干旱對(duì)2種沙棘生長(zhǎng)和生理特性的影響

李裕冬，陳 娟，羅 艷

(1.四川省自然資源科學(xué)研究院，四川 成都 610015； 2.綿陽(yáng)師范學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000； 3.四川省生物資源保護(hù)與可持續(xù)利用實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610015)

干旱對(duì)2種沙棘生長(zhǎng)和生理特性的影響

李裕冬1，3，陳 娟2，羅 艷1

(1.四川省自然資源科學(xué)研究院，四川 成都 610015； 2.綿陽(yáng)師范學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000； 3.四川省生物資源保護(hù)與可持續(xù)利用實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610015)

以采自四川省紅原縣的中國(guó)沙棘、西藏沙棘幼苗為試材，采用盆栽試驗(yàn)法，對(duì)不同土壤水分(對(duì)照，即100%田間持水量；中度干旱，即50%田間持水量；極度干旱，即30%田間持水量)條件下中國(guó)沙棘和西藏沙棘幼苗生長(zhǎng)速率、根超微結(jié)構(gòu)以及不同器官中的碳水化合物含量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明：在不同水分處理下，中國(guó)沙棘生長(zhǎng)速率明顯高于西藏沙棘；但與對(duì)照相比，水分脅迫對(duì)中國(guó)沙棘的抑制效應(yīng)更顯著。與對(duì)照相比，水分脅迫均顯著影響了2種沙棘幼苗不同器官中的碳水化合物的積累和分配。極度干旱脅迫下，中國(guó)沙棘有更多的根部淀粉、根可溶性總糖、根蔗糖和根果糖含量，表現(xiàn)出較強(qiáng)的根滲透調(diào)節(jié)能力；而水分脅迫對(duì)西藏沙棘地上莖和葉碳水化合物的影響比地下部分更顯著。中度水分脅迫時(shí)，2種沙棘的根系超微結(jié)構(gòu)未有明顯變化；而極度水分脅迫時(shí)，2種沙棘均顯示根細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的損傷。表明中度水分脅迫下，中國(guó)沙棘和西藏沙棘表現(xiàn)出較好的適應(yīng)能力，而極度水分脅迫不同程度地影響了2種沙棘幼苗的生長(zhǎng)和碳代謝能力。

沙棘；碳水化合物；超微結(jié)構(gòu)；干旱脅迫

沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)為胡頹子科(Elaeagnaceae)沙棘屬(Hippophae)灌木或小喬木，用途廣泛。沙棘果實(shí)和種子含有豐富的維生素、胡蘿卜素、植物甾醇和不飽和脂肪酸，具有很高的藥用和食用價(jià)值[1]。沙棘根部的根瘤菌可固氮[2]，常用于土壤修復(fù)和造景。沙棘的抗旱、抗寒、抗鹽堿等特性使其成為防風(fēng)固沙、改良土壤的先鋒樹種，在調(diào)節(jié)土壤微氣候和保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定方面具有較好的作用[3-5]。目前，中國(guó)是世界上沙棘資源最為豐富的國(guó)家。中國(guó)沙棘(H.rhamnoides)是我國(guó)特有的、分布最廣的一個(gè)亞種，主要分布于山坡、草甸、谷地、河岸或干涸河床，在青藏高原東緣至黃土高原極為普遍。西藏沙棘(H.thibetana)是青藏高原上分布最廣的種類，也是整個(gè)沙棘屬最基部類群，是分化最早的一個(gè)種。作為特生種，其生長(zhǎng)和形態(tài)特征與其他種有明顯差異[6]。

干旱是影響植物生產(chǎn)力的最重要因子之一，全球氣候變化使干旱更嚴(yán)重地限制植物的生長(zhǎng)[7-8]。前人研究指出干旱影響了中國(guó)沙棘的光合速率和水分利用效率[4，9-10]，但現(xiàn)有的研究多關(guān)注于植物地上部分，對(duì)地下根的超微結(jié)構(gòu)和不同器官中碳水化合物變化特征研究不多。并且，現(xiàn)階段西藏沙棘的干旱適應(yīng)性研究也較少。為此，本文研究不同土壤水分條件下中國(guó)沙棘和西藏沙棘的生長(zhǎng)速率、根超微結(jié)構(gòu)和碳水化合物變化特征及適應(yīng)機(jī)制，旨在為干旱和半干旱地區(qū)利用中國(guó)沙棘和西藏沙棘進(jìn)行土壤修復(fù)和人工林營(yíng)造提供參考。

1 研究方法

1.1植物材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)處理設(shè)計(jì)。水分處理包括3個(gè)梯度：良好的水分條件(對(duì)照處理，CK)，即100%田間持水量；中度干旱(處理1)，即50% 田間持水量；極度干旱(處理2)，即30%田間持水量。2個(gè)亞種：中國(guó)沙棘、西藏沙棘。每種處理20次重復(fù)。

植物材料均采自四川省紅原縣。2014年5月18日，選取120株基徑(約為6 mm)、高度(約為20 cm) 基本一致的2年生幼苗栽入已裝有均勻土壤的10 L花盆中。將所有植物放入鋼架防雨大棚中正常培養(yǎng)42 d后，進(jìn)行不同水分處理84 d。

1.2生長(zhǎng)速率測(cè)定

在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，隨機(jī)抽取5株幼苗測(cè)定高度和基徑。株高生長(zhǎng)速率=株高增長(zhǎng)量(cm)/水分處理時(shí)間(d)；基徑生長(zhǎng)速率=基徑增長(zhǎng)量(mm)/水分處理時(shí)間(d)。

1.3碳水化合物測(cè)定

取烘干過篩后的0.2 g葉、莖和根細(xì)粉，用80%(w/v)的乙醇提取30 min，然后5000 r·min-1離心10 min，殘余物繼續(xù)用9.2 mol·L-1的HClO4水解30 min，在5000 r·min-1離心15 min，提取液用于淀粉和可溶性總糖的測(cè)定。淀粉含量測(cè)定用0.2%硫酸-蒽酮試劑作為反應(yīng)液，加好試液后的試管置沸水浴15 min后，放冷，然后在625 nm處測(cè)定[11]，以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)品。乙醇提取液同時(shí)用于蔗糖測(cè)定和果糖的測(cè)定[12]。

1.4超微結(jié)構(gòu)觀察(Transmission electron microscopy，TEM)

每個(gè)處理隨機(jī)挑選3株植株，取每個(gè)植株根尖部位，將其用磷酸緩沖液沖洗干凈，在2.5%戊二醛(用pH 7.2的磷酸緩沖液配制)中于22 ℃下至少固定2 h以上，再在相同溫度下用鋨酸(OsO4)固定2 h，之后分別在30%、50%、70%、90%丙酮中脫水處理，然后浸泡于環(huán)氧樹脂812型中2 h，并使其聚合8 h，最后制備超薄切片并利用透射電鏡H-600IV TEM (Hitachi，Tokyo，Japan)觀察拍片。

1.5統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 16.0 for Windows統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS Inc.，Chicago，IL，USA)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將不同水分處理組的植株生長(zhǎng)、生理和生化指標(biāo)進(jìn)行一元方差分析(ANOVA)，平均數(shù)間的多重比較采用Tukey檢驗(yàn)(P<0.05)，兩因子方差分析(Two-way ANOVAs)用于評(píng)價(jià)亞種間、干旱和二者交互效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1干旱對(duì)沙棘生長(zhǎng)速率的影響

由圖1可知，中國(guó)沙棘與西藏沙棘亞種間基徑和株高生長(zhǎng)差異明顯，且不同水分處理顯著影響了兩者的生長(zhǎng)速率(表1)。西藏沙棘生長(zhǎng)較慢，在中度水分脅迫下，其生長(zhǎng)速率并無明顯變化，極度水分脅迫下，其基徑生長(zhǎng)速率下降顯著，但株高的生長(zhǎng)速率變化不明顯。相同水分處理下，中國(guó)沙棘的株高和基徑生長(zhǎng)速率均顯著高于西藏沙棘。但與未進(jìn)行水分脅迫的對(duì)照植株相比，2種干旱處理均顯著抑制了中國(guó)沙棘的基徑和株高生長(zhǎng)速率。

2.2干旱對(duì)沙棘碳水化合物的影響

表1 水分脅迫、亞種間和兩者交互對(duì)中國(guó)沙棘和西藏沙棘生長(zhǎng)和碳水化合物的效應(yīng)

*：*為0.01

圖1 不同水分處理下中國(guó)沙棘、西藏沙棘的生長(zhǎng)速率

水分良好、中度水分脅迫條件下，2種沙棘莖、根的淀粉含量無明顯差異，但西藏沙棘有更高的葉淀粉含量。極度干旱下，中國(guó)沙棘莖、根中淀粉含量顯著高于西藏沙棘，且西藏沙棘葉淀粉含量也明顯下降，說明兩者間存在淀粉積累和分配上的響應(yīng)差異(圖2)。2種干旱處理顯著降低了中國(guó)沙棘的葉蔗糖含量，而僅極度水分脅迫降低了西藏沙棘的葉蔗糖含量。極度水分脅迫下西藏沙棘莖中蔗糖含量顯著增加，而中國(guó)沙棘表現(xiàn)出根蔗糖含量增加(圖3)。水分處理并未影響西藏沙棘根、莖、葉中的可溶性總糖水平。中國(guó)沙棘在水分脅迫下表現(xiàn)為根的可溶性總糖含量上升，且中度水分脅迫下其莖的可溶性糖含量也顯著上升，但不同水分處理未影響其葉的可溶性總糖含量(圖4)。水分處理未顯著影響2種沙棘的葉果糖含量。但2種水分脅迫顯著增加了盅國(guó)沙棘的根果糖含量和西藏沙棘的莖果糖含量，而對(duì)西藏沙棘根果糖含量無明顯影響(圖5)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，根蔗糖和總糖，莖果糖、根、莖、葉的淀粉含量表現(xiàn)出明顯的種間差異；水分處理顯著影響除葉總糖和根果糖外的碳水化合物含量；種間×水分交互作用顯著影響根總糖，根、莖、葉淀粉，莖、根蔗糖和果糖的含量(表1)。

2.3干旱對(duì)沙棘根超微結(jié)構(gòu)的影響

水分良好的條件下，西藏沙棘和中國(guó)沙棘的根細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)清晰、平滑，細(xì)胞內(nèi)淀粉積累相對(duì)較少(圖6)。中度水分脅迫下，與對(duì)照相比，2種沙棘根超微結(jié)構(gòu)并無明顯差異(圖7)。但在極度水分脅迫下，2種沙棘的根細(xì)胞壁扭曲、變薄、木質(zhì)化更少，淀粉粒明顯增多，且中國(guó)沙棘根超微結(jié)構(gòu)中比西藏沙棘有更多的淀粉粒積累(圖8、圖9)。

圖2 不同水分處理下中國(guó)沙棘、西藏沙棘不同器官中的淀粉含量

圖3 不同水分處理下中國(guó)沙棘、西藏沙棘不同器官中的蔗糖含量

圖4 不同水分處理下中國(guó)沙棘、西藏沙棘不同器官中的果糖含量

圖5 不同水分處理下中國(guó)沙棘、西藏沙棘不同器官中總可溶性糖含量

CW為細(xì)胞壁；S為淀粉粒；下同。圖6 正常水分下的中國(guó)沙棘、西藏沙棘根超微結(jié)構(gòu)

圖7 中度干旱下的中國(guó)沙棘、西藏沙棘根超微結(jié)構(gòu)

圖8 極度干旱下的西藏沙棘根超微結(jié)構(gòu)

圖9 極度干旱下的中國(guó)沙棘根超微結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，水分脅迫尤其是極度干旱顯著影響中國(guó)沙棘和西藏沙棘的生長(zhǎng)速率和碳水化合物積累與分配，這將影響到它們對(duì)土壤的固氮效應(yīng)、碳代謝和儲(chǔ)存能力。碳水化合物的積累和分配反映了植物對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)過程。淀粉和低分子量糖如果糖和蔗糖是植物儲(chǔ)存碳的重要成分，且蔗糖是光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)的主要形式[13]。前人的研究表明，水分脅迫顯著影響中國(guó)沙棘的光合速率[9，14]和水分利用效率[15]，這將影響到光合產(chǎn)物的生成、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累過程。本試驗(yàn)結(jié)果表明不同的水分處理影響2種沙棘的淀粉、蔗糖、果糖和可溶性總糖含量，2種沙棘在碳水化合物積累與分配上存在顯著差異。前人對(duì)中國(guó)沙棘的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期輕度及中度干旱下中國(guó)沙棘可溶性糖和游離脯氨酸顯著增加而滲透勢(shì)降低，表現(xiàn)出低水勢(shì)耐旱特性[16]。本研究顯示，極度干旱條件下，中國(guó)沙棘分配了更多的淀粉、可溶性總糖、蔗糖與果糖在根中，從而使根具有更好的滲透調(diào)節(jié)能力，有利于根系吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這可能是中國(guó)沙棘適應(yīng)極度干旱的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制。但與未經(jīng)水分脅迫的對(duì)照相比，水分協(xié)迫處理后的西藏沙棘并未顯示出根中碳水化合物的明顯差異，這表明在水分脅迫下，西藏沙棘與中國(guó)沙棘碳水化合物生成過程中可能存在響應(yīng)時(shí)間上的差異；也表明2種沙棘在碳水化合物地上莖、葉和地下根積累與分配上存在差異，說明兩者在水分脅迫下有不同的適應(yīng)策略。水分脅迫下植物根損傷會(huì)影響其對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力。本研究顯示，中度脅迫下，2種沙棘的根超微結(jié)構(gòu)均未有明顯的改變，表明中度脅迫并未對(duì)根造成損傷。但在極度脅迫下，可以明顯看到2種沙棘均產(chǎn)生明顯變化：細(xì)胞間隙大，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜有扭曲和松散，不如對(duì)照下細(xì)胞壁光滑和緊密，細(xì)胞木質(zhì)化少；此外，淀粉粒也明顯增大，這可能與根中高的淀粉含量有關(guān)。

Grime等[17]把植物生活史對(duì)策分為競(jìng)爭(zhēng)型(Competition，C)和脅迫忍耐型(Stress，S)。C-對(duì)策者在資源豐富的生境，生長(zhǎng)快速，生物量積累大；在資源貧瘠的生境中，植物易受脅迫和傷害；S-對(duì)策者在資源豐富的生境生長(zhǎng)速率較慢，但在資源有限的生境中具有較強(qiáng)的抗脅迫能力。中國(guó)沙棘在水分良好的條件下的適應(yīng)趨向于C-對(duì)策，而中度和極度干旱抑制了其生長(zhǎng)速率。中國(guó)沙棘表現(xiàn)出生理響應(yīng)上的塑性，如分配更多的碳水化合物到根部，從而提高其滲透調(diào)節(jié)能力，以適應(yīng)極端水分脅迫環(huán)境。西藏沙棘趨向于S-對(duì)策，在水分良好條件下，其生長(zhǎng)速率緩慢；在中度水分脅迫下，并未表現(xiàn)出明顯的抑制效應(yīng)。這一方面可能與試驗(yàn)的脅迫時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，同時(shí)也說明西藏沙棘可能通過調(diào)節(jié)內(nèi)在生理生化過程，如碳水化合物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配，維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定和適應(yīng)水分脅迫環(huán)境。

總之，本研究結(jié)果表明：中度水分脅迫下，中國(guó)沙棘和西藏沙棘均表現(xiàn)出較好的適應(yīng)能力。極度水分脅迫不同程度地抑制了2種沙棘的生長(zhǎng)速率、改變了碳水化合物積累與分配特征及根超微結(jié)構(gòu)。作為改良土壤的先鋒樹種和藥食兩用的經(jīng)濟(jì)樹種，我國(guó)干旱與半干旱地區(qū)常利用沙棘人工林進(jìn)行防風(fēng)固沙、土壤修復(fù)和發(fā)展經(jīng)濟(jì)。在全球氣候變化導(dǎo)致干旱日益加劇的背景下，為提高營(yíng)林效果，在人工林的營(yíng)建中要注意對(duì)沙棘幼苗的水分管理。此外，中國(guó)沙棘和西藏沙棘廣泛分布于青藏高原，其幼苗對(duì)水分脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)差異可能影響到這一敏感生態(tài)系統(tǒng)的植物群落結(jié)構(gòu)、土壤固氮效應(yīng)與碳氮循環(huán)過程。

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EffectofDroughtonGrowthandPhysiologicalTraitsofTwoSpeciesofSeaBuckthorn

LIYudong1，3，CHENJuan2，LUOYan1

(1.SichuanProvincialAcademyofNaturalResourceSciences，Chengdu610015，Sichuan，China；2.MianyangNormalUniversity，Mianyang621000，Sichuan，China； 3.SichuanProvinceLaboratoryforNaturalResourcesProtectionandSustainableUtilization，Chengdu610015，Sichuan，China)

In the paper，takingHippopharhamnoidesandHippophaethibetanaseedlings came from Hongyuan County as experimental materials，the effect of different drought treatments (control，100% field capacity，moderate drought，50% field capacity and extreme drought，30% field capacity) on traits of growth rate，carbohydrates and root ultrastructure of two subspecies of sea buckthorn were investigated by a pot experiment.The result indicated thatH.rhamnoidesshowed higher growth rate thanH.thibetanaunder well-watered and drought stress.Two levers of drought inhibited more growth rate ofH.rhamnoidesthan that ofH.thibetana.Two levels of drought significantly affected the carbohydrates of two subspecies of sea buckthorn.In extreme drought stress，H.rhamnoidesshowed higher starch，soluble sugar，sucrose and fructose in roots than that ofH.thibetana，indicating better root osmotic adjustment，while drought had more obvious effect on carbohydrates of aboveground than that of roots ofH.thibetana.In addition，H.rhamnoidesandH.thibetanashowed no obvious damage in root ultrastructure compared with the control plants under moderate drought.However，two subspecies of sea buckthorn were damaged by extreme drought treatment.The study indicated that drought differently affected the growth rates and carbohydrates，which may affect the structure and ecological function of sea buckthorn in Tibet Plateau.In addition，to improve the afforestation，the water regimes of seedlings of sea buckthorn should be paid more attention.

sea buckthorn；carbohydrates；ultrastructure；drought stress

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.03.002

2017-02-01；

： 2017-05-03

四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015JY0014)；四川省生態(tài)安全與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金 (SP0014)；四川省植物資源共享平臺(tái)項(xiàng)目(2016TJPT0001)；四川省公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2014年166)

李裕冬(1980—)，男，四川內(nèi)江人，四川省自然資源科學(xué)研究院助研，碩士，從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail：pikapaul@163.com。

陳娟(1975—)，女，湖南衡陽(yáng)人，綿陽(yáng)師范學(xué)院副教授，從事植物生態(tài)學(xué)研究。E-mail：cj-041698@163.com。

S793.6；Q945.78

： A

： 1002-7351(2017)03-0010-06