核桃抗旱性研究進展

王寒茹，李丕軍，劉 華，邢文曦，鄭崇文

(1.安徽農業(yè)大學，安徽 合肥 230036；2.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081)

核桃(Juglansregia)又稱胡桃、羌桃，為胡桃科胡桃屬植物，具有健胃、補血、潤肺、養(yǎng)神等功效，并與扁桃、腰果、榛子并稱為世界著名的“四大干果”，其藥用、食用和經濟價值均很高。主要分布在中亞、西亞、南亞和歐洲，國內在四川，山東，云南等21個省(市、區(qū))。不同地區(qū)不同核桃的品種之間也存在著差異。蔡利娟[1]對引進核桃香玲、新疆早熟核桃等，鄉(xiāng)土核桃早實核桃、美羅2號等和雜交核桃蜀齡、早豐等進行測量，得出結論3種核桃總體樹形差異不大，但雜交核桃的3徑(腹徑、縫徑、果高)平均值最大，引進核桃次之，鄉(xiāng)土核桃最小。在化學組成上雜交核桃Vc和粗蛋白比其他兩種高，引進核桃粗脂肪最高，鄉(xiāng)土核桃Vc、粗蛋白和粗脂肪都適中。核桃的生長受到各個方面的影響，陳虹[2]采用田間實驗與室內分析結合的方法發(fā)現影響核桃的因素包括生殖特性、環(huán)境脅迫、庫源關系、基因調控。其中環(huán)境脅迫有水分脅迫和溫度脅迫，水分脅迫有干旱脅迫和水淹脅迫。孫凡[3]采用盆栽法發(fā)現在實驗中干旱對長山核桃生長的影響最大，20天左右?guī)缀跬耆劳?，淹水對薄殼山核桃影響最大，但植物長期淹水過程并沒有全部死亡，存活率87.5%。經過大量實驗發(fā)現核桃在干旱脅迫條件下其變化是有規(guī)律的，隨著干旱時間的增加，核桃葉片水勢總體呈下降趨勢，生物量方面，側枝，主干生長緩慢，葉片數量逐漸減少，到最后幾乎沒有，核桃側枝，主干，葉片的干重逐漸降低，葉片相對電導率上升，葉片相對含水量逐漸降低，根系活力逐漸降低，核桃葉片脯氨酸含量呈現逐漸增加的趨勢，核桃葉片中可溶性糖的含量也呈增加趨勢，可溶性蛋白含量則呈現先增加后減少的趨勢，超氧化物歧化酶(SOD)活性先升高后下降，丙二醛含量均有明顯增加。

1 干旱對核桃植株形態(tài)結構的影響

1.1 干旱對根系的影響

根系是陸生植物吸水的主要器官，抗旱性強的植物往往根系發(fā)達。王振元[4]采用PEG-6000模擬干旱脅迫法，對6個品種的核桃的幼根進行研究，發(fā)現在干旱脅迫條件下，所有不同品種核桃的幼根的根長均有所減少，相對含水量也出現很大程度的減少，且各個品種之間相對含水量的差異顯著。幼根的游離脯氨酸含量增大，可溶性糖含量增大，可溶性蛋白的含量先增大后減少。田艷[5]用野生光核桃幼苗為研究對象，設計4 d、8 d、12 d、16 d。其根系長度隨時間有所減少，干旱16d根系受到土壤板結的機械損傷，實驗組土壤含水量和根系含水量都隨干旱時間的增加而減少，干旱16d含水量達到最低。

1.2 干旱對枝條的影響

目前關于脅迫對植物莖形態(tài)的研究較少，劉杜松[6]采用自然干旱脅迫及復水的方法，研究了 12 個早實核桃品種苗木的抗性，其為試材，采用自然干旱脅迫及復水的方法，結果顯示，核桃的粗度相對生長量可以作為判斷核桃其抗旱能力的指標之一。孫紅梅[7]采用同樣的方法，分別在脅迫第0 d、11 d、22 d、33 d、44 d、55 d和復水后進行取樣，結果認為在0 d～11 d時，各早實核桃枝條長度和粗度增幅較大，隨脅迫程度的加劇，枝條長度和粗度增加不顯著，復水后，各植株得到正常水分供應，枝條再次顯著增長和加粗。

1.3 干旱對葉片的影響

葉片是植物進行光合作用的主要器官，同時植物喪失的大部分水分也是通過葉片的蒸騰作用喪失的。當植物處于缺水狀態(tài)時，其外部形態(tài)表現敏感，尤以葉片表現明顯。在干旱條件下，總葉面積會減少，葉片停止擴展，葉片萎蔫，有落葉現象。葉片的形態(tài)和解剖結構都與抗旱性有一定的聯系。白重炎[8]等通過石蠟切片，對采自陜西渭北核桃開發(fā)研究中心基地(黃龍)12 個核桃品種葉片的抗旱性結構進行了詳細的分析研究。結果表明，葉肉上表皮厚度、柵欄組織占葉厚度的比例及葉脈維管束長徑是比較好的抗旱性指標。孫志超[9]采用石蠟切片、模擬干旱處理及透射電鏡等技術對3種山核桃葉片、1 a生枝條及葉綠體的結構特性進行了觀察，并將葉片上下表皮、柵欄組織、海綿組織等15類指標聚為5類，通過相關指數比較篩選出了海綿組織厚度、皮孔長度、柵欄組織與海綿組織厚度比、皮層厚度及導管長度作為評價山核桃耐旱性能的指標。

2 干旱對核桃生理指標的影響

2.1 干旱對核桃組織水分狀況的影響

葉片水分是維持植物正常代謝的基礎，一般而言，干旱脅迫發(fā)生時，葉片水分降低，其高低在一定程度上可以反映葉片保水能力的強弱[10]。植物在干旱情況下反映水分狀況的指標有相對含水量、水分飽和虧缺、葉片水勢等。在干旱情況下抗旱性強的樹種相對含水量下降的比抗旱性弱的樹種緩慢，以便維持植物的正常生長[11]。植物葉水勢是植物缺水的一項重要指標，其值的高低及穩(wěn)定性可用來衡量植物抗旱性強弱[12]。陳永坤[13]等采用 PEG-6000 人工模擬干旱脅迫的方法對漾濞核桃幼苗葉片相對含水量進行研究，結果表明，隨干旱脅迫加劇，幼苗相對含水量逐漸降低。韓瑞宏[14]對干旱脅迫下其葉片水分代謝變化進行研究，結果表明，干旱脅迫下苜蓿葉片水勢、葉片相對含水量降低,水分飽和虧缺增加。在干旱條件下還發(fā)現核桃葉片相對電導率隨著土壤和莖水勢的降低而顯著下降[33]。

2.2 干旱對核桃光合作用的影響

光合作用是植物生長最基本的生理過程，干旱逆境下，凈光合速率是植物光合能力最直接的體現，其大小直接決定著植物光合作用的強弱[15]。水分脅迫下光合速率的下降受氣孔因素和非氣孔因素的雙重限制。此外，也由于水分脅迫使生長受到抑制、葉面積減少而限制了光合作用。在輕度水分虧缺下，光合作用降低的原因是氣孔性限制造成的。中度至重度的水分脅迫下，氣孔雖然部分或全部關閉，但葉組織內CO2濃度反而升高，此時光合速率下降是由非氣孔因素造成的。此外,葉綠素作為植物光合作用的物質基礎,其質量分數的高低直接影響光合能力[16]。在對核桃的研究中發(fā)現，干旱條件下氣孔的關閉和熱量同時作用對葉片產生的作用直接影響限制了光合作用，表明在土壤水分虧缺時，天氣炎熱和干燥會影響植物的光合作用[27]。研究發(fā)現,不同薄殼山核桃品種葉綠素質量分數在干旱脅迫時均有不同程度的降低[17]。孫紅梅[6]采用自然干旱及復水處理，結果表明，干旱和復水過程中，核桃葉片的凈光合速率、葉綠素熒光參數、FV/FM和FV/FO均在干旱脅迫時逐漸降低，復水后升高，但未恢復到正常水平。

2.3 干旱對核桃質膜系統(tǒng)的影響

細胞膜的選擇透性是膜系統(tǒng)最重要的功能之一。植物在受到干旱等逆境脅迫后，原生質膜遭到損傷，使膜透性增大，使細胞對部分內含物失去控制，電解質大量外滲，植物組織外滲液電導值增大，故使用電導法測定植物原質膜透性來可作為鑒定植物抗逆性強弱的指標之一[18]。相對電導率可反映逆境條件下質膜透性的變化趨勢。核桃葉片在干旱脅迫條件下，相對電導率上升，且各處理及CK條件下，其上升速率趨于一致[19]。余甜[20]等以 3 種類型新疆野生核桃幼苗木為試材，采用自然干旱脅迫的方法對澆水后 5 d、10 d、15 d、20 d、25 d 的新疆野核桃葉片進行抗旱性生理指標測定結果表明，在脅迫后 15 d，“卵圓型”核桃的質膜相對透性驟然升高達到最大值。孫志超[9]等采用石蠟切片、模擬干旱處理及透射電鏡等技術對3種山核桃進行研究，通過相關指數比較篩選出了海綿組織厚度、皮孔長度、柵欄組織與海綿組織厚度比、皮層厚度及導管長度作為評價山核桃耐旱性能的指標。白重炎[8]等對陜西渭北核桃開發(fā)研究中心基地12個核桃品種葉片的抗旱性結構進行了詳細的分析研究，結果表明，葉肉上表皮厚度、柵欄組織占葉厚度的比例及葉脈維管束長徑是比較好的抗旱性指標。

植物在進行生理活動時會產生活性自由，正常情況下這些活性自由基會被植物體內的抗氧化體系所清除，但在干旱情況下抗氧化系統(tǒng)不能正常清除活性自由基，導致體內自由基積累，對植物產生毒害?；钚匝踝杂苫谥参锛毎麅却罅扛患瑫l(fā)細胞膜脂過氧化作用，破壞細胞膜的正常生理功能，且其產物丙二醛過量產生和累積會進一步加劇對細胞的毒害作用[21]。因為丙二醛是細胞膜脂過氧化的產物。其含量可以反映過氧化的程度[22]。所以丙二醛含量可以作為判斷植物抗旱性的指標。侯棟[23]等在研究不同干旱脅迫處理的試驗中得出結論：4個品種核桃葉片的丙二醛(MDA)含量均隨干旱脅迫的加劇不斷增加。

2.4 干旱對核桃滲透調節(jié)物質的影響

滲透調節(jié)是指植物在干旱等逆境下，通過提高細胞液濃度，降低滲透勢來維持一定的膨壓，維持植物的正常生理功能的一種機制。植物自身合成的滲透調節(jié)性物質有可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等。植物在受到干旱脅迫時，體內會積累大量的滲透調節(jié)物質，降低細胞內的滲透勢，維持植物正常的生理生化過程[24]。Naser[25]等通過實驗證明可溶性糖在核桃抗旱方面起到重要作用。同時干旱脅迫條件下各個品種的核桃脯氨酸含量均增加，而且抗旱性強的品種脯氨酸含量明顯高于不耐旱的品種，耐旱性強度與脯氨酸含量成正比，因此脯氨酸也可以作為核桃抗旱性研究的指標。王振元[4]等采用干旱模擬試驗的研究結果是，在供試核桃品種的幼根和幼葉中，游離脯氨酸含量隨脅迫程度增加均呈現逐漸增加的趨勢，且幼葉對干旱脅迫較幼根更敏感；可溶性糖含量也呈增加趨勢，可溶性蛋白含量則呈現先增加后減少的趨勢，游離脯氨酸和可溶性蛋白這兩種物質的含量在“魯光”幼苗中最高，說明該品種的滲透調節(jié)能力較強，即對干旱的抵抗能力較強。陳永坤等通過人工模擬干旱脅迫的方法對漾濞核桃幼苗葉片、可溶性糖、可溶性蛋白質、MDA和游離脯氨酸等生理生化指標的變化進行研究[13]。

2.5 干旱對核桃抗氧化酶系統(tǒng)的影響

干旱對植物的傷害與干旱條件下植物體內活性氧積累導致膜脂過氧化對植物造成毒害。活性氧的積累與植物體內保護酶的活性和抗氧化劑含量有直接的關系。眾多研究表明,超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)是反映植物抗旱性的重要代謝響應產物,不同的試驗材料其SOD、POD活性在干旱脅迫下的變化趨勢不盡相同。侯棟[23]等以豐輝、香玲、魯光和元林4個核桃品種為試材,研究不同干旱脅迫處理對SOD、POD的影響，SOD和POD活性先上升后下降是因為干旱脅迫使植物體內產生較多的活性氧,誘導SOD和POD活性提高以清除活性氧,減輕傷害。而在重度干旱脅迫時,植物體內嚴重缺水而影響酶活性,缺水還會導致體內蛋白質合成受阻或分解,從而使酶活性降低。劉濟明[27]等以羅甸小米核桃為研究對象，研究在不同水分處理下羅甸小米核桃葉片3種抗氧化保護酶(SOD、CAT、POD)的變化，隨著干旱脅迫時間的延長，羅甸小米核桃保護酶SOD活性呈上升趨勢，POD活性呈先上升后下降再上升趨勢，CAT 活性除重度脅迫外均呈W 型變化。在重度干旱脅迫下，羅甸小米核桃各類保護酶的活性在總體上均高于正常供水、輕度干旱脅迫和中度干旱脅迫。干旱脅迫初期，CAT 活性變化趨勢與POD活性相反，說明3種保護酶能夠相互配合協(xié)同作用，以降低膜脂過氧化程度，減少水分脅迫造成的傷害?？寡趸钢g的差異(如SOD、APX、POD、PPO、LOX、PAO和CAT)核桃基因型之間的差異可能是由于其抗旱機制的不同所導致的，抗旱性強的核桃幼苗脯氨酸含量較高，伴隨著較高的抗氧化酶活性，這些結果表明脯氨酸的積累能激活抗氧化作用[34]。

2.6 干旱對基因的影響

分子水平抗旱性主要是指植物在干旱條件下，通過核酸、蛋白質、基因的表達、調控、合成等一系列分子水平的響應抵抗干旱脅迫，例如逆境蛋白的合成、抗旱基因表達[28][29]。李長江[30]對8周的青扦幼苗在溫室內進行干旱脅迫培養(yǎng)，進行分子水平研究，結果發(fā)現PwWDSI基因能被干旱所誘導，參與干旱脅迫的信號通路。朱雙[31]選取長勢一致的麻風樹幼苗，待其長出6片真葉時進行干旱處理，對麻風樹的根、葉、莖韌皮部和韌皮層的RNA提取研究，發(fā)現LEA蛋白明顯上調表達，表明其參與了麻風樹干旱脅迫的響應過程。NAC、MYB、AP2/ERF等上調表達，說明轉錄因子對麻風樹干旱脅迫的響應過程起重要作用。采用植物基因工程技術的方法，Di Wang[32]對水稻不同時期的葉、根的基因表達譜進行分析，得到了 5 284個干旱脅迫差異表達基因。朱雙[31]利用數字基因表達譜技術鑒定和分析植物的抗旱性。

3 核桃抗旱性研究展望

目前，關于核桃抗旱性研究主要涉及生物量變化，形態(tài)變化和生理生化的分析，但都不夠全面，往往只是研究了某一部分，或者生育期的某一段時期，所以要判斷核桃不同品種抗旱性的強弱，需要建立一個完整的全生育期抗旱性指標的判別體系，從而才能提高對核桃各個品種抗旱性強弱判斷的準確性和科學性。另外隨著現代分子生物學的發(fā)展，人們逐漸采用分子技術對植物的抗旱性進行研究，但目前分子技術還不夠完善，如朱雙[31]對麻瘋樹在干旱脅迫下的響應表達譜進行研究，共測得 20 838個表達序列，但仍有 1 238個序列沒有注釋，這些問題有待于進一步的解答。在未來的研究中，應利用基因組、染色體免疫共沉淀及酵母雜交等技術研究表觀遺傳、轉錄因子以及信號通路調節(jié)等從本質上探究植物的抗旱特性。

干旱是限制植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，也是目前制約農業(yè)生產的一個全球性問題，全世界干旱、半干旱地區(qū)總面積約占總陸地面積的43%，我國是世界上主要的干旱國家之一，全國干旱、半干旱地區(qū)約占總國土面積的50%左右。核桃是我國經濟林物種之一，近些年來，核桃產業(yè)發(fā)展迅速，但干旱、土壤瘠薄、管理技術欠缺等因素制約影響了核桃產業(yè)的發(fā)展。目前關于核桃抗旱性研究的文獻不多，抗旱性的研究主要集中在農作物，關于經濟林抗旱性的研究甚少。本文將近年來國內外關于核桃抗旱性的研究進行整合研究，綜合起來分析各項指標與核桃抗旱性的關系。

目前，我國實生核桃樹兩億多株，為核桃抗逆育種，尤其是抗旱育種提供了豐富的種質資源。從眾多實生苗中選育經濟效益好的，抗旱性強的單株作為篩選對象，并對其后代進行進一步觀察和篩選，最終選定出抗旱良種。通過對不同品種核桃在干旱脅迫下形態(tài)結構，生物量，生理生化等指標進行研究，并利用綜合評價方法對供實驗的核桃品種的抗旱型進行評價，為核桃抗旱性研究提供依據。因此，對現有核桃開展抗旱性研究，篩選耐旱性強的品種，對核桃的推廣應用、節(jié)水抗旱栽培具有重要理論價值和實踐意義。