胡枝子幼苗對干旱脅迫的生理響應(yīng)

曾繼娟，朱 強，岑曉斐，李雙喜

（1.寧夏林業(yè)研究院股份有限公司，寧夏銀川 750004；2.種苗生物工程國家重點實驗室，寧夏銀川 750004；3.寧夏大學(xué)，寧夏銀川 750004；4.寧夏西胡生態(tài)科技有限公司，寧夏涇源 756400）

干旱是全世界對植被影響最深、范圍最大的自然因素之一[1-2]。隨著全球氣溫的逐漸升高，極端高溫天氣反復(fù)出現(xiàn)，導(dǎo)致中緯度干旱半干旱地區(qū)的面積不斷擴大，加劇了土地荒漠化[3-4]。土地荒漠化已成為國內(nèi)外十分重視的環(huán)境問題之一，植物是構(gòu)建防風(fēng)固沙綜合體系的主要因素[5]，在我國北方干旱半干旱地區(qū)，發(fā)展沙生灌木是防治荒漠化的重要手段。干旱和半干旱地區(qū)的降水量較少、蒸發(fā)量大[6]，水成為限制沙生植物生長發(fā)育的主要因素[7]，缺水使植物面臨干旱環(huán)境。研究表明，干旱脅迫可引起植物體內(nèi)活性氧含量增加、抗氧化酶系統(tǒng)破壞、光合作用受阻、內(nèi)源激素和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化等一系列生理生化反應(yīng)[8-10]，輕度干旱可影響作物產(chǎn)量，嚴(yán)重干旱會對植物造成不可逆的傷害，甚至死亡[11-12]。

胡枝子（Lespedeza bicolor）是豆科胡枝子屬多年生草本狀半灌木，在我國東北、華北、西北等地廣泛分布，具有耐旱、耐貧瘠等特性，是荒山造林的先鋒樹種；其營養(yǎng)價值高、生長快、萌蘗性好、利用年限長，也是優(yōu)良的木本飼料[13-14]。目前，關(guān)于胡枝子的研究大多集中在生長特性[15-16]、栽培管理[17]、器官解剖結(jié)構(gòu)[18-19]、營養(yǎng)價值[20]、光合作用[21]等方面，從生理角度探究其抗旱性的研究較少。因此，本試驗研究了胡枝子幼苗對干旱脅迫的響應(yīng)機制，旨在探明其生長過程中的需水關(guān)鍵期，為闡明胡枝子的抗旱能力及適宜的栽培技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地為寧夏銀川市植物園（38°25′N，106°10′E），日照充足，干旱少雨，海拔1 115 m，年平均氣溫9.5～11.4 ℃，年平均降水量180 mm 左右，年平均蒸發(fā)量1 500～2 200 mm。

1.2 試驗材料

試驗材料為銀川市植物園沙生植物國家林木種質(zhì)資源庫栽培的2年生健壯胡枝子苗。營養(yǎng)土、沙土以1∶1 的比例作為栽培土，經(jīng)稱重加入口徑30 cm、高45 cm 的塑料桶，10 kg/桶。選取大小、生長表現(xiàn)基本一致的胡枝子苗，每桶栽植1 株，澆足水置于大棚內(nèi)緩苗，避免自然降水進入桶內(nèi)。緩苗期間進行正常的管理，以確保成活。

1.3 試驗設(shè)計

于2020年4月11日開始試驗，緩苗20 d。于4月30日測定桶內(nèi)土壤田間持水量為28.16%，開始水分控制處理。采用隨機區(qū)組試驗，設(shè)置4 個水分梯度模擬干旱脅迫：對照（CK，田間持水量75%～80%），輕度干旱（T1，田間持水量60%～65%），中度干旱（T2，田間持水量45%～50%），重度干旱（T3，田間持水量30%～35%），5 次重復(fù)。采用便攜式土壤水分速測儀（TDR-3，USA）及稱量桶重兩種方法保證每一梯度含水量保持在設(shè)定范圍內(nèi)，對因水分蒸發(fā)而降低水分含量的植株利用精度為0.05 L的量杯于17：00 及時加水補充。同時，需在桶面裸土上覆蓋塑料薄膜防止水分流失。經(jīng)干旱脅迫處理30 d，調(diào)查形態(tài)指標(biāo)并測定光合特性，采集各處理植株葉片，用冰盒帶回實驗室，在－80 ℃條件保存?zhèn)溆?，進行生理指標(biāo)的測定。

1.4 指標(biāo)測定與方法

新梢長、新梢粗分別用鋼卷尺、游標(biāo)卡尺進行測定。葉綠素相對含量采用SPAD-502 葉綠素儀測定。參照高俊鳳[22]《植物生理實驗指導(dǎo)》中的方法測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性；參照李合生[23]的實驗方法測定丙二醛、游離脯氨酸（Pro）以及可溶性蛋白（SP）含量。

利用GFS—3000 便攜式光合儀在晴朗無風(fēng)的天氣下測定光合作用。于8：30—11：00，從不同方位分別選取同一植株的葉片進行測定并標(biāo)記（3 次重復(fù)），將葉片帶回室內(nèi)測量葉面積。測定時環(huán)境條件控制在空氣CO2濃度為（375±5）滋mol/mol，光合作用的有效輻射率為（2 000±1）滋mol/（m2·s），空氣溫度（28.0±0.5）℃，使用自然光源，控制測定時間120 s。儀器自動記錄凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）以及胞間CO2濃度（Ci）等參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2010 軟件處理數(shù)據(jù)并作圖；利用SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)單因素方差分析，運用Duncan 法進行各處理間指標(biāo)的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對胡枝子幼苗生長特性的影響

脅迫30 d 后，胡枝子幼苗的新梢長、新梢粗及葉片數(shù)均隨著干旱程度的加劇呈先升高后下降的趨勢（表1），T2 處理最大，分別顯著高于CK 76.80%、50.79%和13.68%（P<0.05）；T3 處理最小，生長表現(xiàn)較弱，葉片出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，說明重度干旱條件嚴(yán)重影響胡枝子幼苗的表型性狀。

表1 干旱脅迫下胡枝子幼苗的生長特性

2.2 干旱脅迫對胡枝子幼苗光合特性的影響

2.2.1 干旱脅迫對胡枝子幼苗葉綠素含量的影響

脅迫30 d 后，葉綠素含量隨著干旱脅迫的加劇呈先升高后降低的趨勢（圖1），各處理差異顯著（P<0.05）。T1 處理最大，分別較CK、T2、T3 處理顯著高5.0%、21.5%、63.3%（P<0.05），T3 處理葉綠素含量最低。

圖1 干旱脅迫對胡枝子幼苗葉綠素含量的影響

2.2.2 干旱脅迫對胡枝子幼苗光合指標(biāo)的影響

脅迫30 d 后，胡枝子幼苗Pn、Tr和Gs的變化規(guī)律一致（表2），均隨著干旱脅迫的加劇直線下降，CK為最大值，T3 處理為最小值，各處理均存在顯著差異（P<0.05）。其中，Pn、Gs在T2 處理下降幅度較大，分別較CK 顯著下降了62.22%和59.71%（P<0.05）；Tr在T1 處理時下降幅度最大，較CK 顯著下降了37.09%（P<0.05）。Ci隨干旱程度的加深變化趨勢不明顯，只是小幅度的升高再下降，T2 處理最大，較CK 高2.79%，但各處理差異不顯著（P>0.05）。

表2 干旱脅迫下胡枝子幼苗的光合特性

2.3 干旱脅迫對胡枝子幼苗生理特性的影響

2.3.1 干旱脅迫對胡枝子幼苗抗氧化酶活性的影響

脅迫30 d 后，CAT、SOD 活性隨著干旱脅迫的加劇先升高后降低（圖2Ⅰ和圖2Ⅱ）。CAT 活性T1 處理最高，分別較CK、T2 處理和T3 處理顯著高190.5%、37.7%和265.8%（P<0.05），T3 處理為最低，且顯著低于CK（P<0.05），各處理差異顯著（P<0.05，圖2Ⅰ）。T1 處理的SOD 活性最高，分別較CK、T2 處理和T3 處理顯著高13.9%、3.9%和4.9%（P<0.05），T3 處理最低，但顯著高于CK（P<0.05），T2 與T3 處理差異不顯著（P＞0.05，圖2Ⅱ）。POD 活性隨著干旱脅迫的加劇呈下降趨勢，T2 處理急劇降低，CK 最大，分別較T1、T2 和T3 處理顯著高22.9%、510.9%和777.4%（P<0.05），T2 和T3 處理差異不顯著（P>0.05，圖2Ⅲ）。

圖2 干旱脅迫對胡枝子幼苗抗氧化酶活性的影響

2.3.2 干旱脅迫對胡枝子幼苗丙二醛含量的影響

脅迫30 d 后，丙二醛（MDA）含量隨著干旱脅迫的加劇呈先升高后降低的趨勢（圖3），各處理均差異顯著（P<0.05）。T1 處理MDA 含量最大，分別較CK、T2 處理和T3 處理顯著高18.8%、72.1%和193.6%（P<0.05）；T3 處理的MDA 含量最低，且T2與T3 處理較CK 顯著下降（P<0.05）。

圖3 干旱脅迫對胡枝子幼苗丙二醛含量的影響

2.3.3 干旱脅迫對胡枝子幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

脅迫30 d 后，脯氨酸和可溶性蛋白含量均隨著干旱程度的加劇先升高后下降（圖4）。T2 處理脯氨酸含量最大，分別較CK、T1 處理、T3 處理顯著高65.3%、49.3%和46.5%（P<0.05），隨著脅迫的進一步加劇，其含量快速下降；T3 處理脯氨酸含量為最低值，但顯著高于CK（P<0.05）。T1 與T3 處理差異不顯著（P>0.05，圖4Ⅰ）。可溶性蛋白含量在T1 處理下急劇增加，達到峰值，分別較CK、T2 處理、T3 處理顯著高155.5%、258.4%、383.1%（P<0.05）；T3 處理最低，且顯著低于CK（P<0.05）；CK 與T2 處理、T2 與T3 處理差異不顯著（P>0.05，圖4Ⅱ）。

2.4 干旱脅迫下胡枝子幼苗各生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表3 可知，干旱脅迫下，胡枝子幼苗各指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果表明，MDA 與SP、SOD、POD、CAT以及光合指標(biāo)呈正相關(guān)（表3），與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與Pro 和生長指標(biāo)新梢長、新梢粗呈負相關(guān)；SP 與除Pro 和生長指標(biāo)新梢長、新梢粗外的其他指標(biāo)呈正相關(guān)；SOD 與POD、葉綠素以及光合指標(biāo)呈負相關(guān)；POD 與Pn、Gs，Pro 與生長指標(biāo)新梢長、新梢粗呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；CAT 與所有指標(biāo)呈正相關(guān)；Pn與Tr、Gs呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表3 干旱脅迫下胡枝子幼苗各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

3.1 干旱脅迫對胡枝子幼苗生長變化的影響

水分是影響植物生長的重要因子，株高、新梢長和生物量等都是衡量植株生長質(zhì)量的關(guān)鍵要素。本試驗結(jié)果表明，胡枝子幼苗的新梢長、新梢粗及葉片數(shù)均隨干旱脅迫的加劇表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，在中度干旱下有峰值，重度干旱下有最小值，胡枝子幼苗逐漸出現(xiàn)萎蔫，單從生長變化來看，胡枝子幼苗可能不適合在重度干旱環(huán)境，即土壤含水量為30%～35% 田間持水量下生長。

3.2 干旱脅迫對胡枝子幼苗光合特性的影響

葉綠素是植物器官的基本組成部分，是植物光合作用、營養(yǎng)狀況和生長趨勢的重要指標(biāo)[24]。本試驗中，隨著干旱脅迫的加劇，胡枝子幼苗的葉綠素含量先升高后降低，在T1 處理中達到峰值，在T3 處理中降幅最大。胡枝子幼苗的葉綠素含量在輕度干旱脅迫條件下顯著高于水分充足和重度干旱脅迫條件下（P＜0.05），這與郭相平等[25]對水稻研究中輕度干旱脅迫條件下葉綠素含量高于對照，而重度干旱脅迫葉綠素含量低于對照的試驗結(jié)果不完全一致。其原因可能是干旱脅迫下胡枝子幼苗的葉片含水量降低，抑制其伸展，葉片增厚所致，同時，它也表明胡枝子幼苗的葉綠素在輕度干旱條件下沒有受損或受損程度較輕[26]。試驗隨著干旱脅迫加劇，胡枝子幼苗葉綠素含量顯著降低（P＜0.05），這可能是在中度和重度干旱脅迫下植物葉綠體膜被破壞所致。

水分狀況是影響植物光合作用的重要因素，干旱脅迫導(dǎo)致木本植物葉片的Pn和Tr降低[27]。自然條件下，光合有效輻射、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度等因素在一定程度上決定了植物的光合特征[28]。凈光合速率的變化規(guī)律在一定范圍內(nèi)與氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率變化一致[29]。本研究中，胡枝子幼苗的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的變化規(guī)律一致，均隨著干旱脅迫的加劇直線下降。在中度干旱之前，Ci變化趨勢與Pn相反，重度干旱時，Ci變化趨勢與Pn相同。通常光合速率的降低有氣孔限制和非氣孔限制這兩個原因。已有研究表明，如果Pn和Ci變化方向相同，Gs降低時Pn的降低是氣孔因素造成的；如果Pn和Ci變化方向相反，Gs增大時Pn的下降主要是由非氣孔限制，即葉肉細胞同化能力的降低引起[30]。因此，胡枝子幼苗光合速率的降低主要受氣孔因素影響，同時，Ci隨干旱程度加深的變化趨勢不顯著（P＞0.05），只是小幅度先升高后降低，T2 處理最大，這是胡枝子幼苗適應(yīng)干旱環(huán)境的主要調(diào)節(jié)機制，通過降低氣孔導(dǎo)度減緩植物體內(nèi)的水分散失。由此說明，胡枝子幼苗能夠忍耐的干旱條件是中度干旱，即土壤含水量為45%～50%田間持水量，當(dāng)干旱脅迫進一步加重時不利于該植物正常生長。

3.3 干旱脅迫對胡枝子幼苗生理特性的影響

3.3.1 干旱脅迫對胡枝子幼苗抗氧化酶活性的影響

在逆境中，植物會通過調(diào)節(jié)自身的保護酶防疫系統(tǒng)清除體內(nèi)的活性氧，從而保護細胞免受損傷。研究表明，SOD、POD 和CAT 的酶活性與植物的抗旱性呈正相關(guān)[31-32]，一般來說，在短期或輕度脅迫下，保護酶活性呈上升趨勢，而在長期或中度脅迫下，保護酶活性先上升后下降[33]。本試驗結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的加劇，CAT 和SOD 活性先升高后下降，峰值在輕度干旱，POD 活性呈下降趨勢，尤其是中度干旱時急劇下降，說明一定強度的干旱脅迫提高了胡枝子幼苗葉片中抗氧化酶的活性，而重度干旱脅迫抑制了抗氧化酶的活性，這與羅婷等[34]對乳油木的研究一致。從試驗結(jié)果可以看出，SOD、POD 活性CK、T1、T2 處理差異顯著（P＜0.05），而T2 與T3 處理差異不顯著（P＞0.05）。同時，CAT 酶活性隨著土壤含水量的降低出現(xiàn)了不同幅度的波動，尤其在T1 處理時急劇升高，說明隨著干旱脅迫，SOD 含量的增加使活性氧清除能力上升，CAT 含量增加。當(dāng)干旱脅迫進一步加劇，即土壤含水量低于60%～65%田間持水量時，隨著SOD、POD 活性的下降，部分來不及清除的自由基堆積后與CAT 反應(yīng)形成復(fù)合物，可能導(dǎo)致其含量降低?？梢姡琒OD、POD 和CAT 對干旱脅迫的響應(yīng)有一定差異，但又相互協(xié)同作用，適當(dāng)?shù)母珊得{迫可使植物細胞產(chǎn)生更多的超氧陰離子自由基，并顯著提高植株防御活性氧傷害的能力。

3.3.2 干旱脅迫對胡枝子幼苗膜脂過氧化作用的影響

植物所受的損害大多和活性氧引發(fā)的膜脂過氧化有較大聯(lián)系，MDA 是膜脂過氧化終產(chǎn)物，它的產(chǎn)生會加劇膜的損傷，可間接反映膜系統(tǒng)所受傷害程度及其植物自身的抗逆性[35]。本試驗中，T1 處理的MDA 含量顯著高于CK（P＜0.05），說明輕度干旱脅迫后植株的膜脂過氧化作用增強，加劇了膜損傷。T2 和T3 處理的MDA 含量顯著低于CK（P＜0.05），分別降低了30.95%、59.52%，說明中度和重度干旱脅迫均可減緩膜脂過氧化反應(yīng)，但中度脅迫對其植株體內(nèi)的MDA 含量影響程度低于重度脅迫。綜合考慮，中度脅迫既可以滿足植物生長需求，又是影響膜脂過氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)折點，能夠減輕細胞損傷程度，保證植株細胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整性，進而提高胡枝子幼苗的抗逆性，這與不同種衣劑配方對達烏里胡枝子抗旱中的MDA 含量變化結(jié)果相近[36]。

3.3.3 干旱脅迫對胡枝子幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

在逆境中，植物主要通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（脯氨酸、可溶性蛋白等）的含量使細胞液濃度升高，降低滲透勢抵御環(huán)境脅迫，維持細胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進而減輕逆境對自身的損害[36]。植物中的大多數(shù)可溶性蛋白是參與各種代謝的酶，蛋白質(zhì)和脯氨酸會相互作用以增加蛋白質(zhì)的親水性[37]。本試驗中，脯氨酸含量在T1 處理時上升幅度不大，與CK 相比差異不顯著（P＞0.05），但在T2 處理下急劇增加，達到最大，顯著高于CK（P＜0.05）；可溶性蛋白含量隨著干旱脅迫的加劇增長到一定程度則表現(xiàn)出下降的趨勢，T1 處理最大，之后快速下降，當(dāng)重度干旱脅迫時，下降速率逐漸放緩。由此推測，土壤含水量高于45%～50%田間持水量時，即輕度干旱時，胡枝子幼苗葉細胞膜系統(tǒng)未受到脅迫的傷害，細胞膜的穩(wěn)定性強，有助于其生長；中度干旱時，脯氨酸含量急劇增加，可溶性蛋白含量迅速下降，可能是胡枝子幼苗適應(yīng)干旱環(huán)境主動進行滲透調(diào)節(jié)的結(jié)果，脯氨酸、可溶性蛋白在調(diào)節(jié)細胞的滲透勢、保護蛋白質(zhì)分子和酶活性方面起著重要作用。干旱脅迫從中度（T2 處理）到重度（T3 處理）時，葉片的脯氨酸和可溶性蛋白含量均降低，可能是達到胡枝子幼苗對干旱條件的承受極限和需水關(guān)鍵時期，這與該試驗中光合變化的趨勢相符。

綜上所述，適當(dāng)?shù)母珊得{迫有助于胡枝子幼苗生長，但是超過一定的干旱條件將起抑制作用。本試驗通過分析胡枝子幼苗在干旱脅迫條件下的生理響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，土壤含水量為60%～65%田間持水量（T1 處理）時較利于胡枝子幼苗生長，土壤含水量為45%～50%田間持水量（T2 處理）是其生長的需水關(guān)鍵期。當(dāng)然，植物對逆境的響應(yīng)是受多因素、多途徑調(diào)控的復(fù)雜過程，各因素相互配合、相互制約、協(xié)同作用，基于該試驗僅是1年的研究結(jié)果，對于解釋胡枝子在干旱脅迫下的生理生化機理尚有欠缺，需開展試驗深入研究。