外源亞精胺防御紅椿干旱脅迫生理損傷的最佳濃度篩選

劉 球，吳際友，楊碩知，陳明皋，程 勇，李志輝，楊 柳

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院 珍貴樹種研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

多胺（Polyamines，簡(jiǎn)稱PAs）是一種低分子量的脂肪族含氮堿，廣泛存在于包括植物體在內(nèi)的所有有機(jī)體中，對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育過程起著重要的調(diào)節(jié)作用[1-2]。高等植物中，最常見的3 種多胺是腐胺（Putrescine，Put）、亞精胺（Spermidine，Spd）和精胺（Spermine，Spm）。

近年來，越來越多的學(xué)者對(duì)多胺的研究頗有興趣，關(guān)于多胺的抗逆調(diào)控方面的研究已見諸多報(bào)道，其中對(duì)亞精胺的研究不勝枚舉。亞精胺作為高等植物體中一種非常重要的多胺，有研究證明其與植株抗逆的關(guān)系相較其他多胺更為密切[3]。亞精胺對(duì)植株的抗鹽堿、抗高低溫脅迫、抗重金屬脅迫、抗水分脅迫等方面都具有極強(qiáng)的參與性。郭雙等[4]研究發(fā)現(xiàn)，噴施0.1 mmol/L 或0.3 mmol/L 的外源亞精胺（Spd）溶液可提高顛茄的抗鹽能力。張毅等[5]和杜紅陽等[6]分別研究了外源Spd 對(duì)鹽脅迫下番茄幼苗和大豆幼苗光合性能的影響，結(jié)果均顯示亞精胺通過提高幼苗光合特性從而提高了植株的抗鹽能力。梅燚等[7]和張永平等[8]分別就外源Spd 對(duì)蘿卜和甜瓜幼苗在高溫和低溫條件下的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)外源Spd 可提高蘿卜幼苗的抗高溫能力和甜瓜幼苗的抗低溫能力。申璐[9]系統(tǒng)研究了外源Spd 對(duì)鉛脅迫條件下茶樹生長(zhǎng)的影響，從生長(zhǎng)量、生理特性、光合特性等方面著手全面研究，得出噴施1 mmol/L 的外源Spd溶液可促進(jìn)茶樹在鉛脅迫逆境中正常生長(zhǎng)。袁菊紅等[10]發(fā)現(xiàn)1 mmol/L 的外源Spd 溶液提高了美洲商陸對(duì)重金屬污染城市污泥的修復(fù)作用。近年來，水分脅迫對(duì)植株的影響成為了科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)[11-12]，而外源Spd 對(duì)植株水分脅迫（包括水淹脅迫和干旱脅迫）的調(diào)節(jié)作用，可見諸多科研報(bào)道[13-17]。

紅椿Toona cilliate，為楝科香椿屬半常綠喬木，是國(guó)家II 級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物，是我國(guó)熱帶亞熱帶地區(qū)所特有的珍貴速生用材樹種，也是湖南省優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的鄉(xiāng)土珍貴樹種之一[18-20]。湖南省對(duì)鄉(xiāng)土珍貴樹種紅椿的研究已有多年歷史，主要以湖南省林業(yè)科學(xué)院珍貴樹種研究團(tuán)隊(duì)的研究成果為主要體現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)在紅椿水分脅迫研究方面完成了系統(tǒng)而全面的工作[21-23]，并進(jìn)一步系統(tǒng)地進(jìn)行了多胺調(diào)節(jié)紅椿干旱傷害的研究，得出了不少有價(jià)值的結(jié)論[24]，其中便有專門針對(duì)外源Spd 對(duì)干旱脅迫下紅椿幼苗生理修復(fù)調(diào)節(jié)研究的相關(guān)報(bào)道[25]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)外源Spd 防御對(duì)紅椿干旱脅迫生理損傷的最佳濃度進(jìn)行了篩選試驗(yàn)，在原有理論研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步獲得了更為實(shí)用的試驗(yàn)結(jié)論，為紅椿苗木培育工作提出了更為有效的實(shí)踐措施，意義廣大而深遠(yuǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在湖南省林業(yè)科學(xué)院苗圃，海拔為110 m，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°59′、北緯28°05′，年平均氣溫16.8 ℃，年降水量1 400 ～1 900 mm，平均日照時(shí)數(shù)1 496 ～1 850 h，無霜期達(dá)264 d，屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨量豐沛，光照充足；土壤為紅壤，土層厚達(dá)60 cm以上，肥力中等，pH 值為6.2[19]。

1.2 材料與方法

本試驗(yàn)材料為2年生紅椿家系盆栽苗。2014年3月，課題組開展田間育苗。2016年3月，選擇苗高1.0 m、胸徑1.8 cm 的長(zhǎng)勢(shì)均勻、無病蟲害的健康紅椿幼苗裝盆，盆缽口徑25 cm，深20 cm，每盆裝土5 kg，比例為黃心土∶泥炭土= 2 ∶1，統(tǒng)一配盆墊，進(jìn)行正常澆水管護(hù)。2016年6月—7月，在入盆植株中施入外源亞精胺，進(jìn)行對(duì)紅椿防御干旱脅迫生理損傷的最佳濃度篩選試驗(yàn)[19]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為外源Spd 多濃度預(yù)處理+干旱脅迫處理試驗(yàn)，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，植株噴施多胺預(yù)處理有4 種（0.1 、0.5 、1.0 和2.0 mmol/L），干旱脅迫梯度有3 種（輕度干旱、中度干旱和重度干旱），先對(duì)參試植株分別噴施外源Spd 多濃度溶液，然后再對(duì)其進(jìn)行持續(xù)干旱脅迫并采樣分析，同時(shí)設(shè)置對(duì)照（無干旱脅迫、不噴施多胺）。每種外源Spd 溶液濃度處理植株對(duì)應(yīng)3 種持續(xù)干旱脅迫程度，每個(gè)處理5 株，重復(fù)3 次，共75 株。

多濃度外源Spd 溶液預(yù)處理：分別對(duì)參試植株噴施濃度為0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L 的外源Spd 水溶液，貼近植株葉片正反面進(jìn)行霧狀噴施，噴施量以葉片正反面水珠凝結(jié)滴落為限，連續(xù)噴施3 d。

干旱脅迫處理：0.1、0.5 、1.0 和2.0 mmol/L外源Spd 預(yù)處理后對(duì)植株進(jìn)行持續(xù)輕度（持續(xù)干旱7 d）、中度（持續(xù)干旱14 d）和重度干旱脅迫（持續(xù)干旱21 d），并在脅迫結(jié)束日進(jìn)行采樣分析。試驗(yàn)時(shí)間為2016年6月。

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

1.4.1 采 樣

分別在干旱前、干旱后和多胺修復(fù)處理后第2天9:00 前對(duì)葉片進(jìn)行采樣，統(tǒng)一選擇第3 輪或第4 輪成熟葉片。

1.4.2 生理指標(biāo)的測(cè)定

本試驗(yàn)測(cè)定的指標(biāo)包括相對(duì)含水量、葉綠素含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、游離脯氨酸含量和MDA 含量，指標(biāo)測(cè)定均采用陳建勛的方法[26]。

1.4.3 干旱損傷修復(fù)能力綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)法[27]對(duì)4 種外源Spd 的干旱生理損傷修復(fù)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。具體方法是：先求出各綜合指標(biāo)隸屬值，然后累加求其平均值，即綜合評(píng)價(jià)值。指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值越大，表示該種濃度的干旱修復(fù)能力越強(qiáng)。

若某指標(biāo)與多胺干旱修復(fù)或干旱防御能力呈正向關(guān)系，則指標(biāo)隸屬值計(jì)算公式如下：

若某指標(biāo)與多胺干旱修復(fù)或干旱防御能力呈反向關(guān)系，則指標(biāo)隸屬值計(jì)算公式如下：

式中：X表示某指標(biāo)的測(cè)定值；Xmin和Xmax分別表示某指標(biāo)的最小測(cè)定值和最大測(cè)定值。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進(jìn)行處理，用SPSS 17.0 進(jìn)行方差分析和多重比較，采用模糊隸屬函數(shù)法進(jìn)行外源亞精胺最佳濃度篩選。

2 結(jié)果與分析

2.1 生理指標(biāo)分析

2.1.1 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片相對(duì)含水量的防御調(diào)節(jié)

對(duì)照、外源Spd 預(yù)處理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱脅迫處理之間，紅椿葉片相對(duì)含水量均在α=0.01 水平差異顯著。由圖1可知，隨著干旱脅迫程度的加重，植株葉片相對(duì)含水量均降低，但是不同濃度外源Spd 預(yù)處理對(duì)植株葉片相對(duì)含水量的保水效果是不同的，1.0 mmol/L和2.0 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理后，植株葉片相對(duì)含水量隨著干旱脅迫程度加劇的下降幅度比其他2個(gè)濃度明顯要低。

圖1 不同濃度Spd 處理對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片相對(duì)含水量的防御作用Fig.1 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf relative water content of T.ciliata under drought stress

2.1.2 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片葉綠素含量的防御調(diào)節(jié)

對(duì)照、外源Spd 預(yù)處理（0.1 、0.5 、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱脅迫處理之間，紅椿葉片葉綠素含量均在α=0.01 水平差異顯著。由圖2可知，隨著干旱脅迫程度的加重，植株葉片葉綠素含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但是不同濃度外源Spd 預(yù)處理對(duì)植株葉片葉綠素含量的保持效果是不同的。由圖2可看出，1.0 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理后，植株葉片葉綠素含量隨著干旱脅迫程度加劇的下降幅度最低，其次是2.0 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理，其余2 個(gè)處理效果相對(duì)較差。

圖2 不同濃度Spd 處理對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片葉綠素含量的防御作用Fig.2 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf chlorophyll content of T.ciliata under drought stress

2.1.3 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片抗氧化酶活性的防御調(diào)節(jié)

2.1.3.1 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片

超氧化物歧化酶（SOD）活性的防御調(diào)節(jié)

對(duì)照、外源Spd 預(yù)處理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱脅迫處理之間，紅椿葉片SOD 活性均在α=0.01 水平差異顯著。由圖3可知，隨著干旱脅迫程度的加重，0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理下植株葉片SOD 活性均呈現(xiàn)升高—下降—升高的趨勢(shì)，而1.0 mmol/L和2.0 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理下植株葉片SOD 活性均呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)，但是不同濃度外源Spd預(yù)處理使植株葉片SOD 活性的提高幅度是不同的。

圖3 不同濃度Spd 處理對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片SOD 活性的防御作用Fig.3 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf SOD activity of T.ciliata under drought stress

2.1.3.2 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片過氧化物酶（POD）活性的防御調(diào)節(jié)

對(duì)照、外源Spd 預(yù)處理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱脅迫處理之間，紅椿葉片POD 活性均在α=0.01 水平差異顯著。由圖4可知，隨著干旱脅迫程度的加重，0.1mmol/L 外源Spd 預(yù)處理下植株葉片POD 活性呈現(xiàn)升高—升高—降低的趨勢(shì)，而0.5、1.0 和2.0 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理下植株葉片POD 活性均呈現(xiàn)升高—降低—降低的趨勢(shì)，但是不同濃度外源Spd 預(yù)處理使植株葉片POD 活性的提高幅度是不同的。

2.1.4 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的防御調(diào)節(jié)

2.1.4.1 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片游離脯氨酸含量的防御調(diào)節(jié)

圖4 不同濃度Spd 處理對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片POD 活性的防御作用Fig.4 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf POD activity of T.ciliata under drought stress

對(duì)照、外源Spd 預(yù)處理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱脅迫處理之間，紅椿葉片游離脯氨酸含量均在α=0.01 水平差異顯著。由圖5可知，隨著干旱脅迫程度的加重，不同濃度外源Spd 預(yù)處理下，植株游離脯氨酸含量表現(xiàn)不同，從整體而言，都是上升的趨勢(shì)，但是0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理下，植株游離脯氨酸含量上升幅度較大，尤其是到了重度干旱脅迫下上升極其顯著；而在1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理下，植株游離脯氨酸含量隨著干旱脅迫程度加重而升高的幅度相對(duì)緩慢很多。

圖5 不同濃度Spd 處理對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片游離脯氨酸含量的防御作用Fig.5 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf free proline content of T.ciliata under drought stress

2.4.1.2 不同濃度外源Spd 對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片MDA 含量的防御調(diào)節(jié)

對(duì)照、外源Spd 預(yù)處理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱脅迫處理之間，紅椿葉片MDA 含量均在α=0.01 水平差異顯著。由圖6可知，隨著干旱脅迫程度的加重，不同濃度外源Spd 預(yù)處理下，植株MDA 含量表現(xiàn)不同，從整體而言，都是上升的趨勢(shì)，但是0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L 外源Spd 預(yù)處理下，MDA 含量上升幅度較大，尤其是到了重度干旱脅迫下上升極其顯著；而在1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd預(yù)處理下，MDA 含量隨著干旱脅迫程度加重而升高的幅度相對(duì)較緩，此結(jié)論跟游離脯氨酸含量規(guī)律相似。

圖6 不同濃度Spd 處理對(duì)紅椿干旱脅迫下葉片MDA 含量的防御作用Fig.6 Defense effect of different concentration treatments of Spd on leaf MDA content of T.ciliata under drought stress

2.2 用模糊隸屬函數(shù)法篩選外源Spd 防御紅椿干旱生理損傷的最佳濃度

運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)法，對(duì)4 種外源Spd 濃度的抗旱防御效果進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和排序。

如表1所示，4 種外源Spd 濃度中，以2.0 mmol/L 外源Spd 溶液的綜合評(píng)價(jià)值最大，隨后依次是0.5、1.0 和0.1 mmol/L，說明2.0 mmol/L外源Spd 溶液防御紅椿干旱生理損傷的能力最強(qiáng)，為4 種參試濃度中的最優(yōu)濃度。然而，表中的綜合評(píng)價(jià)值是依據(jù)6 個(gè)生理指標(biāo)所求平均值，所得結(jié)論是綜合性結(jié)論；如果側(cè)重于植株規(guī)律性比較明顯的相對(duì)含水量、葉綠素含量以及滲透調(diào)節(jié)方面，則1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L效果均為較佳濃度。

表1 4種濃度外源Spd防御紅椿干旱生理損傷能力的綜合評(píng)價(jià)Table1 Comprehensive evaluation of drought damage defense ability of 4 concentrations of exogenous Spd on T.ciliata

3 討 論

研究結(jié)果顯示，葉面噴施1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd 溶液，對(duì)保護(hù)紅椿葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量在干旱脅迫下不受損傷的防御效果比較顯著，明顯高于0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L溶液的效果。李麗杰等[28]在玉米幼苗的試驗(yàn)中得出了相似結(jié)論，發(fā)現(xiàn)外源Spd 溶液可顯著提高玉米葉片在干旱脅迫下的相對(duì)含水量和葉綠素含量。王強(qiáng)等[16]對(duì)白刺花幼苗的研究也得到類似結(jié)論。

本試驗(yàn)中葉面噴施外源Spd 溶液對(duì)保護(hù)紅椿葉片SOD 活性和POD 活性在干旱脅迫下不受損傷的防御效果并未收獲明顯的規(guī)律性結(jié)果，但是仍可看出波動(dòng)性影響。而吳旭紅等[14]對(duì)燕麥幼苗的研究以及高志明[13]對(duì)葡萄的研究發(fā)現(xiàn)，外源Spd 溶液對(duì)干旱脅迫下植株的SOD 活性和POD 活性均起到了明顯的提高作用，從而提高了植株的耐旱性。

葉面噴施1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd溶液，對(duì)保護(hù)紅椿葉片滲透調(diào)節(jié)功能在干旱脅迫下不受損傷的防御效果非常顯著，且規(guī)律性非常明顯。逯明輝等[29]發(fā)現(xiàn)了外源Spd 對(duì)辣椒幼苗干旱脅迫的緩解效應(yīng)非常明顯，由MDA 含量等生理指標(biāo)得以體現(xiàn)。吳旭紅等[14]的研究也得出了相似結(jié)論。

4 結(jié) 論

本研究布置了外源Spd 多濃度預(yù)處理+干旱脅迫處理試驗(yàn)，對(duì)6 個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行采樣分析，并結(jié)合模糊隸屬函數(shù)法對(duì)6 個(gè)指標(biāo)性狀進(jìn)行綜合分析，以篩選出防御紅椿干旱生理損傷的最佳外源Spd 濃度。不同的外源Spd 預(yù)處理對(duì)各個(gè)生理指標(biāo)均產(chǎn)生了影響，對(duì)相對(duì)含水量、葉綠素含量、游離脯氨酸含量以及MDA 含量4 個(gè)指標(biāo)的影響具有非常明顯的規(guī)律性，且得出1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd 溶液對(duì)這4 個(gè)指標(biāo)均具有明顯的干旱防御作用。結(jié)合6 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)分可知，2.0 mmol/L 的外源Spd 溶液防御紅椿干旱生理損傷的能力最強(qiáng)，為4 種參試濃度中的最優(yōu)濃度。由此可知，在紅椿干旱防御措施方面，葉片噴施2.0 mmol/L 外源Spd 溶液是可行措施，試驗(yàn)得出其防御效果顯著。在生產(chǎn)過程中，可先在田間驗(yàn)證其試驗(yàn)效果，然后結(jié)合生產(chǎn)成本核算，再酌情考慮在苗圃實(shí)踐過程中的應(yīng)用。