干旱脅迫對(duì)福建山櫻花和日本櫻花葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

江登輝,劉曉穎,陳 乾,榮俊冬,陳禮光,李士坤,鄭郁善

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；3.漳平市林業(yè)局，福建 漳平 364400)

水分參與植物體內(nèi)代謝過程，是物質(zhì)吸收、運(yùn)輸?shù)闹匾橘|(zhì).當(dāng)植物處于干旱條件時(shí)，植物吸水能力減弱，代謝過程受到抑制，生長(zhǎng)速率減弱，有機(jī)物積累降低.植物適應(yīng)和抵抗干旱的途徑主要有兩種[1]：一是通過自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與表型變化來適應(yīng)干旱環(huán)境，如通過葉片的變化來控制氣孔關(guān)閉以減少水分蒸騰來實(shí)現(xiàn)植物的節(jié)水和保水，相關(guān)研究表明水分條件對(duì)氣孔導(dǎo)度、氣孔寬度、蒸騰速率等有顯著影響[2]；二是植物通過改變體內(nèi)的滲透勢(shì)，增加植株中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)量的積累，使水分平衡，以抵抗干旱脅迫所造成的傷害，從而維持植物正常的生長(zhǎng)代謝過程[3].

植物參與滲透調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)主要包括丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、可溶性糖、可溶性蛋白等.MDA是活性氧啟動(dòng)膜脂過氧化過程中產(chǎn)生的主要產(chǎn)物之一，通常用來衡量植物在逆境脅迫下活性氧傷害程度大小的指標(biāo)[4]，水分缺失條件下，植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)或抗氧化能力下降是引起活性氧和MDA大量積累的主要原因，王雨婷等[5]對(duì)葡萄幼苗進(jìn)行干旱研究發(fā)現(xiàn)，葡萄幼苗葉片MDA含量顯著下降.PRO是植物主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，是衡量植物抗旱性的指標(biāo)之一，它可以維持細(xì)胞與環(huán)境滲透平衡，具有較強(qiáng)的親水性，防止水分散失，并能直接影響植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性.王啟明等[6]在對(duì)不同品種大豆開花生理特性的影響研究中發(fā)現(xiàn)，PRO除了作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，在對(duì)保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性上也有一定的作用.可溶性糖是干旱脅迫誘導(dǎo)的小分子溶質(zhì)之一，在調(diào)節(jié)滲透平衡和保護(hù)細(xì)胞膜穩(wěn)定性方面起重要作用，盧瓊瓊[7]等人對(duì)大豆幼苗脅迫處理后發(fā)現(xiàn)，干旱環(huán)境下可溶性糖含量顯著上升.可溶性蛋白參與代謝過程，能增強(qiáng)細(xì)胞保水能力，對(duì)細(xì)胞與細(xì)胞膜產(chǎn)生保護(hù)作用.大量研究表明，可溶性蛋白在植物抗旱過程中發(fā)揮了重要的作用，嚴(yán)美玲等[8]通過研究干旱脅迫對(duì)不同品種花生苗期的生理特性、產(chǎn)量以及品質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，不同品種花生在干旱脅迫下可溶性蛋白含量均顯著上升，花生抗旱品種農(nóng)大818在適當(dāng)干旱條件下，葉片可溶性蛋白質(zhì)含量升高，且以中度干旱(灌水40～60 mm)時(shí)蛋白質(zhì)含量最高，籽仁品質(zhì)最佳.

福建山櫻花(Prunuscampanulata)為薔薇科櫻屬的落葉喬木，先花后葉，花期較早，每年春節(jié)前后開花，花期較長(zhǎng)可達(dá)50 d[9]，花色艷麗呈鐘狀下垂展開，觀賞價(jià)值極高，且抗逆性較強(qiáng)，適應(yīng)性廣，是園林中不可多得的優(yōu)良觀賞植物，主要分布于福建、臺(tái)灣、廣東、江西等省區(qū)[10].日本櫻花(Prunusyedoensis)耐寒喜濕，花期較短，通常約15 d[11]，主要分布于我國(guó)長(zhǎng)江流域以及華北地區(qū).福建山櫻花與日本櫻花具有較高的觀賞價(jià)值，在不同地區(qū)引種栽培過程中會(huì)遇到干旱情況，干旱會(huì)限制植物的存活和分布.目前，對(duì)福建山櫻花與日本櫻花的研究比較少，主要集中在園林觀賞與應(yīng)用方面，對(duì)其抗性研究鮮有報(bào)道.本研究探討不同干旱脅迫處理下福建山櫻花以及日本櫻花葉片滲透壓的變化，分析兩者滲透物質(zhì)含量的變化，以期了解其對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)理，為園林栽植應(yīng)用以及抗旱性研究提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為1年生的福建山櫻花和日本櫻花實(shí)生苗，將實(shí)生苗栽植于裝有沙壤土的塑料花盆中，盆高21 cm，盆口直徑25 cm，盆底直徑20 cm，每盆種植1株.在陽光充足條件下進(jìn)行正常的管理，緩苗30 d至定苗，使其適應(yīng)移植環(huán)境.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)王鋒堂等[12]與陳夢(mèng)園等[13]的方法(略有改動(dòng))設(shè)置4個(gè)土壤干旱處理：土壤飽和含水率在75%～80%(正常水分)作為對(duì)照組(CK)，土壤飽和含水率在55%～60%作為輕度干旱脅迫(LS)，土壤飽和含水率在35%～40%作為中度干旱處理(MS)，土壤飽和含水率在15%～20%作為重度干旱(HS).試驗(yàn)開始前對(duì)實(shí)生苗進(jìn)行充分澆水，使土壤飽和含水率保持一致，每天18：00通過稱重法控制水分，直到土壤飽和含水率保持在脅迫范圍內(nèi)開始進(jìn)行脅迫處理.每個(gè)處理20盆，重復(fù)3次.脅迫開始第5、10、15、20和25 天進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為8：00—9：00，選擇新梢3～5節(jié)成熟葉片進(jìn)行測(cè)定.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

丙二醛(MDA)含量采用TBA比色法[14]；脯氨酸(PRO)含量測(cè)定采用酸性茚三酮比色法[15]；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法[16]；可溶性糖采用蒽酮比色法[17]，每個(gè)處理重復(fù)3次.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并繪制圖表，采用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析以及主成分分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)福建山櫻花、日本櫻花MDA含量的影響

脅迫5 d時(shí)，對(duì)照處理的丙二醛含量為5.532 μmol·L-1，而重度干旱處理的丙二醛含量為8.963 μmol·L-1，福建山櫻花丙二醛含量隨著水分的降低不斷升高.脅迫25 d時(shí)，對(duì)照處理的丙二醛含量為6.459 μmol·L-1，重度干旱處理的丙二醛含量約為對(duì)照的3.5倍.隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，不同脅迫程度下的福建山櫻花丙二醛含量顯著升高，在脅迫25 d時(shí)重度干旱處理的丙二醛含量達(dá)到最大值.隨著水分含量的下降，福建山櫻花丙二醛含量在重度干旱時(shí)達(dá)到最大值(圖1A).日本櫻花在第5天時(shí)，對(duì)照處理丙二醛含量為5.875 μmol·L-1，而重度干旱處理的丙二醛含量為8.334 μmol·L-1，丙二醛含量隨著水分降低呈現(xiàn)出升高趨勢(shì).25 d時(shí)丙二醛含量差異達(dá)到最大值，對(duì)照處理含量6.524 μmol·L-1，重度干旱處理下達(dá)到最大值19.449 μmol·L-1(圖1B).

在干旱脅迫下，日本櫻花丙二醛含量與福建山櫻花呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)(圖1)，在中度干旱與重度干旱條件下，兩種樹種丙二醛含量呈現(xiàn)出顯著相關(guān)(P<0.05)且福建山櫻花丙二醛含量相比對(duì)照值上升幅度大于日本櫻花.結(jié)果表明，丙二醛含量與脅迫時(shí)間呈正相關(guān)，與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，隨著脅迫時(shí)間與干旱程度的增加丙二醛含量呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，福建山櫻花葉片相比于日本櫻花對(duì)水分更為敏感.

A：福建山櫻花；B：日本櫻花.不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).圖1 福建山櫻花與日本櫻花葉片MDA含量變化Fig.1 Changes of MDA content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

2.2 干旱脅迫對(duì)福建山櫻花、日本櫻花PRO含量的影響

MS以及HS處理下的福建山櫻花脯氨酸含量隨著脅迫時(shí)間的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，差異達(dá)到顯著水平，輕度干旱條件下脯氨酸含量呈現(xiàn)出隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)照值則沒有顯著變化.在第10天，重度干旱條件下脯氨酸含量達(dá)到最大值(25.258 μg·g-1)，約為對(duì)照處理的8倍.第15天，重度干旱下脯氨酸含量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而中度干旱含量則上升，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)中度干旱處理下的脯氨酸含量逐漸超越重度干旱處理；第20天，中度干旱處理與重度干旱處理脯氨酸含量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)(圖2A).日本櫻花與福建山櫻花脯氨酸含量呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，在第10天，達(dá)到最高值(29.229 μg·g-1).同樣在第15天時(shí)中度干旱處理脯氨酸含量超過重度干旱處理脯氨酸含量，中度干旱處理在第15天達(dá)到最大值，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，脯氨酸含量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)(圖2A).

在不同脅迫程度下，福建山櫻花與日本櫻花脯氨酸含量均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，福建山櫻花與日本櫻花兩種樹種間脯氨酸含量差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，日本櫻花脯氨酸含量均值大于福建山櫻花，說明日本櫻花葉片在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)脯氨酸含量增長(zhǎng)量較大(圖2).

2.3 干旱脅迫對(duì)福建山櫻花、日本櫻花可溶性糖含量的影響

福建山櫻花、日本櫻花可溶性糖含量隨著脅迫時(shí)間的增長(zhǎng)，均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)(圖3).在第10天時(shí)，重度干旱處理下兩種樹種可溶性糖含量均達(dá)到最大值，相比對(duì)照處理，福建山櫻花可溶性糖含量增長(zhǎng)138%，日本櫻花增長(zhǎng)140%；脅迫第15天，中度干旱處理下的兩種樹種可溶性糖含量達(dá)到最大值；脅迫結(jié)束時(shí)，輕度干旱、中度干旱、重度干旱處理福建山櫻花可溶性糖含量相比對(duì)照處理分別增長(zhǎng)39.8%、59.5%、18.3%，日本櫻花相比對(duì)照處理分別增長(zhǎng)37.6%、100%、4%.

A：福建山櫻花；B：日本櫻花.不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).圖2 福建山櫻花與日本櫻花葉片PRO含量變化Fig.2 Changes of proline content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

不同干旱程度下福建山櫻花與日本櫻花可溶性糖含量變化呈現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01)，兩種樹種間可溶性糖含量變化也呈現(xiàn)出極顯著差異水平(P<0.01)，日本櫻花葉片在干旱脅迫條件下可溶性糖含量變化較為明顯(圖3).

A：福建山櫻花；B：日本櫻花.不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).圖3 福建山櫻花與日本櫻花葉片可溶性糖含量變化Fig.3 Changes of soluble sugar content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

2.4 干旱脅迫對(duì)福建山櫻花、日本櫻花可溶性蛋白含量的影響

不同水分條件下福建山櫻花可溶性蛋白含量均隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)(圖4A).重度干旱處理可溶性蛋白含量在脅迫第15天達(dá)到最大值(18.792 mg·g-1)，相比對(duì)照處理增長(zhǎng)182%，脅迫結(jié)束時(shí)可溶性蛋白含量相比對(duì)照值下降6.7%；中度干旱處理可溶性蛋白含量在脅迫第20 d達(dá)到最大值(16.227 mg·g-1)，相比對(duì)照增長(zhǎng)152%，脅迫結(jié)束時(shí)，相比對(duì)照上升126%；輕度干旱處理下可溶性蛋白含量隨脅迫時(shí)間的增長(zhǎng)，出現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，脅迫結(jié)束時(shí)，相比對(duì)照上升55.7%.日本櫻花可溶性蛋白含量變化趨勢(shì)與福建山櫻花相同，第15天，重度干旱處理達(dá)到最大值(19.146 mg·g-1)，相比對(duì)照增長(zhǎng)196%；第20天，中度干旱處理達(dá)到最大值(19.121mg·g-1)，相比對(duì)照升高184%；輕度處理隨脅迫時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì).脅迫結(jié)束時(shí)，輕度干旱、中度干旱、重度干旱相比于對(duì)照分別上升70.4%、157%、84.5%(圖4B).

水分條件不同時(shí)，福建山櫻花與日本櫻花可溶性蛋白含量呈現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01)，兩種樹種間可溶性蛋白含量表現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01)，干旱脅迫下日本櫻花葉片可溶性蛋白含量積累較多(圖4).

2.5 福建山櫻花與日本櫻花抗旱性綜合評(píng)價(jià)

植物的抗旱性是各項(xiàng)指標(biāo)的綜合反映結(jié)果，主成分分析法通過系統(tǒng)分析各抗旱指標(biāo)全面且準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)植物抗旱能力.各主成分得分是其加權(quán)值，主成分所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率是其權(quán)重，根據(jù)主成分的特征向量計(jì)算出各抗旱指標(biāo)的得分，按得分多少評(píng)定樹種的抗旱能力[18].對(duì)兩種櫻花的4種生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，前兩個(gè)特征值的累積貢獻(xiàn)率達(dá)92.472%，在一定程度上代表了原始指標(biāo)的信息(表1).根據(jù)表2可知，第一主成分特征根為3.012，方差貢獻(xiàn)率為75.310%，包括了丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白指標(biāo)信息，其中可溶性蛋白含量系數(shù)最大，脯氨酸和可溶性糖其次，丙二醛含量系數(shù)最低，表明了可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖是反映兩種櫻花干旱脅迫的重要指標(biāo)，丙二醛含量次之.通過對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定，兩種櫻花抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)槿毡緳鸦?福建山櫻花(表3).

A：福建山櫻花；B：日本櫻花.不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).圖4 福建山櫻花與日本櫻花葉片可溶性蛋白含量變化Fig.4 Changes of soluble protein content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

主成分初始特征值合計(jì)方差貢獻(xiàn)率/%累積貢獻(xiàn)率/%提取平方和載入合計(jì)方差百分比/%累積貢獻(xiàn)率/%13.01275.31075.3103.01275.31075.31020.68617.16292.4720.68617.16217.16230.1774.42196.89340.1243.107100.000

表2 福建山櫻花與日本櫻花干旱脅迫生理指標(biāo)的主成分分析結(jié)果Table 2 Results of principal component analysis of physiological indexes of Prunus campanulata and Prunus yedoensis under drought stress

表3 干旱脅迫下福建山櫻花與日本櫻花綜合評(píng)定結(jié)果Table 3 Comprehensive evaluation results of Prunus campanulata and Prunus yedoensis under drought stress

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫進(jìn)程中，植物缺水導(dǎo)致的滲透壓變化在一定限度范圍內(nèi)是通過自我調(diào)節(jié)來減緩?fù)饨鐚?duì)其的影響，超過自我調(diào)節(jié)限度則植物無法正常生長(zhǎng)，植物改變體內(nèi)滲透壓主要通過滲透物質(zhì)的合成，大量研究表明植物滲透調(diào)節(jié)能力的強(qiáng)弱和脅迫條件下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的累積量以及累積持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)[19-22].

本研究結(jié)果顯示，兩種櫻花MDA、PRO、可溶性糖、可溶性蛋白含量均高于對(duì)照處理，說明干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉片可溶性滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化，表明干旱脅迫下福建山櫻花與日本櫻花具有一定的滲透調(diào)節(jié)能力.

干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)有不同的變化趨勢(shì).兩種櫻花滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化趨勢(shì)一致，MDA含量在脅迫初期保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢上升；脯氨酸含量在脅迫初期顯著升高，第10天積累量最大，到后期逐漸降低；可溶性糖含量變化趨勢(shì)與脯氨酸類似，在脅迫第10天達(dá)到最大值后逐漸降低；可溶性蛋白含量在脅迫第15天達(dá)到最大值，之后隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低.兩種櫻花的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白在脅迫前、中期大量積累，而后期逐漸降低，兩種櫻花在受到干旱脅迫時(shí)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)迅速積累，以抵御外界干旱條件.

MDA含量高低能反映出細(xì)胞膜的受損程度，本研究中，MDA含量與脅迫時(shí)間表現(xiàn)出正相關(guān)，可能是由于干旱導(dǎo)致活性氧的積累速度大于保護(hù)酶的清除速度，活性氧可使細(xì)胞膜發(fā)生鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)，丙二醛含量增加，最終引起植物代謝紊亂[23].脯氨酸是一種較為理想的細(xì)胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可作為氮源與呼吸底物，逆境脅迫下植物體內(nèi)原有的蛋白質(zhì)合成會(huì)受阻，但會(huì)產(chǎn)生一些新的蛋白[24]，輕度干旱有助于PRO含量的積累但重度干旱其含量下降，可能是由于重度干旱限制了碳水化合物的合成導(dǎo)致谷氨酸生成受阻，進(jìn)而影響PRO的合成[25].可溶性蛋白含量越高細(xì)胞水勢(shì)就越低，細(xì)胞抵御干旱能力越強(qiáng).一些研究認(rèn)為，干旱脅迫會(huì)抑制蛋白質(zhì)的合成并加速其水解，導(dǎo)致可溶性蛋白含量下降[26,27],但同時(shí)也有一定的證據(jù)表明，輕度脅迫能促進(jìn)不溶蛋白在相關(guān)酶的作用下轉(zhuǎn)化為可溶性蛋白，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，重度脅迫下植物生長(zhǎng)代謝受阻，蛋白合成受阻，本研究結(jié)論與后者較為相似，干旱脅迫下可溶性糖的積累能增強(qiáng)部分生理代謝反應(yīng)，如原生質(zhì)黏度增大，細(xì)胞液濃度增大，有利于提高植物對(duì)水分的吸收能力和保水能力，提高原生質(zhì)膠體束縛水含量，保持部分水解酶活性，從而保持原生質(zhì)結(jié)構(gòu)[28]；可溶性糖的積累可能與植物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸受阻有關(guān)，干旱脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)的養(yǎng)分運(yùn)輸受阻，光合產(chǎn)物運(yùn)輸受阻，研究表明，在脅迫初期物質(zhì)同化運(yùn)輸能力有所增強(qiáng)，持續(xù)的干旱會(huì)起抑制作用[29]，可溶性糖含量上升具有滯后性，主要在脅迫中期上升較快，后期逐漸下降，這與韓蕊蓮[30]對(duì)干旱脅迫下沙棘(Hippophaerhamnoides)葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的研究結(jié)果相一致.通過主成分分析法對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定得出，日本櫻花抗旱性強(qiáng)于福建山櫻花，影響兩種樹種抗旱調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的具體原因仍不明確，還需后期進(jìn)行大量試驗(yàn)驗(yàn)證，這些結(jié)果可為不同地區(qū)樹種栽植選擇提供建議，為樹種篩選抗性基因研究提供理論依據(jù)，為選育抗性較好的櫻花樹種提供理論可能.