不同品系花椒幼苗抗旱性研究

陳紅林, 林 強，張 群,鄭 濤,蘇柯星，王 輝，劉淑明

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院, 陜西 楊凌 712100；2.青海省林業(yè)專用物資儲備中心，青海 西寧 810000;3.富平縣林業(yè)發(fā)展中心，陜西 富平 711700)

干旱是植物生長過程中經(jīng)常發(fā)生的氣象災(zāi)害。植物抗旱性研究一直是植物生理生態(tài)學(xué)研究的熱點。大量研究表明，植物抵御干旱的機制復(fù)雜多樣，不同種類具有不同的抗旱能力，而不同品系的抗旱能力和方式也不盡相同。在水資源短缺和季節(jié)性干旱的丘陵山地，選擇抗旱性強的植物進行人工造林，無疑是提高造林效率，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境最為經(jīng)濟、有效的方法。因此，研究干旱條件下植物生理生態(tài)特征及其調(diào)控機制，對實現(xiàn)干旱半干旱地區(qū)植物高效用水具有重要意義。

花椒(Zanthoxylumbungeanum)是蕓香科( Rutaceae) 花椒屬落葉小喬木，是中國干旱半干旱地區(qū)的木本油料及香料樹種?；ń纷匀环植加谥袊臇|北、華北、華中、西南、西北地區(qū)，分布面積達1 200 km2[1]。由于其分布范圍廣泛，長期的栽培和自然選擇的結(jié)果，品系及個體間性狀變異較大[2]。目前，有關(guān)花椒的研究主要集中于栽培[3]、育種[4]和化學(xué)成分[5-6]等方面。有關(guān)干旱對花椒幼苗不同品種生理特性[7-8]及根系形態(tài)[9]的影響已有報道，但對于不同品系及其抗旱性的研究還很少。充分利用花椒資源豐富和地理變異的遺傳優(yōu)勢，選育適于特殊生境的抗逆品系或者品種，對促進品種改良，實現(xiàn)丘陵山地造林工程的良種化具有重要意義。本研究通過盆栽實驗，分析持續(xù)干旱脅迫下不同品系花椒幼苗幾種主要生理指標(biāo)的變化，探討不同品系對干旱脅迫的適應(yīng)機理及差異性，為花椒耐旱品種篩選與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 材料及處理 試驗材料為6個品系花椒1 a生實生苗，種子來源于陜西鳳縣、陜西韓城、青海循化、河北涉縣、甘肅秦安，采種樹樹齡約10 a生。采種地的地理及氣候特征見表1。

表1 采種地地理及氣候特征

2015年10月下旬，選取生長良好且規(guī)格相對一致的幼苗移栽到容器(桶高30 cm，口徑25 cm)中，每桶栽1株。試驗用土按園土∶腐殖質(zhì)∶河沙=4∶1∶1的比例混合而成。每桶裝土12 kg，田間持水量22.28%(采用環(huán)刀法測定)，為確保生長狀況一致，幼苗進行了基部截干處理。2016年春季，當(dāng)花椒萌芽后，留取生長健壯的萌芽1個。4月下旬開始進行土壤梯度控水，共設(shè)4個水分梯度處理，土壤相對含水量分別為75%～80%(對照，適宜水分，CK)、55%～60%(輕度脅迫，MIS)、40%～45%(中度脅迫，MOS)和30%～35%(重度脅迫,SES)，每個處理重復(fù)5次。同時，每個處理中用不栽植苗木的桶測定蒸發(fā)量(E1)，E1為相鄰2次測定值之差。2016年從5月1日開始，隔日18∶00用電子天平對各處理稱質(zhì)量，并補充散失的水量(E2)，記錄桶質(zhì)量及灌水量，計算單株蒸騰耗水量(L):L=E2-E1。9月底測定結(jié)束。干旱試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗苗圃智能溫室內(nèi)進行。

1.2 測定方法

1.2.1 耗水量 隔日18∶00對各處理進行稱重，計算并補充散失的水量。

1.2.2 生長量 控水前和生長結(jié)束時，分別測定地徑和苗高。地徑采用游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)測定，高度采用鋼卷尺測定。

1.2.3 生物量

(1)地上部分。2016年10月初，剪去花椒地上部分，將莖和葉分開，并立即稱重,得鮮重；在105℃下殺青30 min,再在80℃下烘至恒重,得花椒地上各部分干重。

(2)地下部分。將根系沖洗干凈后,用吸水紙吸干根系表面的水分,稱得單株鮮重；在80℃下烘至恒重,得地下部分單株干重。

1.2.4 水分利用效率 以單株地上部分干質(zhì)量與其同期蒸騰耗水量之比來表示。

1.2.5 生理指標(biāo)測定 從2016年5月下旬開始，在5個盆栽幼苗的樹冠中部，從3個不同方向分別采樣，混合后用密封袋保存帶回實驗室，對葉片相對含水率和細(xì)胞膜透性快速測定，剩余材料保存于-70℃冰箱中，用于其他生理指標(biāo)的測定。每月采樣并測定1次，每次測定重復(fù)3次，8月下旬結(jié)束。

(1)葉片相對含水率(RWC)。采用烘干法測定，并用以下公式計算：

RWC(%)=(鮮重-干重)/(飽和重-干重)×100%

(2)保護酶活性[10]。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑光還原法測定；過氧化物酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定；

(3)丙二醛(MDA)。采用硫代巴比妥酸法測定[11]；

(4)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量[11]。游離脯氨酸含量采用茚三酮法測定；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍染色法測定；細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)儀法測定。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法進行抗旱性綜合評價[12]。每個品系各指標(biāo)綜合評判采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)計算公式進行定量轉(zhuǎn)換后，再將各指標(biāo)隸屬函數(shù)值取平均，進行比較。隸屬函數(shù)公式為:R(Xj) = (Xj-Xmin) /(Xmax-Xmin)，如果指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān)，則:R(Xj) = 1 - (Xj-Xmin) /(Xmax-Xmin)。式中，Xj為干旱脅迫下指標(biāo)測定值，Xmin和Xmax為脅迫下所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。將抗旱隸屬函數(shù)值進行累加，并求其平均值。

對試驗數(shù)據(jù)用SPSS進行方差分析，差異顯著性運用Duncan’s檢驗法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同品系花椒蒸騰耗水的影響

研究結(jié)果表明，干旱脅迫時花椒蒸騰耗水量降低(圖1)。在不同水分處理條件下，耗水量差異較大。水分適宜時花椒生長旺盛，葉面積大，蒸騰強烈，耗水量多；相反，干旱脅迫時生長受抑，其葉面積減小，蒸騰耗水量降低?？梢钥闯觯?—7月份是花椒生長旺盛的時期，不同水分條件下的耗水量均較高。不同品系的花椒在相同水分處理條件下，蒸騰耗水量表現(xiàn)出鳳縣花椒>循化花椒>涉縣花椒>秦安花椒>韓城花椒。

2.2 干旱脅迫對不同品系花椒生物量的影響

隨著干旱脅迫程度的增加，不同品系根系干重呈下降趨勢(表2)。其中，降幅最大的是鳳縣花椒，在輕度、中度和重度脅迫時，根系干重分別較對照降低了14.3%、41.3%和60.2%。降幅最小的是韓城花椒，分別較對照降低了8.1%、21.2%和47.7%。隨著脅迫程度的增加，不同品系的根系生物量分別占總生物量的比例呈增大趨勢。循化花椒、鳳縣花椒、涉縣花椒、秦安花椒、韓城花椒在中度脅迫時，根系生物量分別占總生物量的38.8%、38.6%、43.2%、45.1%和46.5%；在重度脅迫時，分別占總生物量的42.6%、40.3%、42.9%、44.6%、46.6%。干旱脅迫后，不同品系花椒地上部分生長受抑，干重降低，且隨著脅迫程度增加而降幅增大。在中度脅迫時，循化花椒、鳳縣花椒、秦安花椒、涉縣花椒、韓城花椒葉干重分別較對照降低了42.9%、42.8%、40.1%、38.5%、30.5%；在重度脅迫時，降低了61.1%、58.4%、52.7%、48.8%、45.6%。表明花椒不同品系適應(yīng)干旱的能力存在差異，涉縣花椒、韓城花椒適應(yīng)性較強，干旱脅迫對其地上部分生長的影響較小，而循化和鳳縣花椒生長顯著降低，干旱對其生長的抑制作用較為顯著。

圖1 不同處理條件下花椒日蒸騰耗水量Fig.1 Daily water consumption of Z. bungeanum under different drought stress treatments

表2 不同品系花椒生物量

研究結(jié)果表明，干旱脅迫條件下花椒的根冠比增大(表2)，且重度水分脅迫時根冠比顯著高于適宜水分(P<0.05)，表明干旱脅迫影響了花椒營養(yǎng)物質(zhì)的分配，干旱促進營養(yǎng)物質(zhì)向根的分配，減少了向冠部的運輸，導(dǎo)致根冠比增大。同時，秦安、韓城花椒具有較大的根冠比，表明其根系發(fā)達，具有耐旱性特征。

2.3 干旱脅迫對不同品系花椒水分利用的影響

干旱脅迫條件下，花椒水分利用效率(WUE)提高(表3)，重度脅迫時WUE最大，循化、鳳縣、涉縣、秦安、韓城品系分別較對照提高了24.8%、32.7%、44.8%、26.2%和36.4%(P<0.05)，表明花椒通過降低對水分的消耗而適應(yīng)干旱條件。同時，韓城、秦安、涉縣品系在不同水分條件下，其水分利用率均較高，顯著高于循化和鳳縣品系(P<0.05)；鳳縣花椒對干旱條件較為敏感，隨脅迫程度的增加，生長量顯著減小，水分利用率降低。

表3 不同品系花椒水分利用效率/(g·g-1)

2.4 干旱脅迫對不同品系花椒地上部分生長的影響

干旱脅迫條件下，不同品系的苗高生長和地徑生長均表現(xiàn)出適宜水分>輕度脅迫>中度脅迫>重度脅迫，同時，各品系的生長狀況存在差異，重度水分脅迫時，循化、鳳縣、秦安、涉縣、韓城品系的苗高生長量分別較對照減小了61.6%、67.5%、56.2%、55.8%、47.2%(P<0.05)，地徑生長量分別較對照減小了38.7%、44.2%、34.5%、32.4%、32.7%(P<0.05)(表4)。

2.5 干旱脅迫對不同品系花椒生理特性的影響

花椒葉片相對含水率與土壤含水量有關(guān)，隨干旱程度的增加，葉片相對含水率顯著減小(表5)。相同水分條件下，韓城花椒的相對含水率較高，重度脅迫時，其相對含水率較循化、鳳縣、涉縣、秦安花椒分別高16.2%、29.7%、11.3%、4.1%。表明持續(xù)干旱條件下，韓城花椒葉片的保水能力較強。

研究結(jié)果表明，隨土壤含水量降低，花椒葉片的脯氨酸含量增大(表5)。重度脅迫時，脯氨酸含量顯著高于對照(P<0.05)，且不同品系之間差異顯著(P<0.05)。MDA是脂膜過氧化的產(chǎn)物之一，其含量高低能夠反映細(xì)胞受到脅迫的嚴(yán)重程度[13]。干旱條件下，花椒MDA含量呈上升趨勢，其中鳳縣花椒MDA含量增幅最大，重度和中度脅迫時，分別較對照高248.8%和177.6%，表明隨脅迫程度的增加，對其細(xì)胞膜傷害較大，而秦安花椒和韓城花椒的MDA含量增幅較小。重度脅迫時，不同品系之間差異顯著(P<0.05)。干旱脅迫條件下，花椒可溶性蛋白含量增大，且秦安花椒和韓城花椒的可溶性蛋白含量較高，重度脅迫時，二者與循化、鳳縣、涉縣花椒差異顯著(P<0.05)?；ń芳?xì)胞膜透性隨干旱脅迫程度增加而增大，除韓城花椒和秦安花椒外，其他品系在輕度脅迫、中度和重度脅迫時差異顯著(P<0.05)。鳳縣花椒在重度脅迫時，細(xì)胞膜透性最大，分別較循化、秦安、涉縣、韓城花椒高4.5%、10.0%、18.1%、32.0%。

SOD和POD活性與植物細(xì)胞的抗氧化能力呈正相關(guān)[14-15]。表5表明，花椒SOD活性在中度脅迫時最高，隨脅迫程度的增加活性下降，涉縣、秦安、韓城花椒在中度脅迫和重度脅迫時，SOD活性差異不顯著，而鳳縣、循化花椒差異顯著(P<0.05)。其中，涉縣花椒的SOD活性較高，在中度脅迫時，分別較循化、鳳縣、秦安、韓城花椒高18.5%、17.7%、14.9%、2.1%。花椒POD活性在適宜水分時最高，隨土壤含水量的減少POD活性降低。在不同水分脅迫條件下，韓城花椒的POD活性均最大，如在重度脅迫時，分別較循化、鳳縣、秦安、涉縣花椒高36.2%、40.2%、5.7%、14.2%。

表4 不同水分條件下花椒苗高和地徑生長量

表5 不同水分條件下花椒葉片的生理指標(biāo)

2.6 大紅袍花椒抗旱性綜合評價

植物的抗旱性是生理、生化及形態(tài)特征的綜合表現(xiàn)[16-17]。從以上的分析可以看出，單一指標(biāo)并不能準(zhǔn)確地反映花椒的抗旱性。以苗高、地徑、相對含水率、脯氨酸含量、MDA含量、可溶性蛋白含量、細(xì)胞膜透性、POD活性、SOD活性、水分利用效率為 指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)法對花椒的抗旱性進行綜合評價。由表6可知，根據(jù)隸屬函數(shù)的平均值，不同品系的抗旱性排序為韓城花椒>涉縣花椒>秦安花椒>循化花椒>鳳縣花椒。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，干旱脅迫時花椒蒸騰耗水量降低，且不同品系之間差異顯著(P<0.05)。在中度水分脅迫條件下，循化、鳳縣、秦安、涉縣、韓城花椒5—9月份的蒸騰耗水量分別為1 148.97、1 001.78、923.08、792.92、951.06 g。隨著干旱脅迫程度的增加，花椒生物量減小，根冠比增大，根系干重占總生物量的比重呈增大趨勢，而葉片干重占生物量的比重呈下降趨勢。根據(jù)生長及生理指標(biāo)進行抗旱性綜合比較，不同品系的抗旱性表現(xiàn)依次為韓城花椒>涉縣花椒>秦安花椒>循化花椒>鳳縣花椒。

表6 不同品系花椒隸屬函數(shù)及抗旱性排序

花椒屬于喜光樹種，耐旱、耐瘠薄。6-7月份光照和熱量充足，是花椒的速生期。當(dāng)水分條件適宜時，其代謝旺盛，蒸騰加強，耗水量大，生長快。在干旱脅迫條件下，花椒苗高和地徑生長量降低，根冠比增大，表明干旱條件下根系生長較冠部受到的影響較小[18]，花椒將有限的光合產(chǎn)物較多地分配到地下部分，增大根系對水分吸收的范圍，這是花椒降低地上部分水分消耗和避免水分虧缺的適應(yīng)策略，尤其是涉縣、秦安、韓城花椒具有較大的根冠比，表現(xiàn)較為突出。隨干旱程度的增強，根系生長受到的影響程度逐漸增加，生物量減小。事實上，在干旱、半干旱地區(qū)，花椒雖然有分布，但樹體較小，產(chǎn)量低，主要是水分條件限制了其地上部分的生長，因此，應(yīng)選擇有利的地形和土壤，合理布局。

植物的抗旱性是受形態(tài)、解剖及生理生化特性控制的復(fù)合性狀[19]。干旱發(fā)生時，植物通過多種途徑抵御或忍耐干旱,單一的指標(biāo)難以反映出植物對干旱適應(yīng)的綜合能力[20-22]。因此，只有采用多項指標(biāo)的綜合才能比較準(zhǔn)確地評價植物的耐旱水平。本文選擇的評價指標(biāo)主要從植物對干旱的適應(yīng)性和抗旱生產(chǎn)力兩方面考慮。適應(yīng)性指標(biāo)包括根冠比、葉片相對含水率、細(xì)胞膜透性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、MDA含量、POD、SOD活性，抗旱性生產(chǎn)力指標(biāo)包括苗高、地徑、生物量、水分利用效率。這些指標(biāo)基本上包括了樹木對干旱的適應(yīng)性和抗旱生產(chǎn)力的主要方面[23]，用它們評判無性系的抗旱能力是比較客觀和科學(xué)的。韓城花椒和涉縣花椒在干旱條件下，相對含水率較高，MDA含量及細(xì)胞膜透性增幅較小，可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD和POD活性顯著增大，表明這兩個品系的花椒葉片的保水能力較強，對可溶性蛋白及脯氨酸的積累較多，增強了細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)性能，在干旱脅迫時，具有較強的消除活性氧對細(xì)胞傷害的能力，穩(wěn)定膜系統(tǒng)。同時，從根冠比可以看出，涉縣、韓城花椒具有較大的根冠比，表明其通過增大根系以增加對水分的吸收，從而抵御干旱。循化花椒和鳳縣花椒由于其分布區(qū)氣候較為濕潤，在水分條件適宜及輕度水分脅迫時，蒸騰量大，地上部分生長較快，但對干旱條件較為敏感，隨脅迫程度的增加，生長量顯著減小，水分利用率降低，抗旱性相對較弱。

在實際推廣工作中，應(yīng)根據(jù)立地條件和各地的氣候特征進行引種和栽植。如果在干旱較輕的地區(qū)，則可選擇輕度和中度水分脅迫下生長較好且品質(zhì)優(yōu)良的品系，如鳳縣花椒含油率高、麻味濃、香味濃郁，雖然在重度水分條件下生長受抑，抗旱生產(chǎn)力低，但在輕度脅迫條件下(土壤相對含水率55%～60%)生長良好，具有較高的經(jīng)濟價值。如應(yīng)用于比較干旱的地區(qū)，則應(yīng)選擇在嚴(yán)重脅迫時抗旱生產(chǎn)力高的品系，如韓城花椒和涉縣花椒，在發(fā)揮生態(tài)效益的同時，亦具有一定的經(jīng)濟價值。

本研究是針對花椒幼苗階段抗旱性進行的研究，由于植物在不同生長發(fā)育時期其抗旱性存在一些差異性。因此，可進一步對花椒不同生長發(fā)育階段的抗旱性進行長期觀測和深入研究，以期獲得更為全面、系統(tǒng)的抗旱性評價。