全 文 ：第 34 卷第 13 期
2014年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.13
Jul.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(31070362); 教育部博士点基金(20116101110008); 陕西省科学院青年人才培养项目(2013K鄄20); 陕西省西安植
物园青年人才科研启动支持计划(YK003)
收稿日期:2012鄄10鄄25; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄02鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yueming@ nwu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201210251481
李倩,刘晓,张晓飞,张瑞昌,柴永福,岳明.UV鄄B辐射方向对白三叶克隆整合的影响.生态学报,2014,34(13):3568鄄3575.
Li Q, Liu X, Zhang X F, Zhang R C, Chai Y F, Yue M.Effects of UV鄄B radiation direction on physiological integration in Trifolium repens.Acta Ecologica
Sinica,2014,34(13):3568鄄3575.
UV鄄B辐射方向对白三叶克隆整合的影响
李摇 倩1,2,刘摇 晓1,张晓飞1,3,张瑞昌1,柴永福1,岳摇 明1,*
(1. 西部资源生物与现代生物技术省部共建教育部重点实验室,西北大学,西安摇 710069
2. 陕西省西安植物园(陕西省植物研究所), 西安摇 710061;3. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 西安摇 710054)
摘要: 增强 UV鄄B辐射会对植物生长和生理生化过程产生有害效应。 克隆植物中,相连的克隆分株对经常共享资源和激素,然
而鲜有关于异质性 UV鄄B辐射下 UV鄄B辐射方向对克隆整合的影响及克隆植物形态结构变化的报道。 模拟同质(克隆分株片段
均处于自然背景辐射)和异质(克隆分株一端处于自然背景辐射,另一端处于补加的 UV鄄B辐射)UV鄄B辐射,以克隆植物白三叶
为材料,进行连接和隔断处理,研究 UV鄄B辐射方向对克隆整合强度变化、叶片形态结构特化及生理可塑性的影响。 结果表明:
异质性 UV鄄B辐射下,15N同位素标记端保留的15N百分比高于同质 UV鄄B辐射处理,转移到无标记相连端的15N含量则降低,紫
外辐射处理和同位素标记是否处于同一分株端对结果无显著性影响,说明克隆植物白三叶生理整合存在但整合强度降低,辐射
方向与克隆整合强度无关;隔断处理组气孔长度增加,栅栏组织增厚,但连接处理组却无此变化,表明生理整合在白三叶叶片形
态结构特化中发挥作用。 UV鄄B辐射下,最小荧光、电子传递速率及光化学淬灭系数降低但非光化学淬灭系数升高,而生理整合
却使结果相反;叶绿素和紫外吸收物可在异质性 UV鄄B辐射相连的两端运输分享。 以上均表明异质 UV鄄B辐射环境中,UV鄄B辐
射胁迫端克隆分株通过生理整合从非胁迫端获益,并以此提高胁迫环境中克隆植物对资源的利用效率。
关键词:克隆整合; 环境异质性; UV鄄B辐射; 白三叶
Effects of UV鄄B radiation direction on physiological integration in Trifolium
repens
LI Qian1,2, LIU Xiao1, ZHANG Xiaofei1,3, ZHANG Ruichang1, CHAI Yongfu1, YUE Ming1,*
1 Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western China (Northwest University), Ministry of Education, Xi忆an 710069, China
2 Xi忆an Botanical Garden of Shaanxi Province ( Institute of Botany of Shaanxi Province), Xi忆an 710061, China
3 Xi忆an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi忆an 710054, China
Abstract: Clonal plants are widely distributed in all types of ecosystems, and dominate in many of them. Vascular
connections (e.g. stolons or rhizomes) of clonal plants can transport resources such as carbohydrates, water and nutrient
between interconnected ramets. This feature has been long considered to be adaptive in all types of ecosystems, particularly
in environments where resources or stressful factors are patchily distributed in both time and space. Many studies have shown
that the stressed ramets of clonal fragments can be supported by resource translocation from the connected unstressed
ramets, for example, clonal integration can alleviate local stress caused by shading, drought, salinity, serpentine soils,
mechanical stimulation and sand burial. Ultraviolet鄄B (UV鄄B) radiation (280—315 nm) can result in deleterious effects on
many plant growth processes because it is strongly absorbed by many macromolecules and causes their conformational
changes, especially proteins and nucleic acids. Environmental UV鄄B radiation is highly variable in spatial and temporal
http: / / www.ecologica.cn
distributions. It is controlled by a great deal of factors, such as changes in the solar elevation with latitude, time of day,
season and clouds. Little is still known about the response of physiological integration in clonal plants to heterogeneous
ultraviolet鄄B radiation. In this study, pairs of connected and severed ramets of the stoloniferous herb Trifolium repens were
grown under the homogeneity ( both of ramets received only natural background radiation) and heterogeneity of UV鄄B
radiation (one of the ramet received only natural background radiation and the other was exposed to supplemental UV鄄B
radiation) . Changes in intensity of nutrient integration were followed with 15N鄄isotope labeling of the xylem water transport.
Stomata density, length, the thickness of wax, cuticle epidermal cell and palisade tissue were observed to study leaf
anatomic characters. The effects of heterogeneous UV鄄B radiation on chlorophyll fluorescence of a clonal plant T. repens were
evaluated. In order to assess the patterns of physiological integration contents of chlorophyll and UV鄄B absorbing compounds
were determined. When ramets were connected and exposed to heterogeneous UV鄄B radiation, the percentage of 15N left in
labeled ramets that suffered from enhanced UV鄄B radiation was higher and their transfer to unlabeled ramets lower. The
intensity of physiological integration of T. repens for resources decreased under heterogeneous ultraviolet鄄B radiation in favor
of the stressed ramets. Severing groups under UV鄄B radiation had more closed stomas (according to stomatal length) and the
thickness of palisade tissue, results were reversed in connecting groups, indicating physiological integration plays a role in
anatomic characters. Additive UV鄄B radiation resulted in a notable decrease of the minimal fluorescence of dark鄄adapted
state (Fo), the electron transport rate (ETR) and photochemical quenching coefficient ( qP ) and an increase of non鄄
photochemical quenching (NPQ) under heterogeneous UV鄄B radiation, while physiological connection reverse the results.
Chlorophyll and UV鄄B absorbing compounds were shared between connected ramets under heterogeneous UV鄄B radiation.
Ultraviolet鄄B stressed ramets benefited from unstressed ramets by physiological integration, improving resource efficiency on
clonal plants in less favorable sites.
Key Words: physiological integration; environmental heterogeneity; ultraviolet鄄B radiation; Trifolium repens
摇 摇 克隆植物生理整合是指在源鄄汇关系的驱动下,
糖类、营养物质和水分等物质和资源通过匍匐茎或
根状茎在克隆分株间进行传输和分享的过程[1鄄5]。
许多研究表明克隆整合可以使克隆植物跨越并占据
尺度不同的生境资源斑块,在胁迫环境下尤为明
显[6鄄8]。 植物生长和繁殖的必需资源(如光照、水分
和矿质元素等)以及其所处的环境条件(如温度、湿
度、干扰、采食和病原体等)无论在时间上还是空间
上都是异质性的,即使在很小的尺度上这种异质性
也是存在的[3,9]。 环境异质性作为一种选择压力,使
植物在进化过程中可能会形成某种适应对策。 例
如,有克隆分株相连的野生草莓(Fragaria vesca)母
株(基株)的光合效率因分株受遮荫和干旱胁迫而增
加,这种反应是与源鄄库假说相一致的反馈调节机
制[10]。 Wijesinghe 和 Hutchings 发现生理整合在异
质性环境中要比同质性环境更具优势[4]。 近年来有
关克隆整合的研究多数集中在生理整合对资源异质
性的响应[5,11],以及对一些胁迫环境异质性的响应,
例如盐害、重金属污染、蛇纹岩土壤、病原体等[12鄄15],
这些研究表明胁迫端分株生长受损可由无胁迫端分
株的生理整合得到补偿,以提高整体适合度,但有关
克隆 整 合 对 异 质 性 UV鄄B 辐 射 响 应 的 报 道
很少[16鄄17]。
太阳背景辐射中的 UV鄄B 虽然在光谱中比例不
高,但却具有极大的生物学效应,影响植物的生长发
育过程。 植物细胞中的蛋白质和核酸等大分子吸收
UV鄄B辐射,自身分子构象被改变,而且植物还可以
通过增加角质层和叶片厚度,提高 UV鄄B保护色素的
含量来防御 UV鄄B 辐射的伤害[18鄄19]。 太阳辐射中的
UV鄄B辐射强度无论在时间还是空间上都具有很大
的异质性,受到诸如地理纬度、海拔高度、云量、太阳
高度角等多种因素的控制[20]。 林下光斑中甚至存
在毫秒级的光照强度的变化。
白三叶(Trifolium repens)是豆科的多年生克隆
植物,其克隆分株间通过匍匐茎相连。 白三叶对外
界生物和非生物因素表现出高度的可塑性,其变种
对增强的 UV鄄B辐射敏感[21]。 先前的研究发现异质
性 UV鄄B辐射下,白三叶水分和 N 生理整合强度降
9653摇 13期 摇 摇 摇 李倩摇 等:UV鄄B辐射方向对白三叶克隆整合的影响 摇
http: / / www.ecologica.cn
低;生理指标和光合效率的变化显示 UV鄄B辐射胁迫
端通过生理整合获益,但这以 UV鄄B辐射非胁迫端的
损耗为代价[16鄄17]。 其结论对克隆植物生理整合的认
识拓展到光化学和防御整合方面,然而有关异质性
UV鄄B辐射下 UV鄄B 辐射方向及克隆植物形态结构
变化鲜有研究。 本研究模拟同质和异质 UV鄄B辐射,
进行两组试验,连接和隔断,来验证以下假设:1) 异
质性 UV鄄B辐射下,克隆植物白三叶生理整合增强的
变化与 UV鄄B 辐射方向无关;2)异质性 UV鄄B 辐射
下,克隆植物白三叶形态结构发生特化;3)异质性
UV鄄B 辐射下,克隆植物白三叶存在防御性生理
整合。
1摇 材料和方法
1.1摇 试验材料与设计
供试材料为白三叶(T. repens cv. C615),取自西
北大学校园内(海拔 397 m,地理位置为 34. 3毅 N,
108.9毅 E),试验于 2009 年 12 月—2010 年 5 月在西
北大学生物园温室内进行。 白三叶分株在温室内培
养 3代(减少遗传差异)后,选取大小一致的 36 对克
隆分株移至塑料方盆(60 cm长 伊 40 cm宽 伊 20 cm
高)中,塑料盆中土壤基质为沙颐有机质颐泥炭= 1颐1颐2,
每周浇水两次。 将这些克隆分株对按图 1 分成 6
组,两组同质性 UV鄄B 辐射处理(A、B),4 组异质性
UV鄄B辐射处理(用 PVC挡板隔开,C和 D)。 其中 A
和 B 组仅接受自然背景辐射,辐射剂量为 0郾 6
kJ·m-2·d-1,C 和 D 组处理的一端用 40W 的紫外灯
(北京光电源仪器公司)从 9:00—17:00 辐射 1 周,
紫外灯周围覆醋酸纤维素膜以滤去 UV鄄C,补加的辐
射剂量为 2.54 kJ·m-2·d-1(紫外辐照计,北京师范大
学光电仪器厂),另一端不进行补加处理。
1.2摇 测定项目及方法
1.2.1摇 15N同位素标记及测定
2010年 12月 16日,将 4 mL 40 g / L的尿素溶液
( 15N丰度为 10%,购于上海化工研究院)按图 1所示
用毛笔均匀涂抹在白三叶叶子上,1 周后,将克隆分
株对从匍匐茎中间剪断、收获,样品在 70 益下烘干
48 h,过< 0.3 mm 筛后进行同位素分析。 用改进型
ZHT鄄203质谱仪(北京仪器厂)测定样品茎叶中总 N
和15N含量,然后计算出15N 的百分比[22],由于根量
太少,将其和茎混合在一起测定。
图 1摇 试验设计
Fig.1摇 Experimental design
白三叶(Trifolium repens)克隆分株对随机分为 6 组,3 组连接处
理和 3组隔断处理;连接处理指克隆分株间通过匍匐茎相连,隔
断处理是指 PVC挡板隔开白三叶克隆分株对; A和 B组为同质
性 UV鄄B辐射,仅接受自然背景辐射,C 和 D 组为异质性 UV鄄B
辐射,分株一端(域和芋)补加 UV鄄B辐射,另一端不进行补加处
理(玉和郁),接受自然背景辐射
1.2.2摇 形态结构特化指标测定
2010年 4月 12日,参照 Hirose 等的方法[23],取
一部分样品用 FAA 固定液固定,经系列酒精脱水、
透蜡、包埋,常规石蜡切片,切片厚度为 6—10 滋m,
番红鄄固绿双重染色,中性树胶封片,Leica鄄DMLB 显
微镜观察并照相,并应用 Motic Image Plus 2.0 软件
在镜下测定蜡质与角质厚度、表皮细胞与栅栏组织
细胞大小和厚度。 另一部分叶片样品用于叶表皮气
孔密度与气孔大小的测定:将叶片近中段连同中脉
(便于判断上、下表面)横剪取数段,用沸水浸泡数分
钟后,迅即将材料投入冷水浸泡,倾去冷水,加入 5%
次氯酸钠(NaClO)溶液置恒温 40 益下约 18—24 h,
待材料边缘变白,即可取出撕取上表皮(部位基本一
致,约在中脉两侧各 1 cm 范围内),置载玻片上,酒
精系列脱水,1%番红染色,加拿大树胶封片。 光学
显微镜下观察、测量、计数、照相。 气孔密度为随机
计数 5个视野取平均值换算,气孔大小随机测量 10
个气孔长度取平均值及变幅。
1.2.3摇 生理指标测定
(1)叶绿素荧光参数测定
2010年 5 月 20 日,叶绿素荧光参数采用 LI鄄
6400(LI鄄COR Inc,美国)便携式光合仪叶绿素荧光
测定系统测定。 选取受光方向一致的叶片(叶片同
光合),叶片暗适应 20 min 后,测定初始荧光(Fo)、
最大荧光 (Fm )和光系统域最大光化学效率 (Fv /
Fm),测定光适应下光合 R 电子传递速率(ETR),光
化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭参数(NPQ)。 以
0753 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
上各项参数的数据测定均进行 5 次重复(试验分组
参照图 1)。
(2)光合色素测定
2010年 5月 22日,称取 0.1 g叶片,剪成数段放
入 50 mL提取液(1颐1 的无水乙醇和丙酮)中,在 25
益黑暗条件下提取 24 h,测定提取液在 663 和 645
nm处的吸光值,叶绿素含量按照李合生的公式
计算[24]。
(3)紫外吸收物含量测定
2010年 5月 22日,称取 0.5 g叶片,放入 100 mL
酸性甲醇(甲醇颐盐酸颐水= 79颐1颐20)溶液中浸提 24 h,
测定提取液在 300 nm处的吸光值,紫外吸收物含量
按照 Day等的方法改进测定[25]。
1.3摇 数据分析
采用 STATISTICA 6.0软件对数据进行单因素方
差(ANOVA)处理和 Duncan 多重极差检验,利用
ORIGIN7.5作图。
2摇 结果和分析
2.1摇 异质性 UV鄄B 辐射下,克隆植物白三叶生理整
合程度变化
图 2摇 同质(A, B)和异质(C, D)UV鄄B辐射下白三叶不同处理
组克隆片段不同组分中15N同位素的分配率
Fig.2 摇 Partitioning of 15N among ramet components within
clonal fragments in Trifolium repens on different treatment
groups for the effects of homogeneous ( A, B ) and
heterogeneous (C, D) UV鄄B radiation
图中相同字母代表 P<0.05 时不同处理间差异不显著;可参照
图 1的试验设计
由图 2 可以看出,异质性 UV鄄B 辐射处理下,白
三叶15N同位素标记端留下的15N百分比要高于同质
性 UV鄄B辐射处理,而转移到无标记相连端叶片的
15N含量则降低,而且无论15N 同位素标记处于哪个
克隆分株端(UV鄄B 辐射胁迫端或 UV鄄B 辐射非胁迫
端)对结果均无显著性影响,结果说明异质性 UV鄄B
辐射下,克隆植物白三叶15N整合存在但整合强度降
低。 连接处理中,同质 UV鄄B 辐射处理下,15N 标记
端叶子中15N百分比低于异质 UV鄄B 辐射处理下15N
标记端(紫外辐射处理和同位素标记处于同一端称
为 C域处理组,紫外辐射处理和同位素标记处于不
同端称为 C郁处理组,A 域 2.33% vs C域 4.8%和C郁
3.83%),差异达到显著水平(P<0.05),而且紫外辐
射和同位素标记处于同一端的15N 含量要低于紫外
辐射和同位素处于不同端的处理(C域3.76% < C郁
6.57%);隔断处理中,同质 UV鄄B 辐射处理下15N 标
记端15N 百分比为 6.52%,显著低于异质 UV鄄B 辐射
处理下的 11.63%,同样因为是切断处理,A I 端和
C玉端15N含量为 0,在图中不显示。
2.2摇 异质性 UV鄄B 辐射下,克隆植物白三叶形态结
构特化
从表 1可以看出,切断处理组中,与同质性 UV鄄
B辐射处理组相比,异质性 UV鄄B辐射处理组克隆植
物白三叶叶片气孔长度和栅栏组织厚度增加,但连
接处理组结果却无此变化,二者的区别在于白三叶
克隆分株间匍匐茎的相连,可能和克隆植物生理整
合相关。 同质 UV鄄B 辐射下,气孔密度,气孔长度和
表皮细胞厚度均有显著性变化,推断可能是切断处
理影响所致。
2.3摇 异质性 UV鄄B 辐射下,克隆植物白三叶叶绿素
荧光参数的变化
表 2 所示,同质性 UV鄄B 辐射下,白三叶克隆分
株叶绿素荧光参数初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、
光系统 II的最大光量子产量(Fv / Fm)、光合 R 电子
传递速率(ETR)和光化学淬灭系数( qP)无明显变
化,但非光化学淬灭系数(NPQ)在切断处理组(B 玉
和 B 域)要比连接处理组(A 玉和 A 域)中大。 异质
性 UV鄄B辐射下,补加 UV鄄B 辐射处理组(C域和 D
域)中 Fo、ETR 和 qP 显著降低,NPQ 明显升高。 克
隆分株间匍匐茎的连接使处于无 UV鄄B 辐射但分株
和处于补加 UV鄄B辐射白三叶克隆分株相连的分株
片段(C玉)的 ETR 和 qP 增加,NPQ 降低,这和 D I
(无 UV鄄B辐射且分株和处于 UV鄄B辐射克隆分株不
相连)、A 域 (无 UV鄄B 辐射但分株和处于 UV鄄B 辐
射克隆分株相连)的结果不同,可能与克隆植物匍匐
1753摇 13期 摇 摇 摇 李倩摇 等:UV鄄B辐射方向对白三叶克隆整合的影响 摇
http: / / www.ecologica.cn
茎相连引起的生理整合有关。
表 1摇 同质(A,B)和异质 UV鄄B (C,D) 辐射下白三叶(Trifolium repens)不同处理组的解剖结构参数
Table 1摇 Anatomic characteristic parameters in Trifolium repens on different treatment groups for the effects of homogeneous (A, B) and
heterogeneous (C, D) UV鄄B radiation
处理组
Treatment
groups
气孔密度
Stomatal Density /
(个 / mm2)
气孔长度
Stomatal Length /
滋m
表皮细胞厚度
the thickness of
epidermal cell /
滋m
栅栏组织厚度
the thickness of
palisade tissue /
滋m
A 345 a 11.64 c 2.77 b 6.96 b
B 306 b 13.30 b 2.32 c 5.77 bc
C玉 230 c 11.65 c 3.30 ab 5.40 c
C域 361 a 12.71 bc 3.15 b 5.46 c
D玉 275 bc 13.40 b 3.30 ab 5.41 c
D域 346 a 15.96 a 3.65 a 10.18 a
摇 摇 表中同列平均值后有相同字母表示不同处理间结果无显著性差异(P<0.05); 可参照图 1的试验设计
表 2摇 同质(A, B)和异质(C, D)UV鄄B辐射下白三叶不同处理组的叶绿素荧光参数的变化
Table 2摇 Effects of heterogeneous UV鄄B on chlorophy域 flurescence parameters in connected and / or severed ramets under homogeneous (A and
B) or heterogeneous UV鄄B radiation (C and D) in leaves of Trifolium repens
处理组
Treatment
初始荧光
Fo
最大荧光
Fm
最大量子
产量
Fv / Fm
电子传递速率
ETR /
(滋mol m-2 s-1)
光化学
淬灭系数
qP
非光化学
淬灭系数
NPQ
A玉 194.36依1.92a 980.38依9.60ab 0.80依0.01ab 97.00依4.50a 0.48依0.06a 0.01依0.01c
A域 192.43依2.72a 1063.91依35.43a 0.82依0.01a 90.76依12.28ab 0.50依0.06a 0.07依0.01c
B玉 192.50依2.09a 1032.35依27.13ab 0.81依0.01ab 74.30依21.25bc 0.45依0.02ab 0.50依0.01ab
B域 192.44依2.68a 1074.51依38.15a 0.82依0.01a 73.20依17.20bc 0.52依0.05a 0.54依0.16ab
C玉 172.87依2.40ab 912.73依15.67b 0.81依0.01ab 66.85依14.21c 0.41依0.06b 0.55依0.03ab
C域 161.77依1.92b 826.00依9.86b 0.80依0.00b 66.82依4.31c 0.35依0.01bc 0.58依0.33ab
D玉 188.01依3.78a 998.38依19.65ab 0.81依0.01ab 82.91依11.02b 0.46依0.02a 0.37依0.22b
D域 154.95依0.19b 816.23依20.02b 0.80依0.00b 55.76依4.97c 0.30依0.03c 0.76依0.03a
摇 摇 表中同列平均值后有相同字母代表 P<0.05时不同处理间差异不显著; 可参照图 1的试验设计
2.4摇 异质性 UV鄄B 辐射下,克隆植物白三叶生理指
标的变化
表 3显示同质性 UV鄄B 辐射下(A 和 B 组),叶
绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和紫外吸收物含量均无
显著性差异。 异质性 UV鄄B辐射下,切断处理(D)组
中,叶绿素 a、叶绿素 b 和总叶绿素含量也无明显变
化,但紫外吸收物含量在 D 域中升高;连接处理(C
组)中,UV鄄B 辐射端(C域)叶绿素 a、叶绿素 b 和总
叶绿素含量要高于 C玉,且 C域中叶绿素 a、叶绿素 b
和总叶绿素含量要比同质性处理(A组)高 13.2%,
表 3摇 同质(A, B)和异质(C, D)UV鄄B辐射下白三叶不同处理组的叶绿素及紫外吸收物含量的变化
Table 3 摇 The effects of physiological integration and heterogeneous UV鄄B on contents of chlorophyll and UV鄄B absorbing compounds in
connected and / or severed ramets under homogeneous (A and B) or heterogeneous UV鄄B radiation (C and D) in leaves of Trifolium repens
参数
Parameters
处理组 Group
A B C玉 C域 D 玉 D 域
叶绿素 a Chl a / (mg / g干重) 0.70依0.01b 0.71依0.01b 0.66依0.01c 0.80依0.00a 0.62依0.01d 0.63依0.00d
叶绿素 b Chl b / (mg / g干重) 0.31依0.01bc 0.31依0.01c 0.29依0.01c 0.35依0.00a 0.30依0.01bc 0.28依0.00c
总叶绿素 Total chl / (mg / g干重) 1.05依0.02b 1.06依0.01b 0.99依0.02c 1.19依0.01a 0.96依0.02d 0.94依0.00d
紫外吸收物 UV鄄B鄄absorbing compounds 2.92依0.02b 2.90依0.12b 3.80依0.22a 3.88依0.17a 2.88依0.02b 3.91依0.32a
摇 摇 表中同行相同字母代表 P<0.05时不同处理间差异不显著; 可参照图 1的试验设计
2753 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
13.0% 和 9.0%,不同的是 C玉,它无补加 UV鄄B 辐射
处理,仅和辐射端相连,它的叶绿素 a、叶绿素 b 和总
叶绿素含量要低于同质性处理(A 组)。 UV鄄B 辐射
下,C域和 D 域紫外吸收物含量升高,但 C玉,无补加
UV鄄B辐射,仅和辐射端相连,紫外吸收物含量也是
升高的,这可能由克隆分株间的生理整合造成。
3摇 讨论
3.1摇 异质性 UV鄄B 辐射下白三叶生理整合程度的变
化与辐射方向无关
生理整合在克隆植物中广泛存在,例如羊草
(Leymus chinensis)、沙生苔草(Carex praeclara)、白三
叶和黑麦草(Lolium perenne)等一些种的相连克隆分
株之间经常发生生理整合[21, 26鄄28]。 Evans 通过研究
沙生苔草15N的流动,发现在野外和温室条件下都存
在着生长在高养分条件下的老分株向生长在低养分
条件下的幼小分株输出养分的现象[28]。 本研究中,
通过图 2可以看出标记的 N通过相连的白三叶匍匐
茎从标记端向相反的非标记端移动,表明白三叶养
分生理整合无论在同质还是异质 UV鄄B 辐射下均
存在。
养分整合是克隆植物生理整合过程中非常重要
的一部分,其受到遗传、形态结构、生理功能和环境
因子等的影响[29鄄30]。 异质性环境下,处于资源丰富
斑块中的克隆分株常作为“供体冶提供资源,而处于
资源贫乏斑块中的分株则作为“受体冶接受资源。 本
研究中,异质性 UV鄄B辐射下,标记端的 N 转移到非
标记端的量减少,保留在标记端的 N 含量 ( C域
4郾 8%和 CIV 3.83%)高于同质性 UV鄄B 辐射下的 N
含量(A 域 2.33%),且紫外辐射和同位素标记处于
不同端的 N转移含量要低于紫外辐射和同位素处于
同一端的处理(C域3. 76% vs CIV6. 57%),可能与
UV鄄B辐射信号传递的快慢相关,说明异质性 UV鄄B
辐射下养分生理整合强度降低,UV鄄B 辐射对植物的
生长和生理过程均有有害影响,植物为了更好地应
对增强的 UV鄄B辐射,可能会使紫外辐射端拥有更多
的资源,而向相邻端转移的资源就会减少,靠优先保
存自身来提高克隆植物整体适合度,从而增强整个
克隆植株对 UV鄄B辐射的防御能力。
3.2摇 异质性 UV鄄B辐射下白三叶形态结构特化
叶片结构特征最能体现外界环境因子的影响或
植物对环境的适应性,被认为是植物进化过程中对
环境变化比较敏感而且可塑性较大的器官。 UV鄄B
辐射下,叶片气孔密度增加,而且气孔闭合数增加,
气孔阻力增大,通过增强叶片对 CO2的摄入来提高
叶片与外界环境之间的气体交换能力,进而使光合
作用速率升高,而且发达的栅栏组织是植物对强光
生境的适应性表现形式[31]。 本研究中,相比同质性
UV鄄B辐射,异质性 UV鄄B 辐射下,切断处理组气孔
长度增加(D域15.96 vs B13.30),栅栏组织增厚(D域
10. 18 vs B5.77),和前人的研究结果一致,但连接处
理组结果却不同,可能和克隆植物生理整合相关,白
三叶克隆分株间匍匐茎的连接使叶片形态结构发生
特化,利于劳动分工,使克隆植物可以更好地吸取资
源,是一种觅食行为,也和风险分摊相关,通过这些
特性,克隆植物在逆境下可以更好的生存和生长。
3.3摇 异质性 UV鄄B 辐射下白三叶叶绿素荧光参数的
变化
叶绿素荧光是植物光化学反应的指示物, 利用
体内叶绿素作为天然探针, 可以快速、灵敏且无损
伤地探测植物光合生理状况及各种外界因子对植物
光合作用的影响[32]。 高等植物需要消耗掉超出光
饱和能力的光能来保护光合器官[33]。 本研究中,叶
绿素荧光参数除了 NPQ,其它参数在同质性 UV鄄B
辐射下均无显著变化,且 NPQ 在切断处理中升高,
和前人的研究结果一致[32]。
一些研究表明,胁迫环境造成 Fm、Fv / Fm、ETR、
qP的降低和 Fo与 NPQ 的升高[34鄄35]。 Larsson 等在
UV鄄B辐射下发现了叶绿素荧光参数具同样的变
化[36]。 本研究中,异质性 UV鄄B 辐射下,补加的 UV鄄
B辐射处理(C域和 D 域)造成 Fo、ETR 和 qP的显著
降低和 NPQ 的明显升高。 Fo在逆境下升高,可能是
因为从天线色素转移到反应中心的能量减少[37],然
而有些情况下功能反应中心会失活,造成 Fo的升
高[38]。 但是克隆分株间匍匐茎的连接使 C玉(无补
加 UV鄄B辐射但和处于 UV鄄B辐射克隆分株端相连)
的 ETR 和 qP增加,NPQ 降低,显示出生理整合减弱
了 UV鄄B辐射的影响,增加了白三叶的光合能力,使
整个克隆分株受益。
3.4摇 异质性 UV鄄B 辐射下白三叶存在着防御性生理
整合
同质性 UV鄄B 辐射下(A 和 B 组),叶绿素 a、叶
3753摇 13期 摇 摇 摇 李倩摇 等:UV鄄B辐射方向对白三叶克隆整合的影响 摇
http: / / www.ecologica.cn
绿素 b、总叶绿素和紫外吸收物含量均无显著性差
异,表明切断处理对叶绿素和紫外吸收物含量无影
响,异质性 UV鄄B辐射下两者的变化是由生理整合造
成。 叶绿素在 UV鄄B辐射下会被分解,这是由编码叶
绿素的基因调控[39]。 紫外吸收物(主要是黄酮)已
经成为植物对 UV鄄B辐射响应的重要物质,它能减弱
UV鄄B辐射对植物表皮的伤害,当补加 13.3 kJ·m-2·
d-1 UV鄄B 辐 射 时, 9 种 白 三 叶 黄 酮 含 量 升
高 100%[40]。
先前有研究表明,异质性环境下,子株的生长是
以减缓母株生长为代价,只是最后使克隆分株整体
适合度提高[12]。 本研究中,CI 无补加 UV鄄B 辐射处
理,仅和辐射端相连,它的叶绿素 a、叶绿素 b和总叶
绿素含量要低于同质性处理(A 组),叶绿素含量和
光合能力紧密相连,其含量的降低会减弱植物的光
合能力,但这并不意味着克隆植物生理整合不能从
其他方面获益。 紫外吸收物在 C玉中的升高,紫外
吸收物在植物防御中发挥着重要作用[25],其升高合
理的解释可能是 UV鄄B 辐射端克隆分株受到补加
UV鄄B辐射产生信号分子,信号分子通过克隆分株间
相连的匍匐茎传递给 UV鄄B非辐射端,诱导其升高紫
外吸收物含量,抵抗 UV鄄B 对植株的伤害,克隆植物
生理整合使植物资源利用最大化,它用防御整合代
替资源整合,从而使植物整体适合度提高。
4摇 结论
总之,异质性 UV鄄B 辐射下,克隆植物白三叶生
理整合存在,但整合强度降低,且 UV鄄B 辐射与 N 同
位素标记是否处于同一端对结果无影响,验证了前
面提出的假设 1。 在生理整合过程中,白三叶克隆分
株发生了形态结构特化,这和假设 2 一致,克隆植株
内部出现了劳动分工,更加利于植物获取逆境中的
资源,这可能与风险分摊相关。 由于 UV鄄B辐射对植
物的生长过程有一定的伤害效应,植物产生紫外吸
收物抵抗 UV鄄B辐射的伤害,紫外吸收物在 UV鄄B 辐
射胁迫端和 UV鄄B辐射非胁迫端克隆分株间分享,使
人们对克隆植物生理整合有了更进一步的认识,克
隆植物生理整合不仅包括资源生理整合,也包括防
御性生理整合(和假设 3 一致),形态结构功能也发
生了特化。 处于 UV鄄B 辐射胁迫端的克隆分株在
UV鄄B 辐射这一逆境胁迫下,倾向于“自保冶,提高自
身光合同化能力,产生更多的光合同化产物,使整个
克隆植株获益。
References:
[ 1 ] 摇 Alpert P, Mooney H A. Resource sharing among ramets in the
clonal herb, Fragaria chiloensis. Oecologia, 1986, 70 ( 2 ):
227鄄233.
[ 2 ] 摇 Mashall C. Source鄄sink relations of interconnected ramets / / van
Groenendael J, de Kroon H. Clonal Growth in Plants: Regulation
and Function. The Hague: SPB Academic Publishing, 1990:
23鄄42.
[ 3 ] 摇 Dong M. Clonal growth in plants in relation to resource
heterogeneity: foraging behavior. Acta Botanica Sinica, 1996, 38
(10): 828鄄835.
[ 4 ] 摇 Wijesinghe D K, Hutchings M J. Patchy habitats, division of
labour and growth dividends in clonal plants. Trends in Ecology
and Evolution, 1997, 12(10): 390鄄394.
[ 5 ] 摇 Saitoh T, Seiwai K, Nishiwaki A. Effects of resource
heterogeneity on nitrogen translocation within clonal fragments of
Sasa palmata: an isotopic ( 15N) assessment. Annals of Botany,
2006, 98(3): 657鄄663.
[ 6 ] 摇 Brewer J S, Bertness M D. Disturbance and intraspecific variation
in the clonal morphology of salt marsh perennials. Oikos, 1996,
77(1): 107鄄116.
[ 7 ] 摇 Yu F H, Dong M, Zhang C Y. Intraclonal resource sharing and
functional specialization of ramets in response to resource
heterogeneity in three stoloniferous herbs. Acta Botanica Sinica,
2002, 44(4): 468鄄473.
[ 8 ] 摇 Chen J S, Lei N F, Dong M. Clonal integration improves the
tolerance of Carex praeclara to sand burial by compensatory
response. Acta Oecologica, 2010, 36(1): 23鄄28.
[ 9 ] 摇 Caldwell M M, Pearce R P. Exploitation of Environmental
Heterogeneity by Plants: Ecophysiological Processes Above鄄and
Belowground. San Diego: Academic Press, 1994: 106鄄123.
[10] 摇 Roiloa S R, Retuerto R. Responses of the clonal Fragaria vesca to
microtopographic heterogeneity under different water and light
conditions. Environmental and Experimental Botany, 2007, 61:
1鄄9.
[11] 摇 Zhang L L, He W M. Consequences of ramets helping ramets: No
damage and increased nutrient use efficiency in nurse ramets of
Glechoma longituba. Flora, 2009, 204(3): 182鄄188.
[12] 摇 Salzman A G, Parker M A. Neighbors ameliorate local salinity
stress for a rhizomatous plant in a heterogeneous environment.
Oecologia, 1985, 65(2): 273鄄277.
[13] 摇 D忆Hertefeldt T, van der Putten W H. Physiological integration of
the clonal plant Carex arenaria and its response to soil鄄Borne
pathogens. Oikos, 1998, 81(2): 229鄄237.
[14] 摇 Jiang X Y, Zhao K F. Mechanism of heavy metal injury and
resistance of plants. Chinese Journal of Applied and
Environmental Biology, 2001, 7(1): 92鄄99.
[15] 摇 Roiloa S R, Retuerto R. Physiological integration ameliorates
effects of serpentine soils in the clonal herb Fragaria vesca.
Physiologia Plantarum, 2006, 128(4): 662鄄676.
[16] 摇 Li Q, Liu X, Yue M, Tang W T, Meng Q C. Response of
4753 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
physiological integration in Trifolium repens to heterogeneity of
UV鄄B radiation. Flora, 2011, 206(8): 712鄄719.
[17] 摇 Li Q, Liu X, Yue M, Zhang X F, Zhang R C. Effects of
physiological integration on photosynthetic efficiency of Trifolium
repens in response to heterogeneity of UV鄄B radiation.
Photosynthetica, 2011, 49(4): 539鄄545.
[18] 摇 Bassman J H, Edwards G E, Robberecht R. Long鄄term exposure
to enhanced UV鄄B radiation is not detrimental to growth and
photosynthesis in Douglas鄄fir. New Phytologist, 2002, 154(1):
107鄄120.
[19] 摇 Caldwell M M, Bornman J F, Ballar佴 C L, Flint S D,
Kulandaivelu G. Terrestrial ecosystems, increased solar ultraviolet
radiation, and interactions with other climate change factors.
Photochemical and Photobiological Sciences, 2007, 6 ( 3 ):
252鄄266.
[20] 摇 Madronich S, McKenzie R L, Bj觟rn L O, Caldwell M M.
Changes in biologically active ultraviolet radiation reaching the
Earth忆 s surface. Journal of Photochemistry Photobiology B:
Biology, 1998, 46(1 / 3): 5鄄19.
[21] 摇 Weijsched佴 J, Mart侏nkov佗 J, de Kroon H, Huber H. Shade
avoidance in Trifolium repens: costs and bene覱ts of plasticity in
petiole length and leaf size. New Phytologist, 2006, 172 ( 4):
655鄄666.
[22] 摇 H觟gberg P. Tansley Review No. 95: 15N natural abundance in
soil鄄plant systems. New Phytologist, 1997, 137(2): 179鄄203.
[23] 摇 Hirose T, Izuta T, Miyake H, Totsuka T. A stomatal impression
method using a fast鄄sticking adhesive. Japanese Journal of Crop
Science, 1992, 61(1): 159鄄160.
[24] 摇 Li H S. The Theory and Technology of Plant Physiology and
Biochemistry. Beijing: Higher Education Press, 2000: 130鄄132.
[25] 摇 Day T A, Martin G, Vogelmann T C. Penetration of UV鄄B
radiation in foliage: evidence that the epidermis behaves as a non鄄
uniform filter. Plant Cell and Environment, 1993, 16 ( 6 ):
735鄄741.
[26] 摇 Colvill K E, Marshall C. Tiller dynamics and assimilate
partitioning in Lolium perenne with particular reference to
flowering. Annals of Applied Biology, 1984, 104(3): 543鄄557.
[27] 摇 Wang Y S, Hong R M, Huang D M, Teng X H, Li Y S, Masae
S, Miki N. The translocation of photosynthate between clonal
ramets of Leym us chinensis population. Acta Ecologica Sinica,
2004, 24(5): 900鄄907.
[28] 摇 Cullen B R, Chapman D F, Quigley P E. Carbon resource
sharing and rhizome expansion of Phalaris aquatica plants in
grazed plastures. Functional Plant Biology, 2005, 32(1): 79鄄85.
[29] 摇 Pan J J, Clay K. Epichlo觕 glyceriae infection affects carbon
translocation in the clonal grass Glyceria striata. New Phytologist,
1994, 164(3): 467鄄475.
[30] 摇 Price E A C, Hutchings M L. The causes and developmental
effects of integration and independence between different parts of
Glechoma hederacea clones. Oikos, 1992, 63(3): 376鄄386.
[31] 摇 He T, Wu X M, Jia J F. Research advances in morphology and
anatomy of alpine plants growing in the Qinghai鄄Tibet Plateau and
their adaptations to environments. Acta Ecologica Sinica, 2007,
27(6): 2574鄄2583.
[32] 摇 Wang N, Yu F H, Li P X, He W M, Liu F H, Liu J M, Dong
M. Clonal integration affects growth, photosynthetic efficiency and
biomass allocation, but not the competitive ability, of the alien
invasive Alternanthera philoxeroides under severe stress. Annals of
Botany, 2008, 101(5): 671鄄678.
[33] 摇 Gilmore A M. Mechanistic aspects of xanthophyll cycle鄄dependent
photoprotection in higher plant chloroplasts and leaves.
Physiologia Plantarum, 1997, 99(1): 197鄄209.
[34] 摇 Groom Q J, Baker N R. Analysis of light鄄induced depressions of
photosynthesis in leaves of a wheat crop during the winter. Plant
Physiology, 1992, 100(3): 1217鄄1223.
[35] 摇 Epron D, Dreyer E, Br佴da N. Photosynthesis of oak trees
[Quercus petraea ( Matt.) Liebl.] during drought under field
conditions: diurnal course of net CO2 assimilation and
photochemical efficiency of photosystem 域. Plant, Cell and
Environment, 1992, 15(7): 809鄄820.
[36] 摇 Larsson E H, Bornman J F, Asp H. Influence of UV鄄B radiation
and Cd2+ on chlorophyll fluorescence, growth and nutrient content
in Brassica napus. Journal of Experimental Botany, 1998, 49
(323): 1031鄄1039.
[37] 摇 Briantais J M, Vernotte C, Krause G H, Weis E. Chlorophyll a
fluorescence of higher plants: chloroplasts and leaves / /
Govindjee A J, Fork D C. Light Emission by Plants and Bacteria.
New York: Academic Press, 1986: 573鄄577.
[38] 摇 Kalbin G, Ohlsson A B, Berglund T, Rydstr觟m J, Strid A.
Ultraviolet鄄B鄄radiation鄄induced changes in nicotinamide and
glutathione metabolism and gene expression in plants. European
Journal of Biochemistry, 1997, 249(2): 465鄄472.
[39] 摇 Strid A, Chow W S, Anderson J M. UV鄄B damage and protection
at the molecular level in plants. Photosynthesis Research, 1994,
39(3): 475鄄489.
[40] 摇 Hofmann R W, Swinny E E, Bloor S J, Markham K R, Ryan K
G, Campbell B D, Jordan B R, Fountain D W. Responses of nine
Trifolium repens L. populations to Ultraviolet鄄B radiation:
differential flavonol glycoside accumulation and biomass
production. Annals of Botany, 2000, 86(3): 527鄄537.
参考文献:
[ 3 ] 摇 董鸣. 资源异质性环境中的植物克隆生长: 觅食行为. 植物学
报, 1996, 38(10): 828鄄835.
[14] 摇 江行玉, 赵可夫. 植物重金属伤害及其抗性机理. 应用与环境
生物学报, 2001, 7(1): 92鄄99.
[24] 摇 李合生. 植物生理生化实验原理和技术. 北京: 高等教育出版
社, 2000: 130鄄132.
[27] 摇 王昱生, 洪锐民, 黄大明, 滕小华, 李月树, 盐见正卫, 中村
未树. 羊草种群克隆分株之间光合产物的转移. 生态学报,
2004, 24(5): 900鄄907.
[31] 摇 何涛,吴学明,贾敬芬. 青藏高原高山植物的形态和解剖结构
及其对环境的适应性研究进展. 生态学报, 2007, 27( 6):
2574鄄2583.
5753摇 13期 摇 摇 摇 李倩摇 等:UV鄄B辐射方向对白三叶克隆整合的影响 摇