不同海拔核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)的變化及相關(guān)分析

張有福， 廉小芳， 陳春艷， 侯小改

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471023)

近年來(lái)，碳循環(huán)及全球氣候變化受到人們的廣泛關(guān)注。 以木本植物為主的森林生態(tài)系統(tǒng)是全球最大的陸地碳庫(kù)，約占陸地可利用碳量的45%[1]。 植物通常將光合作用固定的大部分碳水化合物用于自身生長(zhǎng)，將另一部分碳用于防御或以可移動(dòng)碳形式儲(chǔ)存在體內(nèi)[2]。 研究結(jié)果表明：植物的碳分配因環(huán)境改變而發(fā)生較大變化，并且，這種變化很大程度上依賴(lài)于非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(non-structural carbohydrate，NSC)的協(xié)調(diào)作用[3]。 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是植物體內(nèi)可移動(dòng)碳的主要儲(chǔ)存形式，其濃度反映了植物整體的碳供應(yīng)狀況[4]；非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是植物碳供給(光合作用)和碳需求(呼吸與生長(zhǎng))代謝平衡的結(jié)果[2]，能較好地反映植物生長(zhǎng)和代謝對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)和適應(yīng)狀況。 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要包括淀粉和可溶性糖，其中，淀粉只有在水解后才能參與植物的生理代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，主要起平衡和調(diào)節(jié)代謝的作用，是植物體內(nèi)碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存形式；可溶性糖主要為蔗糖和果糖，可直接參與植物的各項(xiàng)生理代謝過(guò)程(如逆境滲透調(diào)節(jié)等)[5-6]，其儲(chǔ)存量反映了植物對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)性。 可見(jiàn)，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物組成變化在一定程度上能夠反映植物響應(yīng)環(huán)境變化的碳儲(chǔ)存特征[7]，探究植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累規(guī)律及其與環(huán)境變化的關(guān)系有利于揭示植物生長(zhǎng)與碳儲(chǔ)存的協(xié)調(diào)機(jī)制。

逆境條件下，植物體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的儲(chǔ)存有利于彌補(bǔ)其光合碳源的降低和防御性代謝碳消耗的增加，從而保證植物正常的生理代謝[8]，因此，增加組織中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的儲(chǔ)存量及降低生長(zhǎng)消耗的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的量是植物對(duì)逆境的適應(yīng)性策略。 目前，研究者們關(guān)于海拔對(duì)植物生長(zhǎng)和碳儲(chǔ)存的影響存在較大爭(zhēng)議。 Liang 等[9]認(rèn)為，海拔升高可造成低溫和生理性干旱，并縮短植物生長(zhǎng)季節(jié)，使植物光合碳同化與碳消耗的關(guān)系失調(diào)，從而導(dǎo)致碳供應(yīng)不足，最終使植物生長(zhǎng)受限或面臨生存危機(jī)。 然而，“生長(zhǎng)抑制假說(shuō)”卻認(rèn)為海拔升高不會(huì)導(dǎo)致碳供應(yīng)不足，但可直接導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受限[10-14]。目前，缺乏海拔與落葉闊葉樹(shù)種關(guān)系的系統(tǒng)研究[9]，了解植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量及其組成隨海拔變化的規(guī)律有助于解析植物對(duì)高山環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制，為高山環(huán)境下植物種質(zhì)資源的保護(hù)和利用提供參考。

核桃(JuglansregiaLinn.)又名胡桃，隸屬于胡桃科(Juglandaceae)胡桃屬(JuglansLinn.)，為世界四大堅(jiān)果樹(shù)種之一[15]，廣泛分布于中國(guó)西部，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。 中國(guó)是全世界核桃第一生產(chǎn)大國(guó)，西藏為主產(chǎn)區(qū)之一，所產(chǎn)核桃果仁含油率高、品質(zhì)佳；并且，西藏的核桃分布區(qū)被認(rèn)為是國(guó)內(nèi)核桃的四大地理生態(tài)型之一[16]。 核桃在西藏地區(qū)栽培歷史悠久，分布面積廣，分布區(qū)海拔落差較大，主要分布在海拔2 400～3 500 m 的區(qū)域[17]。 這樣的核桃海拔分布范圍不但不可能出現(xiàn)在北方山地，而且遠(yuǎn)超同緯度東部地區(qū)和相鄰川滇地區(qū)核桃的海拔分布范圍。 另外，西藏核桃分布區(qū)的人為干擾較少，是研究植物與海拔和氣候因子關(guān)系的理想場(chǎng)所。 鑒于此，作者對(duì)青藏高原東南部12 個(gè)不同海拔(2 500 ～3 868 m)樣點(diǎn)的核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)(包括非結(jié)構(gòu)性碳水化合物、可溶性總糖、蔗糖、果糖和淀粉的含量以及可溶性總糖含量與淀粉含量的比值)變化進(jìn)行了分析，并分別對(duì)各指標(biāo)間及其與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行了Pearson 相關(guān)性分析和逐步回歸分析，以期探明非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累和組成與海拔和氣候因子的關(guān)系，為全面了解高海拔地區(qū)核桃的生態(tài)適應(yīng)性和地理分布格局提供參考，并為高海拔地區(qū)核桃栽培區(qū)規(guī)劃和核桃種質(zhì)資源篩選提供基礎(chǔ)資料。

1 材料和方法

1.1 材料

選取青藏高原東南部核桃分布區(qū)內(nèi)12 個(gè)樣點(diǎn)的成年核桃樹(shù)進(jìn)行采樣，各樣點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和海拔見(jiàn)表1。 在每個(gè)采樣點(diǎn)核桃天然混交林邊緣人為干擾較少且遠(yuǎn)離地表徑流的區(qū)域，隨機(jī)選擇4 ～5 株樹(shù)齡在50 a 以上、生長(zhǎng)正常、無(wú)明顯缺陷且病蟲(chóng)害較少的核桃植株，采集樹(shù)冠外圍陽(yáng)面復(fù)葉上的第2 對(duì)小葉，每株至少采集10 枚小葉。 將單株小葉混勻，置于裝有硅膠的自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，于60 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，每株隨機(jī)選取4 枚小葉，將同一樣點(diǎn)所有樣株的小葉混勻，去除葉脈后研磨成細(xì)粉，過(guò)100 目篩，保存在塑料自封袋中。

表1 供試核桃不同樣點(diǎn)的具體位置Table 1 Specific locations of different plots of Juglans regia Linn. tested

從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：∥data. cma. cn/data/)獲得各樣點(diǎn)的氣候因子(包括年平均氣溫、最熱月平均氣溫、最冷月平均氣溫、月平均氣溫范圍、年平均降水量、最冷月平均降水量和最熱月平均降水量)。

1.2 方法

參照周永斌等[18]的方法分別測(cè)定可溶性總糖、蔗糖、果糖和淀粉的含量，并計(jì)算非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量(即可溶性總糖含量和淀粉含量的總和)以及可溶性總糖含量與淀粉含量的比值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL 2007 軟件制圖，并采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析和逐步回歸分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同海拔核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)的變化

不同海拔核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)的變化見(jiàn)圖1，并以海拔為自變量(x)、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及其主要組分的含量和比值為因變量(y)擬合線性回歸方程。

2.1.1 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的變化 研究結(jié)果表明：隨海拔升高，核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量呈上升趨勢(shì)，獲得的線性回歸方程為y=0.095 7x-187.020 0(R=0.845 2，P=0.000 5)，說(shuō)明核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量與海拔呈極顯著正相關(guān)。并且，多個(gè)樣點(diǎn)核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量偏離回歸直線，呈現(xiàn)一定的波動(dòng)變化。

2.1.2 主要組分含量的變化 研究結(jié)果表明：隨海拔升高，核桃葉中可溶性總糖、蔗糖和果糖的含量均呈上升趨勢(shì)，獲得的線性回歸方程分別為y=0.089 7x-174.405 8(R=0.825 2，P=0.001 0)、y=0.030 2x-61.769 3(R=0.833 2，P=0.000 8)和y=0.021 3x-41.841 5(R=0.791 4，P=0.002 1)，說(shuō)明核桃葉中可溶性總糖、蔗糖和果糖的含量與海拔均呈極顯著正相關(guān)。 并且，多個(gè)樣點(diǎn)核桃葉中可溶性總糖、蔗糖和果糖的含量偏離回歸直線，呈現(xiàn)一定的波動(dòng)變化，且可溶性總糖和果糖含量的波動(dòng)變化較蔗糖含量更明顯。 另外，核桃葉中淀粉含量與海拔也呈極顯著正相關(guān)，獲得的線性回歸方程為y=0.006 0x-12.618 0(R=0.883 2，P=0.000 1)，并且，多個(gè)樣點(diǎn)核桃葉中淀粉含量偏離回歸直線，呈現(xiàn)一定的波動(dòng)變化。

2.1.3 可溶性總糖含量與淀粉含量比值的變化 研究結(jié)果表明：隨海拔升高，核桃葉中可溶性總糖含量與淀粉含量的比值呈拋物線型變化趨勢(shì)，獲得的回歸方程為y=-2.091 4×10-5x2+0.136 6x-201.244 0(R=0.355 5，P=0.138 6)，說(shuō)明核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物組成隨海拔變化而發(fā)生改變，但相關(guān)性不顯著，生長(zhǎng)在海拔3 300 m 的核桃葉中可溶性總糖含量與淀粉含量的比值最大。

圖1 不同海拔核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)的變化Fig. 1 Variations of related indexes of non-structural carbohydrate in leaf of Juglans regia Linn. at different altitudes

2.2 Pearson 相關(guān)性分析

不同海拔核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)的Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表2。 由表2 可見(jiàn)：除了淀粉含量與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量和可溶性總糖含量呈顯著(P＜0.05)正相關(guān)外，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量、可溶性總糖含量、蔗糖含量、果糖含量和淀粉含量間均存在極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，說(shuō)明核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量增加是可溶性總糖和淀粉共同積累的結(jié)果，可溶性總糖含量增加也是蔗糖和果糖共同積累的結(jié)果。

由表2 還可見(jiàn)：核桃葉中可溶性總糖含量與淀粉含量的比值與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量、可溶性總糖含量、蔗糖含量和果糖含量均呈正相關(guān)，且相關(guān)性不顯著；但其與淀粉含量呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性也不顯著。值得注意的是，核桃葉中可溶性總糖含量與淀粉含量的比值與可溶性總糖含量相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值明顯大于其與淀粉含量相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值，說(shuō)明核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物組成受可溶性總糖含量影響較大。

2.3 逐步回歸分析

不同海拔核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)與氣候因子的逐步回歸分析結(jié)果見(jiàn)表3。 由表3可見(jiàn)：核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)與年平均氣溫、最熱月平均氣溫、月平均氣溫范圍和年平均降水量4 個(gè)氣候因子有關(guān)，其中，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量、可溶性總糖含量、蔗糖含量、果糖含量和淀粉含量與這4 個(gè)氣候因子顯著(P＜0.05)相關(guān)，而可溶性總糖含量與淀粉含量的比值與這4 個(gè)氣候因子不顯著相關(guān)；并且，各回歸方程中年平均降水量的系數(shù)的絕對(duì)值明顯小于年平均氣溫、最熱月平均氣溫和月平均氣溫范圍。 說(shuō)明溫度和降水因子對(duì)核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及其主要組分的含量和比值均有一定的影響，且溫度因子的影響更大。

表2 核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)的Pearson 相關(guān)性分析1)Table 2 Pearson correlation analysis on related indexes of non-structural carbohydrate in leaf of Juglans regia Linn. 1)

表3 核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)指標(biāo)與氣候因子的逐步回歸分析Table 3 Stepwise regression analysis on related indexes of non-structural carbohydrate in leaf of Juglans regia Linn. with climatic factors

3 討論和結(jié)論

植物通過(guò)光合作用固定的碳是其生存的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，充足的碳供給有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育及其在逆境中的生存[19]。 許多研究結(jié)果表明：高海拔區(qū)常綠和落葉樹(shù)種的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量較高，并隨海拔升高而增大[10-11，13，20]，因此，有研究者認(rèn)為非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累量隨海拔升高而增大是植物抵御逆境的進(jìn)化反映[21]。 本研究中，核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物、可溶性總糖、蔗糖、果糖和淀粉的含量均隨海拔升高而增大，且非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量與可溶性總糖含量、蔗糖含量和果糖含量呈極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，與淀粉含量呈顯著(P＜0.05)正相關(guān)，說(shuō)明隨海拔升高核桃體內(nèi)的可利用碳水化合物儲(chǔ)存量增大，據(jù)此推測(cè)高海拔區(qū)域生長(zhǎng)的核桃碳供應(yīng)充足。 然而，本研究結(jié)果與美國(guó)東北部高山樹(shù)種和熱帶高山樹(shù)種的研究結(jié)果[22-23]卻存在明顯差異，這可能與不同植物種類(lèi)對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的閾值存在差異有關(guān)[24]。 值得注意的是，多個(gè)樣點(diǎn)核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物、可溶性總糖、蔗糖、果糖和淀粉的含量偏離回歸直線，這可能是因?yàn)檫@些樣點(diǎn)處于高山地區(qū)，由于山體的阻擋作用形成了不同的小氣候環(huán)境，導(dǎo)致相同水平海拔樣點(diǎn)的氣候多樣化，從而影響了核桃對(duì)光合作用固定的碳代謝和貯備。

相關(guān)研究結(jié)果[25]表明：海拔升高時(shí)，一方面，環(huán)境溫度和CO2濃度降低，紫外線輻射強(qiáng)度增大，植物光合作用周期縮短，導(dǎo)致體內(nèi)碳水化合物的凈產(chǎn)量下降；另一方面，植物形成新細(xì)胞和新組織的速度逐漸下降甚至停止，并且，低溫造成植物的呼吸作用下降，最終導(dǎo)致體內(nèi)碳的消耗量下降。 有研究者認(rèn)為植物生長(zhǎng)限制導(dǎo)致其體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲(chǔ)存量增大[26]；還有研究者認(rèn)為植物體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲(chǔ)存量增大是植物的進(jìn)化或可塑性反映，并不是生長(zhǎng)限制的結(jié)果[27]。 本研究中，雖然核桃葉中可溶性總糖和淀粉的含量均隨海拔升高而增大，但其可溶性總糖含量與淀粉含量的比值卻隨海拔升高呈拋物線型變化，這與核桃的胸徑和相關(guān)生長(zhǎng)指標(biāo)隨海拔升高的變化趨勢(shì)一致(另文發(fā)表)。 在較低海拔區(qū)域，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲(chǔ)存量增大可能是植物為了適應(yīng)海拔變化而主動(dòng)積累碳的結(jié)果[28]，并且，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量和可溶性總糖含量與淀粉含量的比值增大可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，保障防御性代謝消耗。 隨著海拔進(jìn)一步升高，高山地區(qū)的樹(shù)木往往不能充分利用光合產(chǎn)物進(jìn)行細(xì)胞生長(zhǎng)[29]，導(dǎo)致植株出現(xiàn)生長(zhǎng)限制，造成體內(nèi)碳的消耗量下降，從而使非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲(chǔ)存量增大變?yōu)榭赡躘10]。 當(dāng)植物出現(xiàn)生長(zhǎng)限制時(shí)，可移動(dòng)碳儲(chǔ)量的增大更多依賴(lài)于淀粉[30]，本研究結(jié)果也印證了這一結(jié)論，即在較高海拔區(qū)域，核桃葉中可溶性總糖含量與淀粉含量的比值隨海拔升高而下降。 綜上所述，核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量在一定海拔范圍內(nèi)隨海拔升高而增大的主要原因是植物適應(yīng)環(huán)境的主動(dòng)調(diào)節(jié)，另一個(gè)重要原因是在接近海拔上限，植株出現(xiàn)生長(zhǎng)限制后的被動(dòng)積累。

植物的地理分布受到環(huán)境中水熱條件的共同作用[31]。 逐步回歸分析結(jié)果表明：核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量、可溶性總糖含量、蔗糖含量、果糖含量和淀粉含量與年平均氣溫、最熱月平均氣溫、月平均氣溫范圍和年平均降水量的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平，結(jié)合各氣候因子的系數(shù)，認(rèn)為溫度因子是影響核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累和組成的重要因子，同時(shí)，降水因子(年平均降水量)也對(duì)其積累和組成有一定影響。

綜合上述研究結(jié)果，核桃葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累隨海拔升高而增大，且受到溫度和降水因子的共同影響，并以溫度因子影響為主。

致謝：西藏農(nóng)牧學(xué)院馬和平副教授在樣品采集過(guò)程中提供了幫助，在此表示感謝!