我國楊樹抗旱性研究進展

張忠輝, 王文濤, 包廣道, 劉 婷, 羅 也, 劉志越

(1. 吉林省林業(yè)科學研究院, 吉林 長春 130033; 2. 蛟河市林業(yè)局, 吉林 吉林 132500; 3. 敦化市寒蔥嶺國有林場, 吉林 延邊 133700)

楊樹在我國北方廣泛分布,是“三北”防護林的主要樹種,多年來為我國北方的環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)起到不可替代的支撐作用。但是由于北方多屬于干旱半干旱地區(qū),常年少雨,水分脅迫為限制其生長的重要因素,有些地區(qū)甚至造成其生長退化。我國學者在楊樹的抗旱性方面進行了大量研究工作,在科學與技術方面有了較大進展,本文就抗旱指標體系、評價方法、抗旱指標變化規(guī)律等方面取得的成就進行了總結,以期為進一步的研究提供幫助。

1 抗旱脅迫響應

干旱脅迫會使樹木的生理生化指標、形態(tài)指標等發(fā)生一系列變化,不同樹種、不同家系、不同脅迫程度也都會使指標發(fā)生變化。因此,無論是對楊樹抗旱樹種的篩選,還是分析干旱地區(qū)楊樹退化原因,必須進行干旱脅迫與各種指標的關系研究。

1.1 干旱脅迫與形態(tài)指標

葉是水分消耗的重要器官,在干旱脅迫條件下為了維持植物體內(nèi)水分平衡會發(fā)生各種形態(tài)上的變化。有研究表明,在干旱脅迫下為降低蒸騰速率,會減少葉片數(shù)、總葉面積和葉片生物量[1]。改變?nèi)~片的結構也可以抵御干旱,如何茜[2]對毛白楊無性系幼苗進行干旱脅迫試驗時,發(fā)現(xiàn)其中的一個無性系具有較厚的角質(zhì)層和較大的柵欄與海綿組織厚度比值,具有較強的抗旱性,其原理是增加葉片的厚度可阻止光吸收,可增加水分在葉片中的傳導距離,減少體內(nèi)水分損失,儲存更多的水分;在進行胡楊的干旱脅迫研究時也得出類似的結論[3]。

由于土壤供水不足,葉片為了減少水分損失,在形態(tài)上發(fā)生相應的變化。全紅楊干旱脅迫12 d,植株幼葉色澤變暗淡,部分萎蔫下垂,下部老葉變橙黃并出現(xiàn)枯萎脫落現(xiàn)象;干旱脅迫15 d,全紅楊葉片萎蔫脫落現(xiàn)象加重[4]。持續(xù)干旱脅迫加之年齡等因素的影響,可能會出現(xiàn)枯梢甚至死亡的現(xiàn)象[5]。

由于土壤水分的降低,樹木為了適應干旱條件會重新分配資源,有時會提高干物質(zhì)向根部的分配,提高根莖比[6];抗旱性較強的樹種會提高根莖比,抗旱性較差的樹種會降低根莖比[7]。干旱程度對資源的分配有一定的影響,群眾楊扦插苗各器官干重在干旱脅迫下均降低,而根冠比顯著增加,持續(xù)重度干旱則光合產(chǎn)物向莖分配比例提高[8]?！澳狭?95”楊在干旱脅迫下葉分配指數(shù)均有不同程度下降,葉緣分裂程度、根莖比和根分配指數(shù)增大[9]。

1.2 干旱脅迫與生長指標

林木在干旱條件下生長,由于土壤水分供應不足,會影響光合作用、呼吸作用、水分代謝等生理過程,最終會在樹高、胸徑、材積和生物量等方面體現(xiàn)出來。

隨著干旱脅迫程度的加重,楊樹生長速率會減小。土壤含水量為田間持水量的50 %～60 %時,6個無性系(種)苗高生長量降幅為33.33 %～56.62 %,地徑生長量降幅為36.97 %～50.86 %;土壤含水量為田間持水量的30 %～40 %時,6個無性系(種)苗高生長量降幅為59.89 %～72.06 %,地徑生長量降幅為51.30 %～79.64 %[10]。I-107楊扦插苗干旱脅迫試驗結果表明,與正常水分處理相比,輕度、中度和重度干旱脅迫下的地徑生長量和苗高生長量逐漸下降[11]。樹高和地徑減少的同時,生物量也會相應減少[7]。

楊樹雌雄異株,干旱脅迫后雌株和雄株在生長量上表現(xiàn)不同。雄株的生長情況顯著好于雌株,主要表現(xiàn)在雄株的地下部分生物量積累以及株高增長率更高,根系總長和根系表面積顯著增加,體積、根尖數(shù)、交叉數(shù)均高于雌性[12]。品種的來源不同,干旱脅迫后表現(xiàn)不同。與來自濕潤地區(qū)的種群相比,來自干旱地區(qū)的種群表現(xiàn)出了更小的株高、地徑、生物量、葉面積和細根比,這些形態(tài)上的差異表明不同楊樹種群在其幼苗早期生長和建立過程中采取了不同的生存策略[13]。

1.3 干旱脅迫與生理指標

生理指標主要包括葉綠素含量、光合速率、蒸騰速率、水分利用效率、氣孔導度等項指標,由于這些指標對干旱脅迫的反應敏感,且易于觀測,因此,經(jīng)常用于評價楊樹抗旱性。

葉綠體是光合作用的主要細胞器,葉綠素是葉綠體的主要色素,干旱脅迫會使葉綠素合成受到影響,降解加快,從而導致葉綠素含量下降,葉綠素質(zhì)量分數(shù)也會下降,進而影響植物生長[4]。楊傳寶等[14]研究發(fā)現(xiàn),輕度干旱時葉綠素含量出現(xiàn)略微上升的趨勢,這可能是由于前期植物體內(nèi)產(chǎn)生應激反應所致,而隨著持續(xù)干旱,葉綠素含量總體表現(xiàn)出下降的趨勢。

付士磊等[15]對小青楊的光合生理進行了詳細研究,用熒光儀測定了光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)原初光能轉化效率(Fv/Fm)和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)潛在活性(Fv/Fo)等參數(shù)。干旱脅迫使Fv/Fm和Fv/Fo下降,干旱脅迫初期(0.5 h),下降幅度不大,隨著脅迫時間延長,下降程度逐步增大,重度脅迫降低幅度大于中度脅迫。Fv/Fm和Fv/Fo的下降,表明干旱脅迫使PSⅡ潛在活性中心受損,抑制了光合作用原初反應,光合電子傳遞過程受到影響,最終降低了葉片光合作用。輕度脅迫下通過熱耗散和抗氧化酶活性調(diào)節(jié)的協(xié)同作用穩(wěn)定了光合機構的功能,光合速率降低主要受氣孔限制因素影響,而中度和重度脅迫下PSⅡ和抗氧化酶系統(tǒng)受損,是光合速率降低的非氣孔限制因素[16]。譚曉紅等[17]對5個品種的楊樹進行干旱脅迫試驗時,測定了熒光參數(shù),發(fā)現(xiàn)不同樹種的Fv/Fm隨葉水勢降低總體上呈逐漸下降趨勢,同時也發(fā)現(xiàn)熒光參數(shù)Fm/Fms(PSⅡ有效光化學量子產(chǎn)量)能更直接地反映光合機構的實際光能捕獲能力,準確地表達抗旱能力[18]。光合—光響應曲線研究表明,干旱脅迫能夠提高光補償點和暗呼吸,降低光飽和點和最大凈光合速率[6]。

葉水勢是植物抗旱的重要指標,受到水分脅迫時呈下降趨勢,相同的脅迫強度,葉水勢降幅越小說明耐旱能力越強(如新疆楊),降幅越大則抗旱能力越差(如意101楊)[7]。干旱嚴重影響植物的蒸騰作用,土壤干旱,葉片水分蒸騰速率明顯減慢,蒸騰速率與土壤含水率呈顯著的正相關關系[19]。植物在水分脅迫下通過減少水分消耗的同時能夠維持一定的光合生產(chǎn)能力,提高水分利用效率,從而提高對饑餓的忍耐能力,有利于增加對干旱脅迫的抵抗力[20]。楊建偉等[21]對84K楊進行抗旱適應性研究時發(fā)現(xiàn),水分利用效率在中度干旱條件下最高,嚴重干旱條件下最低。張江濤等[4]對3個品種楊樹進行干旱脅迫的生理響應研究時發(fā)現(xiàn),持續(xù)干旱脅迫下,三者葉片水分利用效率先升高后降低[4]。氣孔導度在輕度脅迫下緩慢下降,而在中度和重度脅迫下迅速下降[16],胞間CO2濃度呈現(xiàn)為先降后升的趨勢[22]。

1.4 干旱脅迫與生化指標

在干旱脅迫下,細胞內(nèi)會產(chǎn)生過剩的活性氧自由基,如超氧陰離子自由基、羥基自由基(-OH)、過氧化氫(H2O2)與脂質(zhì)過氧化物(ROO-)等,會引發(fā)或加劇膜脂過氧化,造成細胞膜系統(tǒng)損傷,增加膜透性[23]。植物對氧化脅迫具有相應的適應和抵抗能力,表現(xiàn)在其體內(nèi)具有完善的抗氧化防御系統(tǒng),又稱活性氧清除系統(tǒng)[23]。林木對活性氧清除的能力是決定細胞對干旱脅迫抗性的關鍵因素,國內(nèi)外主要通過超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等的活性變化對活性氧清除系統(tǒng)與抗旱性關系進行研究[24]。

多項研究表明,隨著干旱脅迫程度的加強,葉片的SOD、POD和CAT活性均呈先升高后降低的趨勢[10];也有研究顯示,在干旱條件下楊樹的抗旱性與SOD不相關[21],CAT酶活性有時持續(xù)下降[4];但是水分脅迫下的酶活性始終高于正常水分[10]。而在重度干旱末期,SOD合成受到抑制,降解加快,活性下降,清除效率也隨之降低[14]。總之,在干旱脅迫過程中,耐旱品種體內(nèi)SOD、CAT、POD等酶的活性均顯著高于不耐旱品種[24]。

伴隨著活性氧自由基的產(chǎn)生,會引發(fā)細胞膜的氧化,導致細胞膜功能喪失,電解質(zhì)大量外滲,膜透性增強,同時產(chǎn)生膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)。因此,在干旱脅迫下,抗逆性強的林木膜脂過氧化水平低,MDA含量相應較低[25]。隨著脅迫程度的加強,細胞膜透性增大。俞永瑋[26]對5個白楊派無性系干旱脅迫的研究發(fā)現(xiàn),正常水分條件下,其細胞膜未受到損傷,電導率在7.05 %～9.20 %,同無性系單株之間差異不大。土壤含水量為田間持水量的60 %時,較正常水分,各無性系細胞膜透性增大,電導率也增大且與對照差異顯著;土壤含水量為田間持水量的30 %時,各供試無性系細胞膜進一步受損,電導率明顯增大,與正常水分和輕度脅迫均差異顯著。隨著干旱脅迫時間的延長,MDA含量表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢[14],或者總體呈增加趨勢,并在處理的中期和后期顯著或極顯著高于各自的對照[27]。

1.5 干旱脅迫與滲透調(diào)節(jié)

植物受到干旱脅迫后,細胞周邊的水分減少,細胞要有保持水分的能力和從周邊吸收水分的能力,為此需增加細胞內(nèi)可溶性物質(zhì)的濃度,達到滲透調(diào)節(jié)的目的。這些可溶性物質(zhì)通常是可溶性糖、游離脯氨酸和K+等,其積累不會造成大分子及結構的傷害。滲透調(diào)節(jié)是植物重要的抗旱機制,多年來,學者們對楊樹的抗旱性與滲透調(diào)節(jié)進行了相關研究。邱興等[10]研究顯示,隨著水分脅迫程度的加強,6個無性系(種)的脯氨酸含量均呈逐漸上升的趨勢,總體上,土壤含水量為田間持水量的50 %和30 %時,脯氨酸含量均顯著高于對照,并且后者的脯氨酸含量顯著高于前者。還有一些研究得出類似的結論[7,14,25,26]。從輕度、中度到重度脅迫下,楊樹可溶性糖含量整體呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢,且各種干旱處理均高于對照[28]。

K+和Ca2+是植物所需的大量元素,在調(diào)節(jié)滲透和維持細胞質(zhì)內(nèi)的離子平衡方面起著重要作用,且植物通過礦質(zhì)離子進行滲透調(diào)節(jié)較利用有機物質(zhì)要經(jīng)濟得多。干旱脅迫使K+和Ca2+含量上升[29],有研究顯示抗旱性與K+不相關[21],也有研究顯示抗旱能力強的樹種具有較高的K+含量[24]。

徐曉輝等[30]用不同濃度的營養(yǎng)液對楊樹幼苗進行干旱脅迫,發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫程度的提高,ABA含量明顯增加。ABA作為信號分子在細胞間傳遞干旱信號,引起有關酶類和蛋白基因的表達,從而使植物能夠抵抗干旱脅迫。方景濤等[31]用不同濃度的ABA作為外源激素,對不同干旱脅迫強度的北京楊進行了試驗,也發(fā)現(xiàn)ABA主要通過提高超氧化物歧化酶活性和可溶性蛋白含量來提高楊樹的抗旱能力。

1.6 轉基因技術在楊樹抗旱方面的研究與應用

許多學者對分子生物學技術在楊樹抗旱方面的應用進行了大量研究,篩選出了與抗旱有關的基因,通過相關技術轉入目標植株并表達,獲得抗旱能力強的楊樹品系。曲文蕊[32]篩選得到了胡楊MYB類轉錄因子家族中的抗旱候選基因(PeMYB29、PeMYB30、PeMYB128),為抗旱育種提供參考。韋德蘭[33]發(fā)現(xiàn)通過抑制楊樹MYBS2基因的表達可以促進楊樹的生長,提高楊樹對干旱的耐受能力。黃絹等[34]研究表明,外源基因JERF36可能通過影響葉片結構發(fā)育提高轉基因銀中楊在干旱脅迫下的氣體交換能力和保水能力,從而增強轉基因銀中楊的抗旱能力。于森[35]對大青楊PubZIP43基因進行克隆和大青楊的遺傳轉化,獲得了轉基因株系。楊卓然[36]利用農(nóng)桿菌葉盤侵染轉化法,獲得HB7a/b過表達、顯性抑制及基因編輯轉基因株系。相較于野生型,HB7a/b過表達轉基因植株更加抗旱,而顯性抑制及基因編輯突變體則對干旱更加敏感。王澤亮[37]通過初步篩選獲得了河北楊干旱脅迫響應的TDFs片段,同時分離了河北楊類DREB基因。轉PtWOX11/12a基因河北楊株高生長量、地徑生長量、葉綠素a含量、葉綠素b含量、SOD活性、POD活性均高于野生型,MDA含量低于野生型[38]。

2 抗旱指標與篩選

楊敏生等[39]建立了鑒定白楊雜種無性系抗旱性的指標體系,鑒定指標體系主要從植物對干旱的適應性和抗旱生產(chǎn)力兩方面考慮。對干旱的適應性包括避旱能力和耐旱能力,避旱能力包括葉片保水率、蒸騰速率和根莖比,耐旱能力包括滲透調(diào)節(jié)和保持膨壓、原生質(zhì)耐干化;抗旱生產(chǎn)力包括凈光合速率、水分利用效率、光合葉面積、苗高、生物量。有時也使用對干旱的適應能力及生產(chǎn)力指標[40,41]。

雖然指標很多,但有些指標之間是相關的,如氣孔導度與蒸騰速率顯著正相關等。同時使用眾多的指標進行抗旱性評價,會造成指標之間相互干擾,影響評價結果,有時會篩選一些與抗旱相關且相對獨立的指標進行評價。王海珍等[42]對黃土高原的4個樹種進行了17個抗旱生理指標測試,用主成分分析方法篩選出7個指標作為評價植物抗旱性強弱的有效依據(jù)。李祿軍等[43]用灰色關聯(lián)度法進行了3個樹種的平均抗旱性與9項抗旱指標的關聯(lián)度分析,認為葉綠素含量等4項指標效果較好。還有一些研究使用了關聯(lián)度法優(yōu)化指標[27]。

有時,只選用兩項指標也可以評價抗旱性。郭連生等[44]借助PV曲線計算出每個測試材料初始質(zhì)壁分離時的整體滲透勢(πp)和對應的小枝相對含水量(RWC)。研究發(fā)現(xiàn),πp和RWC可以作為比較樹木耐旱性強弱的生理指標,較大的πp及較低的RWC值是耐旱性強的生理特征。

3 評價方法

3.1 抗旱系數(shù)法

俞永瑋[26]通過抗旱系數(shù)法,對供試楊樹品種進行抗旱性評價?？购迪禂?shù)定義為脅迫條件下指標測定值與該指標的對照值比值。每個指標的抗旱指數(shù)的平均值為該項指標的綜合抗旱系數(shù),用綜合抗旱系數(shù)對每個樹種的抗旱性做出評價,收到良好的效果。

3.2 隸屬度法

該方法先求出每個指標在不同脅迫程度下的隸屬函數(shù)值(即指標測定值減去所有樹種該指標最小值的差值與所有樹種該指標最大值減最小值之比),該樹種的各項指標的隸屬函數(shù)值的平均值即為該樹種的綜合隸屬函數(shù)值。該值越大抗旱性越強,反之越弱。楊淑紅等[45]采用隸屬度法對3個楊樹品種進行了抗旱能力評價,結果為:‘2025’>‘中紅楊’>‘全紅楊’,收到良好效果。鄭濤[46]分析了指標間的相關性,確定各項指標間的權重后,采用TOPSIS法對11個白楊派無性系進行抗旱能力的綜合評價。

3.3 主成分分析法

楊傳寶等[14]對9個無性系的10個抗旱指標進行主成分分析,在中度干旱10 d和重度干旱14 d時,第1主成分的貢獻率分別為67.04 %和68.88 %,根據(jù)第1主成分值的大小對9個無性系進行了綜合評價。進一步用隸屬函數(shù)法對9個無性系重度干旱14 d時的抗旱性進行綜合評價,結果與主成分分析的結果基本一致,說明主成分分析方法可行,結果可靠。

3.4 聚類分析法

王孟本等[47]用聚類分析法將8個楊樹雜交無性系抗旱性進行了聚類。借助PV曲線,計算出飽和含水滲透勢、質(zhì)壁分離點滲透勢、質(zhì)壁分離點相對含水量、相對滲透水含量以及飽和含水時的質(zhì)外體水相對含量,采用分層聚類法對試驗品種及其對照的抗旱性進行聚類分析,劃分了抗旱性較強、抗旱性較弱和抗旱性弱3個類群。

3.5 對比分析法

王福森等[19]通過觀察供試品種的生長狀態(tài)進行抗旱性評價。小黑楊和小黑×歐黑18抗旱性最強,土壤含水率達到9.59 %～10.08 %就能正常生長,致死土壤含水率為3.77 %～3.91 %;DN113楊較為抗旱,致死土壤含水率為5.00 %;抗旱性最差的品種為帶嶺×歐黑406,土壤含水率達到14.31 %以上才能正常生長。對比分析法易于理解和操作,結果可靠。

4 應用

4.1 抗旱樹種選擇

楊樹在我國北方分布廣泛,是三北防護林的主要樹種,我國北方大部分屬于干旱半干旱地區(qū),干旱是提高成活率、提高森林覆蓋率的限制因素。多年來各地進行了抗旱樹種選擇工作,在不同品種以及不同家系之間進行了大量的試驗研究。典型的楊樹品種有白城小青黑楊、白林3號楊、白城小黑楊和白城5號楊[22],銀×新、北美速生1號、北美速生2號、84 K楊、遼育2號楊、健楊94[25]等。

4.2 性別對抗旱性的影響研究

楊樹雄性和雌性的抗旱性差異已被深入研究。周瑩瑩[48]在對塔里木河下游胡楊抗旱研究中發(fā)現(xiàn),雄性植株的抗旱能力相對雌性植株較強,雄性植株更易于生存。夏振華[49]對胡楊的抗旱性研究結果略有不同,在有些方面雄性大于雌性,而有些方面雌性大于雄性。葉片氣孔特征、葉片解剖結構特征、光和電子傳遞速率以及葉水勢等特征顯示胡楊雄株比雌株有更強的耐旱性。而抗氧化酶活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、葉片相對含水量等變化顯示,相較于雄株,雌性胡楊有更強的耐旱性[49]。美洲黑楊幼苗的抗旱試驗中也表現(xiàn)出相似的規(guī)律,雄株根系總長和根系表面積顯著增加,體積、根尖數(shù)、交叉數(shù)均高于雌性。雄株的Fv/Fm和Y(II)高于雌株,雄株的AOX酶活性高于雌株,因而在干旱環(huán)境下雄株光系統(tǒng)因干旱脅迫所受的損傷較小[12]。

4.3 地理環(huán)境對抗旱性的影響研究

以取自云南、四川、西藏地區(qū)的三脈青楊、鄉(xiāng)城楊和康定楊3種青楊派古楊樹為原材料生產(chǎn)的扦插苗為研究對象,進行抗旱性研究。由于這些古樹適應了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,對干旱環(huán)境勢必有著不同的反應。受到干旱脅迫后,三脈青楊反應迅速,各項指標變化明顯,干旱強度加劇后,三脈青楊植株受損程度最重,表明干熱河谷型三脈青楊在中輕度的干旱脅迫下適應能力較好,但在嚴重干旱條件下適應能力較弱。而溫濕型鄉(xiāng)城楊受干旱脅迫后抗逆基因Lea3和SOD瞬時表達量均同時升高,維持相對穩(wěn)定的光合能力,表明其對干旱適應的綜合能力較強。在高海拔地區(qū),環(huán)境水分充足,長期生長在這一區(qū)域的寒濕型康定楊對干旱脅迫的耐性較弱[50]。

5 小結與展望

楊樹作為我國北方干旱半干旱地區(qū)的造林樹種,多年來學者們對其進行了大量的抗旱研究,提出了多項與抗旱性有關的指標,并建立了指標體系。研究了不同干旱脅迫強度以及不同時間段的指標與抗旱性之間的關系,探討了多種篩選抗旱樹種的方法。在各地進行了多種無性系的抗旱性對比研究并篩選出大量的抗旱性較強無性系。篩選出抗旱基因并獲得植株,為干旱地區(qū)造林提供了依據(jù)。

雖然取得了一些成果,但依然存在一些問題。由于盆栽苗易于水分控制和指標觀測,楊樹的抗旱性研究多數(shù)以盆栽苗為對象。林木的生長發(fā)育受到光照、氣溫等因素的綜合影響,其抗旱性在不同階段對環(huán)境響應和適應性會發(fā)生變化。因此,有必要開展幼苗與成年樹木抗旱能力的相關性研究。苗期篩選出的抗旱品種或無性系應進行長期的大田試驗,以獲得具有穩(wěn)定的、較強抗旱能力的品種。在抗旱性的研究過程中,水分脅迫的時間長短不一、脅迫強度不一會導致結果的不一致且難以比較。

目前已篩選出許多與楊樹抗旱性相關的基因,但植物的抗旱是一個涉及到眾多基因、受多種途徑調(diào)控的復雜過程,因此,通過生物學技術培育抗旱品種任重而道遠。通過抗旱分子標記、抗旱基因的選擇等技術改良楊樹本身抗旱能力是將來研究的重點,也是根本所在。