持續(xù)干旱條件下紅椿無性系幼苗的生理響應(yīng)

陳彩霞 ，王瑞輝 ，吳際友 ，程 勇 ，劉 球 ，李 艷

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2. 湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004)

持續(xù)干旱條件下紅椿無性系幼苗的生理響應(yīng)

陳彩霞1,2，王瑞輝1，吳際友2，程 勇2，劉 球2，李 艷1

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2. 湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004)

以5個1年生的紅椿幼苗無性系為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行水分脅迫，探討其在持續(xù)干旱條件下的生理響應(yīng)。結(jié)果表明：隨著水分脅迫的加劇，葉綠素含量減少，但不同的品種有差異；丙二醛（MDA）含量逐漸增加；抗氧化酶（包括超氧化物歧化酶SOD和過氧化物酶POD）活性先增加后減少；5個無性系中，17和18號的抗氧化酶活性高于16、19和20號；滲透物質(zhì)脯氨酸(Pro)的含量逐漸增加，17和18號比16、19和20號增加的值高；17和18號比16 、19和20號抗旱性好。

紅椿無性系幼苗；干旱條件；水分脅迫；生理響應(yīng)

紅椿Toona ciliata Roem別名紅楝子，楝科香椿屬，半常綠喬木, 國家Ⅱ級重點(diǎn)保護(hù)野生植物，是我國熱帶、亞熱帶地區(qū)的珍貴速生用材樹種。其木材為上等家具用材，素有“中國桃花心木”之稱[1]。由于環(huán)境變化、過度開發(fā)以及天然更新較慢，其數(shù)量不斷減少[2]。因紅椿具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，近年來紅椿的育苗已經(jīng)達(dá)到一定規(guī)模。

水分是植物生長的重要因子之一，能影響植物形態(tài)、生理生化代謝[3]。水分脅迫是各種脅迫環(huán)境中最常見、最普遍的逆境因子。在水分脅迫下，植物通過自身生理生化過程的調(diào)節(jié)，形成一定的抗性機(jī)理，表現(xiàn)為一些相關(guān)指標(biāo)如超氧化物岐化酶(SOD)活性、脯氨酸含量等發(fā)生變化[4]。陳歆等[5]以檳榔幼苗為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行土壤水分脅迫試驗(yàn)，結(jié)果表明，檳榔幼苗葉片的丙二醛 MDA含量和脯氨酸Pro含量呈現(xiàn)上升趨勢，過氧化物酶POD 活性和超氧化物歧化酶SOD 活性呈先升高后下降趨勢。陳亞飛等[6]以普陀樟2年生實(shí)生苗為試驗(yàn)材料進(jìn)行水分脅迫，結(jié)果表明，葉綠素含量都降低，植物葉片脯氨酸、丙二醛含量顯著升高，超氧化物歧化酶SOD和過氧化物酶POD活性隨著脅迫時間的延長表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。紅椿分布的地區(qū)多為亞熱帶，常出現(xiàn)伏旱天氣，氣溫高，降水少，對紅椿的生長尤其是幼苗具有嚴(yán)重影響。目前對紅椿無性系嫩枝扦插的研究有較快的進(jìn)展[2]，但對紅椿無性系幼苗的環(huán)境脅迫研究比較少。本研究以紅椿無性系幼苗為實(shí)驗(yàn)材料，分析其在水分脅迫下的生理生化指標(biāo)，篩選出抗旱性較好的無性系，以期為紅椿科學(xué)育苗提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及處理方式

實(shí)驗(yàn)材料為5個1年生紅椿無性系幼苗，于2012年3月中旬移栽入帶孔花盤中，每個無性系10盆，保證其生根和正常生長。試驗(yàn)從6月底開始到7月底結(jié)束，試驗(yàn)前對盆栽苗木進(jìn)行充分澆水，然后放入透明的遮雨棚中，不再澆水，每間隔5 d采樣，即在第1、6、11、16、21、26天采樣，第1天的樣品為對照，每次采樣設(shè)3次重復(fù)。

1.2 測定指標(biāo)及方法

（1）葉綠素測定采用浸提法。

（2）測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和丙二醛（MDA）的酶液是取新鮮葉片0.2 g，用pH 值7.8的磷酸緩沖液7 mL進(jìn)行冰浴研磨，用脫脂棉過濾于10 mL的離心管中，在10 000轉(zhuǎn)的速率下離心15 min，提取上清液為酶液，這與盧少云等[7]的提取方法一致，超氧化物歧化酶活性采用氮藍(lán)四銼法[8]，丙二醛采用硫代巴比妥酸法[8]，過氧化物酶的活性參照陳建勛等[8]的方法測定。

(3)脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用Excel進(jìn)行整理計(jì)算，用SPSS17.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)干旱對紅椿無性系幼苗葉綠素含量的影響

圖1為5個紅椿無性系幼苗的葉綠素含量在干旱脅迫條件下的變化。由圖1可以看出，隨著干旱脅迫的加重，葉綠素含量呈持續(xù)減少的趨勢；第1天16、17、18、19和20號無性系葉綠素含量分別為2.7、3.3、3.0、2.4和2.5 mg/g，第16天分別為 1.3、2.0、2.0、0.8和 1.3 mg/g，第 16天分別是第1天的0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.5倍、0.4倍和0.5倍；第16天后，16號和19號無性系葉片枯黃，植物體死亡；在第21天時，20號無性系葉綠素含量為0.8 mg/g，幼苗死亡；在第26天時， 17和18號無性系葉綠素含量僅為1.18 mg/g和 0.99 mg/g，葉片枯黃，植物體死亡。

圖1 水分脅迫對紅椿葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of water stress on leaf chlorophyll content

方差分析表明，5個紅椿無性系幼苗的葉綠素含量在不同的品系和不同的干旱脅迫時間之間有顯著差異。

高等植物的光合色素包括葉綠素和類胡蘿卜素，葉綠素是一種復(fù)雜的有機(jī)酸，存在于葉綠體中，綠色植物通過葉綠素利用光能進(jìn)行光合作用，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，釋放氧氣。鄭敏娜等[9]對水分脅迫下 6 種禾草葉綠體、 線粒體超微結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明，6種供試材料的葉肉細(xì)胞對水分脅迫最敏感的細(xì)胞器都是葉綠體，其次是線粒體；在水分脅迫下，葉綠體的超微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響葉綠素的產(chǎn)生，導(dǎo)致葉綠素含量的降低。因此，植物在干旱脅迫下葉綠素含量的變化在一定程度上反映植物受害程度。

2.2 持續(xù)干旱對紅椿無性系幼苗MDA含量的影響

圖2為紅椿無性系幼苗的MDA含量隨干旱脅迫加深而變化的趨勢。從圖2可以看出：5個紅椿無性系幼苗MDA含量隨著水分脅迫的加深而上升。5個無性系在正常澆水情況下MDA的含量較小，16、17、18、19和20號無性系分別是10.95、12.47、11.76、10.34 和 9.07 μmol/g。干旱脅迫到第16天，MDA的含量是對照的2.9、2.3、2.3、2.1和2.9倍，16和19號無性系死亡。干旱脅迫中后期，17和18號無性系的MDA含量增幅大，達(dá)到 73.64 μmol/g 和 50.72 μmol/g，是對照的6.0倍和4.3倍。

圖2 干旱脅迫下紅椿幼苗MDA含量的變化Fig.2 Changes of T. ciliata seedlings MDA contents under drought stress

方差分析表明：5個紅椿無性系幼苗的MDA含量在不同的品系和干旱脅迫時間之間差異不顯著。

當(dāng)植物受到水分脅迫時，引發(fā)膜脂過氧化作用，丙二醛（MDA）是這一作用的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生還能加劇膜的損傷，因此，丙二醛的含量能夠代表膜脂過氧化的程度，也可間接反映植物組織的抗氧化能力的強(qiáng)弱，表明植物受干旱脅迫的程度[10]。

2.3 持續(xù)干旱對紅椿無性系幼苗SOD和POD活性的影響

圖3、4為5個紅椿無性系幼苗SOD和POD活性在干旱脅迫條件下的變化。從圖3、4可以看出，隨著干旱脅迫的加重，SOD和POD活性呈先增加后減少的趨勢。SOD活性達(dá)到峰值的時間為：16號在干旱脅迫第6天，為412.10 U/g，是對照的3.2倍；17和18號在干旱脅迫第16天，分別為694.63和685.06 U/g ，是對照的8.9倍和7.2倍；19和20號在干旱脅迫第11天，為499.84和476.55 U/g ，是對照的5.6倍和5.01倍。POD活性達(dá)到峰值的時間為：16和19號在干旱脅迫第11天，為 1 341.38和 1 208.24 U/(g·min)，是對照的4.17倍和4.25倍；17、18和20號在干旱脅迫第16天，分別為1 776.67、1 167.52和762.27 U/(g·min)，是對照的3.01倍、1.53倍和1.67倍。SOD活性和POD活性達(dá)到峰值的時間差異說明5個紅椿無性系幼苗抵抗干旱脅迫的能力不同，17和18號抵抗能力較強(qiáng)，持續(xù)時間較長，16、19和20號抵抗能力較弱。

圖3 干旱脅迫下紅椿幼苗葉片SOD活性的變化Fig. 3 Changes of T. ciliata seedlings leaves SOD activity under drought stress

圖4 干旱脅迫下紅椿幼苗葉片POD活性的變化Fig. 4 Changes of T. ciliata seedlings leaves POD activity under drought stress

方差分析表明，5個紅椿無性系幼苗的SOD活性和POD活性在不同的品系和不同的干旱脅迫時間之間有顯著差異。

在干旱脅迫條件下，細(xì)胞內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除的平衡遭到破壞，此時積累的自由基對植物細(xì)胞造成傷害，SOD是機(jī)體內(nèi)天然存在的超氧自由基清除因子，它通過一系列反應(yīng)把對植物體有害的超氧自由基轉(zhuǎn)化為過氧化氫，再通過植物體內(nèi)的過氧化物酶POD和過氧化氫酶CAT將其分解為完全無害的水。這樣，SOD、POD和CAT便組成了一個完整的防氧化鏈條，但隨著干旱脅迫的加重，植物體的機(jī)體遭到破壞，這3種抗氧化酶的活性也會隨之降低。這與李少鋒等[11]的研究結(jié)果相同。

2.4 持續(xù)干旱對紅椿無性系幼苗脯氨酸含量的影響

圖5為5個紅椿無性系幼苗的脯氨酸含量在干旱脅迫條件下的變化。由圖5可以看出，隨著干旱脅迫的加重，脯氨酸含量呈持續(xù)上升的趨勢；在開始試驗(yàn)后的前6 d，脯氨酸含量增長緩慢。16、17、18、19和20號第6天的脯氨酸含量分別是第1天含量的3.0倍、2.0倍、2.3倍、1.3倍和3.0倍；在6～11 d，脯氨酸的含量迅速增加，是對照的11.0倍、20.5倍、11.7倍、9.0倍和8.3倍；在干旱脅迫第16天，脯氨酸的含量增長速度變慢，是第11天的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.5倍和1.8倍；第16天之后，增長得就更加緩慢；第21天之后，17和18號的脯氨酸含量都是21 d的1.1倍。在5個紅椿無性系幼苗中，17和18號的脯氨酸含量增長速度快，持續(xù)時間長，抗干旱能力較強(qiáng)。

圖5 干旱脅迫下紅椿幼苗葉片脯氨酸含量的變化Fig.5 Changes of T. ciliata seedlings leaves proline contents under drought stress

方差分析表明：5個紅椿無性系幼苗的脯氨酸含量在不同的品系和不同的干旱脅迫時間之間有顯著差異。

脯氨酸是植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物在遭受輕微干旱脅迫時，能通過脯氨酸等滲透物質(zhì)調(diào)節(jié)細(xì)胞的含水量和膨壓勢，從而維持細(xì)胞正常的生理功能。當(dāng)干旱脅迫加重時，脯氨酸在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)大量積累，降低細(xì)胞水勢，加強(qiáng)細(xì)胞或組織吸水，同時，脯氨酸還能保護(hù)細(xì)胞生物大分子的活性結(jié)構(gòu)，增加可溶性蛋白質(zhì)的沉淀，從而對植物進(jìn)行正常生理活動起到重要的保護(hù)作用，提高抗旱能力[12-17]。

3 結(jié)論和討論

持續(xù)干旱條件下，5個紅椿無性系幼苗葉綠素的含量逐漸降低，MDA含量呈持續(xù)增加的趨勢，2種抗氧化酶超氧化物歧化酶SOD和過氧化物酶POD活性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，脯氨酸的含量呈慢—快—慢的變化趨勢。上述生化物質(zhì)的生理意義和變化趨勢都表明17、18號紅椿無性系幼苗比16、19、20號具有較強(qiáng)的抗旱能力。

實(shí)驗(yàn)材料為1年生無性系扦插苗，扦插試驗(yàn)在湖南省林業(yè)科學(xué)研究院杜家村林場進(jìn)行。扦插苗枝條采自湖南石門紅椿優(yōu)質(zhì)幼苗，該批幼苗是采用經(jīng)過篩選的優(yōu)良紅椿種子繁殖的。在持續(xù)干旱情況下，5個紅椿無性系幼苗的葉綠素含量、超氧化物歧化酶SOD和過氧化物酶POD活性、脯氨酸含量有顯著差異，說明5個無性系之間產(chǎn)生差異是由樹種本身的遺傳因素引起的，其中17和18號無性系幼苗的抗旱能力較強(qiáng)。扦插實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在夏、秋季節(jié)進(jìn)行扦插，扦插枝條保留3～4個半葉片，17和18號扦插苗的成活率、生根率和1年生苗木的生長量較其它無性系較高，因此可以選擇17和18號無性系在生產(chǎn)中進(jìn)行推廣。

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Physiological responses of Toona ciliata clone seedlings under continuous drought conditions

CHEN Cai-xia1,2, WANG Rui-hui1, WU Ji-you2, CHENG Yong2, LIU Qiu2, LI Yan1
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China)

Based on five annual Toona ciliata clonal seedlings which have been drought stressed, the change of the physiological responses of the T. ciliata clonal seedlings were investigated under the persistent drought conditions. As the water stress intensified, the contents of chlorophyll would decreased, but there were differences in chlorophyll content, the contents of malondialdehyde (MDA)would increased, and the contents of SOD and POD would climbed up and then declined; among the five seedlings, the antioxidant enzyme activity of 17th and 18th T. ciliata clonal seedlings were higher than that of 16th, 19th and 20th; the contents of osmotic substances proline would increased and the added values of 17th and 18th T. ciliata clonal seedlings were higher than that of 16th,19th and 20th; the 17th and 18th T. ciliata clonal seedlings’ drought resistance was better than that of 16th, 19th and 20th.

Toona ciliata clonal seedlings; drought condition; water stress; physiological response

S718.43

A

1673-923X(2013)08-0046-04

2012-10-16

湖南省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目：珍貴用材樹種紅椿等良種選育研究（2012-07）

陳彩霞（1986-），女，河北遷安人，碩士研究生，從事城市林業(yè)與濕地保護(hù)理論與技術(shù)研究

王瑞輝（1962-），男，湖南湘鄉(xiāng)人，教授，博士，主要從事植物水分生理生態(tài)研究；E-mail：wang626389 @163.com

[本文編校：謝榮秀]