檸條錦雞兒和沙拐棗主根暴露后的生理響應(yīng)及抗逆機(jī)理

王 歡,張 萍,王 朔,郭佳茹,王 博,張 昱,秦海琴,靳 磊

寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川 751500

壤風(fēng)蝕是發(fā)生于干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)土地沙漠化過(guò)程的首要環(huán)節(jié),也是固定沙丘活化,植物種群更新與演替的影響因素之一[1]。合理選擇搭配防風(fēng)固沙植物可有效控制風(fēng)沙活動(dòng)、維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)穩(wěn)定[2]。沙拐棗和檸條錦雞兒是流動(dòng)半流動(dòng)沙丘(沙地)上草方格沙障內(nèi)常套種的固沙植物種[3- 5],揭示固沙植物的抗風(fēng)蝕生理生化調(diào)節(jié)機(jī)制,對(duì)今后的防風(fēng)固沙選種及撫育工作具有指導(dǎo)意義。

風(fēng)蝕對(duì)植物的影響主要有兩方面,一是風(fēng)沙流對(duì)植物的拍打、磨蝕和劈裂等物理傷害；另一方面是風(fēng)蝕帶走地表沙土使植物根系暴露,甚至使其喪失固著能力。在發(fā)生風(fēng)沙活動(dòng)的地區(qū)沙埋、風(fēng)蝕和風(fēng)沙流磨蝕是同時(shí)存在的,目前有關(guān)沙埋對(duì)植物生長(zhǎng)和生理的影響研究較多,而風(fēng)沙流對(duì)植物地上部分機(jī)械性損傷以及風(fēng)蝕導(dǎo)致植物根系暴露后生長(zhǎng)及生理響應(yīng)的研究較少。大量研究發(fā)現(xiàn)沙埋后植物生理指標(biāo)表現(xiàn)為,植物體內(nèi)活性氧升高,致超氧化物歧化酶(SOD,Superoxide Dismutase)和過(guò)氧化物酶(POD,Peroxidase)活性增強(qiáng),并及時(shí)清除過(guò)氧化物,保護(hù)細(xì)胞膜不被氧化；滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的脯氨酸含量也升高,降低細(xì)胞的滲透勢(shì),防止細(xì)胞脫水；植物生產(chǎn)低于消耗,作為儲(chǔ)存物質(zhì)的可溶性糖被分解利用維持生長(zhǎng),含量呈下降趨勢(shì)[6- 12]。沙下葉片遭遇黑暗和缺氧脅迫,丙二醛(MDA,Malondialdehyde)含量增幅越小代表植物抗沙埋特性越強(qiáng)[13]。與沙埋相反,風(fēng)蝕將植物根系大量暴露在地表,使植物受到高溫、水分缺乏和營(yíng)養(yǎng)匱乏的威脅,顯著降低植物葉水勢(shì)和氣孔導(dǎo)度,抑制光合作用,限制植物的生長(zhǎng)[14- 16],另一方面風(fēng)蝕帶走沙土從而改變了植物的生長(zhǎng)環(huán)境,進(jìn)而影響植物的更新和繁殖方式[17]。我們通過(guò)野外考察也發(fā)現(xiàn),大量固沙植物因沙丘活化或處在風(fēng)蝕強(qiáng)烈區(qū),致使其根系逐漸裸露,直至植株死亡。本試驗(yàn)以常見(jiàn)典型固沙植物檸條錦雞兒和沙拐棗為研究對(duì)象,采樣測(cè)量主根暴露不同處理深度后三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的各項(xiàng)生理指標(biāo),從而揭示檸條錦雞兒和沙拐棗遭受風(fēng)蝕導(dǎo)致根系暴露后的生理動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程及抗逆機(jī)理。

1 研究區(qū)概況及研究方法

寧夏靈武白芨灘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(E106°20′22″—106°37′19″,N37°49′05″—38°20′54″)位于我國(guó)西部鄂爾多斯臺(tái)地西南緣,常見(jiàn)人工固沙植物有檸條錦雞兒、沙拐棗、花棒(Hedysarumscoparium)等。氣候?qū)僦袦馗珊禋夂騾^(qū),具有典型的大陸性氣候特征,全年日照時(shí)數(shù)3080 h,平均無(wú)霜期157 d,植物生長(zhǎng)期持續(xù)170 d,年平均≥10℃積溫3351.3℃,年平均氣溫8.8℃,年均降水量206.2—255.2 mm。年平均風(fēng)速5.1 m/s,東南風(fēng)較多,西北西南風(fēng)次之,4級(jí)風(fēng)天數(shù)70.9 d,冬春季風(fēng)沙多。保護(hù)區(qū)南部以沙地丘陵為主,北部以山地荒漠為主,最高海拔為1650 m。

于2018年4月14日,在保護(hù)區(qū)南部的固定沙丘迎風(fēng)側(cè)(西北朝向),選取以8年生的檸條錦雞兒和沙拐棗為建群種的樣地。沙拐棗平均株高1.5 m,處在展葉期,檸條錦雞兒平均株高2 m,處在開(kāi)花期。兩個(gè)植物種各選取長(zhǎng)勢(shì)相近的12株作為供試材料,供試材料中的3株為正常生長(zhǎng)的對(duì)照,剩余9株分成3組進(jìn)行主根暴露處理,3組的暴露深度分別為10、20、30 cm,每組3個(gè)重復(fù)。考慮到不同植物種和各植株間的側(cè)根根系生長(zhǎng)均有差異,因此盡可能只暴露主根(挑選主根暴露段上側(cè)根較少的植株),揭示僅主根暴露后對(duì)植株生理的影響。首先用記號(hào)筆在供試植株主根的土表處做一記號(hào),之后人為用手將主根周圍的沙土(面積約10 cm×10 cm)扒掉使其暴露至處理深度,在處理后的土表處再做標(biāo)記。處理后每隔7d采集一次葉片,共采集3次。采集時(shí)將植株按東西南北四個(gè)方向分為四部分,每個(gè)方向上在植株的上、中、下采集葉片,采集后的葉片混合均勻后用錫箔紙包住放入盛有干冰的保溫桶內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室,放入-80℃的超低溫冰箱保存待測(cè)。

采用分光光度法測(cè)葉綠素含量,茚三酮法測(cè)脯氨酸含量,硫代巴比諾酸顯色法,蒽酮法測(cè)可溶性糖含量,愈創(chuàng)木酚法測(cè)過(guò)氧化物酶(POD)活性,NBT還原法測(cè)SOD活性,紫外吸收法測(cè)過(guò)氧化氫酶(CAT)的活性[18]。

各生理指標(biāo)值變化率的計(jì)算公式：

式中,Kt為植物處理第t天的某一生理指標(biāo)的變化率；At為第t天處理組的某一生理指標(biāo)的平均值,Bt為第t天對(duì)照組的某一生理指標(biāo)的平均值。

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以及基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖；采用SPSS18.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素含量及葉綠素(a/b)對(duì)根系暴露深度的響應(yīng)

檸條錦雞兒在3種不同根系暴露深度(10、20、30 cm)處理下,其葉綠素含量及Chl(a/b)相較對(duì)照組的變化如圖1、2所示。檸條錦雞兒在根系暴露10 cm深度后的3個(gè)觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)(7、14、21 d),其葉綠素含量和Chl(a/b)與對(duì)照組相比均無(wú)顯著性差異；20 cm深度處理下隨暴露時(shí)間延長(zhǎng)葉綠素含量和Chl(a/b)先低于對(duì)照組后高于對(duì)照組(葉綠素含量高于對(duì)照時(shí)有顯著差異(P<0.05,下同),Chl(a/b)低于對(duì)照時(shí)有顯著差異)；30 cm深度處理下第7天葉綠素含量和Chl(a/b)均顯著低于對(duì)照組,第14天時(shí)處理組與對(duì)照組間的葉綠素含量和Chl(a/b)差異逐漸減小(葉綠素含量已無(wú)顯著差異,Chl(a/b)仍顯著低于對(duì)照),第21天葉綠素含量和Chl(a/b)與對(duì)照組間均無(wú)顯著差異。

如圖1、2所示,沙拐棗根系暴露10 cm深度處理下,3個(gè)觀測(cè)期的葉綠素含量與對(duì)照間均無(wú)顯著性差異,20、30cm深度處理在第7天與對(duì)照間無(wú)顯著性差異,第14天和第21天均與對(duì)照間有顯著性差異；沙拐棗3個(gè)深度處理的Chl(a/b)在根系暴露至第7天和第14天時(shí)與對(duì)照間均存在顯著性差異(第7天顯著高于對(duì)照,第14天時(shí)20 cm和30 cm處理顯著低于對(duì)照),至第21天時(shí)3個(gè)處理與對(duì)照間均無(wú)顯著性差異。

圖1 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的葉綠素含量及其變化率Fig.1 Chlorophyll content and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth相同的字母表示各處理之間差異不顯著;不同的字母表示差異顯著(P<0.05)

圖2 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的Chl(a/b)及其變化率Fig.2 Chl(a/b) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

2.2 丙二醛(MDA)對(duì)根系暴露深度的響應(yīng)

如圖3所示,檸條錦雞兒根系暴露10、20 cm深度的MDA含量在觀測(cè)期內(nèi)與對(duì)照間均無(wú)顯著差異,30 cm深度的MDA含量在第7天、第14天低于對(duì)照值(P<0.05),第21天恢復(fù)至與對(duì)照無(wú)顯著差異；沙拐棗3個(gè)處理的MDA含量在觀測(cè)期內(nèi)均與對(duì)照間無(wú)顯著性差異。

圖3 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的丙二醛(MDA)及其變化率Fig.3 Malondialdehyde (MDA) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

2.3 可溶性糖和脯氨酸(Pro)對(duì)根系暴露深度的響應(yīng)

如圖4所示,檸條錦雞兒3個(gè)處理的可溶性糖含量在觀測(cè)期內(nèi)均與對(duì)照間無(wú)顯著性差異。沙拐棗3個(gè)處理的可溶性糖含量在第7天均與對(duì)照間存在顯著性差異(P<0.05)(各處理間無(wú)顯著差異),第14天、21天則與對(duì)照間無(wú)顯著性差異。綜上,30cm深度內(nèi)的根系暴露處理,對(duì)檸條錦雞兒的可溶性糖含量無(wú)影響,沙拐棗的可溶性糖含量隨暴露時(shí)間增長(zhǎng)表現(xiàn)為先上升后恢復(fù)至對(duì)照水平。

如圖5所示,檸條錦雞兒30 cm 深度處理的Pro含量?jī)H在第7天相比對(duì)照顯著升高(P<0.05),至第21天各處理間及其與對(duì)照間均無(wú)顯著性差異；10 cm深度處理下的沙拐棗Pro含量在第21天時(shí)相比對(duì)照顯著升高,其他處理在觀測(cè)期內(nèi)相比對(duì)照均無(wú)顯著性差異或未顯著上升。

圖4 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的可溶性糖含量及其變化率Fig.4 Soluble sugar content and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

圖5 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的脯氨酸(Pro)含量及其變化率Fig.5 Proline (Pro) content and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

2.4 過(guò)氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)對(duì)根系暴露深度的響應(yīng)

如圖6、圖7所示,檸條錦雞兒3個(gè)深度處理在觀測(cè)期內(nèi)的SOD活性均與對(duì)照間無(wú)顯著性差異,20、30 cm兩個(gè)處理的CAT活性在第7天和14天與對(duì)照存在顯著性差異(P<0.05)；沙拐棗10 cm深度處理的SOD活性和檸條錦雞兒10 cm深度處理的CAT活性在觀測(cè)期也均與對(duì)照間無(wú)顯著性差異；沙拐棗20、30 cm兩個(gè)處理下,SOD活性在第14天和21天,CAT活性在觀測(cè)期內(nèi)均與對(duì)照間存在顯著性差異(P<0.05)。綜上,檸條錦雞兒的SOD活性對(duì)3個(gè)深度處理均無(wú)顯著響應(yīng),CAT活性先升后降,在處理21 d后也恢復(fù)至對(duì)照水平；沙拐棗在20、30 cm兩個(gè)處理下,SOD活性和CAT活性至第21天時(shí)仍顯著低于對(duì)照(P<0.05),10 cm深度處理的SOD和CAT活性與對(duì)照間基本無(wú)顯著差異。

圖6 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的超氧化歧化酶(SOD)及其變化率Fig.6 Superoxide dismutase (SOD) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

圖7 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的過(guò)氧化氫酶(CAT)及其變化率Fig.7 Catalase (CAT) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

3 討論

3.1 沙拐棗主根暴露后的抗逆機(jī)理

與其他單因素對(duì)植物造成的逆境脅迫不同,風(fēng)蝕導(dǎo)致植物根系大量暴露在地表,使其可能受到高溫、水分和營(yíng)養(yǎng)缺乏等多因素共同作用的脅迫。沙拐棗遭受風(fēng)蝕致根系出露后的母株和分株的生長(zhǎng)和繁殖均受到影響,其母株和分株的葉綠素含量、凈光合速率、水分利用效率和同化枝長(zhǎng)度、數(shù)量等只有沙埋分株的50%左右[19]。超氧化物歧化酶(SOD),過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成,SOD催化氧自由基轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2,POD與CAT則一起分解由SOD作用產(chǎn)生的H2O2,生成無(wú)害的H2O,3種酶相互協(xié)調(diào)能有效清除代謝過(guò)程產(chǎn)生的活性氧[20-21]。有研究表明植物在輕度干旱脅迫下,SOD、POD、CAT活性會(huì)上升,但在中重度干旱脅迫下,其活性則會(huì)下降[22- 24],同時(shí)干旱脅迫會(huì)抑制葉綠素的生物合成并促使其降解[25]。可溶性糖和脯氨酸是植物組織內(nèi)理想的滲透調(diào)節(jié)物,當(dāng)其含量大幅度增加時(shí),細(xì)胞滲透勢(shì)降低,植物組織的持水能力提高,維持體內(nèi)水分,保護(hù)植物生理穩(wěn)態(tài)[26]。葉綠素a的含量與土壤水分呈正相關(guān),相同的干旱脅迫對(duì)葉綠素a比葉綠素b影響大[27]。本實(shí)驗(yàn)中的沙拐棗在根系暴露20—30 cm深度的后兩周,其SOD、CAT活性和葉素綠含量相比對(duì)照均顯著下降,MDA含量相比對(duì)照有所升高,加之觀測(cè)期是在沙丘土壤水分含量整體偏少的春季,由此推斷在春季干旱期根系暴露20 cm以上即對(duì)沙拐棗的抗氧化酶系統(tǒng)和光合作用造成影響,使其處于中重度的干旱脅迫狀態(tài),但沙拐棗根系暴露20 cm以內(nèi)的處理第一周,其SOD、CAT活性、Pro含量、葉綠素含量與對(duì)照間無(wú)顯著差異,而其可溶性糖含量、Chl(a/b)相比對(duì)照顯著升高,表明沙拐棗在此階段通過(guò)滲透調(diào)節(jié)功能和提高光能利用率來(lái)維持生理穩(wěn)態(tài)[14- 17]。綜上判斷春季干旱期的沙拐棗成株,根系暴露深度和暴露時(shí)長(zhǎng)均是決定其受脅迫程度的重要影響因素,根系暴露后的多因素作用中,以干旱脅迫作用為主。

3.2 檸條錦雞兒主根暴露后的抗逆機(jī)理

檸條錦雞兒根系暴露10 cm深度所測(cè)的各項(xiàng)生理指標(biāo)在觀測(cè)期內(nèi)與對(duì)照間均無(wú)顯著差異,意味著根系暴露10 cm深度對(duì)檸條錦雞兒未造成任何環(huán)境脅迫。MDA是膜脂過(guò)氧化作用的最終產(chǎn)物[28],當(dāng)植物處于干旱、高溫、鹽堿等逆環(huán)境脅迫時(shí),細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與消除的平衡就會(huì)受到破壞,導(dǎo)致活性氧大量積累,從而引發(fā)膜脂過(guò)氧化作用,造成MDA大量積累[29]。檸條錦雞兒根系暴露30 cm深度時(shí)其MDA含量在前兩周相比對(duì)照顯著下降,這與風(fēng)蝕沙埋后一些沙生植物幼苗MDA含量的變化趨勢(shì)一致[13-14,28],表明根系暴露后的逆境脅迫,未引發(fā)膜脂過(guò)氧化。檸條錦雞兒的葉綠素含量和Chl(a/b)在前期均存在不同程度下降,此結(jié)果與馬洋等發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕導(dǎo)致幼苗葉綠素含量降低的結(jié)果一致[30],植物在受干旱脅迫時(shí)葉綠素b的波動(dòng)較小[31],因此推測(cè)葉綠素含量及Chl(a/b)的下降是由葉綠素a合成變緩或分解過(guò)快所致,但隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng),其葉綠素含量及Chl(a/b)均恢復(fù)至對(duì)照水平。有研究表明弱干旱脅迫時(shí)CAT活性對(duì)植物抗性起主要作用,而強(qiáng)干旱脅迫時(shí)SOD和POD起主要作用[32],本研究中20 cm和30 cm深度處理的檸條錦雞兒CAT活性和Pro含量在處理后7 d內(nèi)顯著升高,21 d后又恢復(fù)至對(duì)照水平,而SOD活性始終與對(duì)照間無(wú)差異,因此判斷CAT活性增強(qiáng)和以游離脯氨酸為主的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)共同作用使其逐漸適應(yīng)根系暴露所致的環(huán)境脅迫。綜上,20—30 cm深度根系的出露造成檸條錦雞兒受輕度脅迫,但因檸條錦雞兒根系主要分布在60 cm層內(nèi),且其根系生物量密度顯著大于其他植物種,獲取水分和養(yǎng)分的能力較強(qiáng)[33],因此主根暴露30 cm深度對(duì)其并不能造成不可修復(fù)的生理?yè)p傷。

4 結(jié)論

在春季干旱期,不同物候期的檸條錦雞兒和沙拐棗根系暴露30 cm深度,兩者的生理響應(yīng)過(guò)程和適應(yīng)機(jī)理存在明顯的差異性。

(1)根系暴露10 cm深度對(duì)開(kāi)花期檸條錦雞兒未造成脅迫,20—30 cm深度的根系暴露,其通過(guò)CAT活性快速升高和游離脯氨酸為主的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共同作用,從而在21 d后恢復(fù)至正常水平。

(2)沙拐棗根系暴露20 cm深度以內(nèi)的初期,其通過(guò)積累可溶性糖及提高Chl(a/b)來(lái)維持生理穩(wěn)態(tài),根系暴露20 cm以上的兩周后削弱了其抗氧化酶系統(tǒng)和光合作用,使其處于中重度的干旱脅迫狀態(tài),且在21 d后仍未恢復(fù)至對(duì)照水平,根系暴露深度和暴露時(shí)長(zhǎng)協(xié)同決定其受脅迫的程度。