紅砂不同株型在干旱鹽堿脅迫下脯氨酸、丙二醛及抗氧化酶含量的研究

朱 琳， 劉瑞香

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，呼和浩特 010018

紅砂(Reaumuria soongorica)為檉柳科(Tamaricaceae)琵琶柴屬(Reaumuria Linn.)的強旱生小灌木，生態(tài)可塑性大，且具有很強的抗旱、耐鹽和集沙能力［1］。在荒漠植被中，紅砂群系分布最廣、面積最大，常呈地帶性荒漠群落類型，廣泛分布于我國西北部干旱荒漠草地，多生長于干旱的砂地、多石礫地及覆沙地上，并且是這類自然分布區(qū)的建群種和優(yōu)勢種，同時也是良好的荒漠草場牧草和維持綠洲穩(wěn)定性的重要植物之一。紅砂作為良好的固沙植物，是保護干旱荒漠化土地的重要生物屏障［1，2］，但由于紅砂多分布在我國的生態(tài)脆弱地帶，加之長期過度放牧脅迫，草地退化迅速，荒漠化日趨嚴重。因此，保護和合理利用這一植被資源，對我國西北地區(qū)的生態(tài)與經(jīng)濟建設(shè)具有重要作用。

荒漠半荒漠環(huán)境對植物的長期作用影響了植物的形態(tài)建成和生理特性［1］，在植物體內(nèi)形成了一套抗氧化系統(tǒng)來保護植物細胞免受活性氧的氧化損傷，包括抗氧化酶系統(tǒng)和非酶促抗氧化劑系統(tǒng)兩大類［3］?？寡趸赴ㄟ^氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)等［4］，POD酶是植物體內(nèi)一種重要的抗氧化活性較強的酶，廣泛分布于植物體各部分，當植物處于逆境中，POD酶會迅速增加，減少膜脂過氧化程度，從而起到保護細胞的作用［1，2，5，6］;SOD 是超氧化物轉(zhuǎn)化為氧氣和過氧化氫的主要通道，在細胞代謝中起著舉足輕重的作用，是保護植物細胞的抗氧化劑，使植物在一定程度上可以忍耐和減緩外界的脅迫［7］;SOD通過歧化反應(yīng)生成 H2O2和O2，從而消除氧白由基對植物的傷害，但生成的H2O2對植物體組織又產(chǎn)生毒害，而過氧化氫酶可以清除植物組織中的H2O2［8］，它能將植物體細胞中的H2O2分解成H2O和O2，并保護植物體細胞免受傷害，因此過氧化氫酶在植物適應(yīng)性中起著舉足輕重的作用。

非酶促抗氧化劑主要有類胡蘿卜素、脯氨酸、抗壞血酸、還原型谷胱甘肽和α-生育酚等［5］。丙二醛(MDA)可以用來衡量植物受脅迫影響程度的大小和適應(yīng)環(huán)境能力的強弱，當植物未受到脅迫或脅迫程度較輕時，其體內(nèi)的丙二醛含量會維持在一個穩(wěn)定的范圍，當受到嚴重脅迫時，MDA含量就會增加［8］。游離脯氨酸(Pro)普遍以游離態(tài)形式遍布在植物體內(nèi)，是一種重要的抗氧化物質(zhì)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，常用來指示植物的受害程度和抵抗脅迫的能力，當植物受到脅迫時，其值會迅速上升［7～9］。植物具有的保護體系、滲透調(diào)節(jié)功能及其他一些機制是其在長期進化過程中演化出的適應(yīng)干旱環(huán)境的機制和策略，是其能夠忍耐長期干旱脅迫的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，我國對紅砂的研究主要集中在大棚培育［10］、營養(yǎng)評價［11］、葉片抗旱生理特性［6］、解剖學特征［12］、光合特性［13］、葉綠素熒光［14］、種子萌發(fā)［15］及根系構(gòu)型［16］等方面，而關(guān)于紅砂在不同株型的生理生化指標(尤其是抗氧化酶活性)的差異還鮮有報道［17］。許多學者對于紅砂的研究指標較為單一，不能全面綜合地評價紅砂的適應(yīng)性，有些關(guān)于紅砂適應(yīng)性的研究是在人工實驗條件下進行的，對于廣泛分布在自然干旱條件下的荒漠植物來說或多或少缺乏普遍的解釋意義。植物的適應(yīng)性是其在干旱環(huán)境下生長和繁殖的前提，是多種因素綜合作用的結(jié)果，不僅表現(xiàn)在外部形態(tài)上，也表現(xiàn)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)及生理代謝上［1］。因此，要全面客觀準確地評價不同植物的適應(yīng)能力，必須利用與適應(yīng)性有關(guān)的多項指標來進行綜合定量評價。本研究分別選取了大、中、小3種冠幅植株樣本，根據(jù)不同株型對干旱鹽堿環(huán)境的適應(yīng)能力不同，對3組樣本的SOD、CAT、POD［1，2，5，6］、MDA［7，8，18］和 Pro［7～9］進行觀測與分析，運用隸屬函數(shù)值法［19］的適應(yīng)性進行定量分析，來比較不同株型適應(yīng)性的差異，以期為紅砂抗旱機理的進一步研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善盟阿拉善左旗，紅砂為建群種的典型紅砂群落，地理坐標105°39'7″E，39°33'4″N。處于內(nèi)陸腹地，遠離海洋，屬于溫帶干旱區(qū)，干旱少雨，冬寒夏熱，日照充足，晝暖夜涼，蒸發(fā)強烈，風大，霜凍期短，屬干旱、半干旱高原氣候。年均氣溫為9.9℃，年日照有效時數(shù)為2 876.1 h，≥10.0℃積溫 3 628.9℃，最冷月平均氣溫為－10.3℃，最熱月平均氣溫為 24.9℃，歷史極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫－31.4℃。年降水量為232.8 mm，降水主要集中在6～9月。年平均相對濕度37.62%，最小相對濕度6%。年平均風速 2.94 m/s。7月平均氣溫為 24.55℃，最高氣溫 35.5℃，最低氣溫 16.1℃，平均相對濕度51.47%，降水量 34.67 mm，平均風速 2.9 m/s。地勢東南高、西北低，平均海拔800～1 500 m，可利用草場4.6萬km2，主要為荒漠、半荒漠草原。

該地區(qū)在氣候條件尤其水分條件明顯制約的綜合作用下，土壤成土作用微弱，形成以灰棕漠土及棕鈣土為主的荒漠草原和荒漠土壤類型。土質(zhì)較粗、土層較淺、養(yǎng)分及腐殖質(zhì)含量低是此地區(qū)土壤的特點。研究區(qū)土壤全鹽量0.25～0.38 g/kg土，pH 8.42～9.15，有機質(zhì)含量為 0.13%～0.14%，全氮含量為0.031%～0.043%，C/N值為10，土壤含有一定的鹽分和強堿性，有機質(zhì)含量很低，土壤非常貧瘠。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 株型選擇 試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善盟阿拉善左旗錫林高勒鎮(zhèn)轄區(qū)。于2012年8月用粗鐵絲標記所有紅砂個體，2013年7月將新生出的紅砂個體用涂紅色油漆的粗鐵絲標記，選取新生紅砂，在樣地中設(shè)置100m×100 m的樣方，每木檢尺的方法調(diào)查樣方內(nèi)全部植株的冠幅株高，選擇出具有代表性的9個大株、9個中株、9個小株紅砂，以195 cm×120 cm、180 cm×130 cm、160 cm×150 cm代表大冠幅樣本;以 107 cm×60 cm、80 cm×70 cm、76 cm×59 cm 代表中冠幅樣本;以68 cm×63 cm、60 cm×35 cm、50 cm×35 cm 代表小冠幅樣本。

1.2.2 地上含水率測定 用張政憲等［19］的方法測定紅砂地上部分含水率。具體測定方法:剪取紅砂地上全部植株，用電子天平稱鮮重，然后放入105℃烘箱內(nèi)烘15～20 min，殺死組織，再放入80℃下烘6～8 h至恒重，取出冷卻，稱干重。計算地上部分含水率。

1.2.3 抗氧化酶活性測定 每株采集中部向陽的10個枝條上的葉片，冷凍運藏回實驗室，用抑制NBT光還原比色法測定超氧物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法比色測定過氧化物酶(POD)活性，紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性［20］。

1.2.4 細胞質(zhì)膜的受損程度測定 每株采集中部向陽的10個枝條上的葉片，冷凍運藏帶回實驗室，采用硫代巴比妥酸比色法［20］測定丙二醛(MDA)含量，采用茚三酮法［20］比色法測定游離脯氨酸(Pro)含量。

1.2.5 適應(yīng)性評價 運用模糊數(shù)學中的隸屬函數(shù)值法［21］對各指標進行綜合定量評價，以確定各指標對紅砂適應(yīng)性影響的程度，評價其抗旱性。

隸屬函數(shù)值法的計算公式如下:

式中，U(Xi)為紅砂i指標的隸屬函數(shù)值，Xi為紅砂i指標的測定值，Xmax和Xmin分別為指標的最大值和最小值。運用公式(2)求出紅砂多項指標的平均隸屬函數(shù)值，平均隸屬函數(shù)值越大，表示該地理種群的適應(yīng)性越強。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SAS 9.0進行計算和統(tǒng)計分析，對株型間數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(ANOVA)和相關(guān)性分析，最后運用隸屬函數(shù)法對不同株型間的生理指標進行綜合評價，以探討不同株型間的生長狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅砂不同株型的生長狀況

冠幅是用來衡量苗木長勢的參考標準。園林設(shè)計上用苗木的冠幅來計算每平方米內(nèi)種植苗木的數(shù)量。圖1比較了不同株型紅砂的冠幅差異。可以看出，不同株型的紅砂冠幅直徑差異達極顯著水平(P＜0.01)。大株和中株冠幅分別較小株增加了 198.38%和 52.22%。

圖1 不同株型紅砂冠幅比較 Fig.1 The comparison of crown breadth between different plant types of Reaumuria soongorica.

植物高度是重要的植物功能性狀之一，是植物競爭光能的主要決定因素。圖2比較了不同株型紅砂株高的差異?？梢钥闯?，不同株型紅砂的株高差異極顯著(P＜0.01)，大株和中株紅砂的株高分別小株增加了53.46%和21.26%。說明大株、中株、小株之間在形態(tài)上的差異達極顯著水平。

圖2 不同株型紅砂株高比較 Fig.2 The comparison of plant height between different plant types of Reaumuria soongorica.

2.2 紅砂地上部分含水率

圖3比較了不同株型的紅砂地上部分含水率的差異?？梢钥闯觯S著株型的減小，地上部分的含水率呈降低的趨勢，即大株＞中株＞小株。方差分析結(jié)果表明，不同株型紅砂的地上部分含水率差異極顯著(P＜0.01)，大株含水率可達37.98%，而小株含水率僅為30.30%。

圖3 不同株型紅砂地上部分含水率的比較 Fig.3 The comparison of moisture content aboveground between different plant types of Reaumuria soongorica.

2.3 紅砂葉片中抗氧化酶含量

不同株型紅砂葉片中抗氧化酶的含量差異如圖4～6所示。從圖中可以看出，POD活性呈現(xiàn)中株＞小株＞大株的趨勢;SOD活性則表現(xiàn)為小株＞大株＞中株;CAT酶活性表現(xiàn)為小株＞中株＞大株;方差分析結(jié)果表明，不同株型的紅砂的POD、SOD和CAT酶活性差異均不顯著。

圖4 不同株型紅砂POD活性差異比較 Fig.4 The comparison of POD activity between different plant types of Reaumuria soongorica.

圖5 不同株型紅砂SOD活性差異性比較 Fig.5 The comparison of SOD activity between different plant types of Reaumuria soongorica.

圖6 不同株型紅砂CAT活性差異性比較 Fig.6 The comparison of CAT activity between different plant types of Reaumuria soongorica.

2.4 紅砂丙二醛(MDA)含量

圖7為不同株型的紅砂丙二醛(MDA)含量差異性比較?？梢钥闯觯S著株型的減小，MDA呈中株＞小株＞大株的趨勢。方差分析結(jié)果表明，不同株型的紅砂MDA差異不顯著。

圖7 不同株型紅砂MDA含量差異性比較 Fig.7 The comparison of MDA content between different plant types of Reaumuria soongorica.

2.5 紅砂游離脯氨酸(Pro)含量

圖8為不同株型的游離脯氨酸(Pro)含量差異比較?？梢钥闯?，隨著株型的減小，Pro基本保持在 1 029.85±18.16 μg/g，方差分析結(jié)果表明，不同株型的紅砂Pro差異不顯著。

2.6 紅砂地上含水率、生理指標相關(guān)性分析

通過數(shù)理統(tǒng)計對紅砂各項生理指標進行相關(guān)性分析。從表1的數(shù)據(jù)分析可以看出，僅有冠幅直徑、株高和含水率之間的相關(guān)性達到極顯著水平。其他各指標之間的相關(guān)性沒有達到顯著性水平。

圖8 不同株型紅砂Pro含量差異性比較 Fig.8 The comparison of Pro content between different plant types of Reaumuria soongorica.

2.7 紅砂適應(yīng)性綜合評價

適應(yīng)性是植物在遭遇逆境時表現(xiàn)出的重要的抗逆指標，植物生長及其抗性是一個錯綜復雜的過程，單一的因素或指標不能用來指示植物抗性的強弱，也不能說明植物適應(yīng)的本質(zhì)。而不同株型的紅砂對環(huán)境所表現(xiàn)出的適應(yīng)性有著不同程度的影響，因此，選擇隸屬函數(shù)法判斷不同株型的紅砂的適應(yīng)性。根據(jù)隸屬函數(shù)平均值的大小分為4級:1 級，X≥0.8，強抗旱型;2 級，0.6≤X＜0.8，抗旱型;3 級，0.4≤X＜0.6，中抗型;4 級，0＜X＜0.4，弱抗型。由表2可看出，通過對紅砂地上含水率及葉片中所含適應(yīng)干旱鹽化土壤的物質(zhì)進行隸屬函數(shù)值計算得出阿拉善左旗錫林高勒不同株型紅砂均屬于中抗型，在不同株型間各指標的隸屬函數(shù)平均值無顯著差異(P＜0.05)，POD、Pro、含水率的隸屬函數(shù)隨株型減小有降低的趨勢，SOD、MDA呈增大的趨勢，而CAT的隸屬函數(shù)值為:中株＞大株＞小株。

表1 紅砂生理指標相關(guān)性分析 Table 1 The correlation analysis of Reaumuria soongorica physiological indicators.

表2 不同株型紅砂抗旱性綜合評定 Table 2 Comprehensive evaluation on anti-drought type of Reaumuria soongoricas.

3 討論

本研究結(jié)果表明，紅砂地上部分隨著株型的減小，含水率呈減小的趨勢，即株型越大含水率越大，大株含水率可達37.98%，而小株含水率僅為30.30%。這與白娟［5］、左利萍［6］等得到的葉片的含水率結(jié)果有所不同。由于紅砂葉子比較小，在取葉過程中容易破壞葉片組織，失去大量水分。

在荒漠地區(qū)，伴隨著高輻射和高溫的出現(xiàn)，植物葉綠體內(nèi)產(chǎn)生過多的活性氧(ROS)導致光抑制及光氧化損害［22］。為了應(yīng)對在逆境下的氧化損傷，植物產(chǎn)生了包括SOD、POD和CAT等抗氧化酶在內(nèi)的防御體系［23］。本研究結(jié)果表明，不同株型的紅砂葉片抗氧化酶活性和丙二醛、游離脯氨酸含量均未發(fā)生顯著變化，但均表現(xiàn)出了一定的變化趨勢。紅砂適應(yīng)性綜合評價結(jié)果為中株＞大株＞小株，說明隨著株型的增加，紅砂適應(yīng)性逐漸增強，其中中株紅砂的適應(yīng)性相對較好。該結(jié)果與李園園［17］研究得出的紅砂葉片中MDA、SOD和CAT的含量均為大株＜中株＜小株;POD的含量為中株＞大株＞小株;Pro的含量為大株＞中株＞小株，抗旱性綜合評價中株＞小株＞大株有所差異。這可能與實驗設(shè)計有關(guān)，在所調(diào)查取樣的范圍內(nèi)，根據(jù)這些生理指標的變化可以推測不同株型的紅砂內(nèi)部機制隨著株型的變化而變化。

紅砂的抗旱性除了與抗逆性酶有關(guān)之外，與種子特性、形態(tài)特征等有密切關(guān)系，外部環(huán)境對其也有一定的影響。植物的抗旱性在不同生長期的表現(xiàn)不同。在種子期表達為萌發(fā)率的不同，在苗期表達為生理指標的不同。本文中實驗材料紅砂均處于成年狀態(tài)，葉片抗氧化酶活性和丙二醛、游離脯氨酸含量顯著性差異不大，而實驗材料紅砂在根長、根粗、側(cè)根數(shù)含水量等指標上存在著差異，體現(xiàn)了紅砂在水分生理上的差異。植物的抗旱性是一個綜合的復雜性狀?？购敌詮娙跣韪鄬哟蔚谋容^才能得到更加準確和客觀的結(jié)果。

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