干旱脅迫對通脫木幼苗生理特性及光合作用的影響

農(nóng)云開，徐傳貴，黨桂蘭，韋貴元，覃蘭芳

(廣西壯族自治區(qū)中醫(yī)藥研究院，廣西 南寧 530022)

通脫木〔Tetrapanaxpapyrifer(Hook.) K. Koch〕為五加科通脫木屬植物，主產(chǎn)于貴州、廣西、四川、湖南、廣東、福建和臺(tái)灣等地。通草為通脫木的干燥莖髓，是常用中藥材，具有清熱利尿、通氣下乳的功效，主要用于濕熱淋證、水腫尿少和乳汁不下；通草紙為其干燥莖髓切成的薄片，是制作通草畫、通草紙花等小工藝品的原料。植物在幼苗階段對干旱脅迫的反應(yīng)極敏感，揭示其對干旱脅迫的生理生態(tài)響應(yīng)具有重要意義。干旱脅迫通過關(guān)閉氣孔、降低光合色素含量、改變光合器官結(jié)構(gòu)或降低光合酶活性等多種方式降低植物的光合能力。不同方式的綜合影響迫使植物在光合作用過程中受到氣孔限制或非氣孔限制，前者是直接導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度下降，CO2進(jìn)入葉片受阻，光合能力降低，從而抑制光合作用的正常功能；后者是干旱破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，使光合色素降解或合成降低，從而影響光合電子傳遞的過程，使光合酶活性降低等，進(jìn)而導(dǎo)致植物光合速率的降低[3-6]。

目前通脫木的研究主要集中在組織培養(yǎng)、生藥鑒別、化學(xué)成分、藥理作用及臨床應(yīng)用等方面[7-15]，而通脫木的耐旱性及光合作用的研究尚未見報(bào)道；由于連年過度采挖，其野生資源逐漸減少，自然條件下其幼苗稀少，種群自然更新困難。開展通脫木野生撫育及人工栽培方面的研究具有重要意義。為此，研究干旱脅迫對1年生通脫木幼苗生理特性和光合作用的影響，以期為通脫木野生撫育及人工栽培奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物 1年生通脫木實(shí)生苗，廣西壯族自治區(qū)中醫(yī)藥研究院大通草種植示范基地。

1.1.2 土壤 赤紅壤，容重為1.19 g/cm3，持水量為53.41%，pH 5.35。

1.1.3 儀器設(shè)備 Li-6800便攜式光合測定儀，Li-COR(USA)生產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)3個(gè)水分脅迫處理，即土壤相對含水量(土壤含水量占田間持水量的百分?jǐn)?shù))分別為(20±2.5)%(重度脅迫)、(40±2.5)%(中度脅迫)和(60±2.5)%(輕度脅迫)，以(80±2.5)%為對照(CK)，每個(gè)處理20盆。試驗(yàn)在廣西南寧廣西壯族自治區(qū)中醫(yī)藥研究院大通草種植示范基地(海拔75～80 m，年平均日照1 827 h，年平均氣溫21.7 ℃)進(jìn)行。2018年4月將幼苗移到花盆(直徑20 cm，高30 cm)中定植培育，花盆盛土25 cm，每盆1株。2018年7月選擇無病蟲害、長勢一致的幼苗(平均株高40.1 cm，平均地徑0.9 cm)采用盆栽稱量控水法[16]進(jìn)行干旱脅迫處理。在脅迫開始的第30天測定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)測定

1) 生長指標(biāo)。試驗(yàn)開始前和處理30 d時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)選取5株幼苗分別測量基徑(D0、D1)和苗高 (H0、H1)，取平均值作為測量結(jié)果，計(jì)算基徑增量(D)和苗高增量(H)。采用常規(guī)烘干法將幼苗烘干，分別稱量植株地上部生物量和根系生物量，計(jì)算植株生物量和根冠比。

D=D1-D0

H=H1-H0

植株生物量=地上部生物量+根系生物量

根冠比=根系生物量/地上部生物量

2) 葉片生理指標(biāo)。葉片相對含水量采用烘干稱重法測定，葉綠素含量采用分光光度法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氯化硝基四氮唑藍(lán)(NBT)光化還原法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸顯色(TBA)法測定[17]。

3) 光合作用參數(shù)。干旱脅迫處理結(jié)束后，于晴天09:00—11:00，選取生長一致的幼苗相同節(jié)位的葉片，利用光合測定儀測定其葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和胞間二氧化碳濃度(Ci)，5次重復(fù)。設(shè)定CO2含量為400 μmol/mol，飽和光強(qiáng)為1 200 μmol/(m2·s)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010作圖，SPSS 19.0進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱脅迫下通脫木幼苗生長指標(biāo)的變化

由表1看出，干旱脅迫對通脫木幼苗苗高、基徑、生物量和根冠比均有不同程度的影響。

2.1.1 苗高 隨著干旱脅迫增強(qiáng)，通脫木幼苗苗高較對照呈下降趨勢。其中，輕度脅迫的苗高與CK差異不顯著，但二者均顯著高于中度脅迫和重度脅迫；中度脅迫的苗高較CK低40.9%，重度脅迫的苗高較CK低61.6%，二者差異顯著。

2.1.2 基徑 隨著干旱脅迫增強(qiáng)，通脫木幼苗基徑增量均呈下降趨勢。其中，輕度脅迫基徑增量與CK差異不顯著，但二者均顯著高于中度脅迫和重度脅迫；中度脅迫基徑增量較CK減少30.9%，重度脅迫基徑增量較CK減少60.2%，二者差異顯著。

2.1.3 生物量 隨著干旱脅迫增強(qiáng)，通脫木幼苗地上部分、根系和植株的生物量均呈下降趨勢。其中，輕度脅迫各部分的生物量略低于CK，與CK差異不顯著，但二者均顯著高于中度脅迫和重度脅迫；中度脅迫幼苗地上部分、根系、總生物量較CK分別降低44.8%、15.8%和34.5%，重度脅迫幼苗地上部分、根系、總生物量較CK分別降低68.2%、35.6%和56.7%，二者差異顯著。

2.1.4 根冠比 通脫木幼苗的根冠比隨著干旱脅迫增強(qiáng)呈上升趨勢。其中，輕度脅迫通脫木幼苗的根冠比與CK相當(dāng)；中度脅迫幼苗的根冠比較CK上升28.6%，重度脅迫較CK上升56.1%，二者間差異顯著，且二者均與輕度脅迫和CK的差異顯著。

表1 不同干旱脅迫下通脫木幼苗的生長指標(biāo)Table 1 Growth indexes of T. papyrifer seedlings under different drought stress

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference atP<0.05 level. The same below.

2.2 不同干旱脅迫下通脫木幼苗葉片生理指標(biāo)的變化

由表2看出，隨著干旱脅迫增強(qiáng)，通脫木幼苗葉片相對含水量及葉綠素含量較CK總體呈逐漸下降趨勢，SOD活性呈先升后降趨勢，MDA含量呈逐漸升高趨勢。其中，中度脅迫和重度脅迫通脫木幼苗葉片相對含水量和葉綠素含量分別較CK下降6.74%、8.92%和9.35%、20.87%，與CK差異顯著；而輕度脅迫與CK差異不顯著。SOD是生物體內(nèi)清除自由基的首要物質(zhì)，干旱脅迫下通脫木幼苗葉片SOD活性以中度脅迫最高，為225.29 U/(g·min)，較CK升高18.18%；重度脅迫最低，為145.68 U/(g·min)，較CK降低23.58%。干旱脅迫導(dǎo)致通脫木幼苗葉片MDA的產(chǎn)生和積累，中度脅迫和重度脅迫下葉片的MDA含量分別較CK提高23.71%和46.81%。SOD活性和MDA含量中度脅迫與重度脅迫間差異顯著，且均與CK和輕度脅迫差異顯著，CK與輕度脅迫差異不顯著。

表2 不同干旱脅迫下通脫木幼苗葉片的生理指標(biāo)Table 2 Leaf physiological indexes of T. papyrifer seedlings under different drought stress

2.3 不同干旱脅迫通脫木幼苗葉片光合參數(shù)的變化

由圖1可知，干旱脅迫對通脫木幼苗葉片氣體交換參數(shù)影響顯著。

2.3.1 凈光合速率 通脫木幼苗葉片凈光合速率整體隨著干旱脅迫增強(qiáng)呈先升后降趨勢。其中，輕度脅迫的凈光合速率較CK略有上升，但二者差異不明顯；中度脅迫和重度脅迫較CK分別下降20.57%和38.68%，二者差異明顯，且均與CK和輕度脅迫差異顯著。

2.3.2 氣孔導(dǎo)度 通脫木幼苗葉片氣孔導(dǎo)度隨干旱脅迫增強(qiáng)呈先升后降趨勢。其中，輕度脅迫的氣孔導(dǎo)度略高于CK，但二者差異不明顯；中度脅迫和重度脅迫較CK分別降低13.33%和37.78%，二者差異明顯，且均與CK和輕度脅迫差異顯著。

2.3.3 胞間CO2濃度 通脫木幼苗葉片胞間CO2濃度隨干旱脅迫增強(qiáng)呈先升后降再升趨勢。其中，輕度脅迫和重度脅迫的胞間CO2濃度較CK分別升高9.15%和6.36%，二者差異不顯著，但均顯著高于CK和中度脅迫；中度脅迫較CK降低13.11%，二者差異顯著。

2.3.4 蒸騰速率 隨著干旱脅迫增強(qiáng)，通脫木幼苗葉片蒸騰速率呈逐漸降低趨勢。其中，輕度脅迫較CK略低，但二者差異不明顯；中度脅迫和重度脅迫較CK分別降低22.66%和54.08%，二者差異顯著，且均與輕度脅迫和CK差異顯著。

3 結(jié)論與討論

植物通過關(guān)閉氣孔、降低蒸騰速率、調(diào)節(jié)生長和生物量的分配及增大根冠比等系列形態(tài)和生理機(jī)制響應(yīng)干旱脅迫[18-19]。作為植物應(yīng)對干旱脅迫的一種表現(xiàn)，隨干旱脅迫增強(qiáng)，植物根系的生物量分配比例增大，莖葉生物量的分配比例減少，根冠比增大，以獲取更多水分適應(yīng)土壤的干旱環(huán)境，提高自身的生存能力[20]。研究結(jié)果表明，中度和重度干旱脅迫下，通脫木幼苗的苗高、基徑增量及植株總生物量均顯著降低，其中，中度脅迫和重度脅迫的苗高分別較CK低40.9%和61.6%，基徑增量較CK分別減少30.9%和60.2%，總生物量較 CK 分別降低34.5%和56.7%；隨干旱脅迫增強(qiáng)，根冠比逐漸增大，中度脅迫和重度脅迫分別較CK上升28.6%和56.1%。說明，通脫木幼苗能夠通過調(diào)節(jié)生物量的分配比例適應(yīng)干旱環(huán)境。

干旱脅迫通過關(guān)閉氣孔、改變光合器官結(jié)構(gòu)、降低光合色素含量及降低光合酶活性等多種方式迫使植物在光合作用過程中受到氣孔限制或非氣孔限制[3-6]，從而降低植物的光合能力。研究結(jié)果表明，輕度干旱脅迫能一定程度上提高通脫木幼苗凈光合速率和氣孔導(dǎo)度值，而中度和重度干旱脅迫則起到顯著的抑制作用，中度脅迫和重度脅迫的凈光合速率分別較CK下降20.57%和38.68%，氣孔導(dǎo)度較CK分別降低13.33%和37.78%。與李田等[28-30]的研究結(jié)果一致；而降香黃檀和風(fēng)箱果幼苗在重度干旱脅迫下凈光合速率的下降是氣孔限制引起的[16，31]，說明，不同植物對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制不同。

總體看，通脫木幼苗對干旱脅迫具有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，表現(xiàn)出一定的耐旱潛力，研究結(jié)果對通脫木在干旱、半干旱地區(qū)的人工恢復(fù)及育苗具有一定的指導(dǎo)意義。研究結(jié)論是基于通脫木幼苗期的響應(yīng)結(jié)果，而植物耐旱性是一種復(fù)合性狀，干旱脅迫常與土壤養(yǎng)分、溫度及光照等環(huán)境因子相互作用，共同對植物生長產(chǎn)生影響，通脫木對這些生態(tài)因子綜合作用的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步深入研究。