火棘幼苗生理生化特性對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)1)

肖姣娣

(婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，婁底，417000)

責(zé)任編輯:任 俐。

隨著全球氣候變暖的日益加劇，干旱脅迫已經(jīng)成為限制植物賴以生存、生長(zhǎng)和分布的重要環(huán)境因子之一。而植物為了適應(yīng)這種逆境，體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)，從而調(diào)動(dòng)其防御與適應(yīng)機(jī)制。但不同植物對(duì)干旱的抵抗能力與適應(yīng)能力是不同的，由此而引起的相關(guān)反應(yīng)機(jī)制與特性亦不同。因此，有針對(duì)性地開展植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)理及抗旱機(jī)制研究已成為植物生理生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)課題之一。研究結(jié)果可以為進(jìn)一步明確各種植物的抗旱生理生化機(jī)理提供一定理論依據(jù)，對(duì)于篩選出各地優(yōu)良節(jié)水抗旱植物也具有重要的意義。

火棘(Pyracantha fortuneana)，為薔薇科火棘屬常綠灌木或小喬木，高可達(dá)4 m;主要分布于我國(guó)黃河以南及廣大西南地區(qū);可采用播種、扦插和壓條法繁殖;其樹形優(yōu)美，枝密生有短棘，夏有繁花，秋有紅果(紅果藥食兼用，故火棘又名吉祥果，救兵糧)且果實(shí)存留枝頭甚久，是一種少見的花葉果皆具較高觀賞價(jià)值的常綠植物;因其適應(yīng)性強(qiáng)，耐修剪，喜萌發(fā)，耐貧瘠，可廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)園林綠化與美化，既可點(diǎn)綴于庭園深處、風(fēng)景林地、草地邊緣、園路轉(zhuǎn)彎處體現(xiàn)自然野趣，也可布置于城市道路綠帶濾塵吸毒;對(duì)礦區(qū)植被恢復(fù)與山區(qū)石漠化治理也不愧為一種良好的植物。到目前為止，對(duì)火棘的研究主要集中在育苗技術(shù)、栽培管理、開發(fā)利用等方面［1－3］，不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)火棘幼苗的影響尚未見報(bào)道。本研究通過采用盆栽人工控制水分的方法，對(duì)0.5a 火棘實(shí)生苗開展不同強(qiáng)度干旱脅迫處理的生理生化影響模擬試驗(yàn)，旨在分析探討火棘幼苗對(duì)土壤水分干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)制與生理生化響應(yīng)，以期為火棘的科學(xué)灌溉與合理利用及大面積綠化推廣提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

供試材料為0.5 a 火棘實(shí)生幼苗。2010年12月上旬在婁底市園林處鄉(xiāng)土苗圃基地火棘苗木生產(chǎn)區(qū)選擇生長(zhǎng)健壯、無病蟲害的枝條進(jìn)行采種，并用塑料袋裝好帶回婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院植物與植物生理實(shí)驗(yàn)室堆漚3 d 聞到有腐爛味后用手搓擦果實(shí)成泥漿狀，用清水中反復(fù)攪動(dòng)漂洗數(shù)次后去除懸浮于上部的果皮、果肉和不飽滿的秕種，留下飽滿度與純凈度較高的火棘種子攤開充分陰干后，按V(種子)∶ V(細(xì)沙)=1∶ 3 混合(細(xì)沙濕度為手握成團(tuán)，松手即散，稍加多菌靈粉劑)層積于瓦盆內(nèi)備用。2011年1月25日在婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)林實(shí)訓(xùn)基地搭簡(jiǎn)易小拱棚進(jìn)行播種育苗，15 d 左右即相繼出苗了，繼續(xù)培育至3月1日揭膜露地?zé)捗纾?月25日選擇長(zhǎng)勢(shì)較好且苗高在8 cm 左右的100 株上盆到素?zé)嗤吲柚羞M(jìn)行露地盆栽培育(盆上口內(nèi)徑28.5 cm，下口內(nèi)徑24.0 cm，盆高15.0 cm，盆底內(nèi)徑17.0 cm)，每盆1 株。盆土為混合基質(zhì)(V(腐殖質(zhì)土)∶ V(有機(jī)肥)∶ V(河沙)=2∶ 1∶ 1，適當(dāng)加3%過磷酸鈣)。土壤基本理化性質(zhì)為pH 值6.6，土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為113.4 g·kg－1，85.6、24.2、54.5 mg·kg－1，土壤相對(duì)含水量70%，用電子天平準(zhǔn)確稱量保證每盆基質(zhì)質(zhì)量一致。2011年5月25日(即盆栽正常培養(yǎng)2 個(gè)月后)從盆栽的100 盆火棘苗中按統(tǒng)一規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)(平均苗高(30.00 ±1.00)cm，平均地徑(0.45 ±0.50)cm，平均冠幅(6.50±1.00)cm)選擇60 盆(每盆1 株)進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。

通過單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，將按統(tǒng)一規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)選出的60 盆火棘苗隨機(jī)分為4 個(gè)處理組(即每15盆為1 個(gè)處理組)，4 個(gè)處理組分別代表4種不同強(qiáng)度的水分供應(yīng)梯度，土壤相對(duì)含水量依次為75%(CK，對(duì)照組)、55%(LS，輕度干旱組)、35%(MS，中度干旱組)、15%(HS，重度干旱組)。土壤相對(duì)含水量，即土壤含水量占田間持水量的百分率。試驗(yàn)過程中通過自然失水達(dá)到預(yù)定水分脅迫條件后，采用稱質(zhì)量法人工控制土壤相對(duì)含水量，每天19:00對(duì)所有試驗(yàn)盆栽苗稱質(zhì)量1 次，用量杯按計(jì)算的補(bǔ)水量補(bǔ)充當(dāng)天消耗的水分，使土壤含水量始終控制在設(shè)定范圍內(nèi)，脅迫處理持續(xù)60d 帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。

葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過80%的丙酮提取后采用分光光度計(jì)法測(cè)定;可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用蒽酮法測(cè)定;游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過磺基水楊酸提取后采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定;相對(duì)電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀法測(cè)定;丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度采用硫代巴比妥酸法(TBA)測(cè)定;過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)還原法測(cè)定。以上各項(xiàng)指標(biāo)具體測(cè)定方法主要參照張高俊鳳［4］的方法。每個(gè)指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3 次，于測(cè)定當(dāng)天09:00—10:00，選取各處理組相同部位的功能葉數(shù)片進(jìn)行。

本試驗(yàn)屬于單因素(水分)多水平試驗(yàn)，對(duì)取得的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS V6.55 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，各處理平均數(shù)之間的多重比較采用Duncan 法(即SSR 新復(fù)極差測(cè)驗(yàn)法)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用Excel 2003 軟件制作數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)火棘幼苗葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

從表1可以看出，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的加大，火棘幼苗葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。輕度干旱脅迫(LS)與對(duì)照(CK)相比差異不顯著，而中度干旱(MS)和重度干旱(HS)均顯著低于對(duì)照(CK)，特別是在HS 水分管理?xiàng)l件下，火棘幼苗的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇減少，只有CK 的59.39%，說明重度干旱(HS)已使火棘幼苗葉綠素合成嚴(yán)重受阻。

表1 干旱脅迫下火棘幼苗生理生化指標(biāo)的變化

2.2 干旱脅迫對(duì)火棘幼苗葉片可溶性糖與游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù):干旱脅迫條件下火棘葉片中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如表1所示。隨著干旱脅迫的加重，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中輕度干旱(LS)增加緩慢，只比對(duì)照(CK)高出6.19%，與CK 差異不顯著，而中度干旱(MS)和重度干旱(HS)則分別比對(duì)照(CK)高出64.70%、138.68%，與CK 差異顯著。說明在水分嚴(yán)重缺乏時(shí)，火棘可通過增加可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩解、抵抗干旱對(duì)其造成的傷害。

游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù):如表1所示，隨著干旱脅迫的加重，火棘葉片中游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加非常明顯。重度干旱(HS)條件下達(dá)到最高值212.34 μg·g－1，輕度干旱(LS)、中度干旱(MS)和重度干旱(HS)時(shí)脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是對(duì)照(CK)的1.67 倍、5.17 倍、5.69 倍;且在CK、LS、MS、HS 條件下火棘幼苗葉片中游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)兩兩之間差異均達(dá)到顯著水平。說明產(chǎn)生大量的游離脯氨酸是火棘幼苗應(yīng)對(duì)干旱的一種保護(hù)響應(yīng)策略。

2.3 干旱脅迫對(duì)火棘幼苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛質(zhì)量摩爾濃度的影響

相對(duì)電導(dǎo)率:由表1可知，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的加深，火棘葉片相對(duì)電導(dǎo)率不斷上升。其中，中度干旱(MS)和重度干旱(HS)脅迫下火棘葉片的電導(dǎo)率均顯著高于對(duì)照(CK)，分別是對(duì)照(CK)的2.12倍、4.01 倍，而輕度干旱(LS)的電導(dǎo)率稍高于對(duì)照(CK)，但差異不顯著。

丙二醛質(zhì)量摩爾濃度:隨著干旱脅迫強(qiáng)度的加深，火棘幼苗葉片丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度不斷增加(表1)，同時(shí)增速比較均勻。輕度干旱(LS)時(shí)，MDA 質(zhì)量摩爾濃度與對(duì)照(CK)差異不明顯，但在中度干旱(MS)和重度干旱(HS)條件下分別比對(duì)照(CK)高出49.05%、78.01%，差異達(dá)到顯著水平。

2.4 火棘幼苗葉片過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

過氧化物酶活性:從表1可看出，火棘幼苗葉片過氧化物酶(POD)活性對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)出了先增加后下降的變化趨勢(shì)，同時(shí)增加的速度與下降的速度均比較快。輕度干旱(LS)、中度干旱(MS)時(shí)葉片的POD 活性分別是對(duì)照(CK)的1.71倍、2.78 倍，與CK 差異明顯;而重度干旱(HS)與輕度干旱(LS)、中度干旱(MS)相比，POD 活性顯著減弱而與他們差異顯著，但重度干旱(HS)時(shí)其活性仍然稍高于對(duì)照(CK)，但兩者差異不顯著，這說明即使在嚴(yán)重干旱脅迫條件下火棘還能維持較高的POD 活性，抗旱耐旱性較強(qiáng)。

超氧化物歧化酶活性:隨著干旱脅迫的加強(qiáng)，火棘幼苗葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性也呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的變化特點(diǎn)(表1)。其中在中度干旱(MS)處理?xiàng)l件下SOD 達(dá)到最大值，說明一定程度的干旱脅迫(試驗(yàn)中LS、MS 處理?xiàng)l件下)可以使火棘幼苗葉片的SOD 活性明顯增強(qiáng)，以應(yīng)對(duì)干旱對(duì)其造成的傷害;但當(dāng)干旱達(dá)到一定程度后(試驗(yàn)中HS處理?xiàng)l件下)，火棘幼苗葉片SOD 活性又顯著受到抑制而減弱，其活力已顯著低于對(duì)照(CK)，而輕度干旱(LS)與中度干旱(MS)脅迫下SOD 活性顯著高于對(duì)照(CK)。

3 結(jié)論與討論

葉綠素是植物將捕獲的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的重要活性物質(zhì)，植物葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低將直接影響植物光合作用的強(qiáng)弱與效率，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究表明，輕度干旱脅迫下(即土壤相對(duì)含水量55%)，火棘幼苗葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降不明顯，而隨干旱脅迫強(qiáng)度的加重，火棘幼苗葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)。原因可能是因?yàn)檩^強(qiáng)的干旱脅迫條件制約了葉綠素的生物合成，加速了葉綠素酶活性的分解，迫使葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降［5］。但黃小輝等［6］研究水分脅迫對(duì)桑樹幼苗生理特性的影響發(fā)現(xiàn)，干旱鍛煉的桑樹幼苗葉片的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而提高，并認(rèn)為這是植物在缺水狀態(tài)下氣孔關(guān)閉，胞間CO2含量降低，通過提高葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)來適應(yīng)與抵抗干旱脅迫造成的影響。

可溶性糖與脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可緩解、抵抗不良環(huán)境對(duì)植物造成的傷害［7］。本研究表明，隨干旱脅迫強(qiáng)度的加重，火棘葉片中可溶性糖與游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，特別是在重度干旱(土壤相對(duì)含水量15%)時(shí)可溶性糖與游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是對(duì)照(土壤相對(duì)含水量75%)的2.39 倍、5.69 倍。這可能是當(dāng)火棘遇到嚴(yán)重干旱缺水的不良環(huán)境條件時(shí)，能夠通過代謝活動(dòng)誘導(dǎo)植物體內(nèi)積累較多的可溶性糖與脯氨酸來增加細(xì)胞溶質(zhì)的濃度，維持細(xì)胞較低的滲透勢(shì)，有利于細(xì)胞或組織的吸收能力與保水能力，從而抵抗干旱脅迫帶來的傷害，提高抗旱適應(yīng)能力［8］。這與吳慶貴等［9］研究珙桐、邱真靜等［10］研究沙拐棗對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)結(jié)果一致。

相對(duì)電導(dǎo)率的高低可以反映細(xì)胞膜透性的大小與膜系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，植物在受到逆境脅迫時(shí)，首先表現(xiàn)為細(xì)胞膜受損，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大，其值越大，表示細(xì)胞質(zhì)膜受傷害的程度越重［11］;而丙二醛(MDA)是細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，其質(zhì)量摩爾濃度的高低常用來衡量植物在逆境脅迫中受活性氧傷害的程度［12－13］。本研究中，相對(duì)電導(dǎo)率與MDA 質(zhì)量摩爾濃度的變化規(guī)律相類似，均表現(xiàn)為輕度干旱(LS)脅迫下與對(duì)照差異不明顯，而中度干旱(MS)和重度干旱(HS)均顯著高于對(duì)照(CK)，說明細(xì)胞膜透性的變化與膜脂過氧化反應(yīng)是緩慢漸進(jìn)的，只有當(dāng)干旱脅迫到一定程度后，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能才會(huì)受到嚴(yán)重的傷害，引起膜透性增大與膜脂過氧化程度的加重，從本研究結(jié)果來看，質(zhì)膜透性與質(zhì)膜過氧化程度之間可能存在一定相關(guān)性，與孟健男等［14］對(duì)冬小麥、史寶勝等［15］對(duì)金葉榆的研究結(jié)果相一致。

POD(過氧化物酶)和SOD(超氧化物歧化酶)是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)，其主要作用是清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧和自由基，避免或減輕它們對(duì)植物造成的氧化傷害［16］。本研究表明，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的加重，火棘幼苗葉片的POD、SOD活性均呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的變化特點(diǎn)，說明當(dāng)植株受到輕度干旱(LS)、中度干旱(MS)脅迫時(shí)，其體內(nèi)會(huì)增強(qiáng)這兩種保護(hù)酶活性來維持植株正常的生命活動(dòng);但POD、SOD 活性增強(qiáng)也是有限度的，當(dāng)干旱脅迫超出了一定范圍，保護(hù)酶活性就會(huì)顯著受到抑制而減弱。

綜上所述，火棘幼苗能夠通過調(diào)節(jié)自身葉綠素合成、積累可溶性糖與脯氨酸、改變膜透性與MDA 質(zhì)量摩爾濃度以及變化POD、SOD 活性等生理生化特征來適應(yīng)與應(yīng)對(duì)不同干旱脅迫對(duì)其生命活動(dòng)與生長(zhǎng)造成的影響，表現(xiàn)出一定的抗旱耐旱潛力。但植物的抗旱耐旱性是多種途徑共同作用的結(jié)果，衡量植物抗旱耐旱性的指標(biāo)也很多，本研究只從火棘幼苗葉片一些生理生化指標(biāo)特性分析了其對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，而其他指標(biāo)特性方面還有待進(jìn)一步研究與探討。

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