白山地區不同性別型紅松儲藏物質含量差異

楊學軍,陳昊良,李焱龍,王井源,暴 峰,陳士剛

(1.長春市園林規劃研究院,吉林 長春 130062; 2.吉林農業大學,吉林 長春 130118; 3.吉林森工三岔子林業有限公司,吉林 白山 134700; 4.吉林森工臨江林業有限公司,吉林 白山 134600; 5.吉林省林業科學研究院,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,具有較強的耐寒能力,同時具有極高的經濟與生態價值,是我國東北地區特有的珍稀樹種[1,2],在漫長的進化過程中,出現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]。

根據俄羅斯林業科學院Воробьев對西伯利亞紅松性別型的劃分,雄、雌花枝數量比值小于10被確認為偏雌性;雄、雌花枝數量比值介于10～100被確認為中性;雄、雌花枝數量比值大于100被確認為偏雄性[4]。鑒于紅松和西伯利亞紅松的個體差異,結合實際調查情況,本研究暫將雄花枝與雌花枝數量比(以下簡稱花枝比)小于等于10的調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準對紅松進行性別劃分,以吉林森工三岔子林業有限公司紅松種子園、吉林森工臨江林業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含量差異,為后續研究中的性別型鑒定提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

吉林森工三岔子林業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年內未有人為促進開花結實措施,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,標記后置于冰盒內儲存,運回實驗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。試驗發現,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 結論與討論

植株發育過程中,隨著培養時間的延長植株逐漸積累儲存物質,包括碳水化合物、蛋白質等。其中糖作為胚胎發育過程中不可缺少的能量物質和碳骨架,可以調節細胞滲透壓,保護細胞膜完整性,決定細胞形態和細胞的發育命運[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重要,尤其是在種子發育過程中,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];蛋白質則影響胚胎發育、胚胎形態發生、胚胎成熟和細胞信號轉導。在體胚發生過程中,糖、淀粉和蛋白質的含量變化經常作為不同體胚發育階段的標志[10,11]。葉綠素參與植物的光合作用,可以將CO2轉化為碳水化合物以及水,積累營養物質,葉綠素的含量也一定程度反映了植株的性別型[12]。趙林森、李珊等的研究發現,某些植物雄株葉片中葉綠素含量高于雌株葉片[13,14]。

基于前期關于紅松性別型的調查和分析發現,紅松人工林在進入樹齡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已經穩定,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,早期的相關研究更有利于提早了解紅松在生長前期的生長發育特點和生態適應性、性別比例的分布規律以及種群的遺傳結構。

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含量方面,2個樣地不同性別型植株表現出較為一致的規律性。

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[15-17]。葉綠素含量的差異一定程度上反應了光合作用強弱,偏雄性植株進行了更強的光合作用,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生成能力方面的判定可能還需要葉綠素a/b等其他指標綜合衡量[18]。2個樣地3個性別型植株在葉綠素含量上均未表現出差異,客觀也說明不同性別型紅松在捕獲光能并將其轉化為化學能作為物質存儲階段差異不大。

關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]。在本試驗中總氨基酸含量受針葉中蛋白濃度的直接影響,且呈負相關關系。其中,氨基酸有促進植物生根、抗旱、抗病、提高植物的成活率、調節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現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[15,17]。不同性別型紅松植株可能在光合作用速率、光合產物分配等方面存在差異,導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物分配能力,從而產生更多的有機物質,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現,雌株的可溶性糖含量明顯高于雄株[14,19,23],這些結論表明了不同性別型植株所含營養物質存在一定的差別,偏雌性植株需要在花與果實中蓄積足夠多的營養物質,以滿足種子發育的需求。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,許多儲藏物質含量指標表現出一定的規律性,但只有可溶性糖在不同性別型中存在顯著性差異。植物激素在調節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致偏雌性植株中激素的含量或調節活性相對較高,從而促進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育,因此,偏雌性植株可能在光合產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,它們還需要產生更多香氣的化學物質,這些化學物質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不同性別型紅松儲藏物質含量差異,為進一步探討不同性別型紅松的生理生態特性奠定基礎,有助于更好地理解不同性別型紅松的適應性和競爭能力,以及它們在不同環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,以提高紅松的經濟價值和適應能力,維護和增強紅松的生態系統功能和生物多樣性。