蒙古栎叶片功能性状变化特征及影响因素1)

李一 潘立本 赵雯 穆立蔷 韩文静

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (中国林业科学研究院林业研究所)

不同生长发育时期,植物对内部资源分配及其对外界环境适应策略存在差异。叶片作为植物获取资源的重要器官,与外界环境接触面积大、对气候条件变化敏感[1]。因此,学者们多以叶片形态及其生理特征作为研究环境对植物影响的切入点[2]。有研究发现,叶龄增长对叶片结构产生重要影响,具体表现为：叶厚整体呈先变厚再变薄的趋势[3],叶片含水率及比叶面积在展叶期最大[4],叶绿素质量分数在变色期时最小[5]。然而,这些研究多以经济作物或灌木草本为研究对象,且聚焦于植物在单一物候期的叶片功能性状特征[4-6],缺乏全物候期叶片功能性状变化及在不同物候期叶片功能性状间差异性的研究。不同叶片功能性状之间存在显著相关性[7],叶片可溶性糖质量分数与淀粉呈显著负相关[8],这表明叶片内部资源存在相互转化的过程。当外部环境发生变化时,叶片通过差异化的资源分配来实现对环境变化的生态适应[9],且不同气候因子对植物的影响程度不同[10]。高温时,叶片抗氧化酶活性、酚类及黄酮类质量分数有所升高[11];光照增加、降水量减少时,植物通过叶片变厚、比叶面积降低的方式,最大程度保存水分,以确保其在该环境条件下维持生存[10]。目前,多数研究侧重于探讨单一气候因素(光照、温度、降水量等)对叶片功能性状的影响,但在自然环境中,叶片功能性状往往同时受多种气候因子的共同影响。因此,综合考虑不同气候因子对叶片功能性状的影响有助于更全面地理解植物对环境的适应性及其响应机制。

蒙古栎(Quercusmongolica),又称蒙栎、柞树,壳斗科(Fagaceae)栎属(QuercusL.)落叶乔木,是国家二级珍贵树种,主要分布于辽宁、吉林、黑龙江等地[12]。蒙古栎具有耐干旱、耐贫瘠、耐寒等优良特性,树形优美,叶色变化丰富,果实独特,有较高的观赏价值。蒙古栎叶片提取物中含有抗炎活性的酚类物质,可用于治疗痤疮[13]。目前,对于该树种的研究主要集中在幼苗生长发育特征、光合特性和病原菌等方面,其叶片功能性状变化特征及对外部环境的适应机制尚不清楚。因此,我们以蒙古栎叶片为材料,测定不同物候期叶片功能性状指标,明确其变化规律,采用Pearson相关性分析探究不同功能性状间的相关关系,采用冗余分析研究气候因子对叶片功能性状的影响。本研究旨在明确蒙古栎在不同物候期的叶片资源分配特征及其生态适应性,为合理开发利用蒙古栎资源提供参考。

1 试验区概况

试验地位于黑龙江省宁安市小北湖国家级自然保护区(以下简称“小北湖保护区”),地理坐标为128°33′7″～128°45′48″E、44°3′16″～44°18′59″N,占地面积20 834 hm2。土壤类型为暗棕色森林土,土层深厚。小北湖保护区属温带季风性气候,年平均气温2.5 ℃,年平均降水量650 mm,降水分配不均,集中在7—8月,占全年降水的60%～70%,无霜期90～100 d[14]。

2 研究方法

2.1 试验材料

样树选取：2022年4月—2022年10月下旬,在小北湖保护区蒙古栎天然林中,选择地势平坦、地力相对均匀的20 m×20 m地块,从中选取树龄为10 a、生长状况良好且长势基本一致的10株蒙古栎作为固定取样树,进行标号、物候观测及叶片采集。

物候期观测：为准确掌握植物物候现象,每7 d观测1次,每次观测于上午10：00进行。经观测,蒙古栎物候分为4个时期,分别为展叶期、花期、果期、变色期。展叶期为枝条嫩叶露出,叶面积增大,叶片厚度逐渐加厚,第一、二片叶片完全平展的阶段(2022年5月4日—5月25日);花期为树体中部枝条上花序轴明显,花药饱满并有花朵开始开放的阶段(2022年6月2日—6月17日);果期为树体中部枝条上壳斗和种子逐渐增大的阶段(2022年7月15日—8月19日);变色期为树体中部叶片逐渐由绿变红再变黄,枝条由灰绿变为红褐色的阶段(2022年9月9日—2022年10月7日)。

叶片采集：分别在展叶期(5月13日)、花期(6月10日)、果期(8月8日)、变色期(9月26日)进行叶片采集(图1)。从每株植株冠层中部的东、南、西、北4个方位,分别采集完整、无病虫害的叶片各4片,每株采集16片,共采集10株作为1个混合样,带回实验室。将采集好的叶片放入自封袋中,用蒸馏水冲洗干净,擦干备用。

图1 不同物候期的蒙古栎叶片

2.2 叶片功能性状指标测定

本研究从形态特征、生理指标质量分数、抗氧化酶活性3个方面,共计选取了13个功能性状指标。

叶片形态指标测定：在每个物候期采集的样品中选择30片蒙古栎叶片(3组,每组10片),用游标卡尺分别测量每组叶片上、中、下部的厚度,取3个部分的平均值为该组叶片厚度,各物候期的单叶厚度为该时期3组叶片厚度的平均值。使用电子天平测量并计算每组单叶鲜质量后,将样品放入烘箱105 ℃杀青10 min,之后在60 ℃下烘48 h至恒质量,测量并计算该组单叶干质量,各物候期单叶鲜质量、单叶干质量均为3组数据的平均值。用NIKON Z50相机拍摄每组叶片图像,采用Image J软件计算各组的总叶面积,再结合叶片数量计算单叶面积,各物候期的单叶面积为3组单叶面积的平均值。叶片含水率及比叶面积计算公式为：叶片含水率=[(单叶鲜质量-单叶干质量)/单叶鲜质量]×100%;比叶面积=单叶面积/单叶干质量。

叶片生理指标质量分数测定：光合色素质量分数测定采用Arnon法[15],用UV—1750型分光光度计测量665、649、470 nm波长下的吸光度(Aλ)值,再依据公式计算叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素质量分数。可溶性糖及淀粉质量分数采用蒽酮比色法测定[16]。叶片总酚及总黄酮质量分数依据周香辉等[17]的方法加以修改后使用紫外分光光度计法测定。

叶片抗氧化酶活性测定：过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法,过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法,超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑(NBT)光还原法[18]。

2.3 气候因子获取

研究区气候资料观测点位为宁安市气象观测站,站点距离研究区直线距离62.9 km。于中国历史天气网站(https：//rp5.ru)获取研究区2022年5月(展叶期)、6月(花期)、8月(果期)、9月(变色期)的日平均气温、日降水量后,计算各月份平均气温和累计降水量。累计日照时间于中国气象资料服务中心(https：//data.cma.cn/)获取。降水量在花期最大,果期最小;气温在果期最高,展叶期最低;各物候期日照时间相近,展叶期日照时间略高,果期略低(表1)。

表1 2022年研究区各物候期累计降水量、累计日照时间和平均气温

2.4 数据处理

采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和事后多重比较(LSD)检验不同时期蒙古栎叶片指标的差异显著性;采用Pearson相关性分析检验各指标间的相关显著性;消除趋势对应分析(DCA)的辨别结果为0.29,故采用冗余分析(RDA)探究气候因子对蒙古栎叶片功能性状的影响。使用Excel 2013、SPSS 25.0和CANOCO 5.0软件进行数据整理分析。

3 结果与分析

3.1 不同物候期蒙古栎叶片功能性状的动态变化

3.1.1 不同物候期蒙古栎叶片形态特征的动态变化

蒙古栎叶片形态在不同时期存在显著差异(P<0.05,表2)。展叶期时植株叶厚显著低于其他时期,叶片含水率显著高于其他时期,其他3个时期间叶厚及叶片含水率无明显差异。叶干质量呈先升高后降低的变化趋势,在果期时达到最大值,为0.56 g。果期的叶干质量显著高于花期和展叶期(P<0.05),但与变色期时无显著差异。比叶面积从展叶期到变色期呈逐渐减小的趋势,展叶期的比叶面积显著高于其他时期,花期及果期的显著高于变色期(P<0.05),展叶期时比叶面积约是变色期的2倍。

表2 不同物候期叶片形态特征

3.1.2 不同物候期蒙古栎叶片生理指标的动态变化

蒙古栎叶片中光合色素质量分数在不同时期存在显著差异(P<0.05),总体呈先升高后降低的趋势(表3)。叶绿素质量分数在花期达到最大值,为4.65mg·g-1,显著高于其他时期;在变色期达到最小值,为0.09 mg·g-1,显著小于其他时期(P<0.05)。类胡萝卜素质量分数在花期及果期时显著高于展叶期及变色期(P<0.05),约是展叶期及变色期的3倍。

如表3所示,可溶性糖质量分数变化总体呈先降低后升高的趋势,其在花期时最低,为98.04 mg·g-1,变色期时显著升高,达到最高值,展叶期及果期的可溶性糖质量分数与其他物候期时差异不显著。淀粉质量分数变化呈先升高后降低的趋势,其在花期时达到最高值,为68.59 mg·g-1,果期时出现显著降低,变色期的淀粉质量分数也较低。

蒙古栎叶片总酚质量分数呈先降低后略微升高的趋势(表3)。展叶期总酚质量分数显著高于其他物候期(P<0.05),约是其他时期的1.5倍;花期、果期、变色期的总酚质量分数呈逐渐升高的趋势,但无显著差异。蒙古栎叶片总黄酮质量分数在变色期时达到最高值,为32.62 mg·g-1,显著高于其他物候期;展叶期的总黄酮质量分数虽高于花期及果期的,但三者间差异不显著。

表3 不同物候期叶片生理指标质量分数

3.1.3不同物候期蒙古栎叶片抗氧化酶活性的动态变化

蒙古栎叶片过氧化物酶活性总体呈“上升-下降-上升”的趋势。过氧化物酶活性在花期时达到峰值,且显著高于其他物候期(P<0.05);之后下降,在果期出现显著低于其他时期的最低值,为33.33 U·g-1·min-1;随后在变色期再次上升。超氧化物歧化酶活性仅在果期时显著低于其他时期(P<0.05),且其他时期间无显著差异。过氧化氢酶活性总体呈下降趋势,仅在展叶期具有较高的活性水平,且显著高于其他时期(P<0.05),约是其他时期的3倍(表4)。

3.2 蒙古栎叶片不同功能性状间的相关性分析

相关性分析结果表明,蒙古栎叶片不同功能性状间存在显著相关性(表5)。比叶面积与可溶性糖质量分数呈显著负相关,与淀粉质量分数呈显著正相关(P<0.05)。总酚质量分数与叶片含水率呈极显著正相关(P<0.01)。可溶性糖质量分数与淀粉质量分数呈极显著负相关(P<0.01)。总黄酮质量分数与叶绿素、类胡萝卜素质量分数呈极显著性负相关,相关系数分别为-0.946、-0.830;与可溶性糖质量分数呈极显著正相关,相关系数为0.816(P<0.01)。过氧化氢酶活性与叶片含水率、总酚质量分数呈极显著正相关(P<0.01)。

表4 不同物候期叶片抗氧化酶活性

表5 叶片各功能性状间的相关系数

3.3 蒙古栎叶片功能性状与气候因子之间的关系

冗余分析前2轴的累计贡献率为80.47%,其能够解释蒙古栎叶片功能性状与气候因子之间的相关关系(图2)。月累计降水量对叶片功能性状的影响最明显,贡献率为52.1%,月平均温度及月累计日照时间的影响程度相近,贡献率分别为21.8%、21.0%(表6)。月累计降水量及日照时间与叶干质量、叶厚、叶绿素质量分数、类胡萝卜素质量分数、可溶性糖质量分数呈负相关,且与叶片形态指标的相关程度大;与叶片含水率、比叶面积、淀粉质量分数、总酚质量分数、总黄酮质量分数、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性、过氧化氢酶活性呈正相关,且与抗氧化酶活性的相关程度大。月平均气温与叶片功能性状之间的相关性方向与月累计降水量、月累计日照时间的相反。

LDW为叶干质量;LT为叶厚;LWC为叶片含水率;SLA为比叶面积;CHL为叶绿素质量分数;CAR为类胡萝卜素质量分数;LSS为可溶性糖质量分数;LS为淀粉质量分数;TPA为总酚质量分数;TF为总黄酮质量分数;POD为过氧化物酶活性;SOD为超氧化物歧化酶活性;CAT为过氧化氢酶活性;TM为月平均温度;MS为累计降水量;MPr为累计日照时间。

表6 气候因子对蒙古栎叶片功能性状的贡献率

4 结论与讨论

植物在生长发育各阶段,叶片的形态和生理指标均有较大差异,这与外界环境条件和叶片结构建成资源投入有关[19]。叶厚度、叶干质量、叶片含水率、比叶面积等形态指标能够反映叶片生长状况及植物获取及利用资源的能力[20]。本研究中,叶片含水率、比叶面积在展叶期达到最大值[21],且展叶期与其他时期时存在显著差异。展叶期以营养生长为主,叶片代谢速率高,故含水率高[4],同时,该时期叶片迅速展开,叶面积增大,因此比叶面积大。展叶期完成后,叶片面积增速减缓,而骨架支撑结构[22]及营养物质增多[23],所以比叶面积开始减小。在荒漠植物叶片(合头草(Sympegmaregelii)、荒漠锦鸡儿(Caraganaroborovskyi)等)的研究中,为减少水分散失,细胞扩张由纵向转为横向,导致叶片厚度增大[24]。本研究中果期气温最高,植物蒸腾作用最强,故叶厚值最大。此外,果期时叶干质量最大,该时期叶片需要为果实的形成准备充足的营养物质[25]。

在叶片生理指标方面,光合色素在花、果期时质量分数高,在变色期时质量分数急剧下降到最低。受植物体养分回收策略等因素的影响[26],变色期光合色素的分解速率大于合成速率,因此叶片内光合色素质量分数降低。可溶性糖质量分数在花期时最低,这是因为花芽的分化和成花过程会消耗大量的可溶性糖[27]。可溶性糖质量分数在变色期时最大,这与唐生森等[28]的研究不一致,其原因是该时期淀粉会转化为可溶性糖以调解渗透压来抵御低温[8]。淀粉质量分数在果期时最低,原因是该时期淀粉分解,以为果实的生长发育提供能量[29]。总酚质量分数在展叶期时最高,之后降低[30]。变色期蒙古栎叶色逐渐发生转变,黄酮类代谢途径增强,总黄酮质量分数出现显著升高[31],并达到最大值。

叶片抗氧化酶活性总体呈一定的协同趋势。然而,与红树莓叶片研究结果不同[32],本研究中3种抗氧化酶活性在果期时最低,这说明该时期蒙古栎叶片内部环境稳定。蒙古栎叶片内部环境稳定是由于叶片生长已达到一定程度,生长速率减缓,且果期时叶片受外界环境胁迫程度相对较小。展叶期蒙古栎叶片中过氧化氢酶活性最高且与其他时期存在显著差异,这是因为展叶期叶片生长迅速,细胞内自由基代谢失衡,从而诱导酶活性上升,以维持膜系统在生长发育中的正常功能[33]。

植物叶片生长发育过程中,各功能性状间相互影响,以形成特定的资源分配和生态适应策略[34]。研究发现,叶片功能性状在不同类别(形态特征、生理指标、抗氧化酶活性)间存在显著相关性。比叶面积与可溶性糖、淀粉质量分数均存在显著相关性,这是因为可溶性糖和淀粉作为主要非结构性碳水化合物参与了叶片骨架的构建[22],从而影响叶片形态。叶片含水率高时,叶片生长迅速,产生大量过氧化氢,此时需要过氧化氢酶、总酚等抗氧化物质及时清除过氧化氢以维持稳态[11],因此,过氧化氢酶活性及总酚质量分数与叶片含水率呈显著正相关。此外,叶片功能性状指标间也存在显著相关性,其中,叶厚、叶干质量与比叶面积呈显著负相关。在程雯等[35]对喀斯特高原峡谷植物的研究中可以看出,植物将更多干物质投入叶片构建以提高抗逆性。可溶性糖与淀粉之间相互转化[8],两者存在显著负相关关系。总黄酮与叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖质量分数间存在显著相关性,这验证了总黄酮质量分数与叶色变化息息相关[36]。本研究不仅探究了叶片功能性状间的内在关联,还为深入了解植物在生长发育过程中的内部资源分配提供了重要线索,有助于更全面地理解蒙古栎等植物的生态适应策略。

叶片作为植物地上部分获取资源的主要器官,长期暴露在外界环境中,其功能性状也受环境因子影响。本研究中,月累计降水量对叶片功能性状的贡献率最大,为52.1%,这是因为降水量过高会造成水涝胁迫,抑制植物生长,导致叶片厚度、叶干质量有所下降。水涝胁迫导致植物体内活性氧等物质升高,使抗氧化酶活性有所提高[11],因此,叶片含水率与过氧化氢酶活性、总酚质量分数呈显著正相关。平均气温及日照时间对叶片功能性状的贡献率相对较小,这是因为研究区内平均气温和日照时间在叶片生长发育阶段(5—9月)相对稳定,植物生长受温度胁迫和光胁迫的程度较小。研究认为,降水量是影响蒙古栎叶片功能性状的关键气候因子。叶片功能性状之间的相互关系不仅适用于植物在不同生长发育阶段对内部资源分配的调整,还适用于气候环境对其的影响。本研究中,平均气温与叶厚、叶干质量、比叶面积显著相关,这与槭树等应对夏季高温时的生态策略一致[37]。深入研究气候因子对叶片功能性状的影响有助于全面理解植物在各种环境条件下的生态适应策略。本研究为预测气候变化及极端天气事件对蒙古栎的影响提供了参考,为及时制定相应的人为干预措施以实现对植物管理和保护奠定了基础。

本研究从叶片形态特征、生理指标质量分数、抗氧化酶活性3个方面选取了13个指标,通过对各指标进行测定分析,发现蒙古栎叶片功能性状在不同物候期间存在显著差异。展叶期,叶片含水率、比叶面积、总酚质量分数、过氧化氢酶活性达到最大值;花期,叶绿素、类胡萝卜素、淀粉质量分数、过氧化物酶活性最高;果期,叶干质量、叶厚达到最大值;变色期,可溶性糖、总黄酮质量分数、过氧化物歧化酶活性最高。研究进一步探究了植物自身及外界环境对叶片功能性状的影响,发现蒙古栎叶片的不同功能性状间相互影响且降水量是影响叶片功能性状的关键气候因子。