落叶松不同根序细根可溶性糖和淀粉浓度的差异和季节动态

杜梦甜 王博一 李京航 赵铭远 王秀伟

（东北林业大学林学院，森林生态系统可持续经营教育部重点实验室，东北林业大学，哈尔滨 150040）

碳水化合物是植物光合作用的主要产物，按构成结构分为两种形式，即结构性碳水化合物（structural carbohydrates，简称SC，如木质素和纤维素）和非结构性碳水化合物（Non-structural carbo⁃hydrate，简称NSC），主要包括淀粉与可溶性糖。其中，NSC 是植物光合作用与生长利用之间主要的中间贮存物，在植物的生长和代谢过程中起着十分重要的作用，同时也是短期的代谢活动库［1］。可溶性糖是植物运输和利用碳水化合物的主要形式，淀粉则是主要的贮存物质［2］。NSC在植株体内的代谢影响着植株的生长及对环境的响应［3］。关于植物NSC 的研究多关注于地上部分，如叶片［4］、幼苗［5］等，且集中在干旱胁迫、环境胁迫等条件的变化［5～7］。但是关于根系NSC的研究相对较少。

植物根系既有固定树木的作用，也有吸收养分，运输碳水化合物和贮存营养的功能［8］，是森林生态系统中重要的碳库和养分库，对生态系统的物质循环、养分平衡和能量流动等起着重要作用［9］。木本植物根系具有复杂的分支结构，细根通常是指植物根系中直径≤2 mm 的部分，它是植物吸收、储存、运输养分和水分的主要器官［10］。细根动态受环境胁迫影响，同时也反映了环境的变化情况和树木或生态系统的生长状况［11］。因此，在研究森林生态系统碳流动时，植物细根的研究是不可忽视的一部分［12］。近些年的研究多把植物细根根系当成一个均质系统，即认为细根的结构和生理功能基本相同［9］。但近来研究表明，根系由不同的等枝分级［13～14］，细根系统内部结构及功能存在异质性［13］。

兴安落叶松（Larix gmelinii）属乔木，是我国北方的主要造林树种，木材蓄积丰富，也是大兴安岭地区荒山造林和森林更新的主要树种［15～16］。本研究以三级根为标准，将落叶松细根进行分级，测定各根序可溶性糖和淀粉含量，研究根序之间的异质性和季节动态。旨在揭示落叶松根系非结构性碳水化合物的季节变化规律特征，为了更准确地估测落叶松生态系统的地下过程提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验区域概况

实验地位于黑龙江省帽儿山实验林场（127°34′E，45°20′N），平均海拔340 m，年平均气温2.7℃，夏季气温高，秋季气温略高于春季。受欧亚大陆季风气候影响，属温带季风气候，年平均降水量600～800 mm，集中在7～8月份，雨热同期。实验用地土壤类型为高山淋溶土，所选林分为树龄43年兴安落叶松人工林。

2.2 实验设计与方法

2.2.1 样品收集

在落叶松人工林内，5～10月份随机采样，同一深度取1～5 级根样，每个月份取3 组进行重复实验。所有样品获取后立即带回实验室，清洗后微波炉杀青90 s，以第三级根为标准分根，放入60℃恒温箱中烘至恒重，研磨过100 目筛后备样，以作可溶性糖和淀粉分析。

2.2.2 可溶性糖和淀粉的测定

分别采用苯酚—浓硫酸法测可溶性糖，酶解法测淀粉［15］。

2.2.2.1 可溶性糖标准液（GFG）的配置

称取200 mg 苯甲酸溶解在100 mL 去离子水中。将分析纯葡萄糖、果糖、半乳糖在60℃烘箱中烘干2 h，分别称取100 mg 溶解于50 mL 去离子水中，混合摇匀后量取100 mL 与苯甲酸混合。冰箱冷藏保存。每次测可溶性糖含量前配制成浓度为0，50，100，150，200和250µg·mL-1的GFG标准液。

2.2.2.2 葡萄糖标准液配制

将分析纯葡萄糖在60℃烘箱中烘干2 h，称取100 mg 溶解于100 mL 去离子水中，现用现配。每次测淀粉含量前配制成浓度为0，50，100，150 和200µg·mL-1的葡萄糖标准液。

2.2.2.3 可溶性糖的提取与测定

称取过筛后的样品30 mg，加入80%乙醇后水浴加热离心取上清液。将GFG标准液和上清液稀释后加苯酚溶液与浓硫酸溶液，黑暗处理后490 nm测吸光值。根据GFG 的标准曲线即可求出可溶性糖含量。

2.2.2.4 淀粉的提取与测定

重复提取可溶性糖，将倒掉离心后的上清液的沉淀物放入60℃烘箱中烘干过夜。捣碎后加α-淀粉酶水浴离心，取部分上清加糖化酶水浴离心，得上清。将葡萄糖标准液和上清液稀释后加葡萄糖氧化酶—银联茴香胺盐酸盐—过氧化物酶（PGO）溶液和75%硫酸，黑暗处理后490 nm 测吸光值。根据葡萄糖标准曲线即可求出淀粉含量。

2.3 数据处理

数据统计分析在WPS Office 2019和R 3.6.1系统下完成。采用双因素方差分析（Two-way ANO⁃VA）和最小显著差异法（LSD）分析根序间和月份间可溶性糖、淀粉的差异。绘图采用Origin Pro 8.1完成。

3 结果与分析

月份、根序及其交互作用对落叶松1～5 级根可溶性糖含量差异影响显著（P<0.001）。月份间落叶松根系淀粉含量差异显著（P<0.001），不同根序间淀粉含量差异不显著（P>0.05），月份与根序交互作用对淀粉含量有影响（P<0.05，见表1）。

表1 落叶松根系可溶性糖和淀粉浓度根序和月份间差异的双因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of effect of root orders and sampling time on soluble sugar and starch con‐centration in roots of L.gmelinii trees

3.1 落叶松1～5级根序可溶性糖与淀粉含量月份间的差异

如图1所示，落叶松1～5 级根序间可溶性糖含量差异显著，总体表现为高级根可溶性糖含量高于低级根可溶性糖含量，1～5级根可溶性糖含量变化 范 围 分 别 为4.42%～14.90%，4.35%～16.40%，5.67%～19.70%，5.91%～33.10%，6.95%～37.80%。落叶松根系可溶性糖含量月份间也存在大幅度的变异，除10 月份，根序间可溶性糖含量差异显著（P<0.05）均表现为高级根高于低级根，各级根的可溶性糖含量均表现为7 月份最高，9 月份最低。落叶松根序淀粉含量变化具有明显的季节性（P<0.001），变化范围为23.36%～48.65%，淀粉含量5月到7 月下降，随后上升，8月份达到峰值，10 月份与5月差异不显著。

3.2 落叶松各根序可溶性糖与淀粉含量相关关系

从图2 可以看出，1 级根和2 级根中淀粉含量与可溶性糖含量呈显著负相关趋势（P<0.05），3 级根、4 级根和5 级根虽然可溶性糖含量随淀粉含量升高呈下降的趋势，且随着根序级别降低，淀粉含量升高，可溶性糖含量下降越明显，但是未达到显著水平（P>0.05）。

4 讨论

非结构性碳水化合物是参与植物初级和次级新陈代谢的主要基质，根系中非结构性碳水化合物（NSC）维持其生理功能过程中起着重要的作用［16～17］。树木细根为层级结构，不同根序的细根不仅在形态和化学计量上有区别，并且在生理特征方面具有显著差异［18］。本研究表明，根的碳水化合物代谢与根序有一定相关关系，根序间淀粉含量差异不显著，在生长旺盛时期，低级根的可溶性糖含量低于高级根的可溶性含量，且1 级根和2级根淀粉含量与可溶性糖含量显著负相关。其原因可能是根系是非通化器官，高级根的NSC 来源主要是来自光合产物分配，低级根的可溶性糖来源是由高级根逐级分配下来的［19］，虽然高级根相对低级根具有高度可溶性糖浓度，但是并没有转化为淀粉，而是逐级向下分配。在生长季早期由于根系的生长而被消耗，由于低级根生长、死亡和分解速率均大于高级根，寿命较高级根短［20］，是整个根系中最活跃的部分，呼吸速率较快，而根的呼吸和吸收养分消耗了大量非结构性碳水化合物［21］，可溶性糖在这些根中被消耗。

根系中非结构性碳水化合物（NSC）最重要的生理功能是为树木养分和水分吸收提供能量，而且具有明显的季节变化特点［19］。本研究表明，落叶松1～5 根可溶性糖和淀粉含量均存在显著的季节变化。进入生长季以后，低级根的生长需要大量养分，叶片供给到低级根的糖分往往供不应求，大量被前期积累的淀粉被分解和使用，所以表现出可溶性糖含量低于高级根，淀粉含量下降。植物整体的光合作用可作为根部可溶性糖的积累和动态变化的参考条件［22］，随着叶片的光合能力增强，可溶性糖作为统一的有机生命体中养分转移的主要形式，可溶性糖的增加，使得其转化为淀粉。进入生长季末期，根系的生理活动降低，植株开始为越冬做准备，已有研究表明在低温胁迫条件下能够通过调节树木体内可溶性糖与淀粉浓度比值以适应环境变化，较低的比值更利于树木应对寒冷胁迫［23］。根的可溶性糖含量下降，并且根序间的可溶性糖含量变得差异不显著。

本文分析了落叶松1～5 级细根中可溶性糖和淀粉含量的差异和季节变化趋势，结果表明了细根系统内不同级别根序的可溶性糖与淀粉含量存在着有一定规律的差异，即低级根可溶性糖含量低于高级根，1，2级根淀粉含量与可溶性糖含量呈现明显负相关关系，推测这可能和不同根序的功能异质性有关，但是根系中可溶性糖和淀粉的转化机理及环境因子的具体影响还有待深入研究。