干旱脅迫對(duì)頂果木生理特性及根系形態(tài)特征的影響

李付伸　覃德文　杜佩連　秦武明　鐘連香

摘要：通過盆栽試驗(yàn)，用Win Rhizo根系分析軟件，分析不同模擬干旱脅迫條件對(duì)頂果木（Acrocarpus fraxinifoliusa Wight ex Arn.）根系生長(zhǎng)和生理動(dòng)態(tài)的影響。結(jié)果表明，干旱脅迫降低了頂果木葉片 CAT 活性及 MDA 含量，升高了SOD、POD活性，這些生理變化能有效降低植物細(xì)胞膜脂過氧化的程度，提高了頂果木抗干旱脅迫的能力。并且根半徑在逐漸降低，根系皮層和維管束厚度隨干旱脅迫程度的加重總體趨勢(shì)在變薄，這有利于水分與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送。說明頂果木具備一定的抗旱能力，可在廣西大力推廣種植。

關(guān)鍵詞：頂果木（Acrocarpus fraxinifoliusa Wight ex Arn.）；干旱；根系；生理特性

中圖分類號(hào)：ST92.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）08-2019-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.026

Abstract： Through pot experiment and Win Rhizo root system analysis software， the analysis of different simulated drought stress conditions on top of Acrocarpus fraxinifoliusa Wight ex Arn. root system growth and physiological dynamic effects. The results showed that drought stress reduced the A. fraxinifoliusa leaf CAT activity and MDA content and increased SOD， POD activity， these physiological changes can effectively reduce the degree of plant cell membrane lipid peroxidation and improve A. fraxinifoliusa drought resistance ability. And root radius is gradually reduced， the root cortex and vascular cylinder thickness with the drought stress degree aggravating the overall trend in the thinning， which is conducive to the transport of water and nutrients. That A.fraxinifoliusa has the capacity of drought resistance， and can be planted in Guangxi to promote.

Key words： Acrocarpus fraxinifoliusa Wight ex Arn.； drought stress； root system； physiology characteristics

頂果木（Acrocarpus fraxinifoliusa Wight ex Arn.）為蘇木科（Caesalpiniaceae）頂果樹屬（Acrocarpus Wight ex Arn.）高大無刺喬木，樹高平均達(dá)到40 m，枝下高均為20 m，胸徑最大可達(dá)120 cm以上，其分布于廣西壯族自治區(qū)的西部、西南部，貴州、云南省也有大量分布，為國(guó)家三級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物[1]。頂果木適應(yīng)能力較強(qiáng)，土壤適應(yīng)范圍在pH 4.3～7.9。在廣西的龍州縣、田林縣、田陽縣等石灰?guī)r山地或土山區(qū)域分布較多；其中，22年生的頂果木樹干通直，單株材積可達(dá)1.189 5 m3[2]。該樹作為優(yōu)質(zhì)木材出材率高、材質(zhì)堅(jiān)硬、耐腐、紋理美觀，為優(yōu)質(zhì)家具和纖維用材；其樹形美觀呈傘狀，常應(yīng)用于行道樹、風(fēng)景樹或生態(tài)防護(hù)林建設(shè)。頂果木根系較為發(fā)達(dá)，樹冠冠幅寬大，林分生長(zhǎng)速度快，更新速率高，可應(yīng)用于涵養(yǎng)水源、保持水土和改良土壤等生態(tài)建設(shè)工程，尤其是用于石山巖溶地區(qū)石漠化治理和荒山綠化效果顯著[3，4]。由于頂果木眾多生物學(xué)特性未被挖掘，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注頂果木的研究，近年來主要對(duì)頂果木的生物學(xué)特性[5]、蟲害[6]、育苗造林[7]、無性繁殖[8]、立地適應(yīng)性[9]等方面展開了研究。然而，隨著全球氣候變化劇烈，廣西大部分地區(qū)普遍出現(xiàn)了久旱等極端氣候現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間缺少降雨，嚴(yán)重影響了眾多物種的正常生長(zhǎng)，也給林業(yè)工作者提出了挑戰(zhàn)，植物如何應(yīng)對(duì)干旱極端生境已成為了當(dāng)今生態(tài)學(xué)家普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。試驗(yàn)主要是對(duì)頂果木進(jìn)行干旱脅迫處理，觀察頂果木如何調(diào)節(jié)生理生化特性與根系的生長(zhǎng)來應(yīng)對(duì)缺乏水分的逆境脅迫，從而為干旱地區(qū)的森林培育和營(yíng)林規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

參試材料為廣西國(guó)有維都林場(chǎng)優(yōu)質(zhì)一年生頂果木實(shí)生幼苗，在2014年3月1日移栽到廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃試驗(yàn)大棚內(nèi)，采用盆栽方法對(duì)苗木進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。用黃土∶細(xì)沙為3∶1的混合土作為育苗基質(zhì)，基質(zhì)土在裝盆前用0.5%的高錳酸鉀溶液消毒。

1.2 處理

參考有關(guān)研究結(jié)果[10，11]，結(jié)合當(dāng)?shù)馗珊禃r(shí)測(cè)定的土壤含水量，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)水分梯度（模擬干旱脅迫）處理，分別為①CK，正常供水（土壤水分含量為田間最大持水量的80%，簡(jiǎn)寫為80%，下同）；②P1，輕度干旱脅迫（65%）；③P2，中度干旱脅迫（35%）；④P3，重度干旱脅迫（15%）。2014年4月30日，將溫室中培育的生長(zhǎng)狀況良好的具有12～20片葉、地下根系長(zhǎng)度5 cm、株高為30～35 cm的頂果木幼苗移植入苗木盆內(nèi)，每個(gè)處理6盆，每盆1株苗木，在此期間進(jìn)行日常的養(yǎng)護(hù)管理。待移植苗木適應(yīng)了苗木盆生長(zhǎng)環(huán)境后，在2014年9月10日至10月1日，用稱重法控制土壤含水量，各處理于每日17：00時(shí)用電子天平稱重補(bǔ)水，保證土壤內(nèi)的含水量控制在試驗(yàn)設(shè)定的范圍內(nèi)。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 生理指標(biāo)測(cè)定 干旱處理至2014年10月20日，不同處理植株葉片各取0.5 g，加 0.05 mo1/L磷酸緩沖液（pH 7.8，內(nèi)含 1% PVP）5.0 mL及少量石英砂，在碎冰上研磨，樣品研碎后置于15 000 r/min、4 ℃下離心15 min，選取上清液置于10 mL容量瓶?jī)?nèi)，定容，即為酶提取液，對(duì)酶提取液分別進(jìn)行丙二醛（MDA）含量、質(zhì)膜相對(duì)透性、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）及超氧化物歧化酶（SOD）活性測(cè)定，都重復(fù)6次。MDA含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[12]；質(zhì)膜相對(duì)透性采用數(shù)顯電導(dǎo)率儀測(cè)定，以相對(duì)電導(dǎo)率表示[12]，

相對(duì)電導(dǎo)率=（浸泡電導(dǎo)率-空白電導(dǎo)率）/（煮沸后電導(dǎo)率-空白電導(dǎo)率）×100%。

SOD活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光氧化還原法測(cè)定，酶活單位用U/mg（FW）表示[13]。CAT 活性采用高錳酸鉀還原法測(cè)定，酶活單位用μmol（H2O2）/[g（FW）·min]表示[12]。POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，酶活單位用以△OD470/[g（FW）·min]表示[14]。

1.3.2 根系測(cè)定 在2014年10月20日試驗(yàn)處理完成后，采用Win RHIZON Pro STD160+型根系圖像分析系統(tǒng)（Regent Instruments Ine，Quebec，Canada）對(duì)不同處理的苗木根系總根長(zhǎng)、平均根系直徑和根尖數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。并結(jié)合光學(xué)顯微鏡（MOTIC BA300，USA）對(duì)頂果木根系皮層厚度變化、維管束厚度變化、細(xì)胞破碎化程度進(jìn)行形態(tài)觀察，結(jié)合顯微測(cè)微尺測(cè)量，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。每個(gè)測(cè)定指標(biāo)取顯微鏡觀察下20個(gè)視野的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果以測(cè)定的平均值表示。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Office Excel 2003軟件進(jìn)行，利用鄧肯氏新復(fù)極差檢驗(yàn)法（Duncan′s new multiple range test，DMRT）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)頂果木葉片生理特性的影響

干旱脅迫對(duì)頂果木葉片生理的影響情況見表1。由表1可知，不同干旱脅迫處理影響了頂果木葉片的SOD、POD、CAT活性和質(zhì)膜相對(duì)透性及MDA含量。與正常供水條件相比，輕度干旱、中度干旱脅迫處理提高了頂果木葉片的SOD活性，但差異不顯著（P>0.05），而重度干旱脅迫處理大幅度提高了SOD活性，并且差異顯著（P<0.05）。在CAT活性方面，3個(gè)干旱脅迫處理都大幅度降低了頂果木葉片的CAT活性，并與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。而在POD活性方面，3個(gè)干旱脅迫處理都提高了頂果木葉片的POD活性，其中輕度干旱脅迫處理提高的幅度不大，差異不顯著（P>0.05）；而中度干旱、重度干旱脅迫處理增加幅度很大，與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。在MDA含量方面，隨干旱程度的加重MDA含量降低，3個(gè)干旱脅迫處理都與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。在質(zhì)膜相對(duì)透性方面，隨干旱程度的加重質(zhì)膜相對(duì)透性都在提升，其中輕度干旱脅迫處理與對(duì)照差異不顯著（P>0.05）；而中度干旱、重度干旱脅迫處理與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。

2.2 干旱脅迫對(duì)頂果木幼苗根系生長(zhǎng)的影響

干旱脅迫對(duì)頂果木幼苗根系生長(zhǎng)的影響情況見表2。由表2可見，隨著干旱強(qiáng)度的增加，頂果木幼苗的平均根系直徑、總根長(zhǎng)和根尖總數(shù)都呈降低趨勢(shì)，3個(gè)干旱脅迫處理的平均根系直徑、總根長(zhǎng)和根尖總數(shù)都與對(duì)照的平均根系直徑、總根長(zhǎng)和根尖總數(shù)差異極顯著（P<0.01）。

2.3 干旱脅迫下頂果木根形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的變化

干旱脅迫對(duì)頂果木根形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的影響情況見表3。由表3可見，隨著干旱脅迫程度的加重，頂果木的根半徑與對(duì)照相比在逐漸降低，并且皮層厚度和維管束厚度也呈降低的趨勢(shì)，尤其是重度干旱脅迫處理與對(duì)照相比，在根半徑、皮層厚度和維管束厚度上都與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。然而從另一個(gè)角度來看，皮層厚度和維管束厚度的占徑比例呈增加的趨勢(shì)，同樣是重度干旱脅迫處理與對(duì)照相比，在皮層厚度占徑比和維管束厚度占徑比上都與對(duì)照差異不顯著（P>0.05），說明頂果木對(duì)干旱脅迫具有很強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力。

3 討論

水分是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子，在干旱生境下植物的細(xì)胞膜活性氧自由基活性加強(qiáng)，直接對(duì)細(xì)胞造成損害，此時(shí)植物細(xì)胞內(nèi)的SOD、POD和CAT活性強(qiáng)弱成為植物抵御干旱脅迫的主要方式[15]。有研究表明，向日葵、高粱和煙草幼苗在缺水條件下CAT活性提高，植物出現(xiàn)萎蔫[16，17]；但也有研究表明，隨水分脅迫的加重木麻黃小枝[18]和花生葉片[19]的SOD、CAT和POD活性下降，并使花生葉片MDA含量降低。頂果木試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱脅迫降低了頂果木葉片CAT活性及MDA含量，升高了SOD、POD活性，這與周建等[20]、李妮亞等[21]的研究結(jié)果相同。干旱脅迫下頂果木葉片的這些生理特性變化能夠有效降低植物細(xì)胞膜脂過氧化的程度，提高了頂果木抗干旱脅迫的能力，這與在棉花[22]、咖啡[23]和玉米[24]等作物上的研究結(jié)論相一致。

植物根系不但是吸收養(yǎng)分和水分的器官，同時(shí)是同化、轉(zhuǎn)化或合成多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要場(chǎng)所[25]，根系的生長(zhǎng)發(fā)育和活力狀況對(duì)植物的抗逆境能力至關(guān)重要[21]。根系皮層、維管束對(duì)研究植物在干旱逆境下的生長(zhǎng)特性具有重要的生物學(xué)價(jià)值[26]；干旱脅迫試驗(yàn)中頂果木的根半徑在逐漸降低，根系皮層和維管束厚度隨干旱脅迫程度的加重總體趨勢(shì)在變薄，可能是由于外界環(huán)境中離子濃度較高、水勢(shì)較低等一系列不利于植物吸收水分的環(huán)境影響下皮層變薄有利于水分吸收所導(dǎo)致的。根系維管束中木質(zhì)部和韌皮部分別是運(yùn)送水分和礦質(zhì)元素的通道，其變薄有利于導(dǎo)管和篩管中水分、無機(jī)鹽與有機(jī)物的輸送，從而保證植物在干旱脅迫下植物體內(nèi)的細(xì)胞仍可處在濕潤(rùn)的環(huán)境下，進(jìn)而維持正常的生長(zhǎng)代謝。這個(gè)結(jié)果與田麗麗等[27]對(duì)類短命植物阿爾泰獨(dú)尾草的形態(tài)解剖研究結(jié)果相反，田麗麗等研究發(fā)現(xiàn)，阿爾泰獨(dú)尾草發(fā)達(dá)的皮層組織不僅可以儲(chǔ)存足夠的水分以應(yīng)對(duì)干旱，而且還可能是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存場(chǎng)所。這可能是由于2種植物的地域分布不同而造成的抗逆境機(jī)制不同所產(chǎn)生的環(huán)境適生性作用的結(jié)果。

頂果木作為珍貴鄉(xiāng)土樹種，抗旱能力較弱；但該樹種在適當(dāng)干旱條件下具有相當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)能力，能夠維持植株在一定的生長(zhǎng)水平上。因此，在發(fā)展種植頂果木過程中，盡管該植物適宜種植于南亞熱帶季風(fēng)帶降雨量充足的地區(qū)，但也需要保證充足的水分供應(yīng)。今后還需深入對(duì)該植物的葉脈結(jié)構(gòu)和細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究。

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