大青楊對(duì)不同干旱脅迫強(qiáng)度的形態(tài)和生理響應(yīng)

金膠膠 宋子文 馬曉雨 孫國(guó)語(yǔ) 李開(kāi)隆

(東北林業(yè)大學(xué)林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150040)

水分是林木成活和生長(zhǎng)的關(guān)鍵性因子，高等植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和分布很大程度上受水分的影響[1]，然而在非生物脅迫中，干旱是最常見(jiàn)的氣候?yàn)?zāi)害[2]。隨著全球變暖，氣溫升高，水資源的缺乏導(dǎo)致干旱危害日益加重[3]，嚴(yán)重抑制了林木的成活和成材。了解林木對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性和耐受性，對(duì)林木的種植和利用具有重要意義。

在干旱的環(huán)境下為減輕缺水造成的危害，林木體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列生理生化變化。了解林木在干旱情況下生理生化應(yīng)答特征是評(píng)價(jià)林木對(duì)干旱脅迫抗性的重要指標(biāo)[4]。近年來(lái)，對(duì)楊樹(shù)在干旱條件下的形態(tài)、光合特征、生理生化應(yīng)答機(jī)制的研究日益深入。光合作用是綠色植物物質(zhì)生產(chǎn)和積累最重要的生命活動(dòng)，是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。干旱脅迫會(huì)使光合速率下降，對(duì)生長(zhǎng)有明顯的抑制作用[5～6]。細(xì)胞膜為植物細(xì)胞維持正常的生理代謝活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。干旱脅迫會(huì)對(duì)植物細(xì)胞膜造成損傷，質(zhì)膜相對(duì)透性增強(qiáng)[7]，大量?jī)?nèi)溶物外滲，內(nèi)環(huán)境遭到破壞導(dǎo)致細(xì)胞生理功能喪失。干旱脅迫也會(huì)使蛋白質(zhì)和核酸變性失活，從而破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能。可溶性蛋白等有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累可以維持細(xì)胞膨壓，增強(qiáng)細(xì)胞和組織的保水能力以增強(qiáng)植物抗旱性[8]。因此研究細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗旱性的關(guān)系尤為重要。大青楊(PopulusussuriensisKom.)是東北林區(qū)主要的更新樹(shù)種，干形通直，木材潔白，是造船、建筑、造紙的好材料[9]。然而，大青楊在干旱脅迫下生物量的積累和分配，光合特征，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化卻鮮有報(bào)道。幼苗期是決定樹(shù)木成活和森林更新的重要時(shí)期，對(duì)于林木幼苗期干旱脅迫耐受性的研究具有重要意義[10]。本試驗(yàn)使用聚乙二醇(PEG-6000)處理大青楊扦插苗，對(duì)其在逆境下的生長(zhǎng)狀態(tài)、葉片的凈光合速率、相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率、可溶性蛋白和可溶性糖的含量，葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行測(cè)定分析，以探究大青楊對(duì)干旱脅迫的生長(zhǎng)及生理響應(yīng)，為大青楊的選育和推廣種植奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

2018年4月18日，在東北林業(yè)大學(xué)塑料大棚進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)杯(直徑21 cm×深度21 cm)扦插育苗。培養(yǎng)條件如下：相對(duì)濕度50%～65%；溫度(日/夜)：26～30℃/22～25℃；光周期：自然光照條件，104 d后(8月1日)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致，生長(zhǎng)健康的幼苗進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)共四個(gè)處理，分別用5%(50 g·L-1，輕度干旱脅迫)、15%(150 g·L-1，中度干旱脅迫)、25%(250 g·L-1，重度干旱脅迫)的PEG 6000溶液對(duì)幼苗進(jìn)行干旱脅迫處理，以澆水處理作為對(duì)照，分別在處理的2、4、6、8、10 d取樣。取樣時(shí)間為每天上午的8：30，每個(gè)單株選取第3～6片功能葉，設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù)，每個(gè)植株只在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣1次，以避免機(jī)械損傷，將取下的葉片放入液氮中固定后置于超低溫冰箱中待用。處理結(jié)束后進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)方法

生長(zhǎng)指標(biāo)(苗高、地徑、生物量和根冠比)的測(cè)定參照李墨野[11]的方法。

葉片相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定參照王學(xué)奎[12]的方法進(jìn)行。脯氨酸含量的測(cè)定采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司試劑盒。可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[13]，可溶性糖含量的測(cè)定采用蒽酮比色法[14]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定采用Handy PEA植物效率分析儀(Hansatech，英國(guó))進(jìn)行，分別于上午9：30，每個(gè)單株選取第6～7片功能葉。葉片暗適應(yīng)20 min后測(cè)定初始熒光(Fo)，隨后以飽和白光脈沖(6 000 μmol·m-2·s-1，0.8 s)激發(fā)測(cè)定最大熒光(Fm)，葉片的熒光變量Fv=Fm-Fo，而葉綠體PSⅡ的光化學(xué)效率=Fv/Fm。

凈光合速率日變化的測(cè)定采用Li-6400便攜式光合儀。干旱脅迫6 d后，時(shí)間為6:00～18:00，每個(gè)單株選取第6～7片功能葉在自然條件下進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)葉片重復(fù)讀數(shù)3次。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較(Duncan法)。

2 結(jié)果

2.1 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊表型和生長(zhǎng)的影響

正常水分條件下植株葉片表型一直呈正常狀態(tài)，隨著脅迫強(qiáng)度的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)，植株葉片開(kāi)始出現(xiàn)枯黃斑點(diǎn)，隨后枯黃面積逐漸變大。脅迫后期，中度、重度脅迫下植株葉片發(fā)生卷曲，直至葉片凋零(圖1)。

圖1 不同強(qiáng)度干旱脅迫下大青楊動(dòng)態(tài)觀測(cè)Fig.1 Dynamic morphologic observation on P.ussuriensis under different drought stress conditions

干旱脅迫10 d后，輕度、中度、重度脅迫處理的苗高生長(zhǎng)量分別下降了17.71%、20.29%、45.96%，苗高生長(zhǎng)受到抑制，但不同脅迫強(qiáng)度處理下無(wú)顯著差異。輕度、中度脅迫并未引起地徑生長(zhǎng)的變化，但重度脅迫導(dǎo)致地徑的顯著下降，與對(duì)照相比下降了17.29%(表1)。

干旱脅迫10 d后，重度脅迫下植株生物量的積累受到抑制。輕度、中度脅迫并未引起根冠比的變化，但重度脅迫引起根冠比顯著增大，與對(duì)照相比增大了64.13%(表2)。

表1 調(diào)查不同強(qiáng)度干旱脅迫后幼苗苗高和地徑

Table 1 Investigation on height and ground diameter of seedlings after different degrees of drought stress

指標(biāo)Traits脅迫強(qiáng)度Different degrees of drought stress(%)051525苗高Seedling height(m)1.65±0.19a1.40±0.10b1.37±0.11b1.29±0.07b地徑Ground diameter(mm)7.77±0.67a7.42±0.72ab6.86±1.18ab6.63±0.37b

注：表中不同字母代表差異顯著性，下同。

Note:Different letters in the table indicate significant difference among different drought stress conditions,the same as below.

表2 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)幼苗根冠比的影響

Table 2 The influences that different drought stress conditions made on biomass and root ratio of seedlings

脅迫強(qiáng)度Different degrees of drought stress(%)干重Dry weight(g)地下部分Aboveground地上部分Underground根冠比Root ratio07.14a23.20a0.3067b56.84a20.46a0.3433b156.69a16.92ab0.4067ab255.94a11.87b0.5033a

圖2 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊相對(duì)含水量的影響圖中不同字母代表差異顯著性，下同。Fig.2 The influences of different drought stress conditions on relative water content of P.ussuriensis Different letters in the figure indicate significant difference among different drought stress conditions,the same as below.

圖3 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊相對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.3 The influences of different drought stress conditions on relative conductivity of P.sussuriensis

2.2 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊葉片相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，不同強(qiáng)度脅迫下的大青楊葉片相對(duì)含水量均呈下降趨勢(shì)(圖2)。脅迫初期(2 d)、中期(6 d)，輕度脅迫與對(duì)照間無(wú)顯著差異，但中度和重度脅迫引起相對(duì)含水量的顯著下降。脅迫末期(10 d)，不同脅迫強(qiáng)度與對(duì)照均有顯著差異，分別比對(duì)照低23.60%、38.56%和66.78%。

不同強(qiáng)度脅迫下的大青楊葉片相對(duì)電導(dǎo)率均呈上升趨勢(shì)(圖3)。脅迫初期，輕度脅迫對(duì)相對(duì)電導(dǎo)率無(wú)顯著影響，但中度和重度脅迫引起相對(duì)電導(dǎo)率的顯著上升。脅迫中、末期，不同脅迫強(qiáng)度與對(duì)照均有顯著差異。與脅迫初期相比，脅迫末期輕度、中度、重度脅迫下植株相對(duì)電導(dǎo)率上升了83.54%、110.02%、137.92%。隨著脅迫強(qiáng)度的增加，相對(duì)電導(dǎo)率上升幅度越大。

圖4 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊葉片中脯氨酸含量的影響Fig.4 The influences of different drought stress conditions on proline content of P.ussuriensis

圖5 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊葉片中可溶性蛋白含量的影響Fig.5 The influences of different drought stress conditions on soluble protein content of P.ussuriensis

圖6 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊葉片可溶性糖含量的影響Fig.6 The influences of different drought stress conditions on soluble sugar content of P.ussuriensis

2.3 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，不同強(qiáng)度脅迫下的大青楊葉片中脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，重度脅迫先于輕度、中度脅迫達(dá)到峰值。脅迫初期，中度、重度脅迫脯氨酸含量與對(duì)照間存在顯著差異，比對(duì)照高39.33%、71.63%，但干旱脅迫對(duì)可溶性蛋白和可溶性糖并無(wú)顯著影響。脅迫中期，不同脅迫強(qiáng)度脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量均顯著高于對(duì)照，脯氨酸含量分別比對(duì)照高55.66%、103.76%、88.69%，可溶性蛋白含量比對(duì)照高10.39%、31.49%、15.26%，可溶性糖含量比對(duì)照高33.33%、59.03%、51.62%。脅迫末期，輕度脅迫脯氨酸含量與對(duì)照間存在顯著差異，比對(duì)照高21.64%。但不同強(qiáng)度脅迫下可溶性蛋白、可溶性糖含量與對(duì)照無(wú)顯著差異，且有小于對(duì)照的趨勢(shì)。在整個(gè)脅迫處理過(guò)程中，輕度脅迫下細(xì)胞內(nèi)溶物含量變化趨勢(shì)較緩。

2.4 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊光合生理的影響

隨著脅迫強(qiáng)度的增加和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，大青楊葉片的Fv/Fm呈下降的趨勢(shì)。在脅迫初、中期，重度脅迫引起Fv/Fm的顯著下降。在脅迫末期，不同強(qiáng)度脅迫與對(duì)照均存在顯著差異，分別下降了22.16%、45.20%、53.93%。與脅迫初期相比，脅迫末期輕度、中度、重度脅迫下Fv/Fm下降了19.10%、52.75%、39.47%，隨著脅迫強(qiáng)度的增加，下降程度增加。

圖7 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.7 The influences of different drought stress conditions on Fv/Fm of P.ussuriensis

大青楊葉片的凈光合速率(Pn)明顯呈現(xiàn)雙峰模式(圖8)。在正常水分條件下，Pn最大值出現(xiàn)在上午9:00，10:00時(shí)Pn明顯下降，到下午3:00時(shí)出現(xiàn)又一個(gè)高峰。幼苗進(jìn)行干旱脅迫處理時(shí)，Pn日變化模式與對(duì)照基本一致，且輕度脅迫下Pn顯著高于中度、重度脅迫。圖9顯示，大青楊葉片的氣孔導(dǎo)度(gs)日變化與Pn日變化趨勢(shì)相似，干旱脅迫處理后葉片氣孔導(dǎo)度與對(duì)照差異明顯。

圖8 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊凈光合速率日變化的影響Fig.8 The influences of different drought stress conditions on the diurnal variation net photosynthetic rate of P.ussuriensis

圖9 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)大青楊氣孔導(dǎo)度日變化的影響Fig.9 The influences of different drought stress conditions on the diurnal variation stomata conductance of P.ussuriensis

3 討論

在植物受到干旱脅迫時(shí)，根系吸水量減少[15]，細(xì)胞膜被破壞導(dǎo)致膜透性增大，脅迫強(qiáng)度的增加和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)對(duì)植株造成更大的損害[16]。本研究表明，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，大青楊葉片的相對(duì)含水量持續(xù)下降，相對(duì)電導(dǎo)率持續(xù)上升，并對(duì)葉片造成了明顯的形態(tài)學(xué)上的傷害。而且，干旱脅迫抑制了大青楊幼苗苗高、地徑的生長(zhǎng)、以及生物量的積累，且隨著脅迫強(qiáng)度的增加和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，抑制作用明顯增加。這些結(jié)果與楊敏生[17]對(duì)白楊雜種無(wú)性系水分脅迫的研究結(jié)果相似，大青楊幼苗在中度、重度脅迫下受到的損傷較輕度脅迫更大。隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，大青楊的根冠比增大，生物量的分配逐漸向根部?jī)A斜，這說(shuō)明水分缺乏的環(huán)境促進(jìn)幼苗根系的生長(zhǎng)以期汲取更多的水分[18]。

在干旱脅迫過(guò)程中，植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會(huì)增加，但不同物質(zhì)增加的幅度不同，不同強(qiáng)度脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加幅度也不同[19～20]。細(xì)胞內(nèi)溶物的積累可以使細(xì)胞保持一定的膨壓，阻止細(xì)胞失水[21]，從而增強(qiáng)植物對(duì)干旱脅迫的耐性和細(xì)胞適應(yīng)性[22]。本研究中，脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，可溶性糖和可溶性蛋白含量的增幅比脯氨酸含量小。干旱脅迫初期，大青楊葉片中的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量比對(duì)照高，相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率、Fv/Fm下降幅度小，以上結(jié)果都說(shuō)明大青楊有一定的抗干旱脅迫能力。在脅迫后期，大青楊葉片中的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量顯著下降，且中度、重度脅迫低于輕度脅迫，此時(shí)相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率、PSⅡ的光化學(xué)效率下降幅度增大，凈光合速率明顯低于對(duì)照，這說(shuō)明大青楊細(xì)胞、組織等在干旱脅迫處理中受到了不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

大青楊能在短時(shí)間內(nèi)抵御輕度干旱的環(huán)境，在中度和重度干旱脅迫環(huán)境下抵抗能力是有限的。大青楊不適合在嚴(yán)重干旱的地區(qū)種植，此外，在其幼苗期應(yīng)保持充足的水分以減少干旱脅迫帶來(lái)的損傷。