的合成，还可以促进植物组织的生长，增强根系和枝条的生长；钾是光合作用中多种酶的活化剂，提高酶活性，参与氮的吸收[32]。磷和钾在果实中的组成百分比显著高于其他器官。在现蕾期和盛花期，钾在叶片中具有较高的组成百分比，而在成熟期显著降低，主要是由于在生殖生长前期叶片成熟，钾可以活化多种与光合作用相关的酶，促进同化物质的产生，当果实处于成熟期，叶片老化严重，钾运输至果实或者流失，致使叶片中钾含量显著降低。在整个生殖生长阶段，生殖器官中氮元素和磷元素的组成百分比在盛花期显著低于现蕾期，到果实成熟期又显著增大，但显著低于现蕾期，钾元素百分比在整个生殖生长过程中呈相对平稳状态。总体来看，从现蕾期到果实成熟期，果实、叶和茎中营养元素氮磷钾组成百分比均呈下降趋势，而鳞茎中营养元素保持相对平稳状态，甘素贝母生殖生长是以消耗各器官营养元素保证鳞茎正常生长为主，周小玲[13]等研究发现野生胀果甘草(Glycyrrhiza) 生殖生长是营养元素积累的过程，而甘肃贝母这种营养元素生殖分配方式与此相反。甘肃贝母在高山严酷的生长环境下，有性繁殖周期长，繁殖率极低，主要以鳞茎繁殖为主维持种群的延续，表明甘肃贝母在进化过程中形成了特殊的生殖分配对策。

4 结论

在整个生殖生长过程中，随着物候推移，甘肃贝母根系生物量逐渐减小，而植株的茎、鳞茎、叶片，以及总生物量逐渐增大，且在果实成熟期达到最大。在生殖生长阶段，甘肃贝母并不是以生殖器官生长为主，而是以鳞茎的生长为主，在植株总生物量不断积累的过程中完成生殖生长的各阶段，甘肃贝母在进化过程中形成了特殊的生殖分配对策，主要以鳞茎繁殖为主延续种群。本研究虽然从生物量和营养元素方面对甘肃贝母生殖分配进行了研究了解，但仍需要通过分子水平研究来切实了解分配和调控机理，以便更好为甘肃贝母人工驯化栽培提供理论依据。