自然干旱脅迫對米槁生理生化的影響

文愛華　劉濟明　王軍才　高攀　李麗霞

摘要：以貴州省羅甸縣米槁為研究對象，進行盆栽控水自然干旱22 d及復(fù)水15 d處理，研究米槁葉片的相對含水量、水分飽和虧、游離脯氨酸含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量、淀粉含量、丙二醛（MDA）含量、過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性的變化趨勢。結(jié)果表明：隨著干旱時間的延長，米槁葉片的游離脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、MDA含量在一定范圍內(nèi)都呈明顯升高趨勢，復(fù)水后降低；SOD、POD、CAT變化趨勢比較一致，都呈先上升后下降趨勢?？梢娡寥篮恐苯佑绊懼参锔黜椛碇笜耍瑥亩绊懼参锏恼ＩL發(fā)育。

關(guān)鍵詞：米槁；干旱脅迫；生理生化

中圖分類號： S567.1+91.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0257-03

水是植物生長發(fā)育重要的環(huán)境因子，水分過多或過少對植物生長都不利。據(jù)統(tǒng)計，全球每年由旱澇所造成的損失約占自然災(zāi)害總損失的60%以上，其中干旱造成的損失量超過其他逆境造成的損失量總和[1]。土壤有效水分匱乏對植物生長影響顯著[2-4]，因此植物耐旱潛力是植物生理生態(tài)學領(lǐng)域的研究熱點[5]。研究表明，植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)大多是參與各種代謝的酶類，在植物受到干旱脅迫時會發(fā)生變化；當植物遭受水分脅迫造成生理性缺水時，植物體內(nèi)脯氨酸（Pro）大量積累；植物細胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡，一旦該平衡遭到破壞，則自由基積累，丙二醛（MDA）含量增加；超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等能夠有效地清除自由基，是酶促防御系統(tǒng)的重要組成成分[6-11]。米槁（Cinnamomum migao H. W. Li）別稱大果木姜子，為樟科樟屬高大喬木常綠植物。米槁是貴州省苗族民間常用藥物，其名字來源于苗語，異名有麻槁、大果樟等[12]。米槁有逐寒、鎮(zhèn)痛、健脾、消飽脹等功效，常用于治療腹脹、腹痛、暈車嘔吐及牛馬腹脹等人畜疾病[13-18]。目前對米槁的研究主要集中于其化學成分的分離與鑒定，有關(guān)干旱脅迫對米槁生理生化指標影響的研究尚未見報道。筆者以貴州省羅甸縣米槁幼苗為研究對象，采用盆栽控水方法對米槁耐旱潛力進行研究，探究干旱脅迫與米槁生理生化指標的相關(guān)性，旨在為在貴州省大面積種植米槁提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選用羅甸縣1年生米槁幼苗，帶回貴州大學林學院苗圃，采用盆栽方式種植備用（盆口直徑為29 cm，深度為40 cm）。盆栽土壤一致，選擇長勢一致的幼苗進行干旱脅迫試驗。

1.2 試驗設(shè)計

2014年7月將長勢一致、無病蟲害的30盆幼苗移入隔絕降水的透明大棚，澆透水后采用自然干旱的方法進行干旱脅迫。第2天開始，每次從不同植株上選取中上部同一位置的成熟葉片，將葉片去葉脈后剪碎混合，測定葉片各項生理生化指標。每處理重復(fù)3次，設(shè)置停水0、7、12、17、22 d自然干旱脅迫處理和復(fù)水15 d處理，同時測定葉片各項生理生化指標。

1.3 方法

利用烘干稱量法測定葉片相對含水量（RWC）和水分飽和虧（WSD）。采用鋁盒環(huán)刀法測定土壤含水量。采用硫代巴比妥酸法測定葉片丙二醛）含量[19]。采用酸性茚三酮顯色法測定葉片脯氨酸含量。采用蒽酮比色法測定葉片可溶性糖、可溶性淀粉含量。采用考馬斯亮藍G-250與可溶性蛋白質(zhì)結(jié)合染色方法測定可溶性蛋白質(zhì)含量。分別采用氮藍四唑（NBT）光還原法、高錳酸鉀滴定法[19]、愈創(chuàng)木酚法[20]測定葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）活性。RWC、WSD計算公式如下：

RWC=（葉片鮮質(zhì)量-葉片干質(zhì)量）/（葉片飽和鮮質(zhì)量-葉片干質(zhì)量）×100%；（1）

WSD=1-RWC=（葉片飽和鮮質(zhì)量-葉片鮮質(zhì)量）/（葉片飽和鮮質(zhì)量-葉片干質(zhì)量）×100%。（2）

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 19.0軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱脅迫時間米槁葉片含水量的變化

從表1可見，隨著脅迫時間的延長，土壤含水量逐漸降低；不同脅迫時間處理下土壤含水量與對照均差異顯著；脅迫7 d的土壤含水量與脅迫12 d的土壤含水量差異顯著。隨著土壤含水量的下降，米槁葉片相對含水量也呈逐漸下降趨勢，從98.38%逐漸降至49.25%；脅迫前7 d葉片相對含水量下降趨勢較平緩，8～22 d呈顯著下降趨勢，說明脅迫7 d后土壤含水量已影響植株正常生長，為適應(yīng)土壤水分減少，葉片相對含水量也相應(yīng)減少。脅迫7 d水分飽和虧與對照差異不顯著，說明土壤含水量可以滿足植物的正常需求；脅迫12 d，葉片相對含水量為88.63%，葉片水分飽和虧達11.37%，均與脅迫7 d差異顯著；脅迫22 d，葉片嚴重萎蔫枯黃。進行脅迫后復(fù)水發(fā)現(xiàn)，復(fù)水15 d植株長出新葉片，恢復(fù)正常生長，葉片相對含水量達96.21%，水分飽和虧達3.80%。

2.2 不同干旱脅迫時間米槁葉片可溶性糖、淀粉含量變化

干旱條件下，植物可溶性糖含量通常增加，這是植物對干旱脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)[21]。從圖1可見，隨著干旱脅迫時間的延長，植物可溶性糖含量呈上升趨勢，并且明顯高于對照。脅迫22 d，葉片可溶性糖含量達到最大值6.541 mg/g。復(fù)水 15 d 葉片可溶性糖含量與對照接近。從圖1可以看出，隨著脅迫時間的延長，淀粉含量變化呈現(xiàn)先下降后緩慢上升的趨勢，脅迫7 d，淀粉含量達到最低值0.243 mg/g，與對照差異明顯，復(fù)水后葉片淀粉含量與對照基本一致，這可能與淀粉水解酶活性升高、淀粉合成關(guān)鍵酶ADPGPPase活性降低有關(guān)[23]。

2.3 不同干旱脅迫時間下米槁葉片可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸含量變化

植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)主要是指參與代謝的酶類，其含量是衡量植物總體代謝強弱的重要指標。由圖2可見，隨著干旱脅迫時間的延長，米槁葉片可溶性蛋白含量呈先上升后下降趨勢，脅迫17 d達到最高值460.00 mg/g，隨后緩慢下降。復(fù)水15 d，葉片可溶性蛋白質(zhì)含量比對照稍高，此現(xiàn)象與前人研究結(jié)果[23]一致。這可能是由于恢復(fù)水分后，植物雖有所恢復(fù)但可溶性蛋白質(zhì)參與的部分代謝反應(yīng)沒有徹底恢復(fù)。植物在逆境條件脯氨酸會大量積累，其積累指數(shù)與植物抗逆性有關(guān)[25]。隨著干旱脅迫時間的延長，游離脯氨酸含量呈上升趨勢。脅迫22 d，葉片游離脯氨酸含量達到最高值 133.09 mg/g；脅迫17～22 d明顯上升，這可能與米槁在重度脅迫下的耐受能力有關(guān)。脅迫后復(fù)水15 d，游離脯氨酸含量基本達到未脅迫時水平。

2.4 不同干旱脅迫時間米槁葉片MDA含量變化

MDA是植物細胞膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物，是膜系統(tǒng)傷害的重要標志之一。由圖3可知，隨著脅迫時間的延長，米槁葉片MDA含量升高，并且均明顯高于未脅迫，脅迫22d，MDA含量達到最高值545.88 nmol/g。脅迫12～22 d，葉片MDA含量明顯上升，表明植株受脅迫強度增大，膜的正常功能遭到更嚴重破壞。復(fù)水后，MDA含量有所下降，但比未脅迫時含量高。研究表明，干旱脅迫下，水稻體內(nèi)MDA含量明顯增加[25-26]。

2.5 不同米槁葉片SOD、POD、CAT活性變化

干旱脅迫下，植物抗氧化酶可以通過催化植物體內(nèi)的活性氧，防止發(fā)生過氧化反應(yīng)。由圖4可見，隨著脅迫時間的延長，米槁葉片SOD、POD活性變化趨勢基本一致，均呈先升高后下降趨勢。干旱脅迫17 d之前，隨著水分減少，植物體內(nèi)超氧自由基也會增加，這時植株會通過提高體內(nèi)SOD、POD活性來保護植株免受傷害。隨著脅迫時間的延長，SOD、POD活性達到峰值后又開始下降，表明隨著土壤水分的減少，超氧自由基在植物機體內(nèi)的含量已經(jīng)超過了植物自身能夠清除的范圍，因此SOD、POD活性降低，說明米槁對干旱脅迫的抗逆性是有限的。在一定水分脅迫范圍內(nèi)，米槁可通過產(chǎn)生更多的保護酶抵抗干旱脅迫造成的傷害，但當脅迫超出了植物本身所能忍耐的范圍時，植物體內(nèi)的保護酶活性反而會下降。復(fù)水15 d，SOD、POD活性均高于對照，這可能是因為經(jīng)過了一定程度的干旱脅迫后，機體產(chǎn)生了一定的的抵抗能力，抗旱能力提高。CAT活性與SOD、POD活性變化趨勢略有不同，CAT活性先下降后上升再下降，脅迫7d出現(xiàn)最低值，隨著干旱時間的延長，CAT活性增加。復(fù)水后，CAT活性高于未脅迫，這與前人研究結(jié)論[27-29]一致。

3 結(jié)論與討論

研究表明，在一定干旱脅迫范圍內(nèi)，隨著土壤水分含量的下降，植物葉片各項生理指標也隨之改變，在一定程度上反映了植物對干旱脅迫的抗逆性。RWC、WSD能夠較好反映植株受脅迫時體內(nèi)水分狀況。本研究結(jié)果表明，RWC隨著土壤水分含量降低呈現(xiàn)下降趨勢。當植物遇到干旱脅迫時，體內(nèi)會產(chǎn)生一定數(shù)量低分子量的代謝產(chǎn)物，以便體內(nèi)的細胞質(zhì)滲透壓能夠維持在較高水平，有利于植物在缺乏水分時吸收水分，植物這種自身調(diào)節(jié)被稱為滲透調(diào)節(jié)。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等[30-31]。本研究結(jié)果表明，脅迫17 d，葉片可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸含量隨著脅迫程度的加劇都呈現(xiàn)上升趨勢；脅迫22 d，可溶性糖游離、脯氨酸含量均達到峰值，可溶性蛋白質(zhì)在脅迫17 d達到峰值。植物遭受干旱脅迫時，細胞膜會因發(fā)生過氧化作用而受到損傷，膜脂過氧化作用產(chǎn)物之一是MDA，當脅迫超過機體所承受的范圍時，植物MDA含量會增加且與細胞內(nèi)各種成分發(fā)生反應(yīng)，從而使各種酶、膜遭受嚴重傷害[32]。本研究結(jié)果表明，葉片MDA含量隨脅迫時間的延長而呈上升趨勢；復(fù)水后，含量雖有一定程度下降，但較未脅迫前差異明顯。這說明在水分脅迫下，植物體內(nèi)代謝紊亂，導(dǎo)致細胞膜受到損害，MDA積累，一定復(fù)水時間內(nèi)無法恢復(fù)到脅迫前水平。植物遭受干旱脅迫時，細胞內(nèi)會產(chǎn)生造成細胞受傷甚至死亡的生物活性氧，細胞內(nèi)的保護酶系統(tǒng)等能夠清除植物體內(nèi)的活性氧，使細胞免于受傷，保護酶系統(tǒng)活性增強有利于提高植物抗逆性[33]。脅迫17 d以內(nèi)，植物SOD、POD活性隨脅迫時間延長而提高，以增強植物的抗逆性，隨后活性開始下降，說明脅迫程度超出了植物耐受范圍，保護酶活性反而下降，說明米槁的耐脅迫能力有限。復(fù)水后的酶活性較脅迫前有所提高，這可能是因為經(jīng)歷了一段時間干旱脅迫后，植物產(chǎn)生了一定適應(yīng)能力，從而提高了其抗旱能力。植物的抗旱能力是復(fù)合性狀，不但受多個基因控制，而且通過多個途徑來實現(xiàn)。本試驗是在盆栽環(huán)境中進行的，與實際生境有一定差異。因此，對米槁抗旱性進行全面評價時，應(yīng)當結(jié)合實際生境，從生態(tài)、生理2個方面考慮，為米槁合理栽培與管理提供準確詳細的依據(jù)。

參考文獻：

[1]華北平原作物水分脅迫與干旱研究課題組. 作物水分脅迫與干旱研究[M]. 鄭州：河南科學技術(shù)出版社，1991：98-103.

[2]惠竹梅，房玉林，郭玉枝，等. 水分脅迫對葡萄幼苗4種主要生理指標的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（3）：146-149.

[3]利容千，王建波. 植物逆境細胞及生理學[M]. 武漢：武漢大學出版社，2002：64-67.

[4]張志良，翟偉菁. 植物生理學實驗指導(dǎo)[M]. 北京：高等教育出版社，2003：46-48.

[5]張正斌. 作物抗旱節(jié)水的生理遺傳育種基礎(chǔ)[M]. 北京：科學出版社，2003：36-39.

[6]史玉煒，王燕凌，李文兵，等. 水分脅迫對剛毛檉柳可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量變化的影響[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學學報，2007，30（2）：5-8.

[7]王云龍，許振柱，周廣勝.水分脅迫對羊草光合產(chǎn)物分配及其氣體交換特征的影響[J]. 植物生態(tài)學報，2004，28（6）：803-809.

[8]Ray E A. Molecular response to water delicit[J]. Plant Physiology，1993，103：1035-1040.

[9]Bosabalidis A M，Kofidis G. Comparative effects of drought stress on leaf anntomy of two olive cultivars[J]. Plant Science，2002，163：375-379.

[10]趙家梅，謝雙喜. 干旱脅迫和復(fù)水對道真潤楠幼樹生理特性的影響[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學，2013，41（3）：116-118，125.

[11]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.

[12]邱德文，杜茂瑞. 貴州苗藥大果木姜子研究及產(chǎn)業(yè)化[C]//第二次世界中西醫(yī)結(jié)合大會論文摘要集，2002：470-474.

[13]冉先德. 中華藥海[M]. 上海：東方出版社，2010：47-50.

[14]梁光義，魏惠芬. 大果木姜子揮發(fā)油和脂肪油的研究[J]. 貴陽中醫(yī)學院學報，1989，5（4）：55-60.

[15]梁光義，邱德文，魏慧芬，等. 大果木姜子精油化學成分的研究[J]. 天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，1992，4（2）：67-70.

[16]梁光義，邱德文，魏慧芬，等. 大果木姜子的甘油三酯組成[J]. 天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，1992，4（4）：19-22.

[17]魏慧芬，任永全，賀祝英，等. 大果木姜子精油無機元素的研究[J]. 微量元素與健康研究，1994，12（2）：30，18.

[18]Wang H，Nair M G，Strasburg G M，et al. Antioxidant polyphenols from tart cherries （Prunus cerasus）[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1999，47（3）：840-844.

[19]鄒 琦. 植物生理學實驗指導(dǎo)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000：33-35.

[20]張立軍，樊金娟. 植物生理學實驗教程[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2007：26-28.

[21]《植物生理學通迅》編輯部. 植物生理學專題講座——紀念羅宗洛教授[M]. 北京：科學出版社，1987：323.

[22]陳立松，劉星輝. 水分脅迫對荔枝葉片糖代謝的影響及其與抗旱性的關(guān)系[J]. 熱帶作物學報，1999，20（2）：31-36.

[23]池 馨，廖小峰，劉濟明，等. 自然干旱脅迫下艾納香的生理生化特性[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學，2014，42（8）：48-51.

[24]黨云萍，李春霞，劉東雄. 水分脅迫對植物生理生化研究進展[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學，2012，58（5）：89-93，122.

[25]孫駿威，楊 勇，黃宗安，等. 聚乙二醇誘導(dǎo)水分脅迫引起水稻光合下降的原因探討[J]. 中國水稻科學，2004，18（6）：539-543.

[26]晏 斌，戴秋杰，劉曉忠，等. 玉米葉片澇漬傷害過程中超氧自由基的積累[J]. 植物學報，1995，3（9）：738-744.

[27]張文輝，段寶利，周建云，等. 不同種源栓皮櫟幼苗葉片水分關(guān)系和保護酶活性對干旱脅迫的響應(yīng)[J]. 植物生態(tài)學報，2004，28（4）：483-490.

[28]范蘇魯，苑兆和，馮立娟，等. 干旱脅迫對大麗花生理生化指標的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報，2011，22（3）：651-657.

[29]謝志玉，張文輝，劉新成.干旱脅迫對文冠果幼苗生長和生理生化特征的影響[J]. 西北植物學報，2010，30（5）：948-954.

[30]孫 群，胡景江.植物生理學研究技術(shù)[M].楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2006.

[31]何 淼，李文鶴，卓麗環(huán).野菊幼苗對自然干旱脅迫的生理響應(yīng)[J]. 草業(yè)科學，2011，28（8）：1456-1460.

[32]張朝陽，許桂芳，向佐湘.干旱脅迫對4種常綠藤本植物抗性生理生化指標的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學報，2008，20（12）：42-45.

[33]孫國榮，彭永臻，閻秀峰，等. 干旱脅迫對白樺實生苗保護酶活性及脂質(zhì)過氧化作用的影響[J]. 林業(yè)科學，2003，39（1）：165-167.