北方6種綠化灌木水分脅迫的生理響應(yīng)1)

柴春榮

(黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱，150040)

穆立薔

(東北林業(yè)大學(xué))

梁 鳴

(黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所)

王睿姝

(東北林業(yè)大學(xué))

我國(guó)城市干旱環(huán)境普遍存在。在這些地區(qū)發(fā)展節(jié)水型園林的主要措施之一就是大量應(yīng)用耐旱植物，尤其是具有較強(qiáng)適應(yīng)性和抗逆性的植物。城市綠化時(shí)需要優(yōu)先考慮樹(shù)種的抗旱性［1］。本研究選擇6種灌木作為試驗(yàn)材料，研究其在水分脅迫下的生理指標(biāo)變化，對(duì)其抗旱適應(yīng)性有了初步了解。結(jié)果可為城市園林樹(shù)種選擇及其應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

紅瑞木(Cornus alba)、紅王子錦帶(Weigela florida‘Red Prince’)、麥李(Cerasus glandulosa)、遼東水蠟(Ligustrum obtusifolium)、彩葉杞柳(Salix integra‘Hakuro Nishiki’)和金銀忍冬(Lonicera maackii)2年生實(shí)生苗為試驗(yàn)材料。

試驗(yàn)采用盆栽控水法，每盆1株放溫室大棚內(nèi)，采用稱質(zhì)量法設(shè)置4種不同的土壤含水量，A處理做為對(duì)照正常澆水，B處理為輕度脅迫，C處理為中度脅迫，D處理為重度脅迫。土壤含水量分別為A處理為(50% ～55%)、B處理為(40% ～45%)、C處理為(30% ～35%)和D處理為(20% ～25%)，控水處理40 d后開(kāi)始采樣，對(duì)生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

土壤含水量采用烘干法測(cè)定，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用蒽酮比色法［2］，丙二醛摩爾質(zhì)量濃度的測(cè)定采用雙組分光光度法［3］，相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定采用電導(dǎo)率儀法［4］，游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用酸性茚三酮比色法［4］，葉綠素的DSPA(Specialty Products Agricultural Division)值(即葉綠素儀通過(guò)測(cè)量葉子對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)段里的吸收率，來(lái)評(píng)估當(dāng)前葉子中的葉綠素的相對(duì)含量)采用DSPA－502型葉綠素儀測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)電導(dǎo)率的變化

細(xì)胞質(zhì)膜是細(xì)胞與環(huán)境之間的界面和屏障。在水分脅迫下，細(xì)胞原生質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能首先受到傷害，引起細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，導(dǎo)致組織浸出液的相對(duì)電導(dǎo)率增大。因此，可以通過(guò)測(cè)定組織浸出液相對(duì)電導(dǎo)率在水分脅迫下的高低變化來(lái)表明植物組織受傷害的程度。水分脅迫對(duì)植物的傷害，在細(xì)胞水平上以質(zhì)膜相對(duì)透性的增大為主要特征，傷害越重，透性越大，外滲物越多，相對(duì)電導(dǎo)率的增加也愈大，抗性愈弱。質(zhì)膜相對(duì)透性變化愈小，對(duì)水分虧缺的抵抗性愈好，抗旱性也愈好。綜合水分因素，可以進(jìn)一步證實(shí)膜系統(tǒng)受損程度與葉片保水能力和抗旱性呈顯著負(fù)相關(guān)。

從表1可以看出，遼東水臘和麥李的相對(duì)電導(dǎo)率隨土壤含水量的降低呈先下降后上升的趨勢(shì)。方差分析顯示，各處理與A處理相比達(dá)到顯著水平，遼東水臘上升的幅度為48.39%，麥李為31.91%。其它4樹(shù)種相對(duì)電導(dǎo)率并沒(méi)有很大的變化，試驗(yàn)期間葉片相對(duì)電導(dǎo)率差異不顯著，說(shuō)明其它4樹(shù)種即使在長(zhǎng)時(shí)間干旱脅迫下，細(xì)胞膜損傷也不會(huì)太嚴(yán)重。這表明其它4樹(shù)種葉片細(xì)胞膜對(duì)于干旱環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

表1 水分脅迫下生理指標(biāo)的變化

2.2 游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

游離態(tài)脯氨酸是水溶性最大的氨基酸，它具有較強(qiáng)的水合能力，在正常情況下，植物游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)很少，占總量的百萬(wàn)分之幾，但干旱脅迫時(shí)，它可大量積累。它的增加有助于細(xì)胞或組織持水，減少脫水，維持各器官較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力，從而提高植株對(duì)干旱的適應(yīng)能力。

干旱脅迫使6樹(shù)種游離態(tài)脯氨酸大量生成，有的樹(shù)種游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著干旱強(qiáng)度增加而一直增加;有的樹(shù)種在輕度、中度干旱下，游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，而在重度干旱下則有降低的趨勢(shì)。

從表1可以看出，除麥李外，其它樹(shù)種在不同處理下，游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有不同程度的增加。遼東水臘和紅王子錦帶的游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在B處理時(shí)上升，到了C處理、D處理又開(kāi)始下降，但幅度不大。金銀忍冬、紅瑞木、彩葉杞柳的游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤含水量下降呈上升趨勢(shì)，但上升幅度較小，而且水平較低。

麥李的游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤含水量下降呈下降趨勢(shì)，而且各處理與A處理的差異顯著。大量研究認(rèn)為植物游離態(tài)脯氨酸累積能力與品種抗旱性呈正相關(guān)［5］。游離態(tài)脯氨酸和可溶性糖是植物體內(nèi)兩種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，本試驗(yàn)中遼東水臘、紅王子錦帶和麥李的游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在土壤含水量降低到D處理時(shí)，都呈下降趨勢(shì)，表明遼東水臘、紅王子錦帶和麥李滲透調(diào)節(jié)能力大部分是由可溶性糖來(lái)完成的。由此可見(jiàn)，游離態(tài)脯氨酸累積與植物抗旱性的關(guān)系可能并不十分簡(jiǎn)單。游離態(tài)脯氨酸的積累對(duì)植物抗旱有益，但游離態(tài)脯氨酸生物合成來(lái)源于谷氨酸;隨著干旱脅迫的發(fā)展，碳水化合物的供應(yīng)受阻，將影響到谷氨酸合成，進(jìn)而影響游離態(tài)脯氨酸合成。因此，有些植物游離態(tài)脯氨酸的積累最終在干旱處理末期下降和停止。

隨著土壤含水量降低，6樹(shù)種的游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低依次為紅瑞木、金銀忍冬、彩葉杞柳、遼東水臘、紅王子錦帶、麥李。

2.3 可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

可溶性糖也是植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在水分脅迫下，能增加細(xì)胞液的濃度，提高植物對(duì)水分的吸收能力及保水能力，從而有利于植物適應(yīng)干旱缺水的環(huán)境。所以植物在受到水分脅迫時(shí)，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化在一定程度上能反映出植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)能力［6］。干旱條件下可溶性糖對(duì)植物的保護(hù)作用已被眾多研究者證實(shí)，細(xì)胞內(nèi)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，能降低原生質(zhì)的滲透勢(shì)，有利于細(xì)胞從外界水勢(shì)降低的介質(zhì)中繼續(xù)吸水，以維持其正常的代謝活動(dòng)，從而增強(qiáng)植物體的抗旱力。

從表1可以看出，隨著土壤含水量的降低，遼東水臘、金銀忍冬和彩葉杞柳在A處理可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)開(kāi)始緩慢下降，到D處理上升。方差分析表明，各處理與A處理相比達(dá)到顯著水平。這可能是因?yàn)樵诿{迫初期，干旱對(duì)蛋白質(zhì)的抑制和降解作用大，使蛋白質(zhì)含量下降;隨著脅迫的加劇，干旱對(duì)蛋白質(zhì)合成的促進(jìn)作用增加，進(jìn)而導(dǎo)致了蛋白質(zhì)含量上升。這說(shuō)明在不同水分脅迫下，苗木體內(nèi)的可溶性蛋白含量變化是不穩(wěn)定的。在土壤含水量B處理?xiàng)l件下，紅王子錦帶、紅瑞木和麥李的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)比A處理的有所增加，增幅最大的是紅瑞木，說(shuō)明，紅瑞木在B處理?xiàng)l件下原生質(zhì)的滲透調(diào)節(jié)能力較其它5個(gè)樹(shù)種強(qiáng)。隨著土壤含水量的降低，6樹(shù)種的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升幅度最大是金銀忍冬52.31%，其次為紅瑞木35.53%，遼東水臘32.93%，麥李31.27%，彩葉杞柳13.06%，上升幅度最小為紅王子錦帶5.88%。

2.4 丙二醛摩爾質(zhì)量濃度的變化

植物在逆境脅迫過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生過(guò)量的自由基會(huì)引發(fā)或加劇膜脂過(guò)氧化作用而造成細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。而膜脂過(guò)氧化物的最終分解產(chǎn)物即是丙二醛。它是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物之一，是細(xì)胞中有毒性的物質(zhì)，能夠引起細(xì)胞膜功能紊亂。丙二醛摩爾質(zhì)量濃度的變化反映著干旱脅迫下細(xì)胞內(nèi)氧自由基積累導(dǎo)致的脂膜過(guò)氧化程度，而脂膜過(guò)氧化程度的改變可反映植物細(xì)胞受損傷的程度［7］。

一般認(rèn)為，在干旱脅迫中，植物丙二醛的摩爾質(zhì)量濃度與抗旱性呈負(fù)相關(guān)，抗旱性弱的品種丙二醛摩爾質(zhì)量濃度增加迅速，抗旱性強(qiáng)的品種則積累較少。從表1可以看出，丙二醛摩爾質(zhì)量濃度隨著土壤含水量的降低都有不同程度的上升，說(shuō)明了6樹(shù)種的膜系統(tǒng)受傷害的程度較低，受害不嚴(yán)重。遼東水臘、紅瑞木、麥李、彩葉杞柳各處理之間的丙二醛摩爾質(zhì)量濃度差異不顯著，紅王子錦帶、金銀忍冬各處理之間丙二醛摩爾質(zhì)量濃度差異顯著。就總體趨勢(shì)而言，隨著干旱脅迫的發(fā)生和加劇，6樹(shù)種均產(chǎn)生了膜脂過(guò)氧化作用，丙二醛的摩爾質(zhì)量濃度均有所增大，但是各樹(shù)種的積累速度和方式不一致。遼東水臘、紅王子錦帶、麥李的丙二醛摩爾質(zhì)量濃度呈先下降后上升的趨勢(shì)，特別是紅王子錦帶土，當(dāng)壤含水量降低到D處理后，丙二醛摩爾質(zhì)量濃度呈急劇上升的趨勢(shì)，金銀忍冬、紅瑞木、彩葉杞柳的丙二醛摩爾質(zhì)量濃度均呈先上升再下降再上升的趨勢(shì)。增幅最大的是紅王子錦帶為35.76%，其次遼東水臘為24.21%，金銀忍冬為 23.32%，麥李為 15.17%，彩葉杞柳為3.46%，紅瑞木最小為0.6%。因此，6樹(shù)種的丙二醛摩爾質(zhì)量濃度由低到高依次為紅瑞木、彩葉杞柳、麥李、金銀忍冬、遼東水臘、紅王子錦帶。

2.5 葉綠率DSPA值的變化

葉綠素作為光合色素中的重要色素分子，參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換等過(guò)程，在光合作用中占有重要地位。一般認(rèn)為，水分脅迫可導(dǎo)致植物葉片中葉綠素含量的降低，葉子缺水不僅影響葉綠素的生物合成，而且促進(jìn)已形成的葉綠素加速分解，造成葉子發(fā)黃。SPAD－502葉綠素儀是一種輕便的葉綠素檢測(cè)儀，帶到田間可直接測(cè)定出DSPA值，DSPA值可以較好地反映植物葉片上葉綠素的含量［8］。一定范圍內(nèi)葉綠素含量的高低直接影響葉片的光合能力［9］。

一般認(rèn)為，葉綠素總量的變化幅度可以用作衡量植物水分脅迫敏感性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，其變化較大的抗旱性相應(yīng)較低。在干旱脅迫下，高的葉綠素含量能夠維持光合作用的進(jìn)行，有利于增強(qiáng)材料的抗旱性。從表1可以看出隨土壤含水量的降低，6樹(shù)種的葉綠素DSPA值都有所下降。土壤含水量降到B處理時(shí)，6樹(shù)種的葉綠素DSPA值平均降幅為8%;當(dāng)土壤含水量降到D處理時(shí)，6樹(shù)種的葉綠DSPA值平均降幅為15%。遼東水蠟和紅王子錦帶的葉綠素DSPA值降幅最大，均下降18%;其次為紅瑞木和彩葉杞柳，均下降15%，金銀忍冬下降12%，麥李的降幅最小為10%。當(dāng)干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng)或加重，葉綠素的含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)楦珊得{迫的加劇引起植物細(xì)胞內(nèi)生理、生化改變，使葉綠素合成受阻，降解加快，葉綠素含量迅速下降［10］。

2.6 水分脅迫下6樹(shù)種生理特性的綜合評(píng)價(jià)

樹(shù)木耐旱能力的強(qiáng)弱不是一個(gè)絕對(duì)概念，其排序只是相對(duì)而言，由于實(shí)驗(yàn)的材料和方法不同所得出的結(jié)論也會(huì)出現(xiàn)一些差異。需要說(shuō)明的是苗木的耐旱性受到多個(gè)抗旱指標(biāo)的影響，用不同的抗旱指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)得出的結(jié)論不同。上述各生理指標(biāo)的變化趨勢(shì)，僅是在試驗(yàn)范圍內(nèi)的結(jié)論，當(dāng)水分脅迫超過(guò)一定限度時(shí)，其變化趨勢(shì)可能發(fā)生改變［11］。本研究選擇相對(duì)電導(dǎo)率、游離態(tài)脯胺酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、丙二醛摩爾質(zhì)量濃度、葉綠素DSPA值等指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)法對(duì)6樹(shù)種抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

評(píng)定方法采用模糊數(shù)學(xué)反隸屬函數(shù)方法來(lái)計(jì)算［12］。計(jì)算公式為:

式中:μ(Xijk)為第i樹(shù)種在第j個(gè)土壤水分處理對(duì)于第k項(xiàng)水分參數(shù)的隸屬函數(shù)值;Xijk為第i個(gè)樹(shù)種第j個(gè)土壤水分處理第k個(gè)水分參數(shù)測(cè)定值;Xkmax、Xkmin為6樹(shù)種第k項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值;μ(Xijk)值越大，耐旱性越強(qiáng)。先分別計(jì)算5項(xiàng)水分參數(shù)隸屬函數(shù)值。

表2 6樹(shù)種抗旱能力的綜合評(píng)價(jià)

表2為6樹(shù)種抗旱能力的綜合評(píng)判結(jié)果，可以看出6樹(shù)種的抗旱性有強(qiáng)弱差別，抗旱能力大小依次為:彩葉杞柳＞遼東水蠟＞紅瑞木＞紅王子錦帶＞麥李＞金銀忍冬。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)中，6樹(shù)種的游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)有的先下降再上升，有的則呈現(xiàn)下降上升再下降的變化。隨土壤含水量下降，金銀忍冬、紅瑞木、彩葉杞柳的降游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)，但上升幅度緩慢，且水平較低;遼東水臘、紅王子錦帶、麥李的游離態(tài)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)都呈下降趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，游離態(tài)脯氨酸累積與植物抗旱性有密切的關(guān)系，但并不簡(jiǎn)單還有待進(jìn)一步研究。

植物在受到水分脅迫后，抵御適應(yīng)干旱的途徑和方式多種多樣，因而用單一或個(gè)別生理生化指標(biāo)難以進(jìn)行復(fù)雜的抗旱鑒定，所以應(yīng)采用多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。植株葉片相對(duì)電導(dǎo)率、游離脯氨酸、可溶性糖、丙二醛和葉綠素含量均是植物生理生化信息的反映，在干旱脅迫下，遼東水臘和麥李的相對(duì)電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，上升幅度分別為48.39%和31.91%，其它4樹(shù)種相對(duì)電導(dǎo)率上升慢，且變化不明顯，組織或細(xì)胞受損輕;游離脯氨酸的積累能增加細(xì)胞滲透勢(shì)和親水，有利于組織或細(xì)胞的保水;細(xì)胞內(nèi)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，能降低原生質(zhì)的滲透勢(shì)，有利于細(xì)胞從外界水勢(shì)降低的介質(zhì)中繼續(xù)吸水，以維持其正常的代謝活動(dòng)，從而增強(qiáng)植物體的抗旱力;丙二醛摩爾質(zhì)量濃度隨著土壤含水量的降低都有不同程度的上升，說(shuō)明了6樹(shù)種的膜系統(tǒng)受傷害的程度較低，受害不嚴(yán)重;6樹(shù)種的葉綠素DSPA值都有所下降，這可能是因?yàn)楦珊得{迫的加劇引起植物細(xì)胞內(nèi)生理、生化改變，使葉綠素合成受阻，降解加快，葉綠素含量迅速下降。綜合多項(xiàng)指標(biāo)比較結(jié)果，6樹(shù)種的抗旱能力大小依次為:彩葉杞柳＞遼東水蠟＞紅瑞木＞紅王子錦帶＞麥李＞金銀忍冬。

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