楊學(xué)軍,陳昊良,李焱龍,王井源,暴 峰,陳士剛

(1.長春市園林規(guī)劃研究院,吉林 長春 130062; 2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),吉林 長春 130118; 3.吉林森工三岔子林業(yè)有限公司,吉林 白山 134700; 4.吉林森工臨江林業(yè)有限公司,吉林 白山 134600; 5.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院,吉林 長春 130033)

紅松(Pinuskoraiensis)為松科(Pinaceae)松屬(Pinus)雌雄同株異花的常綠大喬木,具有較強(qiáng)的耐寒能力,同時具有極高的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)價值,是我國東北地區(qū)特有的珍稀樹種[1,2],在漫長的進(jìn)化過程中,出現(xiàn)了不同性別趨勢的類型,而且不同性別型在不同場景所起到的作用不同[3]。

根據(jù)俄羅斯林業(yè)科學(xué)院Воробьев對西伯利亞紅松性別型的劃分,雄、雌花枝數(shù)量比值小于10被確認(rèn)為偏雌性;雄、雌花枝數(shù)量比值介于10～100被確認(rèn)為中性;雄、雌花枝數(shù)量比值大于100被確認(rèn)為偏雄性[4]。鑒于紅松和西伯利亞紅松的個體差異,結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況,本研究暫將雄花枝與雌花枝數(shù)量比(以下簡稱花枝比)小于等于10的調(diào)查樣樹歸類為偏雌性紅松類型,將花枝比大于10而小于等于30的樣樹歸類為中性紅松類型,花枝比大于30的調(diào)查樣樹歸類為偏雄性紅松類型。

本研究參照西伯利亞紅松性別劃分標(biāo)準(zhǔn)對紅松進(jìn)行性別劃分,以吉林森工三岔子林業(yè)有限公司紅松種子園、吉林森工臨江林業(yè)有限公司鬧枝紅松種子園不同性別類型紅松(30年生)為試驗(yàn)對象,測定植株針葉中葉綠素含量、可溶性蛋白定量、總氨基酸含量、可溶性糖含量,通過比較不同性別型針葉樣本中的儲藏物質(zhì)含量差異,為后續(xù)研究中的性別型鑒定提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

吉林森工三岔子林業(yè)有限公司紅松種子園地理位置126°56′ E、41°95′ N,海拔520 m,年平均氣溫2.5 ℃,年均降水量725 mm,無霜期約110 d。

吉林森工臨江林業(yè)有限公司鬧枝紅松種子園地理位置126°54′ E、47°37′ N,海拔450 m,年平均氣溫5 ℃,年均降水量875 mm,無霜期約135 d。

1.2 材料

2022年8月中旬,分別在立地條件相似的2塊樣地各選取前期調(diào)查樣樹中不同性別類型紅松(30年生)12株,共計24株(見表1)。所選植株5年內(nèi)未有人為促進(jìn)開花結(jié)實(shí)措施,且未選取林緣等受光照影響較大的對象。每株樣本采集上、中、下不同部位和不同朝向的針葉,標(biāo)記后置于冰盒內(nèi)儲存,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后迅速剝離針葉并剪碎后等比例充分混樣,放入密封袋中,經(jīng)液氮封存后放入-80 ℃超低溫冰箱備用。

表1 樣地采集樣本情況

葉綠素含量、可溶性蛋白定量、總氨基酸含量、可溶性糖含量檢測試劑盒均購自南京建成生物工程研究所。

1.3 方法

稱取紅松針葉樣本0.2 g進(jìn)行測定,葉綠素含量采用比色法測定,可溶性蛋白定量采用考馬斯亮藍(lán)法測定,總氨基酸含量采用比色法測定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同性別型紅松葉綠素含量

從圖1中可以看出,2個樣地偏雄性植株針葉葉綠素含量均高于偏雌性與中性植株。三岔子樣地偏雄性植株針葉的葉綠素含量較偏雌性植株高5.69 %,較中性植株高0.42 %;鬧枝樣地偏雄性植株針葉的葉綠素含量較偏雌性植株高0.16 %,較中性植株高5.48 %。

圖1 各樣地不同性別型植株的葉綠素含量

2.2 不同性別型紅松可溶性蛋白定量

從圖2中可以看出,2個樣地偏雌性植株針葉可溶性蛋白定量均高于偏雄性、中性植株。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相較于偏雄性和中性植株而言,三岔子樣地的偏雌性植株針葉中可溶性蛋白定量相對較高,分別高9.08 %、1.00 %;鬧枝樣地中偏雌性植株針葉的可溶性蛋白定量同樣較高,分別高7.67 %、0.47 %。

圖2 各樣地不同性別型植株的可溶性蛋白定量

2.3 不同性別型紅松總氨基酸含量

從圖3中可以看出,2個樣地偏雄性植株針葉總氨基酸含量均高于其他性別型植株。其中三岔子樣地與鬧枝樣地的偏雄性植株針葉的總氨基酸含量較偏雌性植株分別高6.70 %和8.13 %,較中性植株高3.59 %和11.18 %。

圖3 各樣地不同性別型植株的總氨基酸含量

2.4 不同性別型紅松可溶性糖含量

從圖4中可以看出,2個樣地偏雌性植株針葉可溶性糖含量均高于偏雄性、中性植株。相對于后2種性別型植株,在三岔子樣地中的偏雌性植株針葉可溶性糖的含量分別高36.44 %、12.73 %;鬧枝樣地中偏雌性植株針葉的可溶性糖含量分別高42.58 %、7.26 %。

圖4 各樣地不同性別型植株的可溶性糖含量

方差分析(ANOVA)結(jié)果顯示(見表2、表3):三岔子樣地和鬧枝樣地不同性別型植株的可溶性糖含量差異均極顯著。

表2 三岔子樣地不同性別型紅松可溶性糖含量方差分析

表3 鬧枝樣地不同性別型紅松可溶性糖含量方差分析

3 結(jié)論與討論

植株發(fā)育過程中,隨著培養(yǎng)時間的延長植株逐漸積累儲存物質(zhì),包括碳水化合物、蛋白質(zhì)等。其中糖作為胚胎發(fā)育過程中不可缺少的能量物質(zhì)和碳骨架,可以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓,保護(hù)細(xì)胞膜完整性,決定細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)[6-8];而淀粉是植物中最豐富的儲備碳水化合物,它在整個植物生長過程中至關(guān)重要,尤其是在種子發(fā)育過程中,被重新動用并提供碳以滿足特定合成代謝過程的高能量需求[9];蛋白質(zhì)則影響胚胎發(fā)育、胚胎形態(tài)發(fā)生、胚胎成熟和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。在體胚發(fā)生過程中,糖、淀粉和蛋白質(zhì)的含量變化經(jīng)常作為不同體胚發(fā)育階段的標(biāo)志[10,11]。葉綠素參與植物的光合作用,可以將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物以及水,積累營養(yǎng)物質(zhì),葉綠素的含量也一定程度反映了植株的性別型[12]。趙林森、李珊等的研究發(fā)現(xiàn),某些植物雄株葉片中葉綠素含量高于雌株葉片[13,14]。

基于前期關(guān)于紅松性別型的調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn),紅松人工林在進(jìn)入樹齡20年后,其性別型逐漸趨于形成且具備可分辨性,30年生紅松其性別型和生長狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定,且此年齡處于紅松生長早期,對于生長周期較長的樹種來說,早期的相關(guān)研究更有利于提早了解紅松在生長前期的生長發(fā)育特點(diǎn)和生態(tài)適應(yīng)性、性別比例的分布規(guī)律以及種群的遺傳結(jié)構(gòu)。

紅松不同性別型的植株在三岔子樣地和鬧枝樣地雖然因無性系生長特性及早期經(jīng)營措施不同,存在株高和胸徑上的差異,但在本研究涉及的貯藏物質(zhì)含量方面,2個樣地不同性別型植株表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律性。

本研究中2個樣地偏雄性植株葉綠素含量均高于偏雌性、中性植株。葉綠素充當(dāng)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關(guān)[15-17]。葉綠素含量的差異一定程度上反應(yīng)了光合作用強(qiáng)弱,偏雄性植株進(jìn)行了更強(qiáng)的光合作用,需要的葉綠素較中性和偏雌性多。但在光合利用效率上的高低及貯藏物質(zhì)生成能力方面的判定可能還需要葉綠素a/b等其他指標(biāo)綜合衡量[18]。2個樣地3個性別型植株在葉綠素含量上均未表現(xiàn)出差異,客觀也說明不同性別型紅松在捕獲光能并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能作為物質(zhì)存儲階段差異不大。

關(guān)于雌雄同株性別分化對蛋白定量的研究較少,劉麗杰、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]。在本試驗(yàn)中總氨基酸含量受針葉中蛋白濃度的直接影響,且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中,氨基酸有促進(jìn)植物生根、抗旱、抗病、提高植物的成活率、調(diào)節(jié)pH等作用,參與了植株生長的整個過程。高武軍在研究過程中發(fā)現(xiàn)雄株氨基酸總含量明顯高于雌株[21]。本研究中2個樣地偏雌性植株可溶性蛋白定量高于偏雄性、中性植株;偏雄性植株總氨基酸含量高于偏雌性、中性植株。這可能與不同性別型葉片在C代謝和N同化上存在一定差異有關(guān)[15,17]。不同性別型紅松植株可能在光合作用速率、光合產(chǎn)物分配等方面存在差異,導(dǎo)致它們在總氨基酸含量上的差異。偏雄性植株可能具有更高的光合速率和光合產(chǎn)物分配能力,從而產(chǎn)生更多的有機(jī)物質(zhì),包括氨基酸。不同性別型植株對N的吸收和利用存在差異,偏雄性植株可能具有更高的N吸收能力和利用效率,從而導(dǎo)致它們在總氨基酸含量上的差別[22]。

李珊、劉麗杰、張麗杰等在研究中發(fā)現(xiàn),雌株的可溶性糖含量明顯高于雄株[14,19,23],這些結(jié)論表明了不同性別型植株所含營養(yǎng)物質(zhì)存在一定的差別,偏雌性植株需要在花與果實(shí)中蓄積足夠多的營養(yǎng)物質(zhì),以滿足種子發(fā)育的需求。本研究中三岔子、鬧枝樣地偏雌性植株可溶性糖含量高于偏雄性、中性植株且差異極顯著。

在本研究中,許多儲藏物質(zhì)含量指標(biāo)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,但只有可溶性糖在不同性別型中存在顯著性差異。植物激素在調(diào)節(jié)碳代謝和能量分配方面起著重要作用,可能是由于性別型差異導(dǎo)致偏雌性植株中激素的含量或調(diào)節(jié)活性相對較高,從而促進(jìn)了可溶性糖的合成與積累。偏雌性紅松植株在生長過程中需要更多的能量來支持雌雄球花和種子的發(fā)育,因此,偏雌性植株可能在光合產(chǎn)物的分配上更傾向于合成和積累可溶性糖。此外,由于雌性植株要通過吸引昆蟲等傳粉者來傳播花粉并授粉,因此,它們還需要產(chǎn)生更多香氣的化學(xué)物質(zhì),這些化學(xué)物質(zhì)也是從可溶性糖中合成得到的。在植物界中,不同類型或階段的植物可能具有不同需求,并且表現(xiàn)出一定程度上的差異化代謝特征。

本研究通過探究白山地區(qū)不同性別型紅松儲藏物質(zhì)含量差異,為進(jìn)一步探討不同性別型紅松的生理生態(tài)特性奠定基礎(chǔ),有助于更好地理解不同性別型紅松的適應(yīng)性和競爭能力,以及它們在不同環(huán)境條件下的生長和生存策略。利用不同性別型紅松植株的儲藏物質(zhì)差異,可以開展基于性別選擇的繁殖和育種工作,以提高紅松的經(jīng)濟(jì)價值和適應(yīng)能力,維護(hù)和增強(qiáng)紅松的生態(tài)系統(tǒng)功能和生物多樣性。