干旱脅迫及復(fù)水對(duì) 3種苔蘚植物生理指標(biāo)的影響

胡 浩， 王 娟

(陜西省西安植物園/陜西省植物研究所，陜西 西安 710061)

苔蘚植物在地球上分布極為廣泛，全球約有2.3萬(wàn)余種，我國(guó)分布有2 000余種[1]，許多苔蘚能夠耐受極端的自然環(huán)境，干旱地區(qū)的苔蘚植物資源抗逆性更強(qiáng)，是脆弱生境修復(fù)的關(guān)鍵物種，可用于荒漠和生境退化地區(qū)的植物生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。劉潤(rùn)等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱地區(qū)撒播耐旱型苔蘚，能夠加速形成土壤生物結(jié)皮，促進(jìn)戈壁荒漠地區(qū)植被的恢復(fù)與生態(tài)重建。

苔蘚植物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)中為了適應(yīng)干旱環(huán)境，形成了特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，許多苔蘚植物通過(guò)卷曲葉片或改變?nèi)~片方向減少水分損失[3]。部分苔蘚植物葉片的毛狀葉尖能通過(guò)減少入射光而有效減少水分蒸發(fā)[4]。苔蘚葉片上凸起的疣可反射紫外輻射，有利于植物葉片內(nèi)部的水分傳導(dǎo)，促進(jìn)苔蘚表皮細(xì)胞的水分吸收[5]。苔蘚植物還能耐受極端的干旱脅迫，并在復(fù)水后仍能正常生長(zhǎng)。在干旱環(huán)境中，苔蘚植物會(huì)與土壤以相同的速度喪失水分，但能耐受脫水和干旱，隨著環(huán)境變旱可迅速降低體內(nèi)含水量，進(jìn)入休眠狀態(tài)以維持生存[6]；如果環(huán)境水分增加，苔蘚植物會(huì)迅速吸收水分，恢復(fù)正常的生理代謝活動(dòng)。耐旱能力極強(qiáng)的苔蘚植物在含水量降至干重的10%～20%時(shí)仍能存活，雨季來(lái)臨之后代謝活動(dòng)恢復(fù)正常[7]；干旱脅迫下土生苔蘚的配子體在60～90 min內(nèi)喪失20%的水分，而在復(fù)水之后的60～90 s內(nèi)恢復(fù)所失水分[8]。

耐旱型苔蘚植物在我國(guó)西北地區(qū)分布廣泛，從中篩選耐旱型苔蘚種質(zhì)并開(kāi)展其耐旱機(jī)理研究，對(duì)苔蘚植物的保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用具有重要意義[1，5]。鑒于此，以大灰蘚、白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚為研究材料，通過(guò)人工模擬干旱并進(jìn)行生理指標(biāo)檢測(cè)，定量評(píng)價(jià)不同苔蘚對(duì)干旱脅迫的耐受程度，然后再進(jìn)行充分復(fù)水，測(cè)定不同苔蘚恢復(fù)活力的程度和速度，以期為耐旱型苔蘚在干旱區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)重建應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 苔蘚 大灰蘚(Hypnumplumaeforme)、白發(fā)蘚(Leucobryumglaucum)和細(xì)葉小羽蘚(Haplocladiummicrophyllum)，采自陜西省安康市石泉縣。

1.1.2 試劑 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液、PEG溶液、丙酮-乙醇混合液(V/V為2∶1)，市購(gòu)。

1.1.3 栽培基質(zhì) 為草炭土與種植土按6∶4(V/V)混合而成。

1.2 方法

1.2.1 材料預(yù)處理 將3種苔蘚植物帶回人工溫室，用栽培基質(zhì)栽種于恒溫25℃的人工環(huán)境中，采用室內(nèi)自然光線環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)、備用。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 干旱脅迫對(duì)3種苔蘚植物生理指標(biāo)的影響。將3種苔蘚植物材料清洗干凈后，在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中緩苗培養(yǎng)2 d。然后將實(shí)驗(yàn)材料浸入20 PEG溶液中模擬干旱脅迫進(jìn)行試驗(yàn)。每種參試苔蘚植物6塊，每塊面積40 cm2，5個(gè)重復(fù)，分別于0 h、6 h、12 h、18 h、24 h和30 h測(cè)定植物的葉綠素含量、脯氨酸、丙二醛(MDA)、可溶性蛋白、相對(duì)電導(dǎo)率、超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)。

2) 復(fù)水處理對(duì)3種苔蘚植物生理指標(biāo)的影響。為了進(jìn)一步探討干旱脅迫30 h后苔蘚植物的生命力及恢復(fù)情況，在解除干旱脅迫后，將3種苔蘚植物進(jìn)行復(fù)水處理，復(fù)水時(shí)將苔蘚植物材料浸入Hogland營(yíng)養(yǎng)液中，每種處理1塊，3次重復(fù)，于充分復(fù)水處理30 h后，測(cè)定葉綠素和丙二醛含量。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合液提取比色法測(cè)定[9]，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定，游離脯氨酸用磺基水楊酸硏磨提取比色法測(cè)定，可溶性蛋白含量參照李合生等[9]的方法測(cè)定，細(xì)胞質(zhì)膜透性測(cè)定參照王宇超等[10]的方法測(cè)定，過(guò)氧化物酶活性用愈創(chuàng)木酚法，超氧化物歧化酶活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定[11]，過(guò)氧化氫酶活性參照楊蘭芳等[12]的方法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫3種苔蘚植物生理指標(biāo)的變化

從圖1看出，干旱脅迫下，3種苔蘚植物的生理指標(biāo)均有不同程度的變化。

2.1.1 葉綠素 干旱脅迫下，隨處理時(shí)間延長(zhǎng)3種苔蘚植物葉綠素含量均呈逐漸下降趨勢(shì)，其中在干旱脅迫的最初6 h內(nèi)3種苔蘚植物的葉綠素含量緩慢下降；在干旱脅迫6～24 h，白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚葉綠素含量逐漸降低，且白發(fā)蘚葉綠素含量的下降幅度大于細(xì)葉小羽蘚；在24～30 h，白發(fā)蘚的葉綠素含量趨于穩(wěn)定，而細(xì)葉小羽蘚葉綠素含量繼續(xù)降低；大灰蘚葉綠素含量較穩(wěn)定，在6～30 h其含量無(wú)顯著變化。

2.1.2 脯氨酸 干旱脅迫下，3種苔蘚植物的脯氨酸含量變化趨勢(shì)各不相同。其中，白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚的脯氨酸含量在0～18 h開(kāi)始逐漸增加，二者脯氨酸含量分別增加13.44%和37.26%；在18～30 h，白發(fā)蘚脯氨酸含量逐漸增加，細(xì)葉小羽蘚脯氨酸含量逐漸降低，其含量在30 h時(shí)仍較脅迫前高26.91%；在0～30 h，大灰蘚的脯氨酸含量較穩(wěn)定，無(wú)顯著變化。

2.1.3 丙二醛 干旱脅迫下，隨處理時(shí)間延長(zhǎng)3種苔蘚植物的MDA含量變化趨勢(shì)存在差異。其中，在干旱脅迫0～6 h，大灰蘚和細(xì)葉小羽蘚的MDA含量呈下降趨勢(shì)，而白發(fā)蘚呈增加趨勢(shì)；在6～30 h，大灰蘚和小白發(fā)蘚的MDA含量呈逐漸增加趨勢(shì)，分別增加215.23%和48.37%，但細(xì)葉小羽蘚的MDA含量變化呈先增后減再增趨勢(shì)，即在6～18 h逐漸增加，18～24 h略有降低，24～30 h又升高，其在30 h時(shí)MDA含量較初始時(shí)增加37.14%?？傮w看，3種苔蘚植物的MDA含量均呈增加趨勢(shì)。

2.1.4 可溶性蛋白 干旱脅迫下，在0～24 h，白發(fā)蘚和大灰蘚可溶性蛋白含量逐漸增加，分別增加30.70%和35.71%；在24～30 h，二者含量降低，但仍較初始時(shí)提高12.86%和23.81%。細(xì)葉小羽蘚可溶性蛋白含量變化趨勢(shì)與白發(fā)蘚和大灰蘚不同，其可溶性蛋白含量在0～18 h逐漸降低，在18～24 h有所增加，隨后逐漸降低；其在干旱脅迫30 h后，可溶性蛋白含量較初始時(shí)顯著降低34.56%。

2.1.5 相對(duì)電導(dǎo)率 干旱脅迫下，0～30 h白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚的相對(duì)電導(dǎo)率逐漸增加，其中細(xì)葉小羽蘚的增幅較大，較初始時(shí)顯著增加112.55%；白發(fā)蘚的增幅較小，且在24～30 h逐漸趨于穩(wěn)定，但整個(gè)過(guò)程其顯著增加(51.95%)。0～30 h大灰蘚的相對(duì)電導(dǎo)率較為穩(wěn)定，無(wú)明顯變化趨勢(shì)，但在30 h時(shí)其含量仍然較初始時(shí)增加10.39%。

2.1.6 過(guò)氧化物酶活性 干旱脅迫下，3種苔蘚植物的過(guò)氧化物酶(SOD)活性整體呈逐漸降低趨勢(shì)，但不同時(shí)段其活性變化有所不同。在0～12 h，3種苔蘚SOD活性均呈下降趨勢(shì)，其中細(xì)葉小羽蘚的下降趨勢(shì)最顯著，大灰蘚和白發(fā)蘚的變化較平緩。在12～18 h，大灰蘚和白發(fā)蘚的SOD活性較為穩(wěn)定。在18～24 h，大灰蘚的SOD活性顯著降低，其余2種苔蘚植物的SOD活性的變化較平緩。在30 h時(shí)，大灰蘚、白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚的SOD活性分別較初始時(shí)降低43.49%、42.99%和68.96%。

2.1.7 過(guò)氧化物酶活性 干旱脅迫下，3種苔蘚植物的過(guò)氧化物酶(POD)活性變化不同，其中，細(xì)葉小羽蘚的POD活性逐漸降低，且不同脅迫時(shí)段的趨勢(shì)均一致。大灰蘚的POD活性在0～6 h顯著增加，在6～18 h逐漸降低，隨后在18～24 h逐漸增加，并在24～30 h保持穩(wěn)定。白發(fā)蘚的POD活性在0～6 h緩慢降低，在6～18 h逐漸增加，隨后在18～24 h顯著降低，并在24～30 h階段有所增加。

2.2 復(fù)水后3種苔蘚植物生理指標(biāo)的變化

從圖2看出，脅迫復(fù)水后，3種苔蘚植物的葉綠素和丙二醛(MDA)含量均有不同程度的變化。葉綠素，脅迫復(fù)水后，大灰蘚葉綠素含量增加17.37%，而白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚葉綠素含量分別減少13.14%和17.09%。丙二醛，復(fù)水后，3種苔蘚植物的丙二醛含量均有所降低，但是其降幅存在差異。其中，白發(fā)蘚的降幅最大，降低28.76%；其次為大灰蘚，降低11.97%；細(xì)葉小羽蘚僅降低2.42%。

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫使植物形成特殊的生理代謝機(jī)制，并產(chǎn)生特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)以減少失水，逐漸適應(yīng)干旱環(huán)境[13]，部分植物通過(guò)減小葉表面積或改變?nèi)~片方向以減少水分蒸發(fā)[14]。SEEL等[15]研究發(fā)現(xiàn)，耐旱型苔蘚植物外部水分運(yùn)動(dòng)主要集中在葉片的毛細(xì)管內(nèi)，以及干絨毛假根和葉片表面系統(tǒng)的突起上。細(xì)胞外的毛細(xì)管空間和葉片的凹部積累的水分最多。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，大灰蘚葉片具有疣狀突起，白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚的葉片上也有少量突起，此特征有利于苔蘚植物減少水分蒸發(fā)[16]。此外，植物還可通過(guò)氣孔調(diào)節(jié)和滲透調(diào)節(jié)等措施耐受干旱脅迫，或改變?nèi)~綠素、游離脯氨酸、丙二醛等含量和酶活性以提高植物對(duì)干旱環(huán)境的耐受能力。

研究表明，干旱脅迫后，3種苔蘚植物葉綠素含量均呈下降趨勢(shì)，其中大灰蘚降幅最小，為29.44%，白發(fā)蘚降幅最大，為50.24%。在充分復(fù)水30 h后，大灰蘚的葉綠素含量明顯上升，而白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚的葉綠素含量卻降低。說(shuō)明，30 h的水分虧缺已對(duì)其葉綠素合成系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆?zhèn)Γ?種苔蘚中白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚對(duì)水分脅迫更為敏感，且干旱產(chǎn)生的傷害并不能通過(guò)復(fù)水逆轉(zhuǎn)。

滲透調(diào)節(jié)對(duì)于植物的耐旱性具有重要意義[15]，脯氨酸含量與植物耐旱性呈顯著正相關(guān)，即耐旱性強(qiáng)的植物其脯氨酸含量更高。也有研究認(rèn)為，二者并無(wú)直接關(guān)系，如小麥[17]、大豆[18]和高粱[19]等耐旱植物在干旱脅迫下脯氨酸含量并無(wú)顯著增加。研究表明，干旱脅迫下白發(fā)蘚積累的脯氨酸含量最多，其含量變化為185.22～243.42 μg/g，其次為細(xì)葉小羽蘚，其脯氨酸含量變化為110.32～151.42 μg/g，而大灰蘚積累的脯氨酸含量相對(duì)較少，為33.71～40.47 μg/g。由此看出，耐旱性較強(qiáng)的大灰蘚脯氨酸含量最低，且含量變化較??；耐旱性較弱的白發(fā)蘚和細(xì)葉小羽蘚脯氨酸含量更高，且變化較大。

植物細(xì)胞膜系統(tǒng)是干旱脅迫的直接受害器官，干旱脅迫下膜的傷害與膜脂過(guò)氧化增強(qiáng)有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，MDA含量的增加不僅可以反映膜脂過(guò)氧化程度，也可以間接反映植物耐旱能力[20]。研究表明，干旱脅迫下3種苔蘚中大灰蘚的 MDA增長(zhǎng)率最大，為116.34%，而脯氨酸和電導(dǎo)率的變化最小，分別為9.65%和10.39%。復(fù)水后3種苔蘚的MDA含量不同程度降低，白發(fā)蘚的MDA含量顯著降低，細(xì)葉小羽蘚含量降低但不顯著。說(shuō)明，白發(fā)蘚和大灰蘚耐旱性較強(qiáng)，細(xì)葉小羽蘚耐旱性較弱。

干旱脅迫下不同苔蘚的不同生理指標(biāo)變化不同，白發(fā)蘚在受到水分脅迫時(shí)，可溶性蛋白含量相對(duì)穩(wěn)定，大灰蘚的可溶性蛋白含量顯著增加23.80%，而細(xì)葉小羽蘚的可溶性蛋白含量顯著降低34.56%。在干旱脅迫下不同時(shí)段的含量并無(wú)顯著差異。其中，大灰蘚和白發(fā)蘚在干旱脅迫過(guò)程中可溶性蛋白含量呈緩慢增加再降低趨勢(shì)，細(xì)葉小羽蘚則呈顯著降低趨勢(shì)，說(shuō)明前二者的耐旱性相對(duì)較強(qiáng)。

植物受到干旱協(xié)迫時(shí)其細(xì)胞中活性氧自由基增加，為清除這些活性氧，植物會(huì)產(chǎn)生酶促活性氧自由基清除系統(tǒng)[21]。研究表明，SOD和POD等保護(hù)酶活性隨干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。大灰蘚和白發(fā)蘚在干旱脅迫下，2種酶活性的變化較為平緩，但細(xì)葉小羽蘚的酶活性變化極顯著。說(shuō)明，大灰蘚和白發(fā)蘚的耐旱性更強(qiáng)，細(xì)葉小羽蘚的耐旱性相對(duì)更弱。植物對(duì)干旱脅迫的耐受性受多因素影響，其不同生理指標(biāo)在水分脅迫下的反應(yīng)不同，可依據(jù)植物生理指標(biāo)變化評(píng)價(jià)植物耐旱性。本試驗(yàn)結(jié)合干旱和復(fù)水后測(cè)定的指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，白發(fā)蘚耐旱性較強(qiáng)，其次為大灰蘚，細(xì)葉小羽蘚的耐旱性弱。