土壤水分脅迫對紅砂幼苗生長和滲透調節(jié)物質的影響

單立山, 李 毅, 石萬里, 楊彩紅

(甘肅農業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070)

土壤水分脅迫對紅砂幼苗生長和滲透調節(jié)物質的影響

單立山, 李 毅, 石萬里, 楊彩紅

(甘肅農業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070)

摘要：[目的] 探討干旱與半干旱區(qū)受損紅砂種群幼苗適宜生長的土壤水分條件，為紅砂植被保護、恢復、重建提供理論依據(jù)。 [方法] 采用盆栽試驗研究不同土壤水分條件下紅砂幼苗生長及滲透調節(jié)物質差異。 [結果] 隨土壤水分脅迫程度的加劇，紅砂幼苗莖葉總生物量呈明顯的減少趨勢，其株高呈逐漸降低的變化趨勢，而根冠比、根長和根表面積均呈逐步增大的變化趨勢，根系生物量呈先增加后減少的變化趨勢。隨土壤水分脅迫程度的加劇，紅砂幼苗莖葉、根組織中脯氨酸含量均表現(xiàn)出明顯的增加趨勢，而可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化相對不明顯。 [結論] 土壤水分脅迫下紅砂幼苗可通過調整自身生長和生物量分配來加大根冠比以及通過積累脯氨酸來適應干旱脅迫，維持植株正常生長。

關鍵詞：紅砂; 土壤水分脅迫; 根冠比; 脯氨酸; 可溶性糖; 可溶性蛋白

水分脅迫是干旱、半干旱區(qū)最常見的環(huán)境壓力之一，是影響該區(qū)植被恢復的重要因素[1]，植物在長期的進化過程中，形成了一套自適應機制和策略。一方面植物通過一定的形態(tài)變化有效增強水分的吸收，減少水分喪失，如角質層加厚、葉面積減小[2]；根系生長加速，根冠比加大，導管發(fā)達等[3-4]。另一方面植物通過合適的生理生化反應抵御干旱脅迫。其中，水分脅迫下植株能夠快速積累小分子滲透調節(jié)物質來降低細胞水勢，增強細胞的吸水和保水能力，進而維持細胞膨壓，確保植物生理代謝功能的正常進行，是其抵御水分脅迫的重要生理生化反應[5]。因此，滲透調節(jié)物質的積累是植物在干旱脅迫下得以生存的一種重要機制。

紅砂(Reaumuriasoongorica)隸屬檉柳科(Tamaricaceae)，是一種耐旱、耐鹽堿、抗逆性很強的超旱生小灌木[6]。在黃土丘陵溝壑區(qū)和西部風沙區(qū)有大面積的天然紅砂植被分布，它具有抗嚴寒和酷熱、耐瘠薄、適應性強、分布廣、面積大、集沙能力強等特點[7-8]，對該地區(qū)的生態(tài)保護具有重要作用。目前，關于紅砂干旱脅迫下的研究主要集中在葉片抗旱生理[9]、解剖學特征[10]、光合特性、葉綠素熒光[11-12]和種子萌發(fā)[13]。而關于紅砂在干旱脅迫下幼苗生長以及滲透調節(jié)物質也有一些研究，如馬劍英等[14]研究發(fā)現(xiàn)，紅砂脯氨酸含量與土壤含水量呈顯著負相關，即隨著土壤含水量的降低，紅砂脯氨酸含量明顯增加。王酋石等[15]發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫早期，紅砂葉片的脯氨酸含量明顯增加，而紅砂葉片的可溶性糖含量明顯降低。白娟等[9]發(fā)現(xiàn)紅砂葉片可溶性蛋白含量隨著干旱脅迫的加劇而降低。這些研究結果在一定程度上為認識紅砂抗旱特性累積了大量的信息，但是，這些研究大多以葉片為材料。根、葉作為植物進行水分吸收和水分蒸騰的重要器官，在植物水分代謝活動中發(fā)揮著極其重要的作用。分別以根和葉片為研究材料，在土壤水分脅迫下，綜合分析二者形態(tài)和生理生化變化，是闡明紅砂抗旱機理的關鍵內容。因此，本試驗以紅砂幼苗為材料，采用人工控制土壤含水量的方法，研究土壤水分脅迫條件下紅砂莖葉和根系的生長狀況與幾種主要滲透調節(jié)物質的積累特性以及分配特征，以期探討土壤水分對紅砂幼苗生長和滲透調節(jié)物質分配的影響機理，揭示紅砂幼苗對土壤水分脅迫的反應和適應機制，進而為紅砂植被保護、恢復、重建提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1　試驗材料

供試苗木為超旱生灌木紅砂的2年生容器苗。供試土壤為蘭州黃土丘陵黃壤土(田間持水量為20.12%)。在進行栽培前，對土壤進行過篩去雜。

1.2　試驗設計

采用盆栽控水試驗。在花盆中裝入供試土壤，設置3個土壤水分處理，即對照CK(田間持水量的80%，即土壤含水量為16%)、中度脅迫MS (medium water stress，田間持水量的50%，即土壤含水量為10%)和重度脅迫SS(severe water stress，田間持水量的30%，即土壤含水量為6%)。每個處理20盆(以防后期控水過程中出現(xiàn)死苗，剩余材料不夠試驗所用)，于4月初每盆植入1株。定植后充分灌水，以保證其成活和正常生長。6月初置于可移動的防雨棚內，開始按設計要求控水。為消除苗木重量對控水的影響，各處理均毀苗1盆測定苗木鮮重，并確定稱重標準。自然落干至土壤含水量達到設定標準后，對花盆稱重。每天在同一時間(18：00)稱重，之后加水至土壤含水量達到控水要求。為了減少苗木生長溫度和濕度等環(huán)境變化給土壤水分控制帶來的誤差，以初次測算供水量相同的方法和測定時間，每7 d測定1次土壤含水量，重新計算每個花盆的日供水量。9月開始測定葉片的葉綠素熒光參數(shù)和各項生理指標。10月份開始采集根樣，進行根系生理指標、形態(tài)及功能特征的觀測。

1.3　測定指標與方法

1.3.1植株生長指標的測定分別取不同處理的植株測量株高，再用水將材料沖洗干凈，用吸水紙吸干水分，稱取莖葉和根系的鮮重，再將材料置于105 ℃下殺青10 min，80 ℃下烘干至恒重，測量干重，并進一步計算生物量和根冠比。

1.3.2生理指標的測定采用磺基水楊酸法測定脯氨酸含量，采用苯酚法測定可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白含量[16]。

1.4　數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS進行方差分析，用Ducan法進行多重比較，并用字母法標記。

2結果與分析

2.1　土壤水分脅迫對紅砂幼苗生長的影響

一般植物生長量的變化是對水分脅迫最直觀的反映。從表1可以看出，不同土壤水分脅迫下，紅砂幼苗株高、根系總生物量、莖葉總生物量、根冠比、根長和根表面積也各不相同。在土壤水分脅迫下，紅砂幼苗莖葉總生物量受到顯著影響(p<0.05)，隨土壤水分脅迫程度的加劇，其莖葉總生物量呈降低的變化趨勢，與對照組相比，中度和重度土壤水分脅迫下的紅砂幼苗莖葉總生物量分別減少了43.09%，63.68%。但土壤水分脅迫對其株高、根系總生物量、根冠比、根長和根表面積的影響均未達到顯著性水平(p>0.05)。隨土壤水分脅迫程度的加劇，其株高呈降低的變化趨勢，而根冠比、根長和根表面積均呈逐步增大的變化趨勢，根系生物量呈先增加后減少的變化趨勢。說明在土壤水分脅迫下，紅砂幼苗能夠通過莖葉的變化來保證其生長，適應逆境。

表1　土壤水分脅迫下紅砂幼苗生長的變化

注：CK為對照， MS為中度脅迫處理， SS為重度脅迫處理； 不同字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2　土壤水分脅迫對紅砂幼苗滲透調節(jié)物質含量的影響

2.2.1對脯氨酸含量的影響從表2可知，隨土壤水分脅迫程度的加劇，紅砂幼苗莖葉、根組織中脯氨酸含量均表現(xiàn)出明顯的增加趨勢。與對照組相比，中度和重度土壤水分脅迫下的紅砂幼苗莖葉脯氨酸含量分別增加了74.06%和101.24%，根組織中分別增加了6.83%和61.22%。由此可見，遇旱時紅砂會積累大量的脯氨酸，但根組織中的脯氨酸累積量較莖葉組織中的少。

2.2.2對可溶性糖含量的影響從表2可知，隨土壤水分脅迫的加劇，紅砂幼苗莖葉中可溶性糖含量呈逐漸增加的趨勢，而根組織中表現(xiàn)為先明顯減小后逐漸增加的變化趨勢。與對照組相比，中度和重度土壤水分脅迫下的紅砂幼苗莖葉可溶性糖含量分別增加了5.74%和12.05%，根組織中分別降低了39.42%和20.19%。

表2　土壤水分脅迫下紅砂幼苗脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化

2.2.3對可溶性蛋白含量的影響從表2可知，隨土壤水分脅迫程度的加劇，紅砂幼苗莖葉和根組織中可溶性蛋白含量表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢，且重度脅迫下，其含量會略微低于正常水分條件下的。這有可能是其脯氨酸含量增加的一種途徑，由于重度水分脅迫促使可溶性蛋白的降解，形成了脯氨酸等氨基酸。

2.3　土壤水分脅迫對紅砂幼苗滲透調節(jié)物分配的影響

由表3可知，土壤水分脅迫對紅砂幼苗滲透調節(jié)物質的分配有一定程度的影響。對照組紅砂幼苗莖葉和根組織中脯氨酸和可溶性蛋白含量的比值均小于1，而與可溶性糖的比值遠遠大于1；中度脅迫下紅砂幼苗莖葉和根組織中脯氨酸和可溶性糖含量的比值大于1，而與可溶性蛋白的比值小于1；重度脅迫下紅砂幼苗莖葉和根組織中脯氨酸和可溶性蛋白含量的比值均小于1，而與可溶性糖的比值遠大于1。同時，紅砂幼苗莖葉組織中可溶性糖含量遠遠高于根組織中的，但其根組織中脯氨酸和可溶性蛋白含量高于莖葉組織中的。這說明在整個脅迫階段紅砂幼苗脯氨酸和可溶性蛋白主要積累于根組織中，而可溶性糖積累于莖葉組織中。但在不同脅迫進程階段和不同器官中滲透調節(jié)物的累積量有很大差異。

表3　土壤水分脅迫下紅砂幼苗莖葉與

3討論與結論

生長量是植物對水分脅迫的綜合反應，但也是評估水分脅迫程度以及植物抗旱能力的一個可靠指標。許多研究[17]發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，植株的生長受到抑制，且脅迫程度越高，抑制作用越明顯。本研究結果顯示，隨著土壤水分脅迫的加劇，紅砂幼苗莖葉總生物量呈明顯的減少趨勢，其株高呈逐漸降低的變化趨勢，而根冠比、根長和根表面積均呈逐步增大的變化趨勢，根系生物量呈先增加后減少的變化趨勢。顯然，土壤水分脅迫下紅砂幼苗根葉生長的上述變化有利于植株的吸水和保水，是紅砂幼苗抵御干旱脅迫的適應性反應。這說明，在一定土壤水分脅迫條件下，紅砂幼苗主要通過莖葉的變化來保證其生長、適應逆境。滲透調節(jié)是植物御旱的重要途徑。大量的研究[18-20]表明，植物滲透調節(jié)能力的有無和強弱同脅迫條件下滲透調節(jié)物質的積累量密切相關。本研究結果顯示，隨土壤水分脅迫程度的加劇，紅砂幼苗莖葉、根組織中脯氨酸含量均表現(xiàn)出明顯的增加趨勢，而可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化不明顯。這說明在土壤水分脅迫下，紅砂幼苗主要通過積累脯氨酸來降低細胞滲透勢，使細胞、組織水分生理平衡，從而有效抵御干旱脅迫環(huán)境。同時，不同植物的滲透調節(jié)能力不同，參與滲透調節(jié)的物質種類也存在差異[5]。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同脅迫階段和不同器官中滲透調節(jié)物的累積量存在很大差異。由此推測，它們賦予紅砂幼苗的滲透調節(jié)能力也存在差異。其中，土壤水分脅迫下脯氨酸和可溶性蛋白在根中積累較莖葉中多，而可溶性糖在莖葉中累積較多，所以認為脯氨酸和可溶性蛋白可能是紅砂幼苗根中的主要滲透調節(jié)物質，而可溶性糖可能是莖葉中的主要滲透調節(jié)物質。但在土壤水分脅迫條件下紅砂幼苗中可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化均不明顯，且脯氨酸在不同土壤水分脅迫階段于紅砂幼苗不同器官中的含量會交錯配合的明顯增加。所以，脯氨酸是其主要的滲透調節(jié)物質。

總之，土壤水分脅迫下紅砂幼苗通過調整自身生長和生物量分配，加大根冠比，提高吸水和保水能力；同時，紅砂幼苗主要通過積累脯氨酸提高滲透調節(jié)能力來降低細胞滲透勢，使細胞、組織水分生理平衡，從而有效抵御干旱脅迫，維持植株正常生長。

[參考文獻]

[1]劉國花,韓素英,齊力旺.植物抗旱耐鹽基因工程研究及應用前景[J].世界農業(yè),2003,29(7):44-46.

[2]Shao Hongbo, Chu Liye, Jaleel C A, et al. Water-deficit stress-induced anatomical changes in higher plants [J]. Comptes Rendus Biologies, 2008,331(3):215-225.

[3]Cui Shimao, Chen Guilin, Nii Naosuke. Effects of water stress on sorbitol production and anatomical changes in the nuclei of leaf and root cells of young loquat tress [J]. Journal of the Japanese Society for Horticultural Science, 2003,72(5):359-365.

[4]桑子陽,馬履一,陳發(fā)菊.干旱脅迫對紅花玉蘭幼苗生長和生理特性的影響[J].西北植物學報,2011,31(1): 109-115.

[5]郭華軍.水分脅迫過程中的滲透調節(jié)物質及其研究進展[J].安徽農業(yè)科學,2010,38(15):7750-7753.

[6]劉家瓊,邱明新,蒲錦春,等.我國荒漠典型超旱生植物:紅砂[J].植物學報,1982,24(5):485-488.

[7]黃培佑.荒漠區(qū)耐旱樹種在異質生境中完成生活周期現(xiàn)象初探[J].新疆大學學報,1988,5(4):87-93.

[8]馬茂華,孔令韶.新疆呼圖壁綠洲外緣的琵琶柴生物生態(tài)學特性研究[J].植物生態(tài)學報,1998,22(3):237-244.

[9]白娟,龔春梅,王剛,等.干旱脅迫下荒漠植物紅砂葉片抗氧化特性[J].西北植物學報,2010,30(12):2444-2450.

[10]劉玉冰.荒漠復蘇植物紅砂抗旱機理的生理生態(tài)學特性研究[D].甘肅 蘭州:蘭州大學,2006.

[11]劉玉冰,張騰國,李新榮,等.紅砂(Reaumuriasoongorica)忍耐極度干旱的保護機制:葉片脫落和莖中蔗糖累積[J].中國科學,2006,36(4):328-333.

[12]周生薈,劉玉冰,譚會娟,等.荒漠植物紅砂在持續(xù)干旱脅迫下的光保護機制研究[J].中國沙漠,2010,30(1):69-73.

[13]宋雪梅,楊九艷,呂美婷,等.紅砂種子萌發(fā)對鹽脅迫及適度干旱的響應[J].中國沙漠,2012,32(6):1674-1680.

[14]馬劍英,周邦才,夏敦勝,等.荒漠植物紅砂葉綠素和脯氨酸累積與環(huán)境因子的相關分析[J].西北植物學報,2007,27(4):0769-0775.

[15]王酋石.荒漠植物紅砂在干旱脅迫和鹽脅迫下的滲透調節(jié)研究[D].甘肅 蘭州:蘭州大學,2009.

[16]李玲.植物生理學模塊試驗指導[M].北京:科學出版社,2009.

[17]賀少軒,梁宗鎖,蔚麗珍,等.土壤干旱對2個種源野生酸棗幼苗生長和生理特性的影響[J].西北植物學報,2009,29(7):1387-1393.

[18]楊順強,任廣鑫,楊改河,等.水分脅迫對引進牧草滲透調節(jié)物質及葉綠素熒光參數(shù)的影響[J].西北植物學報,2007,27(9):1826-1832.

[19]陳明濤,趙忠,權金娥.干旱對4種苗木根尖可溶性蛋白組分和含量的影響[J].西北植物學報,2010,30(6):1157-1165.

[20]王蕊,孫廣玉.干旱對大豆葉片葫蘆巴堿含量和滲透調節(jié)的影響[J].中國沙漠,2010,30(3):552-555.

Effects of Dehydration Stress on Growth ofReaumuriaSoongoricaSeedlings and Regulation of Osmotic Substances

SHAN Lishan, LI Yi, SHI Wanli, YANG Caihong

(CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

Abstract：[Objective] We aimed to sort out condition of soil moisture which is fitted for the growth of Reaumuria soongorica seedlings in arid or semi-arid area, and further provide a support for the preservation and reestablishment of Reaumuria soongorica population, and for the restoration of its community. [Methods] Pot experiment was carried out to study the effects of soil water limited stress on the growth of Reaumuria soongorica seedlings and the regulation of osmotic substances. [Results] Stem and leaf biomasses of Reaumuria soongorica seedlings were significantly decreased with the increasing of soil water limited stress, and seedling height also decreased gradually. Whereas, root-shoot ratio, root length and root surface area gradually increased. Root biomass experienced a decrease at light stress, and began to increase at server stress. Proline contents of stem-leaf and root in Reaumuria soongorica seedlings significantly increased with the increasing of soil water stress. However, changes of soluble sugar and protein contents in Reaumuria soongorica seedlings were not obvious. [Conclusion] Reaumuria soongorica seedlings have its adaption ways to drought through employing seedling growth adjustment, biomass reallocation, increase of root-shoot ratio, and accumulation of proline.

Keywords:Reaumuria soongorica; soil water stress; root/shoot ratio; proline; soluble sugar; soluble protein

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0106-04

中圖分類號：Q948

通信作者：李毅(1962—),男(漢族),湖北省漢川市人,博士，教授,博士生導師,主要從事林木遺傳育種方面的研究。E-mail:liyi@gsau.edu.cn。

收稿日期：2014-10-21修回日期：2014-12-04

資助項目：國家自然科學基金項目“紅砂幼苗發(fā)生及根系生長對降水變化的響應”(41361100)，“荒漠環(huán)境梯度下紅砂—珍珠混生群落種間根系相互作用關系的研究”(31560135)， “紅砂自然更新過程的生態(tài)學研究”(31360205); 甘肅省科技支撐計劃項目(1204NKCA084); 科技部農業(yè)科技成果轉化資金項目(2014GB2G100134); 中國博士后科學基金(2014M552514)

第一作者：單立山(1975—),男(蒙古族),湖南省衡東縣人,博士，副教授,主要從事荒漠植物生理生態(tài)方面的研究。E-mail:shanls@gsau.edu.cn。