持續(xù)干旱及旱后復(fù)水對白榆葉片生理特性的影響

趙蓬暉，張江濤，王念，王文君，劉軍

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持續(xù)干旱及旱后復(fù)水對白榆葉片生理特性的影響

趙蓬暉1，張江濤1，王念1，王文君1，劉軍2

（1.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008；2.焦作園林養(yǎng)護(hù)所，河南 焦作 454003）

利用自然控水法，研究持續(xù)水分脅迫下7個(gè)白榆優(yōu)良雜交無性系1年生嫁接苗葉片的細(xì)胞膜透性、脯氨酸、丙二醛、可溶性糖含量等生理指標(biāo)的變化，并進(jìn)行抗旱性評價(jià)。結(jié)果表明：持續(xù)水分脅迫下，所測定7個(gè)無性系葉片的4項(xiàng)生理指標(biāo)均呈升高趨勢，復(fù)水后能逐漸回歸至接近脅迫前的水平。經(jīng)模糊隸屬函數(shù)法進(jìn)行抗旱性綜合評價(jià)，抗旱性順序?yàn)椋?25號＞212號＞34號＞54號＞55號＞61號＞43號，系號間差異不顯著（P＞0.05）。

白榆；無性系；水分脅迫；抗旱性

水分脅迫誘導(dǎo)植物體內(nèi)發(fā)生各種生理生化反應(yīng)，使植物細(xì)胞生理脫水，導(dǎo)致植株生長停止，光合作用受抑，呼吸紊亂，整個(gè)代謝異常，導(dǎo)致植物受害[1]。近年來，對植物水分關(guān)系的探討已成為植物生理生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的重要課題之一[2]。白榆因其極強(qiáng)的適應(yīng)能力，被大量用于干旱等極端惡劣環(huán)境中，研究白榆雜交無性系在持續(xù)干旱條件下以及解除干旱脅迫后的生理變化，對指導(dǎo)白榆在干旱條件下的栽培和推廣有著重要的意義。目前白榆研究主要集中在苗木培育、遺傳多樣性、栽培管理和組織培養(yǎng)等方面，而白榆逆境生理生化研究在白榆光合特性和耐鹽性方面研究較多，有關(guān)白榆的抗旱生理研究較少。通過對白榆雜交無性系1年生苗的持續(xù)干旱處理，定期測定葉片生理指標(biāo)的變化，并在植株上部葉片全部干枯脫落時(shí)重新恢復(fù)供水，觀察測定復(fù)水后的變化情況，從而對白榆雜交無性系干旱脅迫下的適應(yīng)性進(jìn)行研究和評估，為白榆在干旱地區(qū)更好的推廣利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)為河南省林業(yè)科學(xué)研究院院內(nèi)，試驗(yàn)材料為優(yōu)選出的225號、212號、34號、43號、54號、55號和61號7個(gè)白榆優(yōu)良雜交無性系1年生嫁接苗，選擇長勢一致、生長狀態(tài)良好的苗木，每系號9株，于4月下旬移植于普通塑料花盆內(nèi)（350 mm×250 mm×350 mm），每盆1株，盆土為林地普通土壤，裝盛土量一致，常規(guī)管理。待嫁接苗穩(wěn)定成活、長勢旺盛時(shí)（3個(gè)月后）進(jìn)行控水試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)處理

7月26日，將試驗(yàn)材料搬至排水條件良好的硬化地面上，隨即澆自來水至飽和。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，三次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)每系號3盆。采用控水法自然干旱，自7月26日澆1次飽和水后停止?jié)菜?，陰雨天采用移動遮雨棚防風(fēng)遮雨，8月9日，葉片枯黃、脫落，采樣后，解除干旱脅迫澆復(fù)活水至飽和，隨后正常養(yǎng)護(hù)。分別在干旱脅迫0 d（7月26日），4 d（7月30日），7 d（8月2日），10 d（8月5日），14 d（8月9日）及復(fù)水后第25天（9月3日，長出新葉，可以進(jìn)行生理測定）的上午8：00，采集植株向陽面中上部的功能葉，每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，樣葉袋封存置于冰桶，立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理指標(biāo)測定。

1.3 測定方法

葉片質(zhì)膜透性測定采用電導(dǎo)率法[3]；丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸法[3]；游離脯氨酸含量的測定采用酸性茚三酮法[3]；可溶性糖含量測定采用苯酚法[4]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)使用Excel，SPSS和DPS系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)并作圖。采用隸屬函數(shù)法對7個(gè)白榆無性系抗旱能力進(jìn)行綜合評定[5-6]。

指標(biāo)與抗旱性正相關(guān)隸屬函數(shù)公式：

(X)=(X-X)/(X-X)

指標(biāo)與抗旱性負(fù)相關(guān)隸屬函數(shù)公式：

(X)=1-(X-X)/(X-X)

式中X為i系號j指標(biāo)抗旱系數(shù)，X、X為j指標(biāo)抗旱系數(shù)的最大值和最小值，R(X)為i系號j指標(biāo)的抗旱隸屬值。再求取各抗旱指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值，綜合評定值越大說明該系號抗旱能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對葉片質(zhì)膜相對透性的影響

植物細(xì)胞質(zhì)膜維護(hù)細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境的相對穩(wěn)定，并參與同外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量和信息傳遞。細(xì)胞質(zhì)膜具有選擇透性的獨(dú)特功能，各種不良環(huán)境因素對細(xì)胞的影響往往首先作用于這層由類脂和蛋白質(zhì)所構(gòu)成的生物膜，使質(zhì)膜受到一定的損傷。

由圖1可知，在脅迫開始之前，7個(gè)無性系葉片相對電導(dǎo)率均處于較低的水平。水分脅迫條件下，葉片相對電導(dǎo)率變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢，在脅迫7~10 d時(shí)有一個(gè)快速升高的趨勢，隨后上升幅度變緩。脅迫第14天時(shí)，7個(gè)無性系葉片相對電導(dǎo)率均處于較高的水平，范圍在84.37%~98.51%之間，與脅迫前相比均為差異極顯著（P＜0.01）。此時(shí)43號葉片相對電導(dǎo)率最高，為98.51%，而54號變化幅度最大，為90.21%，較脅迫前升高了127%。復(fù)水后，葉片相對電導(dǎo)率迅速降低，復(fù)水后第25天測定結(jié)果表明，各無性系葉片相對電導(dǎo)率基本回復(fù)到脅迫前的水平，與脅迫前差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 質(zhì)膜相對透性的變化

從整個(gè)水分脅迫過程中葉片相對電導(dǎo)率水平看，225、34、212號始終處于相對較低的水平，說明質(zhì)膜透性增幅較小，受損程度較輕，抗旱能力相對較強(qiáng)；54號雖然葉片相對電導(dǎo)率水平較低，但變化幅度最大，而55、61和43號始終處于較高水平，這4個(gè)無性系質(zhì)膜受損傷程度相對較高，抗旱能力較弱。復(fù)水后54、55號葉片相對電導(dǎo)率仍處于較高水平，說明這兩個(gè)無性系在解除水分脅迫后細(xì)胞膜自我修復(fù)能力較差。

2.2 水分脅迫對雜交無性系葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸積累是植物為了應(yīng)對干旱脅迫而采取的一種自我保護(hù)性措施。由圖2可知，脅迫前至水分脅迫第4天這段時(shí)間，7個(gè)無性系葉片脯氨酸含量變化差異不顯著（P＞0.05），脅迫4 d后，7個(gè)無性系變化趨勢呈三個(gè)類型，一類是54、55和43號無性系，這3個(gè)無性系在脅迫4~7 d時(shí)脯氨酸含量急劇升高，脅迫第7天時(shí)上升幅度最大，分別比第4天升高了2.6倍、5.0倍和4.1倍，7~10 d時(shí)增加幅度變緩，10~14 d時(shí)，54、55號含量略有下降，而43號略有上升，這3個(gè)無性系對水分脅迫比較敏感，輕度脅迫即開始積累大量的脯氨酸，并且在脅迫中期達(dá)到峰值，隨后積累變緩甚至下降可能逆境傷害所致；一類是34和61號無性系，這兩個(gè)無性系在脅迫4~10 d這段時(shí)間脯氨酸含量顯著增加，脅迫第10天時(shí)分別比第4天升高了6.0倍和9.3倍，脅迫10 d后，含量又呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。這兩個(gè)無性系也是從輕度脅迫即開始積累大量的脯氨酸，并且持續(xù)時(shí)間更長，在后期脯氨酸積累驟減至較低水平，表現(xiàn)出明顯受害癥狀；第3類是225、212號，脅迫4~7 d，脯氨酸含量變化不顯著（P＞0.05），脅迫第7天以后，含量才開始急劇升高，脅迫第10天時(shí)分別比第7天時(shí)升高了2.9倍和3.1倍，脅迫第10天后，225號略有升高，變化不顯著（P＞0.05），212號則有一定程度降低，兩個(gè)無性系脯氨酸含量出現(xiàn)變化的時(shí)間明顯滯后于其他無性系，說明能較長時(shí)間耐受輕度水分脅迫，且在脅迫中期能迅速積累脯氨酸，并長時(shí)間維持較高水平，以保護(hù)機(jī)體免受傷害，表現(xiàn)出較好的抗旱性狀。

圖2 脯氨酸含量的變化

復(fù)水后，7個(gè)無性系葉片脯氨酸含量均明顯下降，但仍高于脅迫前的水平，以61號變化幅度最大，復(fù)水后是脅迫前的5倍，顯著高于脅迫前（P＜0.05），另外6個(gè)無性系復(fù)水后和脅迫前差異不顯著（P＞0.05）。除61號外，其他6個(gè)無性系均具有較強(qiáng)的旱后恢復(fù)能力，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐旱性。

2.3 干旱脅迫對雜交無性系葉片丙二醛含量的影響

丙二醛是細(xì)胞膜脂過氧化的產(chǎn)物，水分脅迫條件下，MDA含量上升的幅度與品種的耐旱特性有關(guān)[7]。由圖3可知，干旱脅迫下，7個(gè)無性系葉片丙二醛含量持續(xù)升高，第14天時(shí)達(dá)到最高值，復(fù)水后又迅速回落。61號在脅迫10~14 d有一個(gè)明顯的峰值，這段時(shí)間內(nèi)丙二醛含量升高了1.4倍，第14天時(shí)丙二醛含量明顯高于其他6個(gè)無性系，說明細(xì)胞膜受到明顯傷害，耐旱性較差；而225號丙二醛含量則較長時(shí)間維持在較低水平，表現(xiàn)出較好的耐旱性。復(fù)水后7個(gè)無性系均基本回復(fù)至脅迫前的水平，說明旱后恢復(fù)能力較強(qiáng)。

圖3 丙二醛含量的變化

2.4干旱脅迫對雜交無性系葉片可溶性糖含量的影響

由圖4可知，干旱脅迫下，7個(gè)無性系葉片可溶性糖含量呈增加趨勢，復(fù)水后又迅速降低。在脅迫不同時(shí)期，7個(gè)無性系的可溶性糖含量變化趨勢不盡相同。212號可溶性糖含量始終維持在較低水平，且復(fù)水后回復(fù)速度較慢；34、43和225號無性系在脅迫0~7 d時(shí)可溶性糖含量呈緩慢增加，脅迫7~10 d時(shí)含量急劇增加，10~14 d時(shí)增加速度趨于緩和；54、55和61號均在脅迫0~4 d時(shí)可溶性糖含量就出現(xiàn)急劇增加的趨勢，隨后增加幅度趨緩。至脅迫14 d時(shí)，7個(gè)無性系可溶性糖含量與脅迫前相比均為差異極顯著（P＜0.01）。復(fù)水后，7個(gè)無性系葉片可溶性糖含量較復(fù)水前（脅迫14 d）顯著降低（P＜0.01），但仍略高于脅迫前的水平（P＞0.05）。

圖4 可溶性糖含量的變化

2.5 抗旱性的綜合評價(jià)

利用隸屬函數(shù)法，對7個(gè)白榆無性系在干旱脅迫下的質(zhì)膜透性、脯氨酸含量、丙二醛及可溶性糖含量4個(gè)抗旱指標(biāo)分別進(jìn)行隸屬函數(shù)值計(jì)算，求出隸屬函數(shù)值的平均值（見表1）。隸屬函數(shù)值平均值越大，抗旱性越強(qiáng)。如表1所示，結(jié)果表明抗旱能力為：225號＞212號＞34號＞54號＞55號＞61號＞43號，對所得函數(shù)進(jìn)行多重比較（LSD法），結(jié)果表明差異不顯著（P＞0.05）。

表1 7個(gè)白榆無性系生理指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值及排序

注：小寫字母表示在=0.05水平上差異顯著，大寫字母表示在=0.01水平上差異極顯著，字母相同表示差異不顯著。

3 結(jié)論與討論

植物在逆境下各種脅迫首先作用于細(xì)胞膜，細(xì)胞膜的破壞將加速整個(gè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的傷害[8]。植物在遭受不良環(huán)境脅迫時(shí)，原生質(zhì)膜的選擇性透性受到影響，鹽類或有機(jī)物從細(xì)胞中滲出，進(jìn)入周圍組織中，使周圍環(huán)境電導(dǎo)率增加，通過測定外滲液電導(dǎo)率的變化，就可反映出質(zhì)膜受損傷的程度[9]。白榆無性系水分脅迫下葉片相對電導(dǎo)率呈持續(xù)升高的趨勢，說明在受到干旱脅迫時(shí)細(xì)胞質(zhì)膜受到損傷，細(xì)胞膜透性增大，細(xì)胞內(nèi)部分電解質(zhì)外滲，導(dǎo)致外

液電導(dǎo)率增大。水分脅迫后期，所有參試苗木葉片已全部干枯，但復(fù)水后苗木復(fù)活率為100%，且復(fù)水后質(zhì)膜透性可以基本回復(fù)到脅迫前的水平，說明白榆是個(gè)旱后恢復(fù)能力較強(qiáng)的樹種。

脯氨酸積累是植物自身的一種保護(hù)性措施。Irigoyen（1992）發(fā)現(xiàn)，輕度水分脅迫使苜蓿根瘤組織積累較多的脯氨酸，并認(rèn)為脯氨酸可保護(hù)蛋白質(zhì)在水分脅迫下的不變性[10]。植物遭受水分脅迫出現(xiàn)游離脯氨酸大量累積的現(xiàn)象已在許多植物中獲得證實(shí)。白榆無性系水分脅迫下葉片脯氨酸含量呈先升后降的趨勢，復(fù)水后除61號無性系外基本回復(fù)至脅迫前水平。說明在水分脅迫初期，白榆葉片組織游離脯氨酸積累增加，但后期又減少，隨著供水狀況的改善，游離脯氨酸又恢復(fù)至正常水平。對于干旱條件下植物體內(nèi)游離脯氨酸積累與作物抗旱性的關(guān)系至今存在著截然不同的意見[11]。脯氨酸含量對干旱脅迫的響應(yīng)程度雖已廣泛應(yīng)用于植物抗旱性評價(jià)，但也有研究指出，對于耐旱性強(qiáng)的植物，脯氨酸積累并不明顯；而對水分虧缺敏感的植物則表現(xiàn)出脯氨酸的大量積累[12]。因此，用該指標(biāo)進(jìn)行抗旱性評價(jià)時(shí)需要結(jié)合樹種情況多角度考慮。

植物在受到干旱脅迫時(shí)，丙二醛含量是判斷細(xì)胞遭受脅迫傷害和膜脂過氧化程度的常用指 標(biāo)[5，13-15]。在水分脅迫條件下，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛是膜脂氧化降解的主要產(chǎn)物，具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性，對膜和細(xì)胞中的許多生物功能分子等均具有很強(qiáng)的破壞作用，并破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能[16]。干旱脅迫下，白榆7個(gè)無性系葉片丙二醛含量持續(xù)升高，膜脂過氧化程度變大。這與王啟明等[17]對干旱脅迫下大豆苗期及花期生理生化指標(biāo)研究、黃承玲等[5]對大白杜鵑（）、惠竹梅[18]對2個(gè)葡萄歐亞種（）的研究結(jié)果一致。白榆葉片丙二醛含量對土壤水分的變化非常敏感，甚至在植株還未表現(xiàn)出受害癥狀時(shí)，葉片丙二醛含量已發(fā)生明顯變化，說明該指標(biāo)是白榆抗旱能力評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，對白榆干旱早期預(yù)測有一定的參考意義。復(fù)水后7個(gè)無性系均基本回復(fù)至脅迫前的水平，說明旱后恢復(fù)能力較強(qiáng)，這與白榆作為耐旱性樹種的優(yōu)良特性相一致。

在脅迫期間可溶性糖積累被認(rèn)為主要是參與滲透調(diào)節(jié)作用?？扇苄蕴欠e累在細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)中具有雙重作用，一方面可以降低細(xì)胞滲透勢以維持細(xì)胞膨壓，防止細(xì)胞內(nèi)大量的被動脫水；另一方面，可溶性糖過量積累會對光合作用產(chǎn)生反饋抑制[19]?？扇苄蕴窃诟珊得{迫時(shí)可作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，因而多被用于評價(jià)植物抗旱的生理指標(biāo)之一[20]。干旱脅迫下，白榆7個(gè)無性系葉片可溶性糖含量呈增加趨勢，復(fù)水后又迅速降低，但仍略高于脅迫前的水平。說明可溶性糖含量的增加的確是水分虧缺時(shí)的保護(hù)性反應(yīng)之一，對白榆抗旱性評價(jià)具有參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：王文彬）

Effects of Progressive Drying and Re-watering on hysiological Indicators of Ulmus Pumila L. leaves

ZHAO Peng-hui1, ZHANG Jiang-tao1, WANG Nian1, WANG Wen-jun1, LIU Jun2

(1.Henan Forest Academy, Henan Zhengzhou 450008,China; 2. Jiaozuo Park Maintenance Station, Henan Jiaozuo 454003,China)

Under natural water control, studies were carried on the change of Membrane Permeability, Proline, Soluble sugar and MDA contents of seven one-year old Ulmus Pumila L. clones’ leaves. The results showed that under progressive drying stress, the tendency of physiological indicators was all went up and then went back to the previous level after re-watering. Through the average subordinative function method, we found the order of drought resistance ability was 225＞212＞34＞54＞55＞61＞43 clones.

Ulmus Pumila L.; clones; progressive drying stress; drought resistance ability

S728.2

A

1003-2630（2015）04-05-0001

2015-12-09

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“白榆種質(zhì)資源收集保存及良種選育研究”（201204305）

趙蓬暉（1973-），女，碩士，高級工程師，主要從事林業(yè)遺傳育種研究。E-mail：xiaop_73@163.com