朱 莉，苗文秀，李竟才，干建平，鄭永良，項 俊

動物具有神經(jīng)系統(tǒng)，可以進(jìn)行自我／非我身份識別［1］，并且做出靈敏反應(yīng)以使自身利益最大化。植物固著生長且沒有神經(jīng)系統(tǒng)，但植物進(jìn)化出了一系列可塑性機制來適應(yīng)周圍生物和非生物的異質(zhì)性環(huán)境［2］。根據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論，自然選擇會選擇固定那些使植物自身競爭（植株各部分之間或者同一克隆分株之間）最小化的機制，以最大化自身適合度；而區(qū)分自我和非我植株個體是植物最小化競爭行為的生理基礎(chǔ)，因此，自然選擇同時會選擇固定那些使植物可以識別自我／非我的機制。最終，當(dāng)異己存在時植株會對自身的生長模式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，來提高個體的適合度。

研究發(fā)現(xiàn)，有些植物根系在接觸同種其他個體根系時，相比接觸自身根系，其生長會受到抑制［3］，或者產(chǎn)生相互分離現(xiàn)象［4］。多種豆科植物在與同種鄰居共同生長時，則會產(chǎn)生根系增生現(xiàn)象，且導(dǎo)致繁殖分配下降，因此豆科植物響應(yīng)根系自我／非我識別的現(xiàn)象被認(rèn)為是一種“公地悲劇”［5－7］。 克隆植物野草莓的相連分株相比不相連分株，根系之間會相互分離且積累更多生物量［8］?？寺≈参镆芭２萃粋€體相連分株相比來自不同個體分株，會產(chǎn)生更少和更短的根系；而相連分株斷開則導(dǎo)致產(chǎn)生更多、更長的根系［9］。這兩項研究不僅表明克隆植物可以進(jìn)行自我／非我識別，還表明識別是通過分株間的物理連接實現(xiàn)的。

根狀莖是打碗花（Calystegia hederacea）的主要繁殖方式，其易折斷且每一小段都可以長成新株的特性使打碗花可以作為研究自我／非我識別的理想材料［10］。近年來，國內(nèi)外關(guān)于根系可塑性研究廣受關(guān)注［11］，但對自我／非我識別現(xiàn)象學(xué)界尚存質(zhì)疑且未得出一致結(jié)論［12－14］。 另外，打碗花是危害中國玉米、小麥等作物的一種常見、頑固雜草［15］。日本學(xué)者研究表明，打碗花根狀莖越冬時發(fā)生自然折斷的特性，使其可以在每年進(jìn)行犁耕的一年生作物田里生長［16］。國內(nèi)關(guān)于打碗花的研究主要集中在除草劑除雜及打碗花除草劑抗性等方面［15］，也有一些研究從形態(tài)學(xué)及營養(yǎng)生理學(xué)方面探討了打碗花作為地被植物及野生蔬菜的可能性［17］，而生態(tài)學(xué)方面的研究國內(nèi)尚不多見。本研究以打碗花為材料開展控制試驗，試圖初步判斷打碗花是否具備自我／非我識別能力，以及根狀莖連接是否介導(dǎo)了這種識別行為，并為打碗花的田間除雜及農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料

試驗選用的研究對象打碗花（Calystegia hederacea）為旋花科打碗花屬植物，多年生草質(zhì)藤本，以根狀莖和種子繁殖，根狀莖易折斷，但每一小段都可以長成新的植株。長江流域3-4月出苗，花果期5-7月。2017年3月，于黃岡師范學(xué)院北校區(qū)和校外2 km處荒地分別挖取打碗花出土3 cm以內(nèi)及相連根狀莖，移植至南區(qū)綠園同質(zhì)種植。

1.2　方法

2017年4月，待移植的打碗花生出不定根后，選取生長一致的幼苗開展溫室控制試驗。種植基質(zhì)是泥炭土，花盆（上口直徑28 cm，下口直徑23 cm，高24 cm）底部用棉花塞住出水孔，避免根系下扎至花盆外。試驗設(shè)置3個處理，分別是取根狀莖相連的兩株打碗花幼苗，一起移植至花盆（connected ramets，處理CR），取根狀莖相連的兩株打碗花幼苗，從連接處斷開根狀莖，再一起移植至花盆（unconnected ramets，處理UCR），分別取一株來自校內(nèi)的幼苗和一株來自校外的幼苗，一起移植至花盆（ramets from different genets，處理 RFDG）。 處理 CR、處理 UCR重復(fù)4次，處理RFDG重復(fù)10次。搭設(shè)攀爬架，每個花盆有單獨一根包塑鐵絲供打碗花向上纏繞。打碗花生長過程中只保留主莖，基部分枝一經(jīng)長出即去除。

4月26日至5月14日，每隔1～3 d測量莖長；5月2日至5月14日，每隔1～2 d數(shù)葉片數(shù)目；記錄每日去除的分枝數(shù)。5月14日收獲打碗花的地上莖、葉和地下部分，地下根和根狀莖用自來水沖洗干凈，各部分生物量分別烘干稱重。

用標(biāo)準(zhǔn)化主軸法（standarized major axis tests）對打碗花莖長、葉數(shù)隨時間變化進(jìn)行線性回歸分析，并比較不同處理斜率差異是否顯著［18］。該分析使用軟件 “STANDARDIZED MAJOR AXIS TESTS and ROUTINES VERSION 2.0”進(jìn)行。用 ANOVA 分析不同設(shè)置下各生物量及生物量分配是否有顯著性差異，并用最小顯著性差異法（LSD法）進(jìn)行兩兩比較。數(shù)據(jù)分析之前，每盆兩株取均值。ANOVA分析使用軟件 SPSS 17.0進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同處理打碗花地上莖長隨時間變化

從圖1可以看出，3組不同處理的打碗花地上莖長都隨時間的延長而增加，且與時間有很好的線性關(guān)系（CR：R2＝0.967；UCR：R2＝0.743；RFDG：R2＝0.987）。 處理 CR、處理 UCR、處理 RFDG 回歸線的斜率分別是 1.477、0.286、2.131。 SMA 分析顯示，根狀莖斷開處理（UCR）的斜率顯著小于根狀莖相連處理（CR）（P＝0.003）和來自不同克隆分株的處理（RFDG）（P＝0.002）， 而后兩者（UCR 和 RFDG）無顯著差異（P＝0.741）。

圖1　不同處理打碗花地上莖長隨時間變化

2.2　不同處理下打碗花葉片數(shù)目隨時間的變化

從圖2可以看出，3組處理的葉片數(shù)目都和時間有很好的線性關(guān)系（CR：R2＝0.974 78；UCR：R2＝0.931 74；RFDG：R2＝0.986）。 處理 CR、處理 UCR、處理 RFDG 回歸線的斜率分別是 1.467、1.202、1.581。但SMA分析顯示3個處理斜率無顯著差異，即3個處理葉片數(shù)目增加的速度無差異（P＝0.487）。但 3條回歸線的截距不同，RFDG組顯著大于CR和UCR組，CR、UCR之間無差異。

圖2　不同處理打碗花葉片數(shù)目隨時間變化

2.3　不同處理打碗花各部分生物量及生物量分配比較

ANOVA分析顯示，處理 CR、處理 UCR、處理RFDG的打碗花地下部分生物量均值分別為0.132、0.134 和 0.278 g，但統(tǒng)計學(xué)三者無顯著性差異（F＝1.327，P＝0.313）。 地上莖生物量均值分別為 0.120、0.047和 0.177 g，兩兩比較僅 UCR 和 RFDG 差異顯著（P＝0.008）。 葉生物量均值分別是 0.199、0.080 和0.320 g，兩兩比較僅UCR組和RFDG組差異顯著（P＝0.004）。 三組總生物量均值分別是 0.450、0.262和0.776 g，兩兩比較僅UCR組和RFDG組差異顯著（P＝0.029）（圖 3）。

圖3　不同處理打碗花各部分生物量比較

由于樣本量太小，生物量絕對值統(tǒng)計結(jié)果無差異，因此進(jìn)一步比較不同處理生物量分配數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)處理UCR的地下生物量分配顯著大于處理CR和處理RFDG，且處理CR、處理RFDG無差異。處理UCR的地上莖分配顯著小于處理CR和處理RFDG，且處理CR大于處理RFDG。處理UCR的葉分配顯著小于處理CR和處理RFDG，且處理CR和處理RFDG無顯著差異（圖4）。

另外，將每株打碗花不同時間點去除的分枝數(shù)加合，計算每株打碗花基部總分株數(shù)目。處理CR、處理UCR、處理RFDG打碗花的基部分枝數(shù)均值分別是 3.625、0.75 和 1，兩兩比較發(fā)現(xiàn)，處理 CR 分枝數(shù)目明顯大于處理 UCR（P＝0.015）和處理 RFDG（P＝0.009），后兩者無顯著性差異（P＝0.595）。

圖4　不同處理打碗花的各部分生物量分配比較

3　小結(jié)與討論

試驗結(jié)果顯示，根狀莖斷開的同一克隆分株相比根狀莖相連分株，雖然地下生物量（包括根狀莖和根系）無顯著變化，但地下生物量分配顯著增加，且顯著影響了地上部分生長，包括莖的生長速度下降，基部分枝顯著減少，地上莖分配和葉分配都下降。這說明，同一克隆分株間根狀莖連接的斷開抑制了地上部分的生長，且改變了打碗花的資源分配策略，使得資源分配向地下部分傾斜。分析原因，同一克隆分株間的連接可能是打碗花的一種自我／非我識別方式，分株之間通過橫走莖連接實現(xiàn)自我身份的認(rèn)同，將資源更多投入到地上資源；而根狀莖的斷開阻礙了這種身份識別，從而抑制了地上部分的生長。本試驗結(jié)果顯示，同一克隆相連分株的分枝能力大于其他兩個不相連處理，這可能體現(xiàn)出物理連接使得打碗花保持高的分株能力。若保留這些分株，很可能相連分株的地上莖葉分配會進(jìn)一步提高，根系分配進(jìn)一步下降。

克隆植物的生理整合是指資源（如光合同化物、礦質(zhì)養(yǎng)分和水分等）和信息在相互連接的分株間實現(xiàn)轉(zhuǎn)移與共享，這不僅可有效緩解因資源的異質(zhì)性所致的克隆分株在資源獲得上的差異性，同時可使克隆植物通過克隆生長實現(xiàn)空間的移動與拓展，是克隆植物有效利用異質(zhì)分布的資源，提高其存活率與生長的一種重要的適應(yīng)對策［19-21］。本試驗結(jié)果支持了該理論，表明根狀莖連接介導(dǎo)了打碗花的生理整合，從而最大化克隆植株的適合度。

Gruntman等［9］發(fā)現(xiàn)，野牛草同一克隆相連分株斷開時間越久，越表現(xiàn)得像不同克隆分株，表明是物理連接而不是遺傳身份介導(dǎo)了鄰株之間的身份識別。而本試驗中，相連分株斷開后的生長模式并未趨向不同克隆分株的生長模式，因此表明，對于打碗花，基于遺傳身份的親緣識別，可能與基于根狀莖連接的自我／非我識別，共同決定了相鄰植株的身份識別系統(tǒng)并指導(dǎo)植株生長策略。植物的自我／非我識別和親緣識別可能是兩個不同的過程。Biedrzycki等［22］報道當(dāng)液態(tài)培養(yǎng)介質(zhì)中存在分泌物抑制劑時，擬南芥的親緣識別能力被阻止，而自我／非我識別能力沒有受到影響。另外，植物的自我／非我識別和親緣識別二者可能在識別和響應(yīng)的機制上有所不同［23］。

試驗的不足之處是未收集打碗花繁殖生物量數(shù)據(jù)，而繁殖分配及種子數(shù)目等是衡量個體適合度的關(guān)鍵指標(biāo)。同時，打碗花是克隆植物，由橫走莖上發(fā)出新的分株是其主要繁殖方式，也是衡量適合度的重要方面。試驗未區(qū)分土壤中的橫走莖、新分枝及根系，所以無法衡量不同處理之間繁殖分配的差異。后續(xù)試驗應(yīng)在這兩個方面進(jìn)一步改善。

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