白山地区不同性别型红松储藏物质含量差异

杨学军,陈昊良,李焱龙,王井源,暴 峰,陈士刚

(1.长春市园林规划研究院,吉林 长春 130062; 2.吉林农业大学,吉林 长春 130118; 3.吉林森工三岔子林业有限公司,吉林 白山 134700; 4.吉林森工临江林业有限公司,吉林 白山 134600; 5.吉林省林业科学研究院,吉林 长春 130033)

红松(Pinuskoraiensis)为松科(Pinaceae)松属(Pinus)雌雄同株异花的常绿大乔木,具有较强的耐寒能力,同时具有极高的经济与生态价值,是我国东北地区特有的珍稀树种[1,2],在漫长的进化过程中,出现了不同性别趋势的类型,而且不同性别型在不同场景所起到的作用不同[3]。

根据俄罗斯林业科学院Воробьев对西伯利亚红松性别型的划分,雄、雌花枝数量比值小于10被确认为偏雌性;雄、雌花枝数量比值介于10～100被确认为中性;雄、雌花枝数量比值大于100被确认为偏雄性[4]。鉴于红松和西伯利亚红松的个体差异,结合实际调查情况,本研究暂将雄花枝与雌花枝数量比(以下简称花枝比)小于等于10的调查样树归类为偏雌性红松类型,将花枝比大于10而小于等于30的样树归类为中性红松类型,花枝比大于30的调查样树归类为偏雄性红松类型。

本研究参照西伯利亚红松性别划分标准对红松进行性别划分,以吉林森工三岔子林业有限公司红松种子园、吉林森工临江林业有限公司闹枝红松种子园不同性别类型红松(30年生)为试验对象,测定植株针叶中叶绿素含量、可溶性蛋白定量、总氨基酸含量、可溶性糖含量,通过比较不同性别型针叶样本中的储藏物质含量差异,为后续研究中的性别型鉴定提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

吉林森工三岔子林业有限公司红松种子园地理位置126°56′ E、41°95′ N,海拔520 m,年平均气温2.5 ℃,年均降水量725 mm,无霜期约110 d。

吉林森工临江林业有限公司闹枝红松种子园地理位置126°54′ E、47°37′ N,海拔450 m,年平均气温5 ℃,年均降水量875 mm,无霜期约135 d。

1.2 材料

2022年8月中旬,分别在立地条件相似的2块样地各选取前期调查样树中不同性别类型红松(30年生)12株,共计24株(见表1)。所选植株5年内未有人为促进开花结实措施,且未选取林缘等受光照影响较大的对象。每株样本采集上、中、下不同部位和不同朝向的针叶,标记后置于冰盒内储存,运回实验室后迅速剥离针叶并剪碎后等比例充分混样,放入密封袋中,经液氮封存后放入-80 ℃超低温冰箱备用。

表1 样地采集样本情况

叶绿素含量、可溶性蛋白定量、总氨基酸含量、可溶性糖含量检测试剂盒均购自南京建成生物工程研究所。

1.3 方法

称取红松针叶样本0.2 g进行测定,叶绿素含量采用比色法测定,可溶性蛋白定量采用考马斯亮蓝法测定,总氨基酸含量采用比色法测定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[5]。

2 结果与分析

2.1 不同性别型红松叶绿素含量

从图1中可以看出,2个样地偏雄性植株针叶叶绿素含量均高于偏雌性与中性植株。三岔子样地偏雄性植株针叶的叶绿素含量较偏雌性植株高5.69 %,较中性植株高0.42 %;闹枝样地偏雄性植株针叶的叶绿素含量较偏雌性植株高0.16 %,较中性植株高5.48 %。

图1 各样地不同性别型植株的叶绿素含量

2.2 不同性别型红松可溶性蛋白定量

从图2中可以看出,2个样地偏雌性植株针叶可溶性蛋白定量均高于偏雄性、中性植株。试验发现,相较于偏雄性和中性植株而言,三岔子样地的偏雌性植株针叶中可溶性蛋白定量相对较高,分别高9.08 %、1.00 %;闹枝样地中偏雌性植株针叶的可溶性蛋白定量同样较高,分别高7.67 %、0.47 %。

图2 各样地不同性别型植株的可溶性蛋白定量

2.3 不同性别型红松总氨基酸含量

从图3中可以看出,2个样地偏雄性植株针叶总氨基酸含量均高于其他性别型植株。其中三岔子样地与闹枝样地的偏雄性植株针叶的总氨基酸含量较偏雌性植株分别高6.70 %和8.13 %,较中性植株高3.59 %和11.18 %。

图3 各样地不同性别型植株的总氨基酸含量

2.4 不同性别型红松可溶性糖含量

从图4中可以看出,2个样地偏雌性植株针叶可溶性糖含量均高于偏雄性、中性植株。相对于后2种性别型植株,在三岔子样地中的偏雌性植株针叶可溶性糖的含量分别高36.44 %、12.73 %;闹枝样地中偏雌性植株针叶的可溶性糖含量分别高42.58 %、7.26 %。

图4 各样地不同性别型植株的可溶性糖含量

方差分析(ANOVA)结果显示(见表2、表3):三岔子样地和闹枝样地不同性别型植株的可溶性糖含量差异均极显著。

表2 三岔子样地不同性别型红松可溶性糖含量方差分析

表3 闹枝样地不同性别型红松可溶性糖含量方差分析

3 结论与讨论

植株发育过程中,随着培养时间的延长植株逐渐积累储存物质,包括碳水化合物、蛋白质等。其中糖作为胚胎发育过程中不可缺少的能量物质和碳骨架,可以调节细胞渗透压,保护细胞膜完整性,决定细胞形态和细胞的发育命运[6-8];而淀粉是植物中最丰富的储备碳水化合物,它在整个植物生长过程中至关重要,尤其是在种子发育过程中,被重新动用并提供碳以满足特定合成代谢过程的高能量需求[9];蛋白质则影响胚胎发育、胚胎形态发生、胚胎成熟和细胞信号转导。在体胚发生过程中,糖、淀粉和蛋白质的含量变化经常作为不同体胚发育阶段的标志[10,11]。叶绿素参与植物的光合作用,可以将CO2转化为碳水化合物以及水,积累营养物质,叶绿素的含量也一定程度反映了植株的性别型[12]。赵林森、李珊等的研究发现,某些植物雄株叶片中叶绿素含量高于雌株叶片[13,14]。

基于前期关于红松性别型的调查和分析发现,红松人工林在进入树龄20年后,其性别型逐渐趋于形成且具备可分辨性,30年生红松其性别型和生长状态已经稳定,且此年龄处于红松生长早期,对于生长周期较长的树种来说,早期的相关研究更有利于提早了解红松在生长前期的生长发育特点和生态适应性、性别比例的分布规律以及种群的遗传结构。

红松不同性别型的植株在三岔子样地和闹枝样地虽然因无性系生长特性及早期经营措施不同,存在株高和胸径上的差异,但在本研究涉及的贮藏物质含量方面,2个样地不同性别型植株表现出较为一致的规律性。

本研究中2个样地偏雄性植株叶绿素含量均高于偏雌性、中性植株。叶绿素充当高等植物光合作用的主要色素,其含量高低同植物光合速率密切相关[15-17]。叶绿素含量的差异一定程度上反应了光合作用强弱,偏雄性植株进行了更强的光合作用,需要的叶绿素较中性和偏雌性多。但在光合利用效率上的高低及贮藏物质生成能力方面的判定可能还需要叶绿素a/b等其他指标综合衡量[18]。2个样地3个性别型植株在叶绿素含量上均未表现出差异,客观也说明不同性别型红松在捕获光能并将其转化为化学能作为物质存储阶段差异不大。

关于雌雄同株性别分化对蛋白定量的研究较少,刘丽杰、Nandi A等在研究中指出,一些植物雌株中可溶性蛋白含量高于雄株[19,20]。在本试验中总氨基酸含量受针叶中蛋白浓度的直接影响,且呈负相关关系。其中,氨基酸有促进植物生根、抗旱、抗病、提高植物的成活率、调节pH等作用,参与了植株生长的整个过程。高武军在研究过程中发现雄株氨基酸总含量明显高于雌株[21]。本研究中2个样地偏雌性植株可溶性蛋白定量高于偏雄性、中性植株;偏雄性植株总氨基酸含量高于偏雌性、中性植株。这可能与不同性别型叶片在C代谢和N同化上存在一定差异有关[15,17]。不同性别型红松植株可能在光合作用速率、光合产物分配等方面存在差异,导致它们在总氨基酸含量上的差异。偏雄性植株可能具有更高的光合速率和光合产物分配能力,从而产生更多的有机物质,包括氨基酸。不同性别型植株对N的吸收和利用存在差异,偏雄性植株可能具有更高的N吸收能力和利用效率,从而导致它们在总氨基酸含量上的差别[22]。

李珊、刘丽杰、张丽杰等在研究中发现,雌株的可溶性糖含量明显高于雄株[14,19,23],这些结论表明了不同性别型植株所含营养物质存在一定的差别,偏雌性植株需要在花与果实中蓄积足够多的营养物质,以满足种子发育的需求。本研究中三岔子、闹枝样地偏雌性植株可溶性糖含量高于偏雄性、中性植株且差异极显著。

在本研究中,许多储藏物质含量指标表现出一定的规律性,但只有可溶性糖在不同性别型中存在显著性差异。植物激素在调节碳代谢和能量分配方面起着重要作用,可能是由于性别型差异导致偏雌性植株中激素的含量或调节活性相对较高,从而促进了可溶性糖的合成与积累。偏雌性红松植株在生长过程中需要更多的能量来支持雌雄球花和种子的发育,因此,偏雌性植株可能在光合产物的分配上更倾向于合成和积累可溶性糖。此外,由于雌性植株要通过吸引昆虫等传粉者来传播花粉并授粉,因此,它们还需要产生更多香气的化学物质,这些化学物质也是从可溶性糖中合成得到的。在植物界中,不同类型或阶段的植物可能具有不同需求,并且表现出一定程度上的差异化代谢特征。

本研究通过探究白山地区不同性别型红松储藏物质含量差异,为进一步探讨不同性别型红松的生理生态特性奠定基础,有助于更好地理解不同性别型红松的适应性和竞争能力,以及它们在不同环境条件下的生长和生存策略。利用不同性别型红松植株的储藏物质差异,可以开展基于性别选择的繁殖和育种工作,以提高红松的经济价值和适应能力,维护和增强红松的生态系统功能和生物多样性。