论文推荐 || 本刊编委会副主任委员汪贵斌教授团队研究雌雄银杏对温度变化的形态和生理响应

关键词：银杏；雌雄株；温度；叶形态；光合特性；代谢指标

基金项目：国家自然科学基金项目(31971689)。

引文格式：伍长风, 国靖, 汪贵斌. 雌雄银杏对温度变化的形态和生理响应[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2024, 48(4): 150-158.WU C F, GUO J, WANG G B. Morphological and physiological responses of male and female Ginkgo biloba to temperature changes[J]. Journal of Nanjing Forestry University(Natural Science Edition), 2024, 48(4): 150-158 DOI:10.12302/j.issn.1000-2006.202209064.

通过中国气象数据网(http://data.cma.cn/)和ClimateAP软件(2.03版)获取1980—2010年银杏高适生区的气象数据，在前人根据立地条件进行过生态位模型验证研究的试验点，筛选出年均气温具有明显梯度且其他气象指标差异较小的5个地点，分别为辽宁丹东、江苏大丰、湖北安陆、四川宜宾和云南文山。于2021年9月(银杏的商业采摘时期)进行实地踏查，选取自然生长且超过10 a没有人为管理的实生银杏林，树龄为20~30 a。每个样地分别随机选取长势健康、枝叶繁茂的雌雄大树24株，同时测量记录各样地的地理气候因子(表1)。

采样过程分两组同时在不同的地点以缩短各地测量与采样间隔，一组于2021年9月12—17日在丹东、大丰与安陆；另一组于2021年9月12—15日在宜宾和文山采样及测量。

树高和胸径分别用布鲁莱斯测高器和胸径尺测量。叶面积的测定是将测量光合数据时剪下的枝条中1、2年生枝上的叶片带回实验室，用万深LA-S植物图像分析仪测量。叶上表皮细胞厚度和叶片厚度通过以福尔马林-乙酸-乙醇(FAA)和戊二醛为固定液，在每个测过光合数据的叶片上制作一个5 mm×5 mm的切片，带回实验室每棵树随机挑选3个切片用电子显微镜观察。

光合指标胞间CO₂浓度(Ci)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率使用美国PP Systems公司CIRAS-3便携式光合仪测量。测量时间为晴天上午8:00—11:30。剪取大树中部向阳面的枝条，立即插入水中,在末端当年生枝条上挑选3片长势较好的叶片测量光合指标。每棵树优先剪1个枝条测量，对所有树完成剪枝测量后，再重复此操作，共重复3次。

样本材料为剪取的大树枝条上的全部叶片，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法，总黄酮、萜内酯和聚戊烯醇测定采用索氏提取法，多糖测定采用硫酸-苯酚法；多酚测定采用Folin-Ciocalteu法。

使用Excel 2022和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析和图表制作，采用双因素方差分析法和Duncan法进行多重比较。

雌株银杏树高随年均气温的升高逐步提高，雄株树高在14.4 ℃时有所降低(图1a)。雌、雄株胸径均在气温为9.8 ℃~18.0 ℃缓慢增加,在18.0~19.8 ℃时胸径下降，在气温为19.8 ℃时胸径最小(图1b)。雌株单叶面积随温度增加而增加,雄株有较大波动(图1c)。叶上表皮细胞厚度随温度升高先降低再上升，雄株和雌株分别在16.3 ℃和14.4 ℃时达到最低值(图1d)。雌株叶片厚度随温度升高先上升再降低，雌雄株均在16.3 ℃时达到最高(图1e)。雄株的单叶面积大于雌株，树高、胸径、叶片厚度和叶上表皮细胞厚度受性别影响不大(表2)。方差分析表明,树高和单叶面积在性别和温度间均有显著差异(P<0.05)。温度对胸径、叶上表皮细胞厚度和叶片厚度也有显著影响(P<0.05)。温度对胸径、叶上表皮细胞厚度和叶片厚度的影响大于性别(表2)。

雌雄株的胞间CO₂浓度(Ci)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和雄株的蒸腾速率(Tr)4个光合指标随年均气温的变化趋势大体相似(图2)，均在9.8~18.0 ℃时先降后升。雄株的Gs和Tr及雌株的Gs均在18.0 ℃达到最高值；18.0 ℃时，雌株Ci和Pn为最高值，雄株的Ci和Pn接近最高值。雌雄株的Gs、Ci和Tr均在19.8 ℃时达到或接近最低值。雄株光合指标的数据离散程度明显小于雌株。从双因素方差分析结果来看，光合指标均受温度有极显著影响(P<0.001)；Pn受性别差异影响较小，另外3个指标雌株要优于雄株。温度和性别的互作对Pn有显著影响，对Ci、Gs与Tr有极显著影响(表3)。

温度对总黄酮、萜内酯和聚戊烯醇含量都有影响(图3)，总黄酮含量随温度升高而降低，雄株比雌株降低得更快；萜内酯含量和聚戊烯醇含量随温度升高而增加。雄株总黄酮含量在9.8和16.3 ℃时高于雌株；萜内酯含量在18.0 ℃时雄株高于雌株，而在19.8 ℃时雌株高于雄株；聚戊烯醇含量在9.8、14.4和19.8 ℃时雌株高于雄株，而在18.0 ℃时雄株高于雌株。由方差分析表明，温度对总黄酮含量、萜内酯含量和聚戊烯醇含量都有极显著影响(P<0.001)，性别对总黄酮含量有极显著影响(P<0.01)。温度对黄酮等3个代谢指标的影响显著大于性别,温度和性别的交互作用对总黄酮含量有显著影响(P<0.05)，对萜内酯和聚戊烯醇有极显著影响(表4)。

多酚含量随温度的升高而下降，雄株在18.0 ℃时有小幅度上升；多糖含量随温度升高明显降低，雌株在19.8 ℃时回到与9.8 ℃同一水平，雄株含量下降的幅度远大于雌株；两种性别银杏的可溶性糖含量都随温度升高而降低。在9.8和18.0 ℃时，雄株叶片多酚含量高于雌株；雄株的多糖含量在9.8、16.3和19.8 ℃的环境中都高于雌株；雄株的可溶性糖含量总体上高于雌株。由方差分析表明，温度对多酚、多糖和可溶性糖含量都有极显著影响(P<0.001)。性别对多酚、多糖含量也达到了极显著影响(P<0.001)。温度与性别对多酚含量和多糖含量有极显著的交互作用,而对可溶性糖含量没有显著交互作用(表5)。

气候对植物的生长有诸多影响，同时气候与植物营养性状的关系要比生殖性状更紧密。有研究表明植物的比叶面积和叶干物质含量都与当地平均最低气温显著相关。徐友对1年生盆栽银杏苗的研究表明，短期温度变化对银杏地径有显著影响，但随着时间延长，温度对苗高和地径的影响不再显著。本研究通过对自然生长的成年银杏研究发现，不同温度条件对银杏树高和胸径都有显著影响，树高随温度升高显著增加，可见长期处于不同的年均气温环境下，对银杏的径向和横向生长都会产生较大影响，与对盆栽苗的研究结果相比有很大差异。胸径在最高气温时出现最小值，推测是因为年均气温19.8 ℃已非银杏生长的适宜温度，进而对银杏生长产生负面影响。方差分析表明，性别对银杏树高和叶面积有显著影响，此前在相似的立地环境下对嫁接幼苗的研究表明,受温度影响时雌株在一些生长性状上要比雄株表现好一些，而本研究在各种年均气温环境中，雄株的树高和叶面积表现都优于雌株，从嫁接幼苗到实生大树的这一变化，值得在后续研究中进一步探索。

光合作用是植物获取物质和能量的基础。叶片自身各结构会对环境变化作出相应的响应，叶上表皮细胞受环境温度变化直接作用，其厚度对蒸腾速率有显著影响，叶片厚度是影响光合速率的重要指标。本研究中叶上表皮细胞厚度与蒸腾速率、叶片厚度与净光合速率对温度变化的响应基本一致。高光合速率主要出现在植物最适宜的温度条件下，低温和高温的逆境条件都会降低植物光合速率和气孔导度，葡萄在45 ℃的高温胁迫下，由于气孔的关闭，光合速率比在25 ℃时低了60%。本研究中光合指标都受到温度的显著影响，年均气温19.8 ℃时光合指标表现都很差，但是Ci和Gs的变化始终保持着一致性，表明气孔参与了Pn的调节，推测此条件下的银杏在夏季高温时应处于胁迫状态，生长形态发育不充分,气孔导度过低进而影响了光合的进行。18 ℃时雌雄银杏的光合速率都达到较高水平,表明年均气温18 ℃在本实验设置的气候条件下是最适宜银杏生长的。光合指标除了受到气温的显著影响,也受到性别的影响，本研究中，雌株的Ci、Gs和蒸腾速率都显著高于雄株,雌株的光合数据离散程度更大一些,各光合指标变异系数比雄株高2.7%~10.7%，所以尽管雌雄银杏的光合情况都会随着年均气温变化，但是雄株更加稳定。

黄酮是银杏多酚的一种，它和萜内酯是银杏叶片主要有效成分，也是银杏叶片主要的目标代谢产物，在银杏的多个生长进程中发挥着重要作用。本试验以累年年均气温为因子发现温度低于14.4 ℃时，随气温升高黄酮含量急剧下降，高于14.4 ℃以后下降幅度明显减小，表明相对低温有利于总黄酮含量的积累，此时黄酮合成关键酶活性会显著提高。前人的研究发现聚戊烯醇含量跟叶片厚度、不同部位、季节和树龄等都存在一定的关系，但有关聚戊烯醇对温度变化的响应机制还鲜见报道，本研究发现聚戊烯醇含量受年均气温的正相关影响。方差分析表明不同性别银杏受气温影响时总黄酮含量变化有显著差异，对萜内酯和聚戊烯醇没有显著影响，与郁丹红等研究结果存在区别，其研究表明银杏黄酮和萜内酯含量不存在性别差异，可能是由于他们的银杏样本树龄差异较大，而银杏黄酮本身就受树龄影响显著。

多酚和多糖广泛分布于银杏的根、茎、叶中，具有很强的抗氧化、抗衰老作用。本研究多酚含量在年均气温9.8 ℃时达到最高，其他温度时雌雄银杏多酚含量都维持在一个相对较低的水平，表明较低的温度有利于多酚的积累，因为温度变化对多酚代谢的关键酶活性产生了影响，适当低温时苯丙氨酸酶(PAL)等酶的活性显著增加，从而进一步影响了多酚含量。本研究表明多糖含量受温度影响极显著，并且轻微的温度胁迫会增加多糖的含量，与前人研究结果一致。研究还发现在各温度条件下雄株的多糖含量比雌株要高。可溶性糖是光合作用的主要产物，在植物抗逆等方面发挥着主要作用。本研究结果显示，银杏叶可溶性糖含量随温度升高呈下降趋势，雄株的可溶性糖含量高于雌株，说明雄株的同化作用受温度影响更大，把更多的物质与能量用于抵御环境变化的影响，从而保持自身生长代谢的相对稳定。此外本研究中银杏叶黄酮含量与可溶性糖含量正相关，推测是因为可溶性糖是黄酮类化合物合成的前提。

综合来看，在适生条件下随年均气温的升高，银杏叶面积、树高和胸径逐渐增加，叶上表皮细胞厚度和叶片厚度的变化与光合指标的变化对应，萜内酯和聚戊烯醇含量增加，但总黄酮、多酚、多糖和可溶性糖含量降低，表明一定程度的升温有利于银杏的生长和光合作用，提高萜内酯和聚戊烯醇等主要代谢产物的含量，但不利于抗氧化代谢产物的积累。同地区雄株树高、叶面积、总黄酮、多酚、多糖和可溶性糖含量均显著高于雌株。

银杏对温度有较强的适应能力，年均降水量为990~1 200 mm条件下，银杏在累年年均气温9.8~19.8 ℃的范围内均可自然生长。实生成年银杏能根据不同的温度条件，调整生长和叶形态特性、光合策略以及代谢产物的含量来保证个体的正常生长，在本研究区域覆盖的累年年均气温范围内，16.3~18.0 ℃是最适宜银杏生长的环境温度。雌雄株对温度的适应能力不同，野外条件下雄株对温度变化的适应能力强于雌株。本研究为揭示银杏对气温的适应机制提供了一定理论依据，但自然条件下影响银杏生长的因素还有很多，比如土壤组成、种植密度等，还有待于后续进一步深入研究。