黃土高原半灌木達烏里胡枝子和鐵桿蒿對土壤干旱脅迫的生理響應

蔡 馬，韓蕊蓮，靳淑靜，郭 穎，梁宗鎖2a，，3

(1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院生命科學學院，廣東 廣州510225;2. 西北農(nóng)林科技大學:a. 水土保持研究中心，b. 生命科學學院，陜西楊凌712100;3. 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100)

植物生長極易受環(huán)境中非生物因子的脅迫，干旱是對植物生長影響最大的環(huán)境因素之一。植物體內(nèi)始終存在活性氧的產(chǎn)生和清除2 個過程，在正常情況下，二者處于平衡狀態(tài)，而在逆境或是衰老過程中，自由基代謝平衡被破壞，產(chǎn)生的自由基對細胞和組織產(chǎn)生毒害［1］。干旱脅迫對植物的傷害主要表現(xiàn)在對植物的氧化脅迫［2］，植物細胞內(nèi)活性氧自由基產(chǎn)生與清除的不平衡導致膜脂過氧化作用的發(fā)生。為保護自身免受活性氧的傷害，植物體內(nèi)存在著非酶抗氧化劑和抗氧化酶類2 類內(nèi)源保護系統(tǒng)。植物抗逆性的高低取決于保護酶系統(tǒng)防御能力的強弱，而保護酶系統(tǒng)的防御能力是由多個抗氧化酶彼此間的協(xié)調(diào)能力決定的，不同酶的活性高低因植物種類、生物學特性、脅迫方式、脅迫程度及時間存在一定差異［3－4］;植物通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(如脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì))和提高抗氧化酶(如超氧化物歧化酶SOD、過氧化物酶POD 和過氧化氫酶CAT 等)活性，抵御和適應干旱逆境［5－10］。在干旱逆境環(huán)境中抗氧化性強的植物，其保護酶活性仍能維持較高的水平，抑制活性氧積累，進而能減輕膜脂過氧化對細胞的傷害。膨壓是維持植物正常生長的關鍵因素，其喪失將抑制植物生長;水分脅迫條件下，細胞通過溶質(zhì)增加和滲透勢降低維持葉水勢降低后的膨壓，并維持一定的氣孔開度，由此通過滲透調(diào)節(jié)能力［11］來調(diào)整和適應干旱脅迫。

作者選用黃土高原地區(qū)2 種常見的半灌木達烏里胡枝子〔Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.〕和鐵桿蒿(Artemisia sacrorum Ledeb.)為研究對象，系統(tǒng)研究不同土壤干旱脅迫條件下2 種植物體內(nèi)保護酶活性與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的動態(tài)變化規(guī)律，以期揭示黃土高原鄉(xiāng)土半灌木的抗旱生理機制以及抗旱性差異，旨在為黃土高原退耕還林坡地建設中樹種的選擇和應用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗材料與處理

供試材料為黃土高原群落演替中典型優(yōu)勢半灌木達烏里胡枝子和鐵桿蒿的天然實生苗，采自陜西省安塞縣中國科學院安塞水土保持綜合試驗站的野生封育坡面，于初春植物地上部未萌發(fā)之前挖取大小基本一致的根稱取質(zhì)量后栽植。

實驗在中國科學院水利部水土保持研究所透光遮雨棚內(nèi)進行。選取大小基本一致的根于2008 年4月初栽植于塑料桶(高27 cm、上口徑35 cm、下口徑22 cm)中;栽培基質(zhì)為V(過篩壚土)∶V(蚯蚓糞)=3∶1的混合基質(zhì)，其田間最大持水量(θf)為24%。參照文獻［12］設置 3 個干旱處理水平:適宜水分(75% θf，CK)、中度虧缺(55% θf)、重度虧缺(35%θf)，每桶栽植3 株，每處理6 個重復;各處理另設空白桶(裸土，不栽培植物)，用于土壤蒸發(fā)量測定。栽植后充足澆水，待根正常萌芽成活后按照干旱處理水平進行水分控制，待土壤水分自然消耗至設定水平后，用電子稱(載量30 kg、感量5 g)稱取質(zhì)量并將土壤含水量控制在設定水平，定時補充水分，準確記錄加水量，使各處理的土壤含水量在實驗期間保持在設定范圍內(nèi)。

1.2 測定項目與方法

分別于 2008 年 6 月 12 日、6 月 29 日、7 月 16 日、8 月 2 日和 8 月 19 日的 9:00 至 10:00 采集葉片進行各項指標測定。剪取每桶中3 株植株由頂部向下第2和第3 位的外圍完全展開、長勢一致的功能葉，混合后迅速裝入自封袋并置于預冷的冰盒中，帶回實驗室進行相關指標測定。

1.2.1 酶液制備 稱取 0.300 ～1.000 g 鮮葉，加 20 mmol·L－1KH2PO43.0 mL，于冰浴中研磨至勻漿，轉移至10 mL 容量瓶中，用磷酸緩沖液沖洗研缽2 ～3 次(每次1 ～2 mL)，沖洗液一并移入容量瓶中并定容至10 mL，搖勻;取5 mL 提取液于離心管中，在4 ℃、10 000 r·min－1離心 15 min，上清液即為酶粗提液，于－40 ℃冰箱中保存、待測。

1.2.2 生理生化指標測定 SOD 活性測定采用氮藍四唑光還原法［13］211－213;CAT 活性測定采用紫外吸收法［13］214－216;采用愈創(chuàng)木酚顯色法［13］217－218測定 POD活性;采用抗壞血酸氧化法［13］218－219測定 APX 活性;采用磺基水楊酸提取、茚三酮顯色法［13］228－231測定游離脯氨酸含量;丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸比色法［13］210－211;可溶性蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍 G－250 染色法［13］142－143。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和處理。

2 結果和分析

2.1 對葉片保護酶系統(tǒng)的影響

2.1.1 對SOD 活性的影響 土壤干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片SOD 活性的變化見圖1。由圖1 可以看出:在重度和中度干旱條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片的SOD 活性與對照差異不顯著，且均呈現(xiàn)相似的變化趨勢，即隨著脅迫時間的延長SOD 活性逐漸增加，且同一時期不同處理間SOD 活性差異不顯著。此外，同一時期同一干旱脅迫處理條件下，達烏里胡枝子葉片的SOD 活性均高于鐵桿蒿。說明在干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿中SOD 活性在清除活性氧方面有著重要的作用。

圖1 土壤干旱條件下達烏里胡枝子(A)和鐵桿蒿(B)葉片SOD 活性的動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic change of SOD activity in leaves of Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.(A)and Artemisia sacrorum Ledeb.(B)under soil drought condition

2.1.2 對POD 活性的影響 干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片POD 活性的變化見圖2。由圖 2－A 可見:在適宜水分(75%θf，對照)條件下，達烏里胡枝子葉片的POD 活性隨處理時間延長呈先升高后降低再升高然后又降低的變化趨勢，但變化幅度不大;在中度干旱脅迫(55%θf)條件下，其葉片的POD活性隨處理時間延長呈現(xiàn)前期和中期緩慢升高、后期稍有降低的變化趨勢，且總體變化幅度不大;而在重度干旱脅迫(35%θf)條件下，其葉片POD 活性隨處理時間延長呈現(xiàn)前期大幅提高、至7 月16 日達到最高后急劇下降的變化趨勢(呈倒“V”型)，且總體變化幅度極大?？傮w上看，在脅迫的中后期，3 個處理組達烏里胡枝子葉片的POD 活性差異不明顯，說明在干旱脅迫條件下達烏里胡枝子體內(nèi)的POD 表現(xiàn)出良好的保護效應。

由圖2－B 可見:在土壤重度干旱、中度干旱及適宜水分條件下，鐵桿蒿葉片的POD 活性具有相似的變化趨勢，即隨處理時間的延長呈先逐漸升高然后逐漸降低的變化趨勢，但POD 活性的最高點有差異。其中，在重度干旱條件下其POD 活性在7 月16 日達到最高值;而在中度干旱及適宜水分條件下 POD 活性在8 月2 日達到最高值。總體上看，在處理的前中期，POD 活性在重度干旱條件下均最高、在中度干旱條件下均最低;而在處理的中后期，POD 活性在適宜水分條件下均最高、在重度干旱條件下均最低。表明重度干旱條件下鐵桿蒿體內(nèi)POD 活性受到影響。比較而言，在重度干旱條件下，達烏里胡枝子葉片POD活性的變化幅度大于鐵桿蒿。

圖2 土壤干旱條件下達烏里胡枝子(A)和鐵桿蒿(B)葉片POD 活性的動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic change of POD activity in leaves of Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.(A)and Artemisia sacrorum Ledeb.(B)under soil drought condition

2.1.3 對CAT 活性的影響 干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片CAT活性的變化見圖3。由圖3－A 可見:在土壤重度干旱、中度干旱及適宜水分(對照)條件下，達烏里胡枝子葉片的CAT 活性具有相似的變化趨勢，即隨處理時間的延長呈先降低再升高又降低的變化趨勢，但CAT 活性的最高點以及同一時期CAT 活性有差異。其中，在處理的中前期，在重度干旱條件下CAT 活性均最高且7 月16 日達到最高值，而適宜水分條件下的CAT 活性均最低;而在處理的中后期，在適宜水分及中度干旱條件下CAT 活性均在8 月2 日達到最高值，且對照組的CAT 活性均最高，而重度干旱處理組的CAT 活性均最低。整體上看，在整個處理期間，在重度干旱條件下達烏里胡枝子葉片CAT 活性變化幅度大于中度干旱和適宜水分條件下，說明嚴重干旱加速了達烏里胡枝子體內(nèi)活性氧清除的酶促反應。

由圖3－B 可見:在土壤重度干旱、中度干旱及適宜水分條件下，鐵桿蒿葉片的CAT 活性均在7 月16日達到最高值，然后急劇降低并趨于穩(wěn)定。不同的是，在重度和中度干旱條件下，處理的前中期鐵桿蒿的CAT 活性均呈先降低然后急劇升高的趨勢，而在適宜水分條件下的前中期CAT 活性則呈逐漸升高的趨勢。總體上看，2 個處理組的CAT 活性均高于對照且變化幅度也大于對照。

比較結果表明:整體上看，在土壤干旱條件下，鐵桿蒿葉片CAT活性高于達烏里胡枝子，其對干旱適應調(diào)節(jié)能力較強。

圖3 土壤干旱條件下達烏里胡枝子(A)和鐵桿蒿(B)葉片CAT 活性的動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic change of CAT activity in leaves of Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.(A)and Artemisia sacrorum Ledeb.(B)under soil drought condition

2.1.4 對APX 活性的影響 土壤干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片APX 活性的變化見圖4。由圖4－A 可見:在重度干旱脅迫條件下，達烏里胡枝子葉片APX 活性隨處理時間的延長呈先急劇升高然后急劇降低的趨勢，呈倒“V”型，最高值出現(xiàn)在7 月16 日;而在中度干旱及適宜水分(對照)條件下，隨處理時間的延長，達烏里胡枝子葉片APX 活性均呈雙峰型變化趨勢，即先升高后降低再升高最后又降低的趨勢，其中在7 月16 日達到谷值?？傮w上看，在干旱脅迫條件下達烏里胡枝子葉片APX 活性高于對照。

由圖4－B 可見:在整個實驗處理期間，鐵桿蒿葉片APX 活性在中度干旱和適宜水分處理下均呈先升高再降低的趨勢，最高值均出現(xiàn)在7 月16 日;而在重度干旱脅迫下，APX 活性在處理的前中期隨處理時間延長呈平穩(wěn)上升的趨勢，在7 月16 日達到次峰值后降至谷值，在處理的末期急劇升至最高峰值?？傮w上看，在處理的前中期3 個處理組的APX 活性變化幅度不大，而在處理末期，在重度干旱條件下鐵桿蒿APX 活性明顯高于中度干旱及對照。說明在重度干旱脅迫后期，當鐵桿蒿體內(nèi)其他酶活性降低時APX 活性加強，是這個時期體內(nèi)清除活性氧的主要作用酶。

2.1.5 對MDA 含量的影響 土壤干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片MDA 含量的變化見圖5。由圖5 可見:在不同處理條件下，2 種植物葉片MDA含量的變化趨勢相似，即隨處理時間延長，MDA 含量先升高隨后不同程度降低，均呈單峰曲線;但二者的MDA 含量水平及其峰值出現(xiàn)時間有一定差異。

由圖5－A 可見:在處理前期，各處理組達烏里胡枝子葉片MDA 含量均無明顯的變化，含量差異不明顯;然后急劇增加并在7 月16 日達到峰值，其中對照組的峰值明顯高于重度及中度干旱處理組;在處理的中后期各處理組達烏里胡枝子葉片MDA 含量逐漸減低并在末期達到最低值，3 個處理組的MDA 含量水平無明顯差異。

圖4 土壤干旱條件下達烏里胡枝子(A)和鐵桿蒿(B)葉片APX 活性的動態(tài)變化Fig. 4 Dynamic change of APX activity in leaves of Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.(A)and Artemisia sacrorum Ledeb.(B)under soil drought condition

圖5 土壤干旱條件下達烏里胡枝子(A)和鐵桿蒿(B)葉片MDA 含量的動態(tài)變化Fig. 5 Dynamic change of MDA content in leaves of Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.(A)and Artemisia sacrorum Ledeb.(B)under soil drought condition

由圖5－B 可見:在處理前期，各處理組鐵桿蒿葉片MDA 含量均無明顯的變化且含量水平差異不明顯;而在處理中期，在中度干旱和適宜水分條件下鐵桿蒿葉片MDA 含量略有上升但增幅不大，而在重度干旱條件下鐵桿蒿葉片MDA 含量急劇升高并在8 月2 日達到峰值，其MDA 含量水平明顯高于中度干旱及對照組;在處理末期，各處理組鐵桿蒿葉片MDA 含量均降至最低且差異不大。

實驗結果表明:在脅迫初期，供試2 種植物完全調(diào)動自身的調(diào)節(jié)能力，使其受干旱脅迫影響較小，各處理間MDA 含量差異不明顯;隨后當這種調(diào)節(jié)能力超過一定限度時，膜傷害程度加大(7 月中旬前后)，MDA 在體內(nèi)積累;但在脅迫后期啟動了自身的抗氧化體系，使膜脂過氧化程度減輕，MDA 含量有所降低。

2.2 對葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.2.1 對游離脯氨酸含量的影響 土壤干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片游離脯氨酸含量的變化見圖6。由圖6 可以看出:在重度干旱及適宜水分(對照)條件下，供試2 種植物葉片中的游離脯氨酸含量隨處理時間的延長雖然呈現(xiàn)波動變化，但變幅不大。而在中度干旱條件下，在處理前中期2 種植物葉片游離脯氨酸含量與重度干旱及對照組的差異并不大;而在處理中后期(7 月16 日以后)，2 種植物葉片游離脯氨酸含量明顯高于重度干旱及對照組，其中達烏里胡枝子葉片游離脯氨酸含量在7 月16 日以后急劇增加，至實驗結束時達到最高值，分別是對照和重度干旱處理組的 4.12 倍和 2.92 倍(圖 6－A);而鐵桿蒿葉片游離脯氨酸含量在7 月16 日以后呈現(xiàn)先急劇增加然后明顯降低的趨勢，但在實驗結束時仍明顯高于重度干旱及對照組(圖6－B)，表明不同植物對干旱脅迫的反應機制不同?？傮w上看，在不同處理條件下鐵桿蒿葉片游離脯氨酸含量的變化趨勢相似。

圖6 土壤干旱條件下達烏里胡枝子(A)和鐵桿蒿(B)葉片游離脯氨酸含量的動態(tài)變化Fig. 6 Dynamic change of free proline content in leaves of Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.(A)and Artemisia sacrorum Ledeb.(B)under soil drought condition

2.2.2 對可溶性蛋白質(zhì)含量的影響 土壤干旱脅迫條件下達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的變化見圖7。由圖7 可見:在土壤重度干旱、中度干旱及適宜水分(對照)條件下，達烏里胡枝子和鐵桿蒿葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的變化規(guī)律基本相似，總體上隨處理時間的延長均呈逐漸升高的趨勢，且同一時期各處理組可溶性蛋白質(zhì)含量差異不明顯。

整體上看，3 個處理組達烏里胡枝子葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量在處理前期小幅下降然后逐漸增加，說明在脅迫前期蛋白質(zhì)合成受阻，而在炎熱的7 月，由于對干旱脅迫及氣溫升高的響應，其體內(nèi)生理代謝產(chǎn)生變化與調(diào)整，導致蛋白質(zhì)合成量增加或者誘導產(chǎn)生一些新蛋白質(zhì)使可溶性蛋白質(zhì)含量上升;而鐵桿蒿葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量在脅迫初期穩(wěn)定、在脅迫后期僅小幅變化，說明其對干旱脅迫有一定的耐性。

3 討 論

圖7 土壤干旱條件下達烏里胡枝子(A)和鐵桿蒿(B)葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的動態(tài)變化Fig. 7 Dynamic change of soluble protein content in leaves of Lespedeza daurica (Laxm.)Schindl.(A)and Artemisia sacrorum Ledeb.(B)under soil drought condition

本實驗結果表明:植物的保護酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)機制對干旱脅迫的響應具有相互補償?shù)淖饔?。由上述實驗結果可以推測:總體上看，達烏里胡枝子和鐵桿蒿在干旱脅迫中期主要依靠維持較高的保護酶活性來有效的清除細胞活性氧、抑制膜脂過氧化對細胞的傷寒，提高細胞抗氧化能力;而在脅迫后期，隨脅迫時間的延長和脅迫強度的加劇，各種保護酶活性開始下降，2 種植物通過提高滲透調(diào)節(jié)能力抵抗干旱脅迫的傷害，即在脅迫后期通過增加游離脯氨酸的積累和加快可溶性蛋白質(zhì)的合成啟動抗旱滲透調(diào)節(jié)機制。在本實驗中，2 種植物的MDA 含量在適宜水分下較高，與一般實驗結果不符，這是否與植物種類有關則有待于進一步研究。綜合分析結果表明:達烏里胡枝子和鐵桿蒿2 種半灌木對中度干旱脅迫的生理響應能力最強，也表明作為黃土高原鄉(xiāng)土植物，2 種植物自身具有獨特的抗旱生物學及生態(tài)學特性，相同的生長環(huán)境及長期適應干旱脅迫使二者具備了相似的抗旱機制，體內(nèi)形成一套較完善的抵御和適應干旱的能力;并在長期干旱條件下表現(xiàn)出極強的細胞膜穩(wěn)定性，以抵御干旱脅迫對細胞造成的傷害，進而使達烏里胡枝子和鐵桿蒿在黃土高原群落演替中占據(jù)優(yōu)勢，成為典型的優(yōu)勢群落，并在加快植被恢復進程和促進演替的正向發(fā)展中起重要作用。

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