柚木無性系苗期抗旱生理評價與選擇的研究

（中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520）

柚木Tectona grandisL. f.是世界名貴的用材樹種，生長快，材質優(yōu)良，用途廣，投資回報率高，在亞洲、非洲、中美洲和南美洲廣為種植[1-2]。我國引進柚木栽培歷史悠久，在云南、海南、廣東、廣西、貴州和福建都有較大規(guī)模的種植，總面積約1.5萬hm2[3]。近年來，柚木在我國云南干熱河谷和貴州南部熱區(qū)（羅甸）發(fā)展呈現(xiàn)良好的前景。有報道表明，柚木在干旱瘠薄地區(qū)生長比水肥條件好的地區(qū)慢一點，但木材質量好，心材比例高，紋理更加美觀[4]。然而，這些熱區(qū)的11月到次年5月為長時間的旱季，干旱在一定程度上成了柚木生長發(fā)育的限制因子。廣大林農(nóng)除了對柚木有速生的要求外，也對柚木耐干旱瘠薄提出了更高的要求。因此，盡快選育出抗旱性強的柚木優(yōu)良新品系，是在我國云南干熱河谷和貴州南部熱區(qū)大力發(fā)展柚木商品林的基本前提。當前，柚木遺傳育種研究主要集中在速生、干形、材質和耐寒方面，柚木抗旱方面的研究相對較少。在柚木抗旱育種方面，Husen[5]比較了兩個不同復壯能力的柚木無性系(FG1和FG11)在控水若干天期間相對含水量、可溶性蛋白、相對滲透勢、游離脯氨酸和可溶性糖等生理指標的變化，結果認為FG1比FG11抗旱性強。Rajendrudu等[6]研究發(fā)現(xiàn)兩種葉片長寬比不同的柚木類型在控水3周后，氣孔導度和蒸騰速率都與干旱程度呈負相關，認為寬葉類型比窄葉類型生長情況好，但易受干旱影響。在柚木抗旱機理方面，武勇等[7]用聚乙二醇-6000(PEG-6000)在室內模擬干旱條件，對1年生柚木苗進行不同程度的滲透脅迫后，發(fā)現(xiàn)游離脯氨酸、可溶性糖、超氧化物岐化酶等有明顯變化，認為柚木在干旱脅迫下是通過增加滲透調解物質含量、降低水勢、加強保水力來提高其耐旱能力；并通過增強抗氧化酶活性、提高抗氧化能力，以減輕干旱脅迫的傷害。本研究在前期研究的基礎上，對我國正在推廣和中試的一批柚木無性系開展了控水干旱脅迫，觀察了脅迫處理期間的表現(xiàn)，并分析了重要生理指標的響應，綜合評價了不同無性系的抗旱能力，以期選擇出抗旱性強的柚木優(yōu)良無性系，為我國柚木抗旱造林、引種和育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料為中國林科院熱帶林業(yè)研究所組培的21個柚木無性系，組培瓶苗在苗圃輕基質移植7個月后，移入塑料育苗盆，盆底墊厚紙殼，基質為1500 g的黃心土，試驗對照為柚木無性系種子園優(yōu)良家系種子培育的同齡盆栽實生苗，共22個號，來源信息詳見表1，每個盆1株，每個號隨機選擇3株。

1.2 研究方法

干旱脅迫處理前盆栽5個月，進行日常管理。然后在廣州8月的溫室條件下，連續(xù)5 d，每日每株澆水100 mL，然后對所有植株進行取樣，分析干旱處理前的生理指標，取樣后迅速回到實驗室進行生理指標分析。之后停止?jié)菜?，即采用自然干旱法，對參試材料進行干旱處理。根據(jù)前期預經(jīng)驗，分別在干旱脅迫后第3天上午（中度干旱）和干旱脅迫后第5天上午（重度干旱）對每株采樣并進行生理指標分析。用土壤含水量速測 儀（Moisture Probe Meter，MPM-160B，12-Bit Resolution）測定中度干旱時土壤含水量為22%～25%，重度干旱時土壤含水量為15%～18%。干旱處理期間溫度計測得溫室白天溫度在26～36℃之間，相對濕度在78%～96%之間。

1.3 測定指標

生理指標及其測定方法如下：游離脯氨酸(FPRO)含量的測定參照郝再彬等[8]，SOD活性的測定參照Giannopolitis和Ries[9]，相對電導率的測定參照陳建勛和王曉峰[10]。測定時，待指標數(shù)值穩(wěn)定后取3次平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件統(tǒng)計出每個指標3次數(shù)據(jù)的平均值，用SAS軟件進行方差分析和Duncan多重比較分析，用多維空間（歐幾米德）En多向量綜合評定法對不同無性系的抗旱性進行排序。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫后柚木無性系的生長情況觀察

中度干旱脅迫后，柚木無性系葉片缺水，除了頂芽和最上面2對葉片外，其它葉片（老葉）開始出現(xiàn)下垂和發(fā)黃現(xiàn)象。重度干旱脅迫后，上述現(xiàn)象更加嚴重，大部分植株的頂芽和所有葉片都出現(xiàn)缺水萎蔫現(xiàn)象，葉柄彎曲，無力支撐葉片，大量葉片發(fā)黃，少量老葉出現(xiàn)缺水干枯現(xiàn)象。說明本試驗中的中度干旱脅迫造成的缺水已經(jīng)嚴重地抑制了柚木的正常生長，而隨著時間的延長，重度干旱脅迫的抑制作用更加顯著，直到停止生長。從外表觀察來看，柚木無性系7544、7514、Z408、7137、7114、7509、7531、7219在重度干旱脅迫后，頂芽和上面第一對葉片仍保持良好生長態(tài)勢。

本試驗結束后對所有參試柚木無性系植株恢復正常供水，大部分植株葉片黃化枯萎，1～2周后，大部分無性系的頂芽能夠恢復正常生長態(tài)勢，少量植株頂芽干枯后又萌發(fā)出側枝，沒有植株死亡。說明柚木本身具有較強的抗旱性。

2.2 干旱脅迫對柚木無性系葉片生理指標的影響

2.2.1 干旱脅迫對柚木無性系葉片游離脯氨酸(FPRO)含量的影響

脯氨酸是水溶性最大的氨基酸，具有很強的水合能力，是分布最廣的滲透劑，通過滲透調節(jié)作用來維持細胞一定的含水量和膨壓勢，脯氨酸的積累對植物抗旱具有重要意義[11]。干旱脅迫能刺激植物合成脯氨酸。隨著干旱脅迫的加劇，抗旱性強的品種積累的脯氨酸比抗旱性弱的品種多，從而具有更強的滲透調節(jié)能力，表現(xiàn)出更強的抗旱性。對柚木各無性系的游離脯氨酸含量數(shù)據(jù)進行方差分析，結果顯示，處理前、中度干旱處理后和重度干旱處理后柚木無性系脯氨酸含量差異都達到顯著或極顯著水平（P＜0.0001、P=0.012和P=0.0069）。處理前后各柚木無性系脯氨酸值鄧肯多重比較見表2。由表2可知，中度干旱脅迫和重度干旱脅迫后，除了少數(shù)柚木無性系外，大部分柚木無性系的脯氨酸含量比處理前都有所增加，且重度干旱脅迫后脯氨酸含量大于中度干旱脅迫后脯氨酸含量。說明隨著干旱脅迫的加劇，干旱對柚木無性系生理的影響也越來越大，大部分柚木無性系通過脯氨酸的合成和積累，增強滲透調節(jié)能力，來減少干旱脅迫帶來的傷害。從處理后與處理前脯氨酸含量分數(shù)的比值來看，不同柚木無性系脯氨酸的積累量不同，初步認為柚木無性系7531、7514、7137、7219和7509抗旱能力強，其次為柚木無性系7544和7114。

表2 干旱處理后柚木無性系游離脯氨酸的鄧肯多重比較?Table 2 Duncan multiple comparison of free proline among teak clones after drought treatment

2.2.2 干旱脅迫對柚木無性系葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)在清除超氧自由基、過氧化氫和過氧化物及減少羥基自由基形成方面起重要作用，是細胞抵御活性氧傷害的膜保護系統(tǒng)[12]。有研究證明，在干旱脅迫下，植物SOD活性會升高，減少因脅迫產(chǎn)生的自由基對細胞膜系統(tǒng)的傷害，因此，SOD活性的高低能夠很好地反映出植物抗旱能力的大小。對柚木無性系SOD活性數(shù)據(jù)進行方差分析，結果顯示，處理前、中度干旱和重度干旱脅迫后，各柚木無性系SOD活性都呈極顯著差異（P＜0.0001、P=0.0002和P=0.0004）。從表3可知，中度干旱脅迫后，7509和7514柚木無性系SOD活性值比處理前有所增加；重度干旱脅迫后，大部分柚木無性系的SOD活性都大于處理前的SOD活性，且重度干旱脅迫后SOD活性大于中度干旱。說明在重度干旱脅迫下，柚木無性系的SOD活性發(fā)生了急劇的變化。從處理后SOD活性與處理前的比值來看，初步認為柚木無性系7509、7514、7531和7544具有很強的抗旱性，其次是柚木無性系Z408、7559、7013 和 7029。

表3 干旱處理后柚木無性系SOD活性的鄧肯多重比較Table 3 Duncan multiple comparison of superoxide dismutase activity among teak clones after drought treatment

2.2.3 干旱脅迫對柚木無性系葉片相對電導率(EC)的影響

方差分析結果表明，處理前和中度干旱處理后不同柚木無性系相對電導率差異達到顯著水平（P=0.0367和P=0.0226）；重度干旱處理后，不同柚木無性系相對電導率差異則不顯著（P=0.0923）。植物遇到較強的脅迫時，會破壞細胞膜的穩(wěn)定性，導致細胞膜內電解質外滲，從而相對電導率升高。本研究從處理前與處理后相對電導率的變化（見表4）來看，中度和重度干旱脅迫后大部分柚木無性系相對電導率比處理前有所降低，中度干旱處理后只有1個無性系（71-5）的相對電導率比處理前有所提高，重度干旱處理后有少量（6個）無性系相對電導率比處理前略有提高，大部分柚木無性系相對電導率無增加或少量增加。一般來說，干旱脅迫后無性系相對電導率變化越小，說明其對干旱脅迫不敏感，換言之，具有很強的耐旱性。基于此，柚木無性系7544、7514、108、7549和7137具有很強的耐旱性。

表4 柚木無性系干旱脅迫后電導率的鄧肯多重比較Table 4 Duncan multiple comparison of relative conductivity among teak clones after drought treatment

2.3 柚木無性系抗旱性的綜合評定

采用歐幾米德多向量理論綜合評定法對柚木無性系中度干旱脅迫和重度干旱脅迫各生理指標進行分析，根據(jù)離差平方和的大小排出評價序號，離差平方和的值越小說明抗旱能力越強；反之，說明抗旱性差。本研究將中度干旱脅迫和重度干旱脅迫的離差平方和取平均值進行柚木無性系抗旱性綜合排序（見表5），可見，抗旱性強的柚木無性系有 7219、7509、7559、7122、Z408 和 7029。

3 結論與討論

水分脅迫是植物生命過程中常遇到的逆境之一，會誘導植物體內發(fā)生各種生理生化反應，使植物細胞生理脫水，導致植株生長受到抑制甚至停止[13]。我國云南干熱河谷和貴州南部熱區(qū)，氣候炎熱干燥，降雨稀少且分布不均（70%～80%的雨水集中在6—8月份），土壤干旱瘠薄。水分因素是該類山區(qū)造林成敗最主要的限制因子之一。柚木喜熱量充足，本身具有較強的抗旱性，適合在干濕季明顯的熱區(qū)發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn)，分別在干旱和濕潤地區(qū)種植的35年生柚木的心材與邊材比例沒有顯著差異，通常認為濕潤地區(qū)生長快的柚木邊材比例高是沒有根據(jù)的[14]。前期多年實踐證明，柚木在我國干熱河谷地區(qū)造林成活率和生長效果良好，發(fā)展前景十分廣闊。因此，本研究評價柚木無性系的抗旱性，選擇抗旱性強的柚木優(yōu)良新品系，提高在干旱地區(qū)發(fā)展柚木商品林的產(chǎn)量和質量，具有十分重要的實踐意義。

苗期是植物對環(huán)境敏感的關鍵時期，生理指標的變化可以反映苗期的抗性能力[15]。在柚木苗期抗寒生理評價方面，作者已報道了不同柚木無性系對冷害脅迫的生理響應[16]，綜合評價了各無性系的耐寒性差異，并結合大田冷害調查結果[17]，選擇出了一批耐寒性強的柚木優(yōu)良無性系。Zhouet al.通過研究柚木苗期生理指標變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)接菌等外源物質誘導可以提高柚木無性系的耐寒性[18]。另外，目前已在柚木苗期開展了抗旱生理選育和抗旱生理機理研究[5-6]。上述研究提高了柚木早期選擇的效果。

值得注意的是，生理指標的選擇非常關鍵，單用一個指標很難說明植物復雜的抗性數(shù)量性狀；只有采用多個指標進行綜合評價，才能客觀地反映植物的抗旱生理過程。作者在前期柚木冷脅迫生理試驗過程中，對8個生理指標進行了全面評估，最終認為選擇分析游離脯氨酸(FPRO)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和相對電導率（EC）3個指標，可以很好的達到預期的選擇效果，所得的結果和大田冷害調查結果相吻合[16-17]。本研究證明，該評價體系同樣適用于柚木無性系抗旱性的生理評價。干旱脅迫后柚木無性系游離脯氨酸、超氧化物岐化酶表現(xiàn)出升高的變化趨勢，且隨著脅迫的加劇，增量更明顯。由此說明，柚木在干旱脅迫下是通過增加滲透調解物質含量、降低水勢、加強保水力來提高其抗旱能力；同時可通過增強抗氧化酶(SOD)活性提高抗氧化能力，以減輕干旱脅迫傷害。這與武勇等[7]對柚木抗旱機理研究的結果一致。

表5 歐幾米德多向量理論綜合評定柚木無性系抗旱性Table 5 Integrated evaluation of drought resistance among teak clones

本研究中度和重度干旱脅迫后柚木無性系相對電導率比處理前相對電導率無增加或個別無性系少量增加，與柚木冷脅迫和其他林木干旱脅迫后相對電導率上升的結果不同[16,19]。這可能有兩個方面的原因：一是與柚木葉片大，夏季蒸騰作用快，而干旱處理過程中，供水嚴重不足導致了葉片失水萎蔫甚至發(fā)黃等特殊現(xiàn)象有關。二是柚木本身具有較強的抗旱性，本試驗干旱脅迫可能還沒有造成大量柚木無性系細胞膜透性增加、電解質外滲的情況。

本試驗經(jīng)過重度干旱處理結束后，對所有參試柚木無性系植株恢復正常供水，能夠恢復生長，沒有植株死亡，再次說明柚木本身具有較強的耐干旱能力。本研究比較分析了干旱處理前后不同柚木無性系3個生理指標的變化過程，發(fā)現(xiàn)從各單個生理指標分析來看，同一柚木無性系在不同生理指標中的抗旱排序會有所不同，即同一種植物材料在不同生理指標中可能表現(xiàn)不同[19-21]，但這并不影響所有材料處理后生理指標變化的趨勢規(guī)律和生理評價效果，也再次說明多個指標和多種方法綜合評價的必要性。本研究綜合考慮干旱處理脅迫后的表現(xiàn)觀察結果和生理指標的評價結果，初步篩選出抗旱性強的柚木無性系有7544、Z408、7137、7114、7509、7531和7219，其次為7514、7559、7122和7029。結合大田測定速生選擇結果[22]，則柚木無性系Z408、7509、7029和7514可在我國云南干熱河谷和貴州南部熱區(qū)等地推廣種植。

參考文獻：

[1] White K J. Teak: some aspects of research and development [M].Yangon: San ThainKha Press, 1991: 70.

[2] Alcantara B K, Veasey E A. Genetic diversity of teak (Tectona grandisL.F.) from different provenances using microsatellite markers [J].Revista Arvore, 2013, 37(4): 747-758.

[3] 周鐵烽. 中國熱帶主要經(jīng)濟樹木栽培技術[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2001: 288-291.

[4] Montero R S, Moya R, Berrocal A,et al.General physical and mechanical properties, termites resistance and drying defects of lumber ofTectona grandisfrom plantations of different climatic and sites fertility condition [J]. J. Indian Acad Wood Sci., 2015,12(1):63–73.

[5] Husen A. Growth Characteristics, Physiological and Metabolic Responses of Teak (Tectona grandisLinn. f.) Clones Differing in Rejuvenation Capacity Subjected to Drought Stress [J]. Silvae Genetica, 2010, 59(2): 124-136.

[6] Rajendrudu G, Naidu C V, Mallikarjuna K. Effect of Water Stress on Photosynthesis and Growth in Two Teak Phenotypes [J].Photosynthetica, 2000, 36(4): 627-630.

[7] 武 勇,陳存及,劉 寶, 等. 干旱脅迫下柚木葉片生理指標的變化[J].福建林學院學報,2006,26(2):103-106.

[8] 郝再彬,蒼 晶,徐 仲. 植物生理實驗[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2004: 104-106.

[9] Giannopolitis C N, Ries S K. Superoxide dismutase II. Purication and quantitative relationship with water-soluble protein in seedlings[J]. Plant Physiology, 1997, 59, 315-318.

[10] 陳建勛,王曉峰. 植物生理學實驗指導[M]. 廣州:華南理工大學出版社,2010:64-65.

[11] 王相娥,薛 立,謝騰芳, 等. 低溫處理對6種園林綠化樹種幼苗生理生化的影響[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版),2009,33(3): 139-142.

[12] Huner N P, Oquist G, Sarhan F. Energy balance and acclimation to light and cold [J]. Trends in Plant Science, 1998, 3(6):224-230.

[13] 吳志華, 曾富華, 馬生健, 等.水分脅迫下植物活性氧代謝研究進展(綜述Ⅰ) [J]. 亞熱帶植物科學, 2004, 33(2): 77-80.

[14] Thulasidas P K, Bhat K M. Log characteristics and sawn timber recovery of home-garden teak from wet and dry localities of Kerala, India [J]. Small-scale For, 2009, 8: 15-24.

[15] 孫一榮,朱教君,康宏樟. 水分處理對沙地樟子松幼苗膜脂過氧化作用及保護酶活性影響[J]. 生態(tài)學雜志,2008, 27(5):729-734.

[16] 黃桂華,梁坤南,周再知,等. 柚木無性系苗期抗寒生理評價與選擇的研究[J].東北林業(yè)大學學報,2015,43(9): 12-17.

[17] 黃桂華,梁坤南,韋 海,等.柚木冷害調查及耐寒無性系選擇[J]. 廣東林業(yè)科技,2015,31(3):16-19.

[18] Zhou Zaizhi, Ma Huaming, Liang Kunnan,et al. Improved tolerance of teak (Tectona grandisL.f.) seedlings to lowtemperature stress by the combined effect of arbuscular mycorrhiza and paclobutrazol[J].Journal of Plant Growth Regulation, 2012, 31(3): 427-435.

[19] 唐洪輝,魏 丹,趙 慶,等. 干旱脅迫對宮粉羊蹄甲生理指標的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2017, 37(4): 7-13.

[20] 劉佳佳,王威力,王遠東.隴東山地核桃抗旱保墑試驗初報[J].河北林果研究,2016,31(4):367-369.

[21] 龐海穎,牛東偉,李彥慧,等.施用保水劑對仁用杏抗旱生理特性的影響[J].河北農(nóng)業(yè)大學學報,2017,40(4):43-49.

[22] 黃桂華.柚木種質資源遺傳變異和優(yōu)良無性系早期選擇的研究[D]. 北京: 中國林業(yè)科學研究院, 2015: 79-91.