干旱脅迫對(duì)4種木蘭科樹(shù)種生理特性的影響

馬 斌，張 婭，吳 毅，李嬌婕，廖天柱，曹基武

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

干旱是我國(guó)最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，也是制約林業(yè)發(fā)展的全球性問(wèn)題。在全球變暖的氣候背景下，極端天氣所造成的氣候?yàn)?zāi)害事件頻發(fā)，干旱受災(zāi)區(qū)域逐漸由我國(guó)北部地區(qū)向南部地區(qū)蔓延。如何提高植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)性一直以來(lái)都是生態(tài)學(xué)專(zhuān)家研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)迫切需要解決的難題。干旱是限制木蘭科樹(shù)種推廣應(yīng)用最主要的逆境因素，由于這些地區(qū)水資源匱乏，限制了以灌溉途徑提高推廣面積，因此，提高品種的抗旱性成為木蘭科育種的一個(gè)重要目標(biāo)。缺少種質(zhì)資源的抗旱性、形態(tài)、生理生化特性等抗旱性狀信息，使木蘭科抗旱育種工作進(jìn)展緩慢。因此，深入研究不同種的抗旱性，鑒定抗旱相關(guān)性狀及不同種的抗旱機(jī)制，成為抗旱育種的重要前提。武當(dāng)木蘭為落葉喬木，主產(chǎn)我國(guó)湖北、四川、陜西、甘肅以及河南等省區(qū)，以其生長(zhǎng)迅速、適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，加之樹(shù)姿雄偉、花色鮮艷、芳香四溢、材質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，成為城市綠化的重要樹(shù)種[1]。樂(lè)昌含笑葉密濃綠，樹(shù)姿優(yōu)美，花果期長(zhǎng)，在長(zhǎng)江以南地區(qū)廣泛種植。紅花木蓮樹(shù)形高大、姿態(tài)優(yōu)美、花繁實(shí)累、色彩鮮明，具有濃郁的芳香等，是一種優(yōu)良的綠化樹(shù)種，樹(shù)形優(yōu)美、樹(shù)干通直、花大而美[2]。樂(lè)東擬單性木蘭不僅為我國(guó)特有物種，而且具有極高的觀賞和用材價(jià)值[3]。目前還未見(jiàn)干旱脅迫對(duì)這4 種樹(shù)種生理特性影響的報(bào)道。采用盆栽試驗(yàn)和自然干旱處理獲得多級(jí)土壤干旱脅迫梯度的方法，測(cè)定了4 個(gè)樹(shù)種在不同程度土壤干旱下6個(gè)生理生化指標(biāo)的變化。研究目的：1）明確4 個(gè)樹(shù)種在不同程度干旱脅迫下主要生理生化指標(biāo)水平的變化過(guò)程及其差別；2）從生理生化角度探索4 個(gè)樹(shù)種的生理變化與土壤水分的定量關(guān)系及其抗旱能力與潛在機(jī)制，為深入了解4 個(gè)樹(shù)種的抗旱生理生態(tài)特征、抗旱機(jī)理和能力提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次所進(jìn)行試驗(yàn)的木蘭科植物包括武當(dāng)木蘭Magnolia sprengeri、紅花木蓮Manglietia insignis、樂(lè)昌含笑Michelia chapensis和樂(lè)東擬單性木蘭Parakmeria lotungensis，研究對(duì)象涵蓋地域比較廣泛，主要分布于長(zhǎng)江以南地區(qū)，西南部以及南部，北方也有栽培。4 種木蘭科植物均栽植于中南林業(yè)科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)苗圃，為1年生實(shí)生苗，平均株高為25 cm，且生長(zhǎng)狀況良好。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤干旱處理

2018年10月初將試驗(yàn)用的木蘭科植物盆栽苗木移入室內(nèi)，共設(shè)置4 個(gè)干旱脅迫處理，各處理的土壤相對(duì)含水量（土壤含水量占土壤田間持水量的百分?jǐn)?shù)）分別為80%（T1）、60%（T2）、40%（T3）和20%（T4），以土壤相對(duì)含水量為100%作為對(duì)照處理（CK），每個(gè)處理12 盆，每種植物共60 盆，4 種植物共240 盆。10月下旬所有試驗(yàn)盆土均達(dá)到設(shè)定含水量后開(kāi)始控水，每日12:00 稱(chēng)重，并補(bǔ)充當(dāng)日失去的水分，以保持各處理所設(shè)定的土壤含水量。50 d 后測(cè)定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

根冠比指植物地下部分與地上部分的鮮質(zhì)量或干質(zhì)量的比值；葉綠素含量采用80%丙酮浸提，分光光度法測(cè)定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法，595 nm 比色。丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸比色法；過(guò)氧化物酶（POD）活性的測(cè)定采用用愈創(chuàng)木酚法；過(guò)氧化氫酶（CAT）的測(cè)定采用紫外線(xiàn)吸收測(cè)定法。

1.3 數(shù)據(jù)分析與作圖

采用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖，應(yīng)用SPSS 22.0 分析軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)4 種木蘭科植物根冠比的影響

土壤中常有一定的可用水，所以根系相對(duì)不易缺水。而地上部分則依靠根系供給水分，又因枝葉大量蒸騰，所以地上部水分容易虧缺，因此土壤水分不足對(duì)地上部分的影響比對(duì)根系的影響更大，植物根冠比的大小反映了植物地下部分與地上部分的相關(guān)性[4]。通過(guò)表1可以看出，隨著干旱脅迫環(huán)境的的持續(xù)惡化，在T1、T2、T3梯度時(shí)，4 種木蘭科植物的根冠比呈上升趨勢(shì)，并且每種植物的變化趨勢(shì)差異不顯著（P＞0.05）。在T4 梯度時(shí)，植物的根冠比明顯高于對(duì)照組，差異顯著（P＜0.05）。其中武當(dāng)木蘭表現(xiàn)為上升最快，相對(duì)于CK 組上升188%，并在T4 梯度達(dá)到最高點(diǎn)。樂(lè)昌含笑在根冠比中其漲幅最低，相對(duì)于CK 組上升26%。由表得知，樂(lè)昌含笑的抗旱性相對(duì)較強(qiáng)，武當(dāng)木蘭的抗旱性相對(duì)較弱。

表1 干旱脅迫下根冠比的變化?Table 1 Changes of fresh weight root-shoot ratio under drought stress

2.2 干旱脅迫對(duì)4 種木蘭科植物葉綠素的影響

由表2可知，隨著干旱脅迫環(huán)境的惡化，4 種木蘭科植物的葉綠素含量均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在T2 梯度時(shí)，樂(lè)昌含笑的葉綠素含量水平呈上升趨勢(shì)，達(dá)到其最高值后迅速下降，與其余3 種形成顯著性差異（P＜0.05）。在脅迫梯度T1、T2、T3 時(shí)，樂(lè)東擬單性木蘭的葉綠素含量保持持平的狀態(tài)，與對(duì)照組差異不顯著（P＞0.05）。隨后在嚴(yán)重干旱的環(huán)境下，所有植物的葉綠素含量到達(dá)最低水平，與CK 對(duì)照組相比，武當(dāng)木蘭下降74.08%，紅花木蓮下降54.92%，樂(lè)昌含笑下降59.48%，樂(lè)東擬單性木蘭下降31.33%，在脅迫環(huán)境惡化的過(guò)程中，樂(lè)昌含笑的葉綠素含量表現(xiàn)為先下降后升高再下降，樂(lè)東擬單性木蘭表現(xiàn)為先上升后下降，其余3 種木蘭科植物均為持續(xù)下降。因此，從葉綠素的含量變化可以看出，樂(lè)昌含笑和樂(lè)東擬單性木蘭在輕度干旱的條件下抗旱能力強(qiáng)于其余3 種，在重度干旱條件下，4 種木蘭科植物的抗旱水平趨于一致。

表2 干旱脅迫下葉綠素的變化Table 2 Changes of chlorophyll under drought stress

2.3 干旱脅迫對(duì)4 種木蘭科植物葉片生理生化指標(biāo)的影響

2.3.1 干旱脅迫對(duì)4 種木蘭科植物丙二醛（MDA）含量的影響

植被在惡劣環(huán)境下遭受損傷或者組織衰老會(huì)誘發(fā)膜脂過(guò)氧化現(xiàn)象，而膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物是丙二醛[5]。由圖1得知，隨著土壤相對(duì)含水量的逐漸減少，5 種植物葉片丙二醛含量呈上升趨勢(shì)。在T1 梯度時(shí)，紅花木蓮和樂(lè)東擬單性木蘭一致地表現(xiàn)出MDA 含量輕度上升，在T2 梯度時(shí)輕度下降，在T3、T4 梯度則持續(xù)升高，這可能是因?yàn)樵赥2 時(shí)，是其比較適宜生長(zhǎng)的環(huán)境，因此它們的MDA 含量降低。其中樂(lè)昌含笑在整個(gè)MDA 含量變化曲線(xiàn)中呈“W”型，在T4 階段達(dá)到整個(gè)曲線(xiàn)的最高值。造成這種現(xiàn)象的原因有可能與植物自身的修復(fù)機(jī)制有關(guān)，在T1、T3 梯度植物自身的代謝使其對(duì)干旱環(huán)境做出抗性，讓其MDA 含量下降，在T4 梯度時(shí)，脅迫環(huán)境已經(jīng)破壞了其生理代謝修復(fù)功能，因此其含量急劇上升。武當(dāng)木蘭在整個(gè)曲線(xiàn)變化中保持穩(wěn)定的上升趨勢(shì)。通過(guò)植物葉片MDA 含量曲線(xiàn)變化，發(fā)現(xiàn)樂(lè)昌含笑的抗旱性較好，紅花木蓮的抗旱性相對(duì)較差。

圖1 丙二醛含量的變化Fig.1 Changes in malondialdehyde (MDA) content

2.3.2 干旱脅迫對(duì)4 種木蘭科植物過(guò)氧化物酶（POD）含量的影響

由于過(guò)氧化物酶（POD）能清除植物體內(nèi)過(guò)多的H2O2等過(guò)氧化物，防止H2O2對(duì)細(xì)胞膜的傷害，是細(xì)胞內(nèi)防御酶系統(tǒng)中重要的清除酶之一。因此它也是衡量植物抗旱能力的重要指標(biāo)之一[6]。由圖2得知，隨著脅迫環(huán)境的惡化，4 種木蘭科植物的POD 含量均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，其中武當(dāng)木蘭和紅花木蓮在T4 梯度時(shí)，它們的POD 含量達(dá)到最高，均為131.67 U·g-1min-1。樂(lè)昌含笑在整個(gè)曲線(xiàn)變化中，在T1 梯度時(shí)它的POD 含量表現(xiàn)為輕度下降，隨后急劇上升，并在T4 梯度時(shí)達(dá)到最高含量，為97.51 U·g-1min-1。從過(guò)氧化物酶（POD）含量曲線(xiàn)圖可以看出武當(dāng)木蘭和紅花木蓮的抗旱性較高，樂(lè)東擬單性木蘭的抗旱性較低。

圖2 過(guò)氧化物酶活性含量的變化Fig.2 Changes of peroxidase (POD) activity content

2.3.3 干旱脅迫對(duì)4種木蘭科植物可溶性蛋白（SP）含量的影響

可溶性蛋白質(zhì)在植物逆境中是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，由圖3得知，隨著脅迫環(huán)境的惡化，所有植物的可溶性蛋白質(zhì)含量均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，并且在T4 梯度時(shí)，4 種植物的可溶性蛋白含量均下降到最低值，均在10 μg·g-1以下。在整個(gè)脅迫實(shí)驗(yàn)中，樂(lè)昌含笑的變化最大，T4 梯度含量比CK組含量下降69.95%，紅花木蓮的SP 值變化最小，T4 梯度的含量比CK 組含量下降35.71%。整體而言，5 種木蘭科植物的差異性較小，從可溶性蛋白含量來(lái)看，樂(lè)昌含笑的抗旱性表現(xiàn)較強(qiáng)，紅花木蓮的抗旱性相對(duì)較差。

2.3.4 干旱脅迫對(duì)4 種木蘭科植物過(guò)氧化氫酶（CAT）含量的影響

根據(jù)圖4可以看出，植物CAT 含量與土壤含水量關(guān)系較為密切，隨著干旱脅迫環(huán)境的惡化，樂(lè)昌含笑、武當(dāng)木蘭和樂(lè)東擬單性木蘭均表現(xiàn)出CAT 含量先升高后降低的趨勢(shì)，在T2 梯度時(shí)，樂(lè)東擬單性木蘭，樂(lè)昌含笑達(dá)到其峰值，分別為3.32 U·g-1min-1，2.94 U·g-1min-1。隨后迅速下降，并在T4 梯度時(shí)，達(dá)到最低，分別為1.17、0.74 U·g-1min-1。武當(dāng)木蘭在T1 梯度表現(xiàn)輕微上升后急劇下降，并在T4梯度時(shí)達(dá)到接近0 的最低值，造成這種原因可能是干旱脅迫太嚴(yán)重，已經(jīng)破壞了植物的生理細(xì)胞的活性。紅花木蓮在整個(gè)過(guò)程保持持續(xù)下降。整個(gè)過(guò)程可以看到樂(lè)昌含笑在T2 時(shí)CAT 含量上升最高，幅度最大，因此抗旱性較強(qiáng)。

圖3 可溶性蛋白含量的變化Fig.3 Changes of soluble protein (SP) content

圖4 過(guò)氧化氫酶含量的變化Fig.4 Changes of catalase content

3 結(jié)論與討論

植物所處環(huán)境的土壤含水量不僅影響植物的株高，也影響著植物的根冠比。水分越適宜，植物的增長(zhǎng)也越快，水分不足對(duì)地上部分的影響比對(duì)根系的影響更大，使根冠比增大[4]。這與黃小輝等[7]和宋會(huì)興等[8]的研究結(jié)果一致。通過(guò)根冠比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，抗旱能力最強(qiáng)的為樂(lè)昌含笑，其次為樂(lè)東擬單性木蘭和紅花木蓮，抗旱性最差的為武當(dāng)木蘭。

光合作用是植物體內(nèi)一系列復(fù)雜的化合反應(yīng)，也是萬(wàn)物之源，是一切生物賴(lài)以生存的保障，植物在進(jìn)行光合作用的時(shí)候，最重要的細(xì)胞器是葉綠體，光合作用的效率的高低與體內(nèi)葉綠素含量成正向線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系[9]。在輕度干旱的條件下，樂(lè)昌含笑和樂(lè)東擬單性木蘭的葉綠素含量高于其余3 種，在重度干旱下，所有植物的葉綠素含量急劇下降，說(shuō)明此時(shí)干旱的環(huán)境已經(jīng)破壞了葉綠體從而導(dǎo)致葉綠素的急劇下降。這與張敏等[10]、謝小玉等[11]、姜雪昊等[12]的研究結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抗旱能力最強(qiáng)的為樂(lè)昌含笑，其次為樂(lè)東擬單性木蘭和武當(dāng)木蘭，抗旱能力最差的為紅花木蓮。

在植物受到惡劣的干旱環(huán)境時(shí)，細(xì)胞膜就會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化，它的最終產(chǎn)物就是丙二醛。丙二醛的多少，它影響著細(xì)胞膜損傷程度的多少[13-14]。王雅靜等[15]的研究數(shù)據(jù)表明，細(xì)胞膜的損傷程度，與修復(fù)程度兩者之間，是存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，樂(lè)昌含笑在T1 和T3 梯度時(shí)丙二醛含量下降，說(shuō)明此時(shí)植物的抗旱能力增加，產(chǎn)生的丙二醛減少，即樂(lè)昌含笑的抗旱性最強(qiáng)。紅花木蓮產(chǎn)生的丙二醛最多，而且隨著環(huán)境越干旱丙二醛含量上升的越快，說(shuō)明紅花木蓮的抗旱性最弱。這和吳曉鳳等[16]與霍建玲等[17]的研究結(jié)果基本一致。

CAT 和POD 都是植物體內(nèi)膜系統(tǒng)的重要抗氧化酶，它們能夠有效清除生物體內(nèi)的自由基。隨著干旱程度的加重和干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，生物體內(nèi)的自由基和活性氧也均會(huì)增多，進(jìn)而對(duì)膜系統(tǒng)造成危害[18]。本研究結(jié)果顯示，在CAT的含量變化里，樂(lè)昌含笑隨著干旱環(huán)境的惡化，它的CAT 含量急劇上升，說(shuō)明其抗旱能力是最強(qiáng)的，這與原向陽(yáng)等[19]和王啟明[20]的研究結(jié)果基本一致。在POD含量變化曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)武當(dāng)木蘭抗旱性最強(qiáng)。

可溶性蛋白（SP）含量是植物代謝過(guò)程中蛋白質(zhì)損傷的一項(xiàng)重要指標(biāo)，韓蕊蓮等[21]研究認(rèn)為，輕度干旱脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)可溶性蛋白含量上升，而重度或中度干旱脅迫則導(dǎo)致其含量下降，且脅迫程度越強(qiáng)，下降幅度越明顯。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)梯度跨度比較大，因此整個(gè)過(guò)程植物的SP 值都有所下降，但是從SP 值含量得知，樂(lè)昌含笑最大，紅花木蓮最小。因此樂(lè)昌含笑抗旱性較強(qiáng)，紅花木蓮較弱。

影響植物抗旱性的因素眾多，同一種因素每個(gè)植物所表現(xiàn)的差異性也蠻大，因此同一種抗旱指標(biāo)對(duì)于每個(gè)植物反應(yīng)出來(lái)的結(jié)果也不盡相同。不同的干旱脅迫條件下，4 種木蘭科樹(shù)種的根冠比、葉綠素含量、丙二醛（MDA）含量、過(guò)氧化物酶（POD）含量、過(guò)氧化氫酶（CAT）含量、可溶性蛋白（SP）含量這6 個(gè)指標(biāo)發(fā)生了顯著的變化，其中根冠比、丙二醛、過(guò)氧化物酶（POD）等3個(gè)標(biāo)指與土壤相對(duì)含水量呈負(fù)相關(guān)；可溶性蛋白（SP）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、葉綠素等3 個(gè)指標(biāo)與土壤相對(duì)含水量呈正相關(guān)。并且綜合6 項(xiàng)指標(biāo)得出樂(lè)昌含笑的抗旱能力最強(qiáng)，其次是樂(lè)東擬單性木蘭和武當(dāng)木蘭，抗旱能力最弱為紅花木蓮。但本實(shí)驗(yàn)研究的樹(shù)種數(shù)量較少，可能與實(shí)際情況存在差異，大樣本的研究是否符合這種規(guī)律有待于進(jìn)一步研究。本實(shí)驗(yàn)比較全面地分析了干旱條件下木蘭科樹(shù)種生長(zhǎng)特性的變化，為其以后木蘭科樹(shù)種的栽培選育提供較為科學(xué)的理論依據(jù)。