王 丹，李江飛，李亞麒，顏廷雨，陳 詩a，許玉蘭，蔡年輝

(1.西南林業(yè)大學 a.西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室；b.云南省高校林木遺傳改良與繁育重點實驗室，云南 昆明 650224；2.云南省農(nóng)業(yè)科學院 熱帶亞熱帶經(jīng)濟作物研究所，云南 保山 678000)

隨著植物的生長發(fā)育和資源可獲得性的改變，植物會對現(xiàn)有資源的利用策略做出相應的改變[1]，并以異速生長的方式來獲取所需資源和對環(huán)境的適應[2]。異速生長是生物體兩個性狀間不成比例生長的現(xiàn)象[3]，能表達個體形態(tài)指標、器官生物量等生物學特征與個體大小問題的關(guān)系[4-6]，能揭示植物生長的內(nèi)在規(guī)律[7]。由異速生長導致植物性狀的可塑性響應，被認為是植物發(fā)生適應性變化的表現(xiàn)，且這種響應正是對植物功能群間屬性趨同或趨異的有力體現(xiàn)[8]。

表型可塑性的定義為同一個基因型對不同環(huán)境響應產(chǎn)生不同表型的特性，是發(fā)生在植物發(fā)育過程中的現(xiàn)象[9]，被認為是植物對環(huán)境條件或刺激的重要反應特征，這一特征是植物發(fā)生適應的表型基礎[10]。植物的異速生長與生物量分配對資源的利用和異質(zhì)環(huán)境的形態(tài)適應有密切聯(lián)系，是目前研究植物表型可塑性較為合適的方法。物種的一些表型差異，可能只是與植株大小不一，或者發(fā)育階段不同有關(guān)，異速生長分析能把環(huán)境導致的表型差異從植物本身個體生長的影響中區(qū)分開來。通過異速生長分析研究表型可塑性，可以更好地了解植物的表型可塑性，從而進一步了解植物的適應機制[11]。

云南松Pinus yunnanensis生長迅速，喜光且耐干旱耐瘠薄，廣泛分布于23°00′～29°00′N、98°30′～106°00′E 的西藏東南部、四川西南部、貴州西部、廣西西部及云南大部分地區(qū)[12]，是我國西南地區(qū)荒山造林的先鋒樹種和主要的用材樹種，具有較高的生態(tài)效益和經(jīng)濟價值。目前，異速生長分析主要被應用于生物量分配、植物各器官的年增長率、植物對繁殖的投入等研究[13]。云南松異速生長分析也僅局限于不同器官[14]和不同地理種源[15]的研究，尚未見對不同苗齡云南松進行異速分析研究表型可塑性的研究報道。為此，本研究以不同苗齡云南松為研究對象，探明云南松隨著苗齡的增加各器官生物量及針葉長的異速生長關(guān)系，有利于揭示云南松隨著苗齡的增加，各器官及針葉長的生長速率變化和苗木的適應機制與生活史策略，同時可豐富云南松在生長過程中異速生長現(xiàn)象和表型可塑性的研究內(nèi)容，為云南松高效培育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地設置在西南林業(yè)大學苗圃，位于云南省昆明市盤龍區(qū)。年均溫14.7℃，絕對最高溫32.5 ℃，絕對最低溫-9 ℃。在5—10月集中降雨，月最大降水量208.3 mm，日最大降水量153.3 mm；年平均相對濕度68.2%，年降水量700～1 100 mm。年均日照時數(shù)約2 445.6 h，年均蒸發(fā)量1 856.4 mm。終年太陽投射角度大，年均總輻射量達5.43×105J/cm2。

1.2 種子采集與處理

云南松種子的采集在云南省昆明市宜良縣祿豐村林場進行，采種母樹成熟、結(jié)實狀況良好，采集飽滿的當年生成熟球果。將采摘的球果做好標記帶回實驗室風干，待球果開裂后取出發(fā)育良好的種子。于2015年3月把種子點播種于苗床，株行距為5 cm×10 cm，試驗采用單因素完全隨機區(qū)組設計，苗期進行常規(guī)養(yǎng)護管理。分別于播種后第2年的12月隨機選擇苗木615 株、第3年12月隨機選擇苗木425 株、第4年12月隨機選擇苗木57 株作為樣株，即后續(xù)分析中的2年生苗木、3年生苗木、4年生苗木。

1.3 形態(tài)指標和生物量的測定

用整株收獲法挖取云南松苗木，用游標卡尺測量苗木地徑，精確到0.01 mm，用直尺測量苗高、主根長、側(cè)根長和針葉長，精確到0.1 cm。將苗木分根、莖、葉裝信封袋，在105℃的烘箱中殺青30 min 后于80℃下烘干，分別記下其干物質(zhì)質(zhì)量，精確至0.001 g。

1.4 數(shù)據(jù)分析

異速生長關(guān)系可表示為y=axb的形式[16]，線性轉(zhuǎn)化為：logy=loga+blogx。在本試驗中較小的苗齡有較大的樣本數(shù)，因保存和取樣困難等原因，較大的苗齡樣本數(shù)目較小，但經(jīng)對數(shù)化減弱了比例系數(shù)所帶來的波動性或單純使用生物量學特征的絕對量。式中的y與x為依賴個體大小變化的器官生物量或針葉長；a為性狀關(guān)系的截距；b為異速生長指數(shù)，即線性關(guān)系的斜率，當b=1 時，為等速生長；b≠1 時，為異速生長[17]。異速生長方程的參數(shù)估計采用標準主軸法獲取，并對異速生長指數(shù)和截距進行多重比較，均由統(tǒng)計軟件R中的Smatr 包來計算完成[18-19]。若不同苗齡的斜率b差異顯著，則表明異速生長關(guān)系發(fā)生了變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同苗齡云南松苗木生長性狀

從表1可以看出，不同苗齡云南松苗木地徑、苗高和側(cè)根長均有顯著差異（P＜0.05），且都是隨著苗齡的增長而增長。4年生苗木主根長與2年生苗木、3年生苗木的有顯著差異，但2年生苗木、3年生苗木間無顯著差異，隨著苗齡的增長而增長。2年生苗木的針葉長與3年生苗木、4年生苗木的有顯著差異，但3年生苗木、4年生苗木間無顯著差異，呈現(xiàn)下降趨勢，表明苗木隨著苗齡的增長，地徑、苗高、主根長、側(cè)根長均呈現(xiàn)增長趨勢，而針葉長為下降趨勢。

表1 不同苗齡云南松苗木生長性狀Table 1 Growth characteristics of Pinus yunnanensis seedlings at different ages

從變異系數(shù)來看，地徑、苗高、主根長、側(cè)根長和針葉長苗齡均在4 a 時有最小變異系數(shù)，地徑、主根長苗齡在2 a 時有最大變異系數(shù)，苗高、側(cè)根長和針葉長苗齡在3 a 時有最大變異系數(shù)，表明苗齡為4 a 時，各指標變異性較低；苗齡為2、3 a 時，變異性較高，分化明顯。

2.2 器官與個體大小的異速生長關(guān)系

不同苗齡各器官生物量與單株生物量均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），隨著苗齡的增加，根、莖、葉與單株生物量、地上生物量與根的異速生長軌跡均發(fā)生了改變（表2，圖1）。從根與單株生物量來看，3年生苗木的斜率為顯著小于1.0 的異速生長關(guān)系；而2年生苗木、4年生苗木的斜率為與1.0 差異不顯著的等速生長關(guān)系，即3年生苗木根生物量的生長速率顯著小于2年生苗木、4年生苗木。從莖與單株生物量來看，2年生苗木的斜率為顯著大于1.0的異速生長關(guān)系；而3年生苗木、4年生苗木的斜率為與1.0 差異不顯著的等速生長關(guān)系，即2年生苗木莖生物量的生長速率顯著大于3年生苗木、4年生苗木。從葉與單株生物量來看，隨著苗齡的增加，斜率為遞增趨勢；3年生苗木、4年生苗木的斜率為顯著大于1.0 的異速生長關(guān)系，且顯著大于2年生苗木，即3年生苗木、4年生苗木葉生物量生長速率顯著大于2年生苗木。從地上與根的生物量來看，2年生苗木、4年生苗木的斜率為與1.0差異不顯著的等速生長關(guān)系，3年生苗木的斜率為著大于1.0 的異速生長關(guān)系，且顯著大于2年生苗木，即3年生苗木地上生物量的生長速率顯著高于2年生苗木。

圖1 器官與個體大小、地上生物量和根的異速生長關(guān)系Fig.1 Allometric relationship between organs and individual size,aboveground biomass and root

表2 不同苗齡云南松器官與個體大小、地上生物量和根的異速生長關(guān)系?Table 2 Allometric growth of organs and individual size,aboveground biomass and root of Pinus yunnanensis at different seedling ages

2.3 器官與器官、針葉長的異速生長關(guān)系

不同苗齡器官與器官、針葉長的異速生長關(guān)系均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），各器官的生長速率在3 a 時表現(xiàn)為：葉＞莖＞根；隨著苗齡的增加，除了莖與根生物量外，葉與根、莖生物量和針葉長與葉生物量的異速生長軌跡均發(fā)生了改變（表3，圖2）。從莖與根生物量看，各苗齡的斜率無顯著差異，共同斜率為1.113，且在共同斜率下，截距差異并不顯著（P＞0.05）。從葉與根生物量看，2 a 的斜率為與1.0 無顯著差異的等速生長關(guān)系；3 a、4 a 為顯著大于1.0 的異速生長關(guān)系，即3 a、4 a 時葉顯著大于根的生長速率。從葉與莖生物量看，3 a 顯著大于2 a 的斜率，且均呈異速生長關(guān)系，4 a 的斜率為與1.0 無顯著差異的等速生長關(guān)系，即3 a 時葉顯著大于莖的生長速率。從針葉長與葉生物量看，各苗齡的斜率均為顯著小于1.0 的異速生長關(guān)系，其中4 a 顯著小于2 a、3 a 針葉長生長速率，在3 a 時有較大的針葉長生長速率。

圖2 器官與器官、針葉長的異速生長關(guān)系Fig.2 Allometric growth relationship among organs and needle length

表3 不同苗齡云南松器官與器官、針葉長的異速生長關(guān)系?Table 3 Allometric growth of organs and needle length of Pinus yunnanensis at different seedling ages

P-1.0indicates the significant difference between the estimated model slope and theoretical value 1.0,and different lowercase letters show a significant difference between different seedling ages (P＜0.05),Ameans the allometric relationship,Iindicates the isometric relationship.

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

各苗齡云南松根、莖、葉與植株大小、地上生物量與根的異速生長軌跡均發(fā)生改變，個體發(fā)育異速關(guān)系有不同的變化趨勢，可能與遺傳差異或存在發(fā)育漂變有關(guān)，具有物種特異性。地上生物量與根在苗齡為3 a 時，因光成為限制資源，所以傾向于地上分配。靈活的生長對策反映了其不同苗齡資源利用策略、能量物質(zhì)投入的差異。在不同生長發(fā)育階段的重點有所不同，云南松2年生苗木傾向于莖生長，3年生苗木以犧牲根生長為代價向葉分配，4年生苗木的生物量繼續(xù)傾向于葉分配，因此葉的異速生長指數(shù)隨苗齡的增加呈遞增趨勢，說明葉受苗齡和個體大小的影響顯著，具有較大的表型可塑性。各器官間除根與莖出現(xiàn)趨同進化外，葉與根、葉與莖和針葉長與葉生物量的異速生長軌跡發(fā)生改變，均具有表型可塑性。葉生物量和針葉長較為敏感，在苗齡為3 a 時有較大的葉生物量和針葉長，因而3年生云南松具有較高的生產(chǎn)能力。不同苗齡云南松地徑、苗高、主根長、側(cè)根長、針葉長在2年生苗木、3年生苗木有較高的變異度，可考慮在第1年后期對云南松進行密度、施肥和土壤微生物等因素調(diào)控，進而結(jié)合選育措施實現(xiàn)苗木生物量的改良，對更好地指導云南松高效培育技術(shù)的實施具有重要意義。

3.2 討 論

3.2.1 器官與個體大小的異速生長關(guān)系

苗木的根、莖、葉都有特定的功能，根有錨地及養(yǎng)分和水分的吸收作用，莖有機械支撐和水力學疏導路徑的作用，葉主要是有固定CO2并合成光合產(chǎn)物的作用，其分配受植株種類、大小、水分、年齡、溫度及光照等因素的影響，以異速生長的形式表現(xiàn)出來，是維持其生長發(fā)育的一個生活史對策[20]。隨著苗齡的增加，在云南松器官與個體大小的異速生長關(guān)系中，根生物量先下降后上升，呈等速生長關(guān)系趨勢；莖生物量先下降后上升，呈等速生長關(guān)系趨勢；葉生物量呈顯著大于1.0 的異速生長關(guān)系趨勢；地上生物量與根生物量先上升后下降，呈等速生長關(guān)系趨勢。云南松隨著苗齡的增加，其個體異速生長關(guān)系并不是恒定不變的，植株個體大小和苗齡同時影響著云南松的生長關(guān)系，隨著個體發(fā)育異速生長關(guān)系有不同的變化趨勢，具有物種特異性。有研究表明，地上與根生物量的大小能體現(xiàn)苗木對土壤養(yǎng)分或光照的需求。地上生物量與根在苗齡3 a 時有最大斜率，呈顯著大于1.0 的異速生長關(guān)系，且異速生長軌跡發(fā)生改變，表明傾向于地上分配，這時地上生物量有較大的生產(chǎn)力。地上生物量與根是一個相互依賴、促進的有機整體。云南松在苗圃培育養(yǎng)分充足的條件下，地下部分能支撐地上部分，這時光成為了限制資源，苗木資源會傾向莖分配，幫助其莖干生長，增大葉面積，提高光捕獲能力[21]，導致了養(yǎng)分傾向于地上分配。云南松靈活的生長對策反映了其不同苗齡資源利用策略、能量物質(zhì)投入的差異，是云南松對資源可利用水平與競爭脅迫生境的塑性適應[22]。

根在3 a、莖在2 a、葉在3 和4 a 與個體大小均為異速生長關(guān)系，且在這些苗齡中各器官的異速生長指數(shù)與其余苗齡異速生長指數(shù)差異顯著，說明異速生長軌跡發(fā)生改變。個體大小顯著影響著苗木生長速率，亦或生長速率存在顯著的個體發(fā)育漂變。苗木生長速率的大小能體現(xiàn)苗木對資源的獲取與利用能力，2年生云南松傾向于莖生長，3年生苗木以犧牲根生長為代價向葉分配，4年生苗木生物量繼續(xù)傾向于葉分配，各器官與植株大小、地上與根異速生長關(guān)系隨苗齡增加發(fā)生改變，使植株表現(xiàn)出一定的性狀，滿足自身發(fā)育的需要。其中葉的異速生長指數(shù)隨苗齡增加呈遞增趨勢，說明葉受苗齡和個體大小的影響顯著，具有較大的表型可塑性，即在有限的資源下，優(yōu)先分配于葉生長，增加光合器官。有研究表明，分配于葉的資源物質(zhì)隨植物生活史階段而變化，在幼苗時期的植物以增加光合器官的資源分配，來實現(xiàn)初始生長階段的生物量積累；當植物個體逐漸增大時，減少葉生物量分配將有利于其在有限的資源條件下生存[23-24]。本研究中的云南松苗齡均較小，處于小個體時期，與這一理論相符。因此云南松的生長特性具有表型可塑性，而不同苗齡對云南松表型可塑性的影響不同[25]。這些生長特性增加了云南松的耐受性，使其能適應不同的環(huán)境和占據(jù)廣闊的地理范圍，成為廣布性物種[26]。

3.2.2 器官與器官、形態(tài)指標間的異速生長關(guān)系

在植物個體生長發(fā)育的過程中，不同器官會相互協(xié)調(diào)發(fā)展[27]，以最大化地利用資源來達到最適生長狀態(tài)，致使不同器官相對生長速率出現(xiàn)差異。植物會在資源獲取和物質(zhì)消耗之間做出權(quán)衡，體現(xiàn)了生長與物質(zhì)相協(xié)調(diào)的原則，是植物在一定環(huán)境中適應策略的重要表現(xiàn)[28]。云南松莖與根生物量有共同斜率，且截距、漂移差異不顯著，說明莖與根在各苗齡中異速生長軌跡沒有發(fā)生改變，呈比例生長，出現(xiàn)趨同進化趨勢（即有相同的異速生長指數(shù)），異速生長關(guān)系較為穩(wěn)定[7]。隨著苗木的生長，保持表型發(fā)育穩(wěn)定性在一定水平內(nèi)，為確保發(fā)育進程的精準，因而打破這種平衡對有機體可能是致命的。有機體具備維持發(fā)育平衡、抵抗外界環(huán)境干擾的能力，也是確保其在不同環(huán)境中存活與生長的必要前提[29]。葉與根隨苗齡的增加，從等速生長關(guān)系向顯著大于1.0 的異速生長關(guān)系轉(zhuǎn)變，即異速生長軌跡發(fā)生改變，表明3年生苗木、4年生苗木葉的生長速率要快于根，資源分配上向葉傾斜。這與陳國鵬等[30]對甘肅南部杜鵑的研究有差異，可能是由于云南松生長環(huán)境溫暖，資源相對豐富，主要限制因子是光照有關(guān)。葉與莖的權(quán)衡不僅反映器官間的分配策略，本質(zhì)上取決于植物生物力學特性和水力輸送結(jié)構(gòu)的需求。在2年生苗木、3年生苗木葉與莖生物量的異速生長關(guān)系和李亞男等[31]對杜鵑屬植物莖與葉生物量關(guān)系的研究結(jié)果相似，隨著苗齡的增加，葉與莖生物量斜率呈遞增的趨勢；在苗齡為3 a 時，呈顯著大于1.0 的異速生長關(guān)系，葉顯著大于莖的生物量增加速率，即較大的莖會有更高比例的葉生物量分配，增大葉面積，來提高同化速率和增加光合產(chǎn)物[32]。但苗齡在4 a時呈下降趨勢，為與1.0差異不顯著的等速生長關(guān)系。這可能是增大的葉需要更長的莖來減少內(nèi)部對光能的遮擋，大葉片較小葉片需要更高比例的葉片生物量用于支持功能，莖就需要具有更高的支持能力[33]。

植物在各個生長階段的發(fā)育重點不同，因此植株性狀異速生長關(guān)系與生物量投資策略常隨著發(fā)育而變化。葉片是植物進行光合作用及與外界環(huán)境進行物質(zhì)和能量交換的主要場所，是對外界環(huán)境變化最敏感的器官，因而在眾多生長特征中，葉性狀最能夠反映植物自身生長狀態(tài)及適應環(huán)境的生存策略[34]。針葉長與葉生物量的異速生長關(guān)系和林華等[35]對苦竹葉片的性狀研究相似，隨著苗齡的增加針葉長呈先升高后降低的趨勢，說明苗齡對針葉長性狀影響顯著。隨著苗齡的增加總體會使針葉變長，且在苗齡為3 a 時有最大的生長速率。異速生長的變化可能與針葉生長投資出現(xiàn)“回報遞減”現(xiàn)象有關(guān)。在發(fā)育早期葉細胞層較少，細胞排列相對松散，隨著葉的生長，針葉長的增加有助于增加光合面積和光合同化結(jié)構(gòu)，為了接觸更多的光源和提高水分運輸?shù)饺~肉細胞的效率，加大生物量投資用于微管組織和厚壁組織的建設，從而導致分配到葉肉細胞的生物量減少[36-37]。云南松可能憑借針葉長較大的表型可塑性，最大限度地進行光合積累獲取資源，并進行資源的再分配，從而實現(xiàn)資源的有效利用。針葉長的表型可塑性提高了云南松在各苗齡中發(fā)育的合適度，對了解植物生活史對策和生態(tài)適應性具有重要意義。

生態(tài)代謝理論預測非木本植物或缺乏次生組織的小個體木本植物，根、莖、葉各器官間，各器官與總生物量間均為等速生長關(guān)系，本文中有一部分生長關(guān)系也出現(xiàn)了等速生長關(guān)系。其原因為對于小個體植物來說，除葉外莖也含有葉綠體，也可以固定CO2，不同組織和器官的代謝速率不同，光合速率可能隨著資源分配和苗齡發(fā)生變化。而光合組織不只僅限于葉片，因此背離了等速生長關(guān)系[38]。亦或與遺傳差異有關(guān)，云南松具有各自獨特的生物學特性，隨苗齡變化生長類型不唯一[7]。植物各器官之間因結(jié)構(gòu)、功能的差異，代謝活性組織和異速指數(shù)隨個體發(fā)育存在一個動態(tài)變化的過程，同時又受環(huán)境條件的制約。比如，當植物受到風的機械擾動，會導致根的生物量增加及莖的生物量減?。划斨参锏那o自然彎曲以及受到其他機械作用時，會對地上部分的生物量產(chǎn)生一定的影響；當受到干旱脅迫時，植物對根的生物量分配會有較大的增長；當溫度較低時，植物會增加根的生物量分配，而減小莖和葉的生物量分配。反過來可以人為控制環(huán)境條件，以此來促進植物生長，以達到培育壯苗的目的。如改善熱量條件，合理施水施肥，控制種群密度等。張霽等[39]用不同栽培方式，以光競爭的差異，使云南黃連異速生長的軌跡發(fā)生改變，相同大小的個體，栽培種比野生種具有更高的根莖生物量（植株藥用部位）。本研究中云南松苗木生長性狀在2、3 a 有較高的變異度，可考慮在第1年后期對云南松進行密度、施肥和土壤微生物等因素調(diào)控并研究適宜方案，并了解不同條件對云南松各個性狀和根、莖、葉生物量分配及異速生長關(guān)系的影響；進而結(jié)合選育措施實現(xiàn)苗木生物量的改良，對更好地指導云南松高效培育技術(shù)的實施具有重要的意義。表型可塑性差異是由基因型和環(huán)境因素共同造成的，可通過基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學的綜合研究，以達到高效培育的目的。但由環(huán)境誘導的表型可塑性變異能否被遺傳等問題，需進一步研究。