遮荫与低氮对青杨雌雄性内和性间竞争关系的影响

Sexual dimorphism is a crucial character of dioecy species that male and female plants are different in carbon fixation, nitrogen absorption and their metabolisms. However, few studies focus on whether these differences would contribute to intra- and inter-sexual competition. In this research, we use Populus cathayana to investigate the sexual competition in two parts: 1) the uptake of NO3- and NH4+ as well as nitrogen assimilation in shading and low nitrogen conditions. Photosynthesis and metabolism of non-structural carbohydrate (NSC) like starch, sucrose and fructose are also measured. 2) After pre-processing of P. cathayana in severe shading condition, NSC high and low groups for both males and females are created. Then we wish to investigate how the NSC levels affect intra- and inter-sexual competition through doing measurement in carbon fixation, nitrogen uptake and their metabolisms as above mentioned in the low nitrogen condition. Finally, we wish to reveal the mechanism in regulating sexual competition in shading and low nitrogen conditions combined results of the two parts.

雌雄异株植物碳(C)、氮(N)固定/吸收和代谢过程等性二态特征，是否是影响或驱动雌雄植物性内与性间竞争关系变化的内在原因，目前尚不清楚。本项目由两部分研究内容组成，以青杨雌雄植株为材料，1)在低N和遮荫下，分析性内与性间竞争时，根系对硝酸根和铵根离子的吸收以及N同化相关酶活性等，同时分析光合作用、光合产物的分配与非结构性碳水化合物(NSC)，如淀粉、蔗糖和果糖等代谢过程；2)通过遮荫预处理得到NSC含量不同的青杨雌雄植株，而后在低N条件下建立性内与性间竞争，分析不同NSC水平对雌雄青杨N吸收和代谢以及C固定与代谢等生理特征的影响，最终结合两部分内容，揭示低N与低光照条件下，影响或驱动青杨雌雄性内和性间竞争变化的内在规律。

遮荫抑制了青杨植株的生长发育，且对青杨雄株的影响大于雌株。在弱光条件下，雌雄青杨植株的干物重减少，净光合速率、气孔导度显著下降，引起植株的固碳能力减弱，此外也在一定程度上抑制了可溶性总糖、淀粉等光合产物的积累，使得投入到根系的碳汇降低，从而减少了养分的吸收。雌株比雄株在遮荫条件下往化学防御性状分配更多的碳。当植物重新接受光照后，雄株比雌株具有更高的叶片数、叶面积相对生长速率和净光合速率，而雌株比雄株具有更高的可溶性总糖和淀粉积累速率，表明青杨雄株将重新固定的碳更多的用于生长，而雌株更多的用于贮藏。雌雄青杨植株的氮吸收和分配有一定的性别差异，正常光照条件下和当植株从遮荫处理转移到正常光照一个月后青杨雄株的光合氮利用效率均显著高于雌株。此外，在不同的收获时间，正常光照条件下的青杨植株与遮荫条件下的相比具有更高的光合氮含量、储存氮含量和结构氮含量，且雄株比雌株有更多的呼吸氮含量。当植物重新接受光照一周后，青杨雄株分配到光合氮的比例显著高于雌株，而分配到储存氮的比例显著低于雌株。以上研究结果表明青杨雄株将更多的氮分配到光合组织中以增强光合作用，从而促进植物的生长，而青杨雌株将更多的氮以储存氮的形式存在植物体内以供繁殖所需。.研究结果发现在缺氮时，长期的去叶处理使得雄性青杨比雌性叶片保持较高的气体交换和荧光特征，表明雄性青杨较高的光合碳固定能力。雄性青杨叶片较高的脱落酸含量和蔗糖磷酸合成酶活性，促使光合产物蔗糖由源向汇运输。这同时说明雄性比雌性保持着高的汇强度，因为与雄性对照相比，长期的N缺少和去叶处理，使得雄株根部的淀粉含量分别增加了131.1%和90.7%，而雌性仅增加了40.6%和52.8%。长期的N缺少和去叶处理使得雄性具有较高的光合N利用效率、谷氨酸脱氢酶活性以及叶中GDH相对表达量，但是非蛋白质中的N含量减少。相比之下，同处理的雌性将较多的N分配到非蛋白质N，同时含有较高浓度的茉莉酸。