水分脅迫對幼苗期霸王葉片生理特性的影響

馮 燕，王彥榮，胡小文

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730020)

霸王(Zygophyllumxanthoxylum)為蒺藜科霸王屬強(qiáng)旱生小灌木，廣泛分布于我國西北部干旱荒漠草地，它不僅是干旱荒漠區(qū)天然草地的優(yōu)良牧草,也是良好的固沙植物，具有重要的生態(tài)和飼用價值[1-3]。阿拉善荒漠地區(qū)長期的干旱環(huán)境使其在生理和形態(tài)上形成了一系列對水分虧缺的適應(yīng)特性和調(diào)節(jié)能力。已有對霸王光合特性、種子萌發(fā)、幼苗生長和滲透調(diào)節(jié)的研究報(bào)道[4-9]。而對水分脅迫下霸王葉片維持水分平衡能力與提高水分利用效率的變化，及其與耐旱性關(guān)系的綜合研究不多。本研究通過比較幼苗期霸王各葉片生理特性因子對水分脅迫的響應(yīng)，從而進(jìn)一步了解霸王對干旱環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理。

1 材料與方法

1.1材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì) 供試霸王種子于2000年采自內(nèi)蒙古阿拉善，貯藏于4℃待用。2005年6月25日開始進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，將種子播種于體積為4 L的塑料盆中，所用基質(zhì)為2∶1(v∶v)混合的沙土(取自阿拉善)與粘土(取自蘭州大學(xué)校園)，基質(zhì)氮、鉀和磷含量分別為48、102和112 mg/kg。稱量法使土壤水分保持在40%的田間持水量，待種子出苗后15 d，每盆留大小一致的幼苗20株。

采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，2005年7月15日所有花盆被隨機(jī)分成3組進(jìn)行水分脅迫試驗(yàn)。設(shè)置3個水分處理，分別為正常供水(最大持水量的45%),中度干旱(最大持水量的30%)和重度干旱(最大持水量的15%)。每個水分處理15盆，共45盆。為避免水分蒸發(fā)散失，土壤表面覆蓋一層沙子，試驗(yàn)期間采用稱量法控制水分，每天澆水1次。同時為防止自然降水對處理的影響，試驗(yàn)在蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓的玻璃溫室中進(jìn)行，試驗(yàn)期間的日溫在15～43℃。

1.2測定項(xiàng)目與方法 水分處理1個月后(2005年8月15日)開始指標(biāo)測定。

1.2.1葉生長指標(biāo)的測量 9月10日試驗(yàn)結(jié)束后，每個處理中選取15株生長一致的幼苗，將每個單株的葉片小心摘下。統(tǒng)計(jì)總?cè)~數(shù)(TNL)，用稱量法測定葉生物量(LDM)，采用Li-3100型葉面積測定儀(Li-cor，USA)測定葉面積(LA)。

比葉面積(SLA)=(TNL×LA)/LDM

1.2.2葉片水分特征的測定 每個處理中選取10個單株并做標(biāo)記，摘下完全展開的第3葉放入自封袋。其中的5片葉用露點(diǎn)水勢儀(Wescor,USA)測定葉清晨水勢和中午水勢，另5片葉用飽和稱量法測定葉片相對含水量(RWC)。

1.2.3葉綠素的測定 按照李合生方法[10]，將所取葉片擦凈稱量后，剪碎加入5 mL 80%丙酮研磨提取葉綠素，轉(zhuǎn)入刻度試管中，定容至20 mL，室溫下于暗處提取1～2 h。把葉綠體色素提取液倒入比色杯中，用分光光度計(jì)在波長663和645 nm下測定吸光度，按公式計(jì)算葉綠素a(chla)和葉綠素b (chlb) 含量：

chla=12.72D663-2.59D645；

chlb=22.88D645-4.67D663。

1.2.4氣孔特性 從每個處理中隨機(jī)選取5個單株，撕下第3葉片靠近中間維管束的葉表皮，用配有40倍物鏡和10倍目鏡的光學(xué)顯微鏡觀察統(tǒng)計(jì)表皮細(xì)胞數(shù)(ED)和氣孔數(shù)(SD)，用Image Pro Plus軟件測定了氣孔的密度、長度、寬度，按照Meidner和Mansfield法計(jì)算氣孔指數(shù)(SI)[11]：

1.2.5水分利用效率 長期水分利用效率(WUEt)為水分處理期間的生物量增量(試驗(yàn)?zāi)┥锟偭繙p去水分處理前生物總量)與生長期總水分消耗量的比值。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析比較不同處理間各指標(biāo)的差異，Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1水分脅迫對葉片生長特性的影響 隨著水分脅迫程度的加劇，幼苗期霸王的總?cè)~面積和單葉面積逐漸減小，重度脅迫下與中度脅迫和對照之間均顯著差異(P<0.05)。同時嚴(yán)重脅迫使總?cè)~數(shù)急劇減少，與中度脅迫處理和對照相比，分別減少了51.2%和47.5%。重度脅迫時比葉面積下降，但各處理間無明顯差異(P>0.05)(表1)。

2.2水分脅迫對幼苗葉水勢和葉片相對含水量的影響 水分脅迫顯著降低了幼苗期霸王的葉清晨水勢和中午水勢(P<0.05)，重度脅迫比對照分別下降39.5%和25.4%(圖1)。同一水分梯度下，由于午間蒸騰失水，葉片水分虧缺，引起葉水勢的下降，使得中午水勢均低于清晨水勢。水分脅迫時其葉片相對含水量也呈降低趨勢，但中度脅迫下與重度脅迫和對照均無顯著性差異(P>0.05)，重度脅迫比對照僅下降了11.3%(圖2)。這說明水分脅迫引起土壤中可利用水分的減少，直接反映在葉水勢和葉片相對含水量的降低上。

圖1 不同水分脅迫下霸王的葉水勢

圖2 不同水分脅迫下霸王的相對含水量

2.3水分脅迫對葉片葉綠素含量的影響 隨土壤可利用水分的降低，霸王幼苗期葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量增加，并且葉綠素a的增加小于葉綠素b的增加，表現(xiàn)為葉綠素a/b值減小(表2)，但各處理之間無顯著差異(P>0.05)。

表2 不同水分處理下霸王葉綠素含量的變化

2.4氣孔特性 水分脅迫顯著增加了幼苗期霸王葉片的氣孔數(shù)和表皮細(xì)胞數(shù)(P<0.05)，而氣孔指數(shù)各處理間變化不明顯(表3)。氣孔長度、寬度對水分脅迫反應(yīng)敏感，重度脅迫、中度脅迫、對照之間差異顯著(P<0.05)。

表3 不同水分脅迫下霸王的氣孔特性

2.5水分利用效率及其與葉片生理特征之間的相關(guān)性分析 幼苗期霸王的長期水分利用效率隨水分脅迫程度的加劇逐漸提高。WUEt與葉片各生理指標(biāo)的相關(guān)分析表明，WUEt與氣孔密度極顯著正相關(guān)(P<0.01)；WUEt與氣孔指數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；WUEt與葉水勢呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；而比葉面積、葉綠素含量與WUEt均無顯著相關(guān)(表 4)。

表4 水分利用效率與葉片生理特征的相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

葉片是植物體暴露在環(huán)境中面積最大的器官，對外界環(huán)境的反應(yīng)最為敏感，最容易適應(yīng)環(huán)境而改變它的形態(tài)和結(jié)構(gòu)[12-13]。生長在干旱環(huán)境中的植物，葉片在結(jié)構(gòu)上主要向著降低蒸騰、增強(qiáng)儲水性和提高光合方面發(fā)展[14]。幼苗期霸王的總?cè)~面積和單葉面積隨水分脅迫程度的加劇而不斷減小，嚴(yán)重干旱脅迫引起總?cè)~數(shù)的急劇減少。單葉面積和葉數(shù)的降低，造成幼苗總?cè)~面積減小，反映出幼苗期霸王在水分脅迫時通過減小蒸騰面積減少水分的丟失，從而維持水分平衡，這是植物對水分不足的一種適應(yīng)機(jī)制。比葉面積能夠反映植物獲取資源的能力，嚴(yán)重干旱時比葉面積減小，低的比葉面積能更好地適應(yīng)干旱環(huán)境[15]，同時比葉面積在各處理間無明顯差異說明霸王幼苗比葉面積不易受葉片結(jié)構(gòu)的影響[16]。

葉片水勢可用來衡量水分移動的能量大小[17]。水分脅迫降低了幼苗期霸王的葉清晨水勢和中午水勢。較低的葉片水勢建立起更高的土壤-植物-大氣水分梯度，葉水勢降低，有利于從土壤中吸收水分，減弱水分虧缺。水分脅迫顯著降低了幼苗期霸王的葉清晨水勢和中午水勢，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。葉片相對含水量能真實(shí)地反映土壤缺水時植物體內(nèi)水分的虧缺程度以及植物的保水能力[18]，葉片相對含水量高時，植物的保水能力強(qiáng)，細(xì)胞受環(huán)境的影響較小[19-20]。水分脅迫時，霸王幼苗葉片相對含水量也呈降低趨勢，重度脅迫比對照僅下降了11.3%，降幅不大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的保水能力。霸王作為荒漠生境中的強(qiáng)旱生植物，對干旱環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

葉綠素是光能吸收的主要物質(zhì)，直接影響植物光合作用的光能利用[16]。水分脅迫時霸王幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量增加，但無顯著差異。干旱脅迫時，葉綠素含量增加，幼苗獲取光能的能力增加，以保證高效能的光合來維持生長發(fā)育。葉綠素a較葉綠素b穩(wěn)定[21]，致使葉綠素a的增加小于葉綠素b的增加，葉綠素a/b值減小。

氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的主要通道，控制著水分的流出與CO2的流入，影響著蒸騰與光合的過程，起著十分重要的作用。氣孔的調(diào)節(jié)能力是植物適應(yīng)干旱逆境的重要方式之一[22-23]。有研究表明[24]，水分脅迫會引起氣孔數(shù)的增多，氣孔開口減小，氣孔導(dǎo)度下降。與此一致，水分脅迫引起幼苗期霸王葉片氣孔數(shù)的顯著增多，同時氣孔長度和寬度顯著減小，氣孔導(dǎo)度降低，減少了水分丟失。

水分利用效率是植物抗旱特性一個客觀評價指標(biāo)，高水分利用效率是分布在干旱區(qū)植物適應(yīng)干旱環(huán)境的節(jié)水對策[25]。在干旱條件下，葉片的適應(yīng)性變化主要有利于水分保持和水分利用效率的提高[26]。水分脅迫促使幼苗期霸王的長期水分利用效率提高，說明霸王以提高水分利用效率這種適應(yīng)方式來忍耐水分脅迫。水分利用效率與氣孔密度和氣孔指數(shù)極顯著相關(guān)，氣孔成為影響霸王幼苗水分利用效率的最主要因素，一旦出現(xiàn)水分脅迫便通過增加氣孔密度、減小氣孔開度，降低氣孔導(dǎo)度來提高水分利用效率。水分利用效率與葉水勢呈顯著負(fù)相關(guān)，葉水勢越低，水分利用效率越高。

綜上所述，霸王長期生長在阿拉善干旱荒漠區(qū)，已發(fā)展出一系列機(jī)制適應(yīng)干旱脅迫。水分脅迫下幼苗期霸王通過減小葉面積，降低葉水勢和葉片相對含水量，以減少水分散失，增強(qiáng)葉片儲水性；通過增加葉綠素含量，降低氣孔導(dǎo)度來保證高效的光合作用，提高水分利用效率。霸王作為干旱區(qū)強(qiáng)旱生小灌木對荒漠區(qū)干旱環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

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