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黄精Polygonatum spp.的干燥根茎是常用的一味中药[1]，具有补气养阴、健脾、益肾等功效，临床常用于脾胃气虚、胃阴不足、精血不足、腰膝酸软等证[2−3]。现代研究发现：黄精含有多糖、甾体皂苷、木质素等多种化合物，其中黄精多糖被认为是黄精主要的活性成分，可清除自由基，延缓衰老，降低血乳酸，缓解疲劳等。黄精多糖的降血糖和抗炎等多种作用相互协作，为研究治疗糖尿病提供了较好的思路。黄精药性平和，不仅具有多种药理作用，还有一定滋补作用，故在复方汤剂以及中成药的守正创新中具有较好的应用前景[4−5]。另外，黄精因具有独特风味和较好的口感，已被开发出多种保健食品，如黄精药膳、黄精酒、黄精饮料、黄精酸奶等[6]。随着大健康产业的发展，黄精保健食品的复合开发具有极大的市场潜力。
黄精品种多，适应能力强，分布广[7]。黄精遗传多样性保护与优良品种选育可以提高黄精品质与产量，促进黄精产业高质量发展。叶钱等[8]对多花黄精P. cyrtonema有效成分与主要环境因子的相关性进行研究，发现不同种源的多花黄精化学成分存在差异，这为进一步探讨黄精品质与环境因素之间关系提供了理论依据。
相关序列扩增多态性(SRAP)分子标记技术在植物遗传多样性方面研究应用较多，但在药用植物应用较少，如何首乌[9]。另有研究表明：SRAP分子技术能较好地用于铁皮石斛Dendrobium officinale品种亲缘关系的研究[10]，但此技术尚未见用于黄精遗传多样性分析。与之前研究使用的简单重复序列SSR多态位点分析方法[11]、多态性分子标记(SCoT)方法[12]和简单序列间重复(ISSR)分子标记方法[13]、叶绿体基因联合序列分析[14]等技术相比，SRAP分子标记技术以基因的开放阅读框 (open reading frames，ORFs)的特定区域进行扩增，具有简单、可靠、共显性高等特点[15]。本研究采用SRAP分析技术对华东、西北、华中、西南4个居群47份黄精种质资源的遗传多样性进行研究，为黄精的遗传多样性与优良品种选育研究提供依据，以更好地保护和开发黄精种质资源。
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收集华东居群(浙江省、福建省、安徽省、江西省)，西北居群(河北省、陕西省)，华中居群(湖南省)，西南居群(四川省、贵州省、云南省)的黄精干燥叶片，共47份种质资源，各种质资源位置信息如表1所示。样品采集后置于密封袋中干燥保存，经浙江省亚热带作物研究所陶正明研究员鉴定后为多花黄精、长梗黄精P. filipes、黄精P. sibiricum、滇黄精P. kingianum。
表 1 黄精种质采集信息
Table 1. Collected information of Polygonatum spp.
编号 采样点 样品数 基源 北纬(N) 东经(E) 海拔/m 居群 ZJTS1 浙江省温州市泰顺县竹里畲族乡 1 多花黄精P. cyrtonema 27.70° 119.79° 229 华东 ZJCA2~3 浙江省杭州市淳安县里商乡 2 多花黄精P. cyrtonema 29.50° 118.95° 169 华东 ZJYJ4 浙江省温州市永嘉县岩头镇 1 多花黄精P. cyrtonema 28.44° 120.79° 919 华东 ZJJD5 浙江省杭州市建德市寿昌镇 1 多花黄精P. cyrtonema 29.43° 119.15° 300 华东 ZJOH6 浙江省温州市瓯海区景山街道 1 多花黄精P. cyrtonema 28.00° 120.64° 10 华东 ZJYQ7 浙江省温州市乐清雁荡山风景区 1 多花黄精P. cyrtonema 28.39° 121.06° 123 华东 ZJQY8~14 浙江省丽水市庆元县荷地镇 7 多花黄精P. cyrtonema 27.59° 119.24° 943 华东 ZJSY15 浙江省丽水市松阳县玉岩镇 1 长梗黄精P. filipes 28.41° 119.25° 606 华东 ZJSY16~17 浙江省丽水市松阳县玉岩镇 2 多花黄精P. cyrtonema 28.41° 119.25° 145 华东 ZJLQ18~20 浙江省丽水市龙泉市城北乡 3 多花黄精P. cyrtonema 28.30° 119.08° 671 华东 ZJJN21~22 浙江省丽水市景宁畲族自治县东坑镇 2 多花黄精P. cyrtonema 27.89° 119.69° 1190 华东 HBBD23~24 河北省保定市易县塘湖镇 2 黄精P. sibiricum 39.16° 115.36° 103 西北 FJZH25~26 福建省南平市政和县杨源乡 2 多花黄精P. cyrtonema 27.16° 119.02° 519 华东 FJFZ27 福建省福州市鼓岭旅游度假区 1 多花黄精P. cyrtonema 26.06° 119.40° 789 华东 SXLT28 陕西省西安市临潼区斜口街道 1 多花黄精P. cyrtonema 34.36° 109.19° 454 西北 HNAH29~32 湖南省益阳市安化县江南镇 4 多花黄精P. cyrtonema 28.35° 111.43° 149 华中 SCBZ33~34 四川省巴中市南江县南江镇 2 多花黄精P. cyrtonema 31.25° 106.45° 441 西南 GZTR35~36 贵州省铜仁市印江自治县杨柳镇 2 多花黄精P. cyrtonema 27.74° 108.49° 1394 西南 YNDG37~40 云南省昭通市大关县翠华镇 4 多花黄精P. cyrtonema 27.75° 103.89° 2611 西南 AHQM41~42 安徽省黄山市祁门县芦溪乡 2 多花黄精P. cyrtonema 29.68° 117.57° 487 华东 JXWY43~44 江西省上饶市婺源县珍珠山乡 2 多花黄精P. cyrtonema 29.19° 117.51° 183 华东 YNPE45~47 云南省普洱市镇沅自治县者东镇 3 滇黄精P. kingianum 24.00° 101.30° 1280 西南 -
将150~450 mg叶片于液氮下研成粉末，采用杭州莱枫生物科技有限公司的plant DNAzol试剂，逐一提取DNA后用核酸蛋白分析仪测定其质量浓度及质量分数，均稀释至20 mg·L−1，于−20 ℃保存待用。
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PCR反应体系参照文献[16]。具体为：12.5 μL 2×预混型Taq酶，1.0 μL浓度为10 mmol·L−1的引物，模板DNA 40~60 ng，补水至25.0 μL。扩增程序为：预变性94 ℃ 5 min；变性94 ℃ 30 s，退火52 ℃ 30 s，延伸72 ℃ 2 min，35个循环后结束。72 ℃延伸7 min，4 ℃保存。电泳方法：反应产物5.0 μL，质量分数为1.2%聚丙烯酰胺凝胶电泳，5×TBE 缓冲液，150 V 跑胶 40 min，结束后凝胶成像系统拍照留存。
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由SRAP-PCR电泳结果获得0/1矩阵。使用PopGene version 1.32进行数据分析，计算多态位点百分率(PPB)、等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、Nei’s基因多样性指数(H)、Shannon’s多态性信息指数(I)、Nei’s基因分化系数(Gst)、居群总基因多样性(Ht)、居群内基因多样性(Hs)、基因流(Nm)；使用Ntsys-PC 2.1进行非加权组平均法(UPGMA)聚类分析。
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88对SRAP引物中筛选出7对扩增条带清晰且多态性明显的SRAP引物。引物序列见表2。47份样品共检测到159条扩增条带，其中140条为多态性条带，PPB为88.05%。引物ME4/em3扩增条带数最多，但其多态率最低，为68.29%。而引物ME5/em9、ME6/em4两者多态性条带数与扩增条带数量一致，多态率为100.00%(表3，图1)。
表 2 SRAP引物序列
Table 2. Primer sequences for SRAP
引物名称 ME引物序列(5′→3′) em引物序列(5′→3′) ME2/em9 TGAGTCCAAACCGGAGC GACTGCGTACGAATTCGA ME4/em3 TGAGTCCAAACCGGACC GACTGCGTACGAATTGAC ME4/em11 TGAGTCCAAACCGGACC GACTGCGTACGAATTCCA ME5/em9 TGAGTCCAAACCGGAAG GACTGCGTACGAATTCGA ME6/em4 TGAGTCCAAACCGGTAA GACTGCGTACGAATTTGA ME8/em4 TGAGTCCAAACCGGTGC GACTGCGTACGAATTTGA ME8/em9 TGAGTCCAAACCGGTGC GACTGCGTACGAATTCGA 表 3 SRAP引物组合的扩增结果
Table 3. Amplification results of combinated SRAP primers
引物名称 扩增条带数/条 多态性条带数/条 PPB/% 条带大小/bp ME2/em9 23 23 100.00 100~2 000 ME4/em3 41 28 68.29 100~2 000 ME4/em11 17 16 94.12 100~2 000 ME5/em9 19 19 100.00 100~2 000 ME6/em4 19 19 100.00 100~2 000 ME8/em4 17 14 82.35 100~2 000 ME8/em9 23 21 91.30 100~2 000 总计 159 140 88.05 
图 1 引物ME5/em9和ME6/em4对47份黄精种质资源总DNA的扩增结果
Figure 1. Amplification results of total DNA based on primer ME5/em9 and ME6/em4 from 47 samples of Polygonatum spp.
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物种水平上黄精PPB为88.05％，H为0.259 8±0.166 9，I为0.401 0±0.227 2 (表4)，表明黄精有较高的遗传多样性和遗传变异度。居群水平上， Na为1.421 4~1.861 6，平均值为1.600 6；Ne为1.276 1~1.421 2，平均值为1.343 6；H为0.188 1~0.259 1，平均值为0.204 1；I为0.238 2~0.399 4，平均值为0.308 0；PPB为42.14%~86.16%(表4)，从高到低依次是华东居群、西南居群、华中居群、西北居群，表明华东居群遗传多样性丰富，遗传变异度较高。4个黄精居群之间的Ht为0.253 3±0.029 4， Hs为0.204 1±0.020 1，基因分化系数Gst为0.194 1，即居群间遗传变异占居群遗传变异的19.41%，80.59%的遗传变异在居群内进行；种群间的遗传分化系数基因流Nm为2.075 4，表明居群间存在一定的基因流动。
表 4 黄精居群遗传多样性
Table 4. Genetic diversity of Polygonatum spp.
居群 Na Ne H I PPB/% 华东(HD) 1.861 6±0.346 4 1.421 2±0.325 1 0.259 1±0.167 1 0.3994±0.2291 86.16 西北(XB) 1.421 4±0.495 3 1.276 1±0.366 2 0.160 6±0.198 4 0.2382±0.2876 42.14 华中(HZ) 1.522 0±0.500 1 1.318 2±0.363 8 0.188 1±0.197 1 0.2819±0.2850 52.20 西南(XN) 1.597 5±0.492 0 1.358 8±0.381 1 0.208 7±0.201 3 0.3123±0.2860 59.75 居群水平 1.600 6 1.343 6 0.204 1 0.3080 60.06 物种水平 1.880 5±0.325 4 1.422 6±0.325 7 0.259 8±0.166 9 0.4010±0.2272 88.05 说明：华东种质资源数29个；西北种质资源数3个；华中种质资源数4个；西南种质资源数11个。 -
对样品个体进行聚类分析(图2)，47份黄精种质资源的遗传相似系数为0.63~0.84。当相似系数为0.63，浙江泰顺种质资源单独聚为一类，表明此种质资源与其他黄精种质资源的遗传距离较远。当相似系数为0.66，聚为4类，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 类为浙江部分种质资源单独聚类，表明这些地区的黄精种质资源在亲缘关系上比较接近，可能与引种有关。当相似系数为0.68时，Ⅱ类分聚为2支，华东地区的安徽、江西与浙江龙泉、庆元、松阳部分种质资源以及少数华中居群聚为一支，另一支为华东地区的浙江景宁、庆元和松阳部分种质资源与多数华中、西南、西北居群聚类，西北居群与西南居群虽然地理差异大，但黄精种质资源之间的遗传距离相差并不大，种质资源之间亲缘关系较近，可能与黄精引种栽培有关。庆元地区是黄精种植开始较早的地方，因此种质引进种植比较多样，所以采集数量最多。由图2可以看出，庆元7份种质资源分别聚为4类：ZJQY8和ZJQY13与ZJSY15、ZJLQ18~20、AHQM41~42、JXWY43~44以及HNAH32聚为一类；ZJQY11与ZJYQ7聚为一类；ZJQY14与ZJCA2~3、ZJOH6聚为一类；ZJQY9~10和ZJQY 12与部分华东、华中以及西北、西南种质资源聚为一大类，遗传多样性丰富。
图 2 基于SRAP的黄精种质资源UPGMA分析聚类图
Figure 2. UPGMA dendrogram of Polygonatum spp. based on SRAP
对4个居群的种质资源进行聚类，遗传相似系数为0.90~0.97 (图3)。相似系数为0.90时，可分为2类，华东居群、西南居群与华中居群聚为一类，西北居群单独为一类。
图 3 基于SRAP的黄精居群UPGMA分析聚类图
Figure 3. UPGMA dendrogram of Polygonatum spp. populations based on SRAP
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遗传多样性是生物多样性的核心，是物种保持进化潜能的基本条件，也是优良品种选育的主要依据[17]。本研究采用SRAP分子标记技术对47份黄精种质资源进行分析，多态性比率为88.05％，表明黄精遗传多样性丰富，其中华东居群遗传多样性相对其他地区更丰富一些。推测有2种原因：一是与地区采样量有关，二是华东地区黄精种质资源以多花黄精为主。多花黄精遗传多样性高于黄精[18]。相对于SRAP分子标记方法，使用ISSR方法，对福建多花黄精与长梗黄精多态性比率可达100%，使用SCoT分子标记技术，多态性比率可达为99.6%[12−13]。从多态位点来看，另外2种标记方法优于SRAP技术。物种或者居群的遗传多样性越高，对环境变化的适应能力就越强。在本研究中，华东居群整体上遗传多样性高，与朱巧等[19]的研究结果相反。他们对60份黄精种质资源进行SSR分子标记分析，其结果为西部地区黄精种质资源遗传多样性最高，与黄精属起源中心为西南地区染色体基数较高有关，但结合居群聚类结果，华东与西南遗传相似系数最近，且聚为一类。这可能是因为黄精自西南引种之后，在华东地区对环境变化的适应力较强，保留了一定的遗传多样性，所以华东地区在黄精遗传多样性保护以及优良品种选育方面有一定的地理优势，可充分利用以促进黄精产业高质量发展。
遗传分化是指遗传多样性在居群内和居群间的分布[20]。本研究47份黄精资源的Gst 为0.194 1，表明80.59%的遗传分化发生在居群内，19.41%的遗传分化存在于居群间，居群内有较高的遗传分化。这一结果与籍蓉蓉[21]对安徽省多花黄精遗传变异研究结果一致，居群内变异要大于居群间变异。基因流大于1时，表明居群间有一定程度的基因交流。本研究中黄精基因流Nm 为 2.075 4，表明不同居群间存在一定的基因交流。黄精可自花授粉，也可借助昆虫等媒介进行异花授粉。对各种质资源的聚类分析发现：华东居群有较高的遗传多样性，这可能与引种其他地区黄精种质资源有关，引种在同一地区增加了不同居群间的基因交流，从而提高了黄精遗传多样性。
遗传距离能判断种质资源间遗传关系远近。云南普洱和贵州铜仁采集的黄精种质资源都有最小的遗传距离，遗传相似度高，亲缘关系较近，与刘新等[22]研究结果一致，相同或相近地区种质资源基本聚在一起，可能与黄精无性繁殖有关。浙江庆元黄精种质资源则不同，遗传距离远近不一，具有复杂的亲缘关系，这与庆元地区为早期种植黄精的地区，种质资源引进种植多样有关。浙江一带黄精种质资源有较为复杂的亲缘关系，这种复杂性增加了黄精的遗传多样性。浙江一带引种栽培较多，为各种质资源之间遗传交流提供基础，有助于优质黄精品种选育。
Genetic diversity of Polygonatum spp. from different production areas based on SRAP markers
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摘要:
目的 研究不同产区黄精Polygonatum spp.的遗传多样性，为其资源保护及品种选育提供更多理论依据。 方法 使用相关序列扩增多态性(SRAP)分子标记技术，分析来自华东(浙江、福建、安徽、江西)、西北(河北、陕西)、华中(湖南)、西南(四川、贵州、云南)等4个居群的47份黄精种质资源的遗传多样性。 结果 对88对SRAP引物进行筛选，有7对可用于黄精种质资源的SRAP-PCR分析，共得到159条扩增条带，其中多态性条带140条。物种水平上，多态性比率为88.05%，有效等位基因数(Ne)为1.600 6，Nei’s基因多样性指数(H)为0.204 1，Shannon 信息指数(I)为0.308 0；居群水平上，多态性比率为42.14%~86.16%，H和I分别为0.188 1~0.259 1和0.238 2~0.399 4；4个居群的基因分化系数(Gst)为0.194 1，表明有80.59%的遗传变异在种群内进行，基因流(Nm)为2.075 4，表明居群间存在一定的基因流动；从非加权组平均法(UPGMA)聚类结果可知：当相似系数为0.66时，47份样品分成4组，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ类的均为华东地区浙江种质资源，当相似系数为0.68时，Ⅱ类分成2支。西南与西北聚为一类，浙江庆元黄精聚类结果复杂，表明地理位置差异与亲缘关系远近没有特定关系。整体上华东居群遗传多样性丰富，而庆元黄精种质遗传多样性最丰富。 结论 黄精遗传多样性水平较高，居群间存在一定的基因交流，可为黄精新品种选育工作提供参考。图3表4参22 -
关键词:
- 黄精 /
- 相关序列扩增多态性(SRAP)分子标记 /
- 遗传多样性 /
- 产区
Abstract:Objective The objective is to study the genetic diversity of Polygonatum spp. from different production areas and provide further theoretical support for its resource protection and variety breeding. Method The genetic diversity of 47 Polygonatum spp. germplasm resources from 4 populations, including East (Zhejiang, Fujian, Anhui, Jiangxi), Northwest (Hebei, Shaanxi), Central (Hunan), Southwest (Sichuan, Guizhou and Yunnan) China, was analyzed using related sequence amplification polymorphism (SRAP) molecular markers technology. Result A total of 88 pairs of SRAP primers were screened, and 7 pairs could be used for SRAP-PCR analysis of Polygonatum spp.. A total of 159 amplified bands were obtained, including 140 polymorphic bands. At the species level, the polymorphism ratio (PPB) was 88.05%, the effective allele number (Ne) was 1.600 6, the Nei’s genetic diversity (H) was 0.2041, and Shannon’s information index (I) was 0.3080. At the population level, PPB was 42.14%−86.16%, H and I were 0.188 1−0.2591 and 0.238 2−0.399 4, respectively. The genetic differentiation coefficient (Gst) of the 4 populations was 0.194 1, indicating that 80.59% of the genetic variation was carried out within the population, and the gene flow (Nm) was 2.075 4, indicating that there was a certain gene flow between populations. According to the clustering results of the unweighted group average method (UPGMA), when the similarity coefficient was 0.66, 47 samples were divided into 4 groups. ClassⅠ, Ⅲ and Ⅳwere all Zhejiang germplasm resources in East China. When the similarity coefficient was 0.68, Class Ⅱ was divided into 2 branches. Those in Southwest and Northwest were clustered into one class, and the clustering results of Polygonatum spp. in Qingyuan County of Zhejiang Province were complex, indicating that there was no specific relationship between the geographical difference and the distance of kinship. On the whole, the genetic diversity of populations in East China was rich, while Qingyuan had the richest. Conclusion The level of genetic diversity is high and there is certain gene flow between populations, which can provide reference for the breeding of new varieties. [Ch, 3 fig. 4 tab. 22 ref.] -
Key words:
- Polygonatum spp. /
- SRAP molecular markers /
- genetic diversity /
- production areas
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过去20 a间，全球气候发生了巨大变化，对生态系统的结构和功能产生了深远影响[1]。气候改变会导致植物体内非结构性碳水化合物(NSC)的变化。有研究表明：气候变暖显著降低了陆地植被的NSC、可溶性糖和淀粉质量分数[2]。NSC主要由可溶性糖和淀粉组成，参与植物细胞在逆境下的渗透调节过程[3]。NSC在植物体内的累积量一定程度上可以反映植物体内碳的供需平衡关系，对维持植物体渗透调节、水力传输和生长发育，缓冲树木在年际、季节和器官间碳供需关系至关重要[4]。NSC质量分数是反映植物生存策略的重要指标[5−7]，在改善植物对干旱环境的适应性、保持植物不利条件下的生长和提高植物存活率方面发挥着关键作用[8]。
降水格局变化是全球气候变化的研究热点[9]，深刻影响着区域干旱[10−11]、地表径流[12−14]、河流水量[14−15]等，同时也间接作用于生态系统的弹性与安全[16]。降水是植物获取水分的重要来源，是植物生长的关键因素[17]。降水量减少会导致树木死亡，严重损害森林生态系统的固碳能力[18−19]。目前，有关降水格局变化对植物NSC的影响仅在少数植物，如红砂Reaumuria soongarica[20]和马尾松Pinus massoniana[21]等上有研究。其中，红砂幼苗NSC质量分数在干旱胁迫下随胁迫时间的增加而增加[20]，持续隔离降水导致马尾松针叶NSC质量分数先显著增加后减少[21]。这说明不同树种在面临干旱条件时可能会采取不同方式调节各器官的NSC质量分数来适应干旱，但是目前对南方造林面积最大的树种杉木Cunninghamia lanceolata鲜有报道。因此，研究中国亚热带地区降水格局变化下先锋树种杉木的生理生态特性，对预测未来气候条件下基于碳水化合物调节的杉木适应降水变化的生理机制极具价值。
杉木作为一种重要的速生针叶木材种类，以其迅速的生长速度、笔直的干形和上乘的材料而著称[22]，在中国人工林木材资源中占比很大[23−24]。但是，季节性干旱事件的频繁发生，对杉木人工林生产能力带来的负面影响逐渐加剧。杉木的树高与胸径比值较高，使其更容易受到极端气候的影响[25]。然而关于杉木幼苗不同器官NSC及其相关组分对降水格局变化的响应策略以及在降水格局变化时杉木人工林应制定的管理策略尚不清楚。本研究通过分析杉木幼苗不同器官NSC及其相关组分(可溶性糖、淀粉)在不同降水量和不同降水间隔的变化与分配情况，旨在全面和深入掌握杉木生长季中不同器官NSC对不同降水格局变化的响应，为亚热带地区杉木人工林的科学抚育管理提供理论指导和科学依据。
1. 研究方法
1.1 研究区概况
研究区位于江西省南昌市(28°10′~29°11′N，115°27′~116°35′E)，属亚热带湿润季风气候，极高温为40.9 ℃，极低温为−15.2 ℃，年平均气温为17.0 ℃，年平均降水量为1 600.0~1 700.0 mm，年平均相对湿度为78.5%。森林覆盖率为21.3%，主要植被类型为常绿阔叶林，主要土壤类型为红壤[26]。
1.2 试验设计
试验开展于江西农业大学中药园。2021年4月，将2年生杉木幼苗置于40 cm×40 cm×50 cm的长方体花盆中开始缓苗，8月开始控制试验，7:00—8:00对幼苗进行降水，其余生态因子均保持一致，2022年1月结束试验。杉木幼苗胸径为1.5 cm，树高为1.0~1.3 m。以南昌1955—2018年旱季的月平均降水量(69.12 mm)为对照组(ck)，分别设置减少30%、50%、80%降水量的处理组(W-30%、W-50%、W-80%)。在此基础上，参考南昌1955—2018年实测降水间隔数据，设置降水间隔5和10 d (T5和T10) 2个处理。因此，降水格局共8个处理组，每处理5次重复，共40盆。
1.3 测定指标和方法
样品收集过程中，先从盆里完整地取出杉木幼苗，再用保鲜膜包裹根系，确保根系完整性的同时防止水分流失，并迅速将样品带回实验室。将杉木幼苗分为叶、枝条、枝干、运输根、吸收根5个部分，因幼苗较小，枝干为地上部分最粗壮的主干，枝条为除去主干后的其余地上分支[27]。放入105 ℃的烘箱中烘烤30 min，然后在60 ℃下烘干至恒量，研磨粉碎过0.25 mm筛，测定NSC及其相关组分质量分数。可溶性糖质量分数采用蒽酮比色法测定，淀粉质量分数采用稀酸水解法测定，NSC质量分数为可溶性糖和淀粉质量分数的总和[28−29]。其中，根系按照欧阳园丽等[30]的根序级别划分方式分级。
1.4 数据处理与分析
所有数值以平均值±标准差表示。数据分析和绘图采用R 4.3.0进行。采用线性混合模型分析降水格局对杉木幼苗不同器官NSC及其相关组分的影响；单因素方差(one-way ANOVA)分析不同降水量同一降水间隔不同器官NSC及其相关组分的差异。
2. 结果与分析
2.1 不同降水格局下杉木幼苗各器官可溶性糖质量分数变化
降水量对杉木幼苗不同器官可溶性糖质量分数具有极显著影响(P＜0.01)，降水间隔则整体无显著影响(表1)。由图1可知：降水间隔对运输根和叶的可溶性糖质量分数有显著影响(P＜0.05)，对吸收根、枝干和枝条无显著影响。T5处理下，随着降水量的减少，可溶性糖质量分数在吸收根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势，其中，枝条可溶性糖质量分数在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，比ck降低了71.9%；可溶性糖质量分数在运输根和枝干中表现为持续减少，均在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了72.8%和63.1%。T10处理下，随着降水量减少，可溶性糖质量分数在吸收根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势，其中，吸收根的可溶性糖质量分数在W-30%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，为ck的9.6倍；在运输根和枝干中可溶性糖质量分数表现为先减少后增加再减少，均在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了87.9%和65.8%。
表 1 降水格局对杉木幼苗不同器官可溶性糖、淀粉、NSC质量分数影响的线性混合模型分析Table 1 Effect of precipitation patterns on soluble sugar, starch and NSC content of different organs of C. lanceolata seedlings based on analysis of linear mixed-effects models影响因素 可溶性糖 淀粉 NSC F P F P F P W 29.06 ＜0.001 87.72 ＜0.001 129.55 ＜0.001 T 0.98 0.320 0.20 0.660 2.73 0.100 G 66.30 ＜0.001 119.74 ＜0.001 98.46 ＜0.001 W×T 2.56 ＜0.100 2.18 ＜0.100 9.28 ＜0.001 W×G 5.42 ＜0.001 11.79 ＜0.001 20.13 ＜0.001 T×G 3.83 ＜0.010 0.38 0.820 3.98 ＜0.010 W×T×G 0.96 0.490 4.57 ＜0.001 4.03 ＜0.001 说明：W. 不同降水量处理；T. 不同降水间隔处理；G. 杉木幼苗不同器官；×表示交互作用。P＜0.01表示差异极显著。 
图 1 不同降水量和降水间隔对杉木幼苗各器官可溶性糖质量分数的影响Figure 1 Effects of different precipitation amount and intervals on soluble sugar content in different organs of C. lanceolata seedlings2.2 不同降水格局下杉木幼苗各器官淀粉质量分数变化
降水量对杉木幼苗不同器官淀粉质量分数具有极显著影响(P＜0.01)，降水间隔则整体无显著影响(表1)。由图2可知：T5处理下，随着降水量的减少，淀粉质量分数在吸收根、运输根和叶中呈先增加后减少的趋势，其中，运输根和叶的淀粉质量分数在W-30%处理下最大，均显著高于ck (P＜0.05)，分别为ck的2.6和1.9倍。T10处理下，随着降水量的减少，淀粉质量分数在吸收根、运输根、叶、枝干和枝条中均呈先增加后减少的趋势，其中，运输根的淀粉质量分数在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，比ck降低了78.0%；叶的淀粉质量分数在W-30%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，为ck的2.5倍；枝干的淀粉质量分数在W-50%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，为ck的1.8倍。
图 2 不同降水量和降水间隔对杉木幼苗各器官淀粉质量分数的影响Figure 2 Effects of different precipitation amount and intervals on starch content in different organs of C. lanceolata seedlings2.3 不同降水格局下杉木幼苗各器官NSC质量分数变化
降水量对杉木幼苗不同器官NSC质量分数具有极显著影响(P＜0.01)，降水量和降水间隔的共同作用对NSC质量分数整体有极显著影响(P＜0.01)，降水间隔则整体无显著影响(表1)。T5处理下，随着降水量的减少，NSC质量分数在吸收根、运输根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势(图3)，其中，吸收根和叶的NSC质量分数在W-50%处理下最大，均显著高于ck (P＜0.05)，分别为ck的3.6和2.2倍；运输根和枝条的NSC质量分数在W-80%处理下最小，均显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了79.5%和63.3%；NSC质量分数在枝干中表现为持续减少，在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，比ck降低了53.9%。T10处理下，随着降水量的减少，NSC质量分数在吸收根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势，且吸收根、叶和枝条的NSC质量分数均在W-50%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，分别为ck的5.3、3.0和1.7倍；NSC质量分数在运输根中表现为先减少后增加再减少，在枝干中表现为持续减少，均在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了88.7%和61.5%。
图 3 不同降水量和降水间隔对杉木幼苗各器官NSC质量分数的影响Figure 3 Effects of different precipitation amount and intervals on NSC content in different organs of C. lanceolata seedlings3. 讨论
3.1 降水量的改变对杉木幼苗不同器官NSC的影响
NSC在树木生长和新陈代谢过程中发挥着重要作用，其质量分数和分布可用于推断植物碳储量状况以及对不同环境的生长适应性[31−32]。本研究发现：杉木幼苗不同器官可溶性糖、淀粉和NSC质量分数对降水量变化具有显著响应。植物体内NSC积累可减少基本代谢活动，延长存活时间[31]；可溶性糖的增加可降低植物水势，维持细胞膨胀压力，增加植物的吸水量[33]；淀粉的增加可促进植物抗性的提高，在逆境条件下为植物提供更多的能量[34]。当降水量减少时，杉木幼苗可溶性糖主要分布于叶、枝条和枝干等地上部分，这可能是因为树干、枝条、叶中的淀粉水解转化为可溶性糖，有利于提高渗透势，促进植物吸水，最终增强植物光合固碳的过程并促进植物生长[35]，且树干和枝条中更多的NSC也有利于提高杉木幼苗的抗逆性[36]。这说明可溶性糖直接参与植物的生理活动，其渗透调节功能是植物应对干旱胁迫的重要方式[37]，而叶、枝条和枝干是树木的碳源器官[38]，树木代谢活动的中间产物暂时储存在叶片中，降水量减少情况下需要大量的可溶性糖来帮助其维持正常的细胞张力[39]。植物体内可溶性糖和淀粉成分的比例和动态变化，即NSC的储存和转化机制，在缺水条件下可以维持植物生长、呼吸、繁殖等功能[40]。一定程度的干旱会促进植物体淀粉转化为可溶性糖，维持细胞膨压、抵御并适应干旱环境[41]。而淀粉作为植物体内重要的能量储存物质，其质量分数高低代表了植物耐受力的强弱。当降水量减少到一定程度时(W-30%、W-50%)，淀粉主要存在于运输根和枝干等运输器官中。植物具有固碳能力，杉木幼苗通过存储更多的淀粉来应对缺水环境，以保持其新陈代谢的稳定[42]；但降水量过少时(W-80%)，树木会加快分解淀粉[43]，导致淀粉质量分数先增后降。因此，降水量减少到一定程度时，会促进杉木幼苗的生长，导致NSC及其组分在植物体内形成和积累；杉木幼苗对降水量变化的响应是增加运输根、吸收根、叶和枝条的可溶性糖和淀粉，同时将吸收根中的淀粉水解为可溶性糖，以调节细胞内的水势，从而应对降水格局的变化。当降水量过少时，杉木幼苗通过减少运输根、枝干和枝条的NSC来应对降水格局的变化，各器官内的可溶性糖和淀粉质量分数并未发生转化，这是因为降水量过少时杉木会消耗体内的NSC及其组分，优先供给吸收根的生存需求。这与云南松Pinus yunnanensis[44]及樟子松Pinus sylvestris var. mongolica[45]的研究结果相似。
3.2 降水间隔的改变对杉木幼苗不同器官非结构性碳的影响
降水的频率是影响植物生存、生长、物种组成及结构的重要因素[46]，降水间隔的变化会影响植物遭受干旱的持续时间，而植物正常的生理代谢活动如生长、光合作用、呼吸作用等会受到干旱胁迫的影响，破坏植物体内碳供需的平衡，碳的转化和储存之间的关系也会随之改变，此时植物会调动储存在机体内的NSC，使其发生转移或转化，引起不同干旱时间下NSC的动态变化[47]。本研究发现：降水间隔和杉木幼苗不同器官之间的交互作用显著影响可溶性糖和NSC质量分数。随着降水间隔的增加，杉木幼苗各器官NSC及其组分质量分数呈波动性变化，运输根和叶的可溶性糖有显著差异，与T5处理相比，T10处理下叶的可溶性糖质量分数显著下降，运输根的可溶性糖质量分数显著上升；运输根和叶的NSC质量分数有显著差异，与T5处理相比，延长降水间隔导致叶和运输根的NSC质量分数显著上升。可能是因为延长降水间隔时，杉木新吸收的碳水化合物主要流向运输根，以维持资源供应；可溶性糖在叶片中转化为淀粉，增加细胞膨胀压力，提高杉木的抗旱能力。在延长降水间隔的条件下，杉木选择将生物量更多地分配给能够获取资源的器官(根和叶)，而非主要起运输和支持作用的器官(茎)，尽可能增大叶片面积来增加叶片碳水化合物的供应，从而维持自身的光合和生长过程，这与郭旭曼等[48]在桢楠Phoebe zhennan上的研究相似。杉木幼苗各器官的NSC并没有全部随着时间的推移而减少，这可能是由于在长期无降水的情况下，植物体内储存的碳未被充分利用或碳储量的利用率有限，因此即使植物死亡也不会发生碳耗竭[49−50]。由于杉木林深层土壤含水量较低，干旱下幼苗可通过降低生长，将NSC及其相关组分供给根系等获取水分的器官，但仍需根据当地气候条件来调整浇水间隔，高降水量条件下适当延长降水间隔更有利于植物利用地表和深层土壤水分[51]，使幼苗更好地成长。建议维持土壤含水量不低于当地多年旱季月平均降水量的50%，以保证杉木林中萌发的幼苗能够存活，完成天然更新。在经济条件较好的地区，可以实行定期喷灌的管理，保持土壤含水量在当地多年旱季月平均降水量的70%以上，同时根据当地气候条件可以适当延长浇水间隔，提高杉木幼苗存活率。
4. 结论
为适应环境的变化，不同降水格局下杉木幼苗NSC及其相关组分会发生不同的转化和增减。当降水量减少时，杉木幼苗叶、枝条和枝干等地上器官NSC中可溶性糖的转化比例增加，储藏在根系，由运输根转移至吸收根，促进植物生长；延长降水间隔能促使杉木幼苗叶中的NSC转移到根系，提高根系水分获取能力，防止植物因缺水而死亡。为提高杉木人工林在降水格局变化下的存活率，土壤含水量应保持在当地多年旱季月平均降水量的50%以上，降水量较高地区可以适当延长浇水间隔。
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图 1 引物ME5/em9和ME6/em4对47份黄精种质资源总DNA的扩增结果
Figure 1 Amplification results of total DNA based on primer ME5/em9 and ME6/em4 from 47 samples of Polygonatum spp.
图 2 基于SRAP的黄精种质资源UPGMA分析聚类图
Figure 2 UPGMA dendrogram of Polygonatum spp. based on SRAP
图 3 基于SRAP的黄精居群UPGMA分析聚类图
Figure 3 UPGMA dendrogram of Polygonatum spp. populations based on SRAP
表 1 黄精种质采集信息
Table 1. Collected information of Polygonatum spp.
编号 采样点 样品数 基源 北纬(N) 东经(E) 海拔/m 居群 ZJTS1 浙江省温州市泰顺县竹里畲族乡 1 多花黄精P. cyrtonema 27.70° 119.79° 229 华东 ZJCA2~3 浙江省杭州市淳安县里商乡 2 多花黄精P. cyrtonema 29.50° 118.95° 169 华东 ZJYJ4 浙江省温州市永嘉县岩头镇 1 多花黄精P. cyrtonema 28.44° 120.79° 919 华东 ZJJD5 浙江省杭州市建德市寿昌镇 1 多花黄精P. cyrtonema 29.43° 119.15° 300 华东 ZJOH6 浙江省温州市瓯海区景山街道 1 多花黄精P. cyrtonema 28.00° 120.64° 10 华东 ZJYQ7 浙江省温州市乐清雁荡山风景区 1 多花黄精P. cyrtonema 28.39° 121.06° 123 华东 ZJQY8~14 浙江省丽水市庆元县荷地镇 7 多花黄精P. cyrtonema 27.59° 119.24° 943 华东 ZJSY15 浙江省丽水市松阳县玉岩镇 1 长梗黄精P. filipes 28.41° 119.25° 606 华东 ZJSY16~17 浙江省丽水市松阳县玉岩镇 2 多花黄精P. cyrtonema 28.41° 119.25° 145 华东 ZJLQ18~20 浙江省丽水市龙泉市城北乡 3 多花黄精P. cyrtonema 28.30° 119.08° 671 华东 ZJJN21~22 浙江省丽水市景宁畲族自治县东坑镇 2 多花黄精P. cyrtonema 27.89° 119.69° 1190 华东 HBBD23~24 河北省保定市易县塘湖镇 2 黄精P. sibiricum 39.16° 115.36° 103 西北 FJZH25~26 福建省南平市政和县杨源乡 2 多花黄精P. cyrtonema 27.16° 119.02° 519 华东 FJFZ27 福建省福州市鼓岭旅游度假区 1 多花黄精P. cyrtonema 26.06° 119.40° 789 华东 SXLT28 陕西省西安市临潼区斜口街道 1 多花黄精P. cyrtonema 34.36° 109.19° 454 西北 HNAH29~32 湖南省益阳市安化县江南镇 4 多花黄精P. cyrtonema 28.35° 111.43° 149 华中 SCBZ33~34 四川省巴中市南江县南江镇 2 多花黄精P. cyrtonema 31.25° 106.45° 441 西南 GZTR35~36 贵州省铜仁市印江自治县杨柳镇 2 多花黄精P. cyrtonema 27.74° 108.49° 1394 西南 YNDG37~40 云南省昭通市大关县翠华镇 4 多花黄精P. cyrtonema 27.75° 103.89° 2611 西南 AHQM41~42 安徽省黄山市祁门县芦溪乡 2 多花黄精P. cyrtonema 29.68° 117.57° 487 华东 JXWY43~44 江西省上饶市婺源县珍珠山乡 2 多花黄精P. cyrtonema 29.19° 117.51° 183 华东 YNPE45~47 云南省普洱市镇沅自治县者东镇 3 滇黄精P. kingianum 24.00° 101.30° 1280 西南 
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表 2 SRAP引物序列
Table 2. Primer sequences for SRAP
引物名称 ME引物序列(5′→3′) em引物序列(5′→3′) ME2/em9 TGAGTCCAAACCGGAGC GACTGCGTACGAATTCGA ME4/em3 TGAGTCCAAACCGGACC GACTGCGTACGAATTGAC ME4/em11 TGAGTCCAAACCGGACC GACTGCGTACGAATTCCA ME5/em9 TGAGTCCAAACCGGAAG GACTGCGTACGAATTCGA ME6/em4 TGAGTCCAAACCGGTAA GACTGCGTACGAATTTGA ME8/em4 TGAGTCCAAACCGGTGC GACTGCGTACGAATTTGA ME8/em9 TGAGTCCAAACCGGTGC GACTGCGTACGAATTCGA
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表 3 SRAP引物组合的扩增结果
Table 3. Amplification results of combinated SRAP primers
引物名称 扩增条带数/条 多态性条带数/条 PPB/% 条带大小/bp ME2/em9 23 23 100.00 100~2 000 ME4/em3 41 28 68.29 100~2 000 ME4/em11 17 16 94.12 100~2 000 ME5/em9 19 19 100.00 100~2 000 ME6/em4 19 19 100.00 100~2 000 ME8/em4 17 14 82.35 100~2 000 ME8/em9 23 21 91.30 100~2 000 总计 159 140 88.05
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表 4 黄精居群遗传多样性
Table 4. Genetic diversity of Polygonatum spp.
居群 Na Ne H I PPB/% 华东(HD) 1.861 6±0.346 4 1.421 2±0.325 1 0.259 1±0.167 1 0.3994±0.2291 86.16 西北(XB) 1.421 4±0.495 3 1.276 1±0.366 2 0.160 6±0.198 4 0.2382±0.2876 42.14 华中(HZ) 1.522 0±0.500 1 1.318 2±0.363 8 0.188 1±0.197 1 0.2819±0.2850 52.20 西南(XN) 1.597 5±0.492 0 1.358 8±0.381 1 0.208 7±0.201 3 0.3123±0.2860 59.75 居群水平 1.600 6 1.343 6 0.204 1 0.3080 60.06 物种水平 1.880 5±0.325 4 1.422 6±0.325 7 0.259 8±0.166 9 0.4010±0.2272 88.05 说明：华东种质资源数29个；西北种质资源数3个；华中种质资源数4个；西南种质资源数11个。
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20220436
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