东北鼠李生殖耗费的性别分异研究

2021-01-29王俪玢黄云浩范春雨张新娜

中南林业科技大学学报 2020年12期

王俪玢，黄云浩，范春雨，张新娜，王娟

（1.国家林业和草原局宣传中心，北京 100714；2.陕西省汉中市秦巴生态保护中心，陕西汉中 723000；3.北京林业大学 a.林学院；b.生态与自然保护学院，北京 100083）

雌雄异株植物属于一类雌雄性别功能分离的性系统[1]。在自然界之中，雌雄异株植物约占被子植物所有种类的6%，但接近50%的被子植物科中存在雌雄异株性系统[2]。不同性别个体投入生殖活动中的资源数量存在差异，雌性个体投入到繁殖活动的资源通常高于雄性，这种生殖投资的差异性导致植物性别功能分离。生活史理论认为植物体从外界生境获得的可利用性资源是有限的，增加某一生活史性状的资源分配量，必然会减少投入到其它生活史性状的资源量，资源分配过程中不同生活史性状之间存在着某种权衡关系[1]。不同性别个体在存活率、功能性状、生理特征及营养生长等诸多方面存在差异性，导致雌雄个体对环境的适应性出现性别分异。

与权衡理论支持者相反，一些学者并不支持植物生活史性状之间存在权衡关系，认为尽管雌性个体用于生殖过程的资源数量远超过雄性个体，但仍然具有与雄性个体相当甚至更高的营养生长。比较有代表性的研究显示，雄性个体与雌性个体的营养生长间并没有显著性的差异[3]，甚至雌性个体的营养生长会显著高于雄性个体[4]。出现上述结论的可能原因是，雌性个体由于承受了较高的繁殖压力，在进化过程中逐渐发展出一系列应对较高生殖投资的潜在补偿机制，从而提高了植物体从外界环境中获取可利用性资源的能力[5-6]。这些形式不一的补偿机制影响了雌雄异株植物不同性别个体获得的可利用性资源总量，进而掩盖了生殖与营养生长间资源分配的权衡关系[7-8]。

光合作用是植物获取环境资源最重要的生理生化过程，它对环境变化的响应较为敏感[9]。雌雄异株植物不同性别个体繁殖耗费的不同，影响了雌雄异株植物不同性别个体光合作用对环境变化的敏感度会有所不同。Dawson 等[10]（1993）发现雌雄异株植物岑叶槭Acer negunda的雌性个体拥有更高的气孔导度、蒸腾速率以及水分利用效率，雄性个体则对生境中土壤水分含量变化以及空气蒸汽压变化具有更高的气孔敏感性；植物体的碳素固定效率通常与其自身的气孔导度、气孔密度正相关，因而雌性个体比雄性个体拥有更高的碳素固定速率。雌雄异株植物生理性状的性别特异性在土壤水分含量较低时表现地更为明显。Mandy研究发现雌雄异株植物角齿藓Ceratodonpurpureus的雌性个体比雄性个体具有更强的光合能力[11]。Wang 等[12]发现在正常大气CO2浓度下，雌雄植株不同性别个体的净光合速率并不存在明显差异，但CO2浓度升高后雌性个体的光合作用会明显增强，显著地提高雌性个体生产单个种子的生物量，但对每个雌性植株总体的种子数量没有显著的影响。本研究以东北鼠李作为研究对象，研究不同性别在生殖与营养生长上的资源分配特征，分析雌雄个体光合作用与叶绿素荧光特性的性别差异，并进一步探讨雌雄异株植物可能存在的生殖耗费补偿机制及其变异规律。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省林业实验区国有林保护中心，地处长白山系张广才岭西南坡余脉。研究区域海拔高度为425.3～525.8 m。近10年的年平均气温3.8℃，该区域7月为最热的月份，日平均的气温为21.7℃；1月为最冷的月份，日平均气温为-18.6℃；年平均降水量大约为695.9 mm。该区气候属于受季风影响的温带大陆性山地气候，土壤属于暗棕色的森林土壤，土层深度为20～100 cm。植被类型为原始阔叶红松林经采伐干扰后形成的次生针阔混交林，主要树种有色木槭Acer mono、花楷槭Acer ukurunduense、裂叶榆Ulmus laciniata、水曲柳Fraxinus mandshurica、春榆Ulmus japonica、白牛槭Acer mandshuricum、稠李Padus racemosa、黄檗Phellodendron amurense、簇毛槭Acer barbinerve等。

1.2 研究方法

1.2.1 野外取样方法

课题组在该区域建有一个660 m×320 m 的大面积固定监测样地（地理范围：127°43′37″—127°44′09″E，43°57′36″—43°57′54″N）。2009年对样地中所有胸径≥1 cm 的林木进行调查，并挂牌定位；在2014年、2019年对样地进行了复测。本研究以样地中的雌雄异株小乔木东北鼠李为研究对象。从2009 开始对样地中所有东北鼠李进行性别调查，2018年开展生殖生物量及营养生物量调查[13]。调查期间选择进行繁殖活动的植株作为样本，在盛花期标记样株、计数树枝的花数及叶数，并统计每株样株的树枝总数。用游标卡尺测量每个样株的胸径值。在果实膨大期调查样株上每个树枝的果数；采集花、果、叶的样本后在75 ℃的烘箱中放置48 h 后称质量。

1.2.2 生物量组分的计算

通过标记的枝条上花、果、叶片的数量以及每个样株上树枝的总数，计算每个东北鼠李样株上花、果和叶片的总数。用万分位天平对所有烘干样本进行称质量，获取每个样株上单花、单果和单叶片的生物量。利用每个样株上花、果和叶片总数和单个器官生物量数据，计算出每个样株上不同器官的生物量。各生物量组分的计算公式如表1所示。

表1 东北鼠李各生物量组分的计算公式Table 1 Calculating equations for biomass components of Rhamnus schneideri var.manshurica

1.2.3 光响应曲线的测定方法

利用Li-6400 便携式光合作用测定仪测量东北鼠李叶片的光合速率，比较不同性别光响应曲线之间的差异。2018年6月初东北鼠李进入花期，在样地中选取基径大小及立地条件基本一致的17株东北鼠李（包括雄性个体8 株、雌性个体9 株），每株上标定3 个叶片。在晴天的8:00—11:00，测定每个标定叶片的单位叶面积分别在0、10、20、50、75、100、150、250、500、750、1 000、1 250、1 500、2 000 μmol·m-2s-1下的光合速率。从弱光环境进入到强光环境时，植物的光合速率往往需要经历一个诱导过程才能达到强光条件下的稳态水平[14]。将待测的标定叶片在1 000 μmol·m-2s-1的光照强度下诱导1个小时，待诱导过程结束后对标定叶片进行光合速率测定。从光强1 000 μmol·m-2s-1开始，以100 μmol·m-2s-1为步长不断增加光强，当叶片光合速率值不再随着光强的增高而增大时，再依次递减至上述16 个预先设定的光照强度值。在每个预定的光照强度下要停留3 min 后再记录光合速率值。在测定叶片光合速率的过程中，控制叶室温度与光照强度，利用CO2注入系统将CO2浓度控制在400 μmol·mol-1。

1.2.4 叶绿素荧光参数的测定方法

叶绿素荧光特性从生理学层面表征了植物个体内部光合过程的运转状况，光合作用过程中电子传递速率及其与不同代谢过程之间的关系，间接从生物化学水平上反映了植物的光合过程[15]。采用Li-6400 便携式光合作用测定仪测定样地中30 株东北鼠李（雄树15 株，雌树15 株）的初始荧光值（Fo）、最大荧光值（Fm）、可变荧光值（Fv）PSII 最大光化学效率（Fv/Fm）。在每个东北鼠李的样株上，选取6 枚着生于不同方向上的新生叶片，测定叶绿素荧光参数。叶绿素荧光参数实验分别在花期（6月上旬）与果期（8月中旬）进行。保证东北鼠李样株的叶片经历充分的暗适应环境，叶绿素荧光参数测定时间选在22:00—2:00 之间。

1.3 数据分析

用方差分析检验不同性别个体间生殖生物量及营养生物量的差异，以及不同花果时期东北鼠李雌雄个体叶绿素荧光特性的差异。利用双曲线模型结合非线性回归方法计算光响应曲线的相关参数并绘制拟合图。数据计算与绘图通过R 软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同性别个体的生殖分配特征

利用方差分析检验了各生物量组分的性别差异性（表2、图1）。东北鼠李雌株及雄株的营养生物量分别为66.84 g 和48.02 g，花生物量分别为1.74 g 和0.95 g。营养生物量以及花生物量都不存在显著的性别差异（P＞0.05）。雌性个体的生殖生物量为4.86 g，雄性个体的生殖生物量为0.95 g，雌性个体的生殖生物量显著大于雄性（P＜0.001）。

表2 不同性别个体的各生物量组分差异†Table 2 The difference of biomass components between both genders

图1 不同性别个体之间的生殖生物量及营养生物量对比Fig.1 Comparison of reproductive biomass and vegetative biomass between both genders

2.2 不同性别个体叶片光合速率对比

光响应曲线反映了植物净光合速率随光强变化的规律，结果显示东北鼠李叶片净光合速率曲线具有显著的性别差异（图2）。当光照强度小于500 μmol·m-2s-1时，不同性别个体之间单位面积叶片的净光合速率差异不大。当光照强度为500～2 000 μmol·m-2s-1时，雄性个体单位面积叶片的净光合速率小于雌性个体。在500 μmol·m-2s-1处，雌性个体的净光合速率平均值为4.72 μmol·m-2s-1，而雄性个体的净光合速率平均值仅为4.28 μmol·m-2s-1。因此，在较高的光照强度下，对于单位面积的叶片而言，雌性个体比雄性个体具有更强的光合作用能力。

2.3 叶绿素荧光特性的性别差异

不同性别以及不同花果期间叶绿素荧光特性的对比分析如图3所示。在盛花期，雌性个体叶片Fv/Fm为0.828，雄性个体叶片Fv/Fm为0.820，雌性个体显著高于雄性个体（F=14.37，P＜0.001）。在结实期，雌性与雄性个体的叶片Fv/Fm均为0.808，不同性别个体之间差异不显著（F=0.061，P＞0.05）。对于雌性个体，盛花期叶片Fv/Fm为0.828，结实期叶片Fv/Fm为0.808，盛花期显著高于结实期（F=184，P＜0.001）。对于雄性个体，盛花期叶片Fv/Fm为0.820，结实期叶片Fv/Fm为0.808，盛花期显著高于结实期（F=32.97，P＜0.001）。

图2 不同性别个体的叶片光响应曲线对比Fig.2 The comparison of leaf light response curve between both genders

3 讨论

图3 叶绿素荧光特性的性别差异性对比Fig.3 Comparison of gender differences in chlorophyll fluorescence characteristics

植物生活史理论认为，如果植物体能够利用的环境资源总量有限并且相差不大，生殖投资耗费较高的个体会降低自身的营养生长[16-17]。雌性个体与雄性相比，繁殖活动要经历开花和结实两个过程，生殖耗费相对较高。因此，雌性个体可以分配到营养生长的可利用性资源量应该低于雄性。前人的研究结论也证实了该观点。例如，东北红豆杉以及欧洲紫杉的研究均发现，雌性个体的营养生长要远低于雄性个体[18-19]。与上述研究结果不同，本研究对雌雄异株植物东北鼠李的研究发现，雌性个体在繁殖过程中虽然投入了更高的资源量，但雌性个体的营养生长资源投入与雄性并没有显著的差异。其他一些研究也得到了与本研究类似的结果[4,16,20]。这意味着雌性个体在进化过程中发展出某种生理特性或者生态对策作为高生殖耗费的补偿机制。

净光合速率是植物叶片光合能力的一项重要指标，叶片净光合速率越高证明植物光合能力也越强。一些研究显示雌雄异株植物叶片的光合能力存在性别差异。柳属Salixlitlia植物雄性个体的暗呼吸速率约为结实的雌性个体的两倍[21]；银杏叶片的光合能力也发现了类似的与性别相关的差异性表现，雄性个体叶片的光合能力弱于雌性个体[22]。本研究研究显示，在较高的光照强度条件下雌性个体单位面积的叶片具有更高的净光合速率。这意味着在较高的光强下，东北鼠李雌性个体叶片的光合能力比雄性更强。叶绿素荧光特征与光合反应过程中各个反应过程紧密相关，叶绿素荧光参数反映了植物叶片光合作用的各个调节过程，因而通过叶绿素荧光实验可以检验植物光合作用与环境间的相互关系[23]。Fv/Fm是判断PSII反应中心运转情况的重要指标，环境相似并且经过充分暗适应的同种植物叶片Fv/Fm是相对稳定的。叶绿素荧光实验结果显示，盛花期东北鼠李雌性个体的Fv/Fm显著大于雄株（P＜0.001），这表明花期东北鼠李雄性个体的叶片光合能力不如雌性。雌性个体较高的叶绿素荧光指标，反映了雌性个体光合作用暗反应中光电子较高的利用效率，这使得雌性个体对光强较低的环境适应能力更强[24-27]。东北鼠李雌性个体较强的光合能力是对自身生殖耗费的一种补偿机制，弥补了雌性个体较高的生殖投入对营养生长的影响。这是东北鼠李雌性个体在较强的生殖压力下做出的适应性行为。

在结实期，东北鼠李叶片的Fv/Fm值并没有显著的性别差异（P＞0.05）。一个可能的原因是，在结实期雌雄个体都已经完成了各自的生殖活动，对可利用性资源的需求显著降低。这表明无论雌雄个体，在不同的生长季阶段需要的总资源量是动态变化的。随着需求的变化，植物获取资源的能力也会随之发生变化。当可利用性资源受限而植物某个性别个体所需要的资源又相对较多时，便会在繁殖季节发展出应对生殖活动耗费的补偿机制，提高自身获取可利用性资源的能力[28]。这种生殖耗费补偿机制可以影响东北鼠李不同性别个体获取的可利用性资源总量，进而掩盖了不同性别间的生殖权衡关系。