模擬葉片損傷條件下密胡楊幼苗的生理適應(yīng)

孫 陽 師建銀 馬 楠 葛曉康 白夢晗 韓占江*

(1 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新疆阿拉爾843300）

（2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)林業(yè)工作管理總站，新疆烏魯木齊830000）

密胡楊（Populus talassica × P． euphratica）是以胡楊為父本、密葉楊為母本雜交選育獲得的新樹種［1］，解決了胡楊雜交世界性難題［2,3,4］。密胡楊除具備胡楊耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙的優(yōu)良特性外，還具有無性繁殖能力強(qiáng)、生長速度快、材質(zhì)好等優(yōu)勢［4,5］。在鹽度為2.9%和pH值大于8.7的重鹽堿條件下，密胡楊能夠正常生長發(fā)育，具有外觀整齊、生長速度較快、耐旱性強(qiáng)、景觀效果好等特點(diǎn)［1］，是干旱、鹽堿條件下沙荒地區(qū)控制風(fēng)沙的良好樹種［6］。病蟲害是林木上最常見的一種生物脅迫，是威脅林木生長的最大天敵，也是影響林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素［7,8］。林木病蟲害具有傳染性，當(dāng)某些地區(qū)出現(xiàn)病蟲害時，它們會迅速蔓延到附近的植物，原有林木結(jié)構(gòu)將被破壞，生物鏈被破壞，生態(tài)系統(tǒng)受到影響，極易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［9］。近年來，在新疆南疆病蟲害對樹木的危害時有發(fā)生，部分團(tuán)場防護(hù)林損失有增加趨勢。受病蟲害侵染后的林木會直接導(dǎo)致其體內(nèi)活性氧和自由基的增加以及導(dǎo)致質(zhì)膜損傷，抗氧化物質(zhì)含量、保護(hù)酶活性均會發(fā)生變化，代謝失調(diào)，不僅影響植物的正常生長和發(fā)育，而且嚴(yán)重影響到它們的各種生理代謝活動。相應(yīng)地，植物體內(nèi)會通過逆境蛋白的表達(dá)、啟動抗氧化防御系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)等降低質(zhì)膜系統(tǒng)的損傷。保護(hù)酶系統(tǒng)——超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)——可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等在植物的逆境適應(yīng)中發(fā)揮重要作用，能提高細(xì)胞對逆境的抵抗能力［10,11］。鑒于此，通過分析保護(hù)酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及過氧化產(chǎn)物（MDA）含量變化，可以幫助了解植物在傷害條件下的生理調(diào)節(jié)機(jī)制。

作為新樹種，密胡楊對傷害條件的適應(yīng)能力關(guān)系到其推廣面積和生態(tài)作用的發(fā)揮?；诖?，采用人工模擬密胡楊葉片受傷害條件，通過分析損傷后密胡楊生理生化指標(biāo)的變化，評估密胡楊對傷害的適宜能力，以期為科學(xué)管護(hù)密胡楊樹苗，合理開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為1年生密胡楊幼苗。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 密胡楊的前期處理及材料收集

試驗(yàn)于2018年生長季在塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站進(jìn)行，采用盆栽的方法。將長勢一致的密胡楊幼苗分成3 組，每組10 株，1 組作為對照組，2 組作為傷害處理組，分別對密胡楊幼苗葉片進(jìn)行20%和60%的模擬病蟲害處理（均勻地將密胡楊幼苗上的葉片除去20%和60%）。傷害處理后，定期觀察密胡楊幼苗的生長情況，保持三個月相同條件生長，然后取葉片，測定生理指標(biāo)，3次重復(fù)。

1.2.2 生理指標(biāo)的測定

相對電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，超氧物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250 法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定［10］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖，應(yīng)用DPS（9.01）統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析及LSD檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同傷害條件下密胡楊幼苗相對電導(dǎo)率的變化

相對電導(dǎo)率是反映植物膜系統(tǒng)的一個直觀數(shù)值，可以反映植物體內(nèi)生物膜透性變化的情況，植物在遭受逆境時，細(xì)胞膜透性會增加致使電導(dǎo)率升高［10,11］。由圖1 可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗相對電導(dǎo)率無顯著變化；但在60%傷害條件下，相對電導(dǎo)率顯著增加，說明較高強(qiáng)度的傷害造成了密胡楊幼苗細(xì)胞膜的損傷。

圖1 不同傷害程度下的密胡楊幼苗的相對電導(dǎo)率

2.2 不同傷害條件下密胡楊幼苗MAD含量的變化

通常植物在條件不利時，生物膜脂會與自由基發(fā)生過氧化反應(yīng)，MDA 是膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一，其含量高低與植物的抗性強(qiáng)弱成反比［10,11］。從圖2 可以看出，與對照相比，20%傷害條件下，密胡楊幼苗的MDA含量無顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗的MDA 含量顯著增高，說明密胡楊幼苗的細(xì)胞膜脂發(fā)生了過氧化反應(yīng)。

圖2 不同傷害程度下密胡楊幼苗的MDA含量

2.3 不同傷害條件下密胡楊幼苗SOD活性的變化

SOD 在植物體內(nèi)是一種可以抗氧化、抗衰老的酶類，對植物細(xì)胞具有保護(hù)作用［10,11］。由圖3 可以看出，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的SOD 的活性均未發(fā)生顯著變化，說明在傷害條件下密胡楊幼苗的SOD活性保持穩(wěn)定。

圖3 不同傷害程度下密胡楊幼苗的SOD活性

2.4 不同傷害條件下密胡楊幼苗CAT活性的變化

CAT 可以清除體內(nèi)活性氧，防止植物細(xì)胞在不良條件下的衰老等［10,11］。由圖4 中可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗的CAT 活性未發(fā)生顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗CAT活性顯著下降，說明密胡楊幼苗通過CAT 清除體內(nèi)積累的活性氧的能力顯著降低。

圖4 不同傷害程度下密胡楊幼苗的CAT活性

2.5 不同傷害條件下密胡楊幼苗POD活性的變化

POD 是植物體內(nèi)普遍存在的、活性較高的一種酶，它與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等均有密切關(guān)系［10,11］。由圖5 中可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗POD 的活性無顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗POD 的活性顯著升高，說明密胡楊幼苗通過提高POD活性來抵御傷害。

圖5 不同傷害程度下密胡楊幼苗的POD活性

2. 6 不同傷害條件下密胡楊幼苗中游離脯氨酸含量的變化

脯氨酸是一種良好的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，通常以游離的狀態(tài)存在，對植物進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)［10,11］。由圖6 可以看出，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的游離脯氨酸含量均未發(fā)生顯著變化，說明脯氨酸合成對傷害條件不敏感。

2. 7 不同傷害條件下密胡楊幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

圖6 不同傷害程度下密胡楊幼苗的游離脯氨酸含量

植物體內(nèi)可溶性蛋白的含量通常與酶的活性相聯(lián)系，可溶性蛋白含量的高低反映了植物體內(nèi)的生理總代謝［10,11］。由圖7可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗的可溶性蛋白含量未發(fā)生顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗的可溶性蛋白含量顯著降低，說明密胡楊幼苗體內(nèi)的蛋白代謝紊亂，分解大于合成。

圖7 不同傷害程度下密胡楊幼苗的可溶性蛋白含量

2.8 不同傷害條件下密胡楊幼苗可溶性糖含量的變化

可溶性糖可參與植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)［10,11］。由圖8 可以看出，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的可溶性糖含量均顯著降低，說明密胡楊幼苗的糖代謝紊亂，分解大于合成。

圖8 不同傷害程度下密胡楊幼苗的可溶性糖含量

3 結(jié)論與討論

在人工模擬自然生態(tài)對密胡楊幼苗傷害后（病蟲害等），密胡楊幼苗的生理生化指標(biāo)發(fā)生了一定變化。逆境會使細(xì)胞膜系統(tǒng)受到傷害，導(dǎo)致電解質(zhì)大量外滲，因而相對電導(dǎo)率可反映細(xì)胞膜受損程度。MDA 是植物細(xì)胞內(nèi)膜脂過氧化的產(chǎn)物，會引起細(xì)胞膜功能紊亂［12］，MDA的積累量越少，植株受到的危害就越輕，抗性越好，反之，抗性越差。因此，相對電導(dǎo)率和MDA含量是常作為逆境脅迫下細(xì)胞質(zhì)膜受到傷害程度的指標(biāo)，通過分析其含量的高低，可以了解膜脂過氧化程度、膜系統(tǒng)受損程度以及植物抗性強(qiáng)弱［13］。本研究結(jié)果表明，在60%傷害條件下，相對電導(dǎo)率和MDA 含量均顯著增加，說明較高強(qiáng)度的傷害會造成密胡楊幼苗細(xì)胞膜的損傷。

保護(hù)酶體系（SOD、POD、CAT）是植物體內(nèi)的活性氧自由基清除機(jī)制之一，在逆境中能使植物通過提高其活性，來減少活性氧對植株的傷害，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定［14］。其中，SOD 能夠催化超氧化物的歧化反應(yīng)，具有清除活性氧自由基的作用［15］。本研究中SOD 活性無顯著變化，說明密胡楊幼苗對逆境抵抗能力與維持體內(nèi)較高SOD 活性的能力有關(guān)［16］；CAT能夠調(diào)節(jié)活性氧傷害，但其調(diào)節(jié)能力是有限的，當(dāng)脅迫達(dá)到一定程度后，其活性會降低，失去調(diào)節(jié)能力［17］；POD 活性升高可以保護(hù)植物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，其活性升高的原因可能是活性氧的增加刺激了保護(hù)酶系統(tǒng)的活性［18］?？傮w而言，在傷害條件下，密胡楊幼苗保護(hù)酶的活性調(diào)節(jié)機(jī)制比較復(fù)雜。

滲透調(diào)節(jié)的主要功能是維持細(xì)胞膨壓和細(xì)胞膜穩(wěn)定［11］。本研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，在20%傷害條件下密胡楊幼苗的可溶性糖含量顯著降低；在60%傷害條件下，除脯氨酸含量升高，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均顯著降低，這與已報道病蟲侵染樹木的變化趨勢一致。其原因可能是植物受到傷害條件時產(chǎn)生了防御反應(yīng)，而合成防御反應(yīng)中的碳源主要由糖類提供［19］。由此可見，可溶性總糖含量的減少是植物在遭受生物逆境后，對代謝過程重新調(diào)整的結(jié)果［9］?？扇苄缘鞍淄瑯幼鳛闈B透調(diào)節(jié)物質(zhì)的一種，在逆境條件下，植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)合成受到抑制。本研究發(fā)現(xiàn)，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗會誘導(dǎo)合成新的蛋白，減弱傷害條件的不利影響；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗可溶性蛋白含量顯著降低，說明此時密胡楊幼苗的傷害已較為嚴(yán)重。游離脯氨酸是細(xì)胞質(zhì)中重要的滲透劑和防脫水劑同時對植物體內(nèi)的酶和膜結(jié)構(gòu)有保護(hù)作用［20］。在正常生長條件下，植物體內(nèi)的游離脯氨酸含量很低［21］，但在逆境條件下脯氨酸含量會增加［22］。脅迫條件通常容易引起蛋白質(zhì)分解，脯氨酸首先被大量地游離出來［23］。近年來的多項(xiàng)研究表明，脯氨酸的累積與植物的抗逆性間的關(guān)系在不同的植物中存在差異［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的游離脯氨酸含量均未發(fā)生顯著變化，說明脯氨酸合成對傷害條件不敏感，在一定程度上反映了密胡楊對傷害條件的生理調(diào)控機(jī)制是由多種生理過程共同參與和決定的綜合性表現(xiàn)。

綜合以上指標(biāo)的變化規(guī)律可以看出，密胡楊幼苗在20%傷害條件下尚能保持一定的自我調(diào)節(jié)、修復(fù)能力，而傷害程度達(dá)到60%時，其代謝發(fā)生紊亂，修復(fù)能力幾乎喪失。因此，密胡楊對病蟲害等傷害程度較輕時可以進(jìn)行自身調(diào)節(jié)、修復(fù)，但在病蟲害對其損傷較重的情況下則需要進(jìn)行人工養(yǎng)護(hù)。