梓屬5個(gè)種對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)

于曉池 楊桂娟 董菊蘭 王軍輝 麻文俊 張 鵬

（1. 東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3. 甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局林業(yè)科學(xué)研究所，天水 741022）

干旱已經(jīng)成為最常見的非生物脅迫之一，對(duì)林業(yè)發(fā)展造成的危害日趨嚴(yán)重［1～2］。為了緩解這一環(huán)境問題對(duì)林業(yè)生產(chǎn)的影響，不僅可以實(shí)施人工水肥管理［3～4］、樹體修枝管理［5］、林分結(jié)構(gòu)調(diào)控管理［6～7］等技術(shù)措施，也可以通過抗旱性優(yōu)良新品種選育［8］，提高林木的抗旱能力。

葉片是植物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的主要器官，對(duì)環(huán)境變化較為敏感［9］。環(huán)境會(huì)造成葉片形態(tài)與生理方面的改變，而葉片結(jié)構(gòu)的變化也會(huì)對(duì)植物應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的能力造成影響［10］。干旱脅迫使葉片積累大量活性氧，對(duì)葉片造成損傷，還會(huì)降低葉綠素含量、引起葉片熒光參數(shù)的變化，同時(shí)，干旱還會(huì)使氣孔關(guān)閉，最終導(dǎo)致光合作用的減弱［11～15］。趙燕和王丁等人則認(rèn)為，干旱會(huì)降低葉水勢［17］，而葉水勢的降低可以調(diào)節(jié)幼苗與土壤水勢之間的梯度，從而增加植物的吸水能力［18～19］。因此葉片已經(jīng)成為研究植物對(duì)逆境適應(yīng)機(jī)理的重要方向［14］。

梓屬（Catalpa Scop.）為紫葳科（Bignoniaceae）喬木，全世界約13 種，分布于美洲及亞洲東部，我國 引 入 種 共5 種 及1 變 型［20］。包 括 楸 樹（C.bungei）、灰楸（C.fargesii）、黃金樹（C.speciosa）、梓樹（C.ovata）、藏楸（C.tibetica）和滇楸（C.fargesii f.duclouxii）、其中滇楸為灰楸的變形，各樹種材質(zhì)良好，為珍貴用材樹種。從形態(tài)結(jié)構(gòu)、親緣關(guān)系和開花結(jié)果規(guī)律分析，可將6個(gè)種分為楸樹組和梓樹組2組，楸樹、灰楸和滇楸屬于楸樹組。臧楸、梓樹和黃金樹屬于梓樹組［21］。本文通過人工模擬梯度干旱脅迫處理，分析了梓屬5 個(gè)種：黃金樹、梓樹、灰楸、滇楸和楸樹的葉片性能，包括葉片水勢（ΨL）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、葉綠素相對(duì)含量（SPAD）、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和比葉重（LMA）對(duì)干旱脅迫響應(yīng)，為梓屬耐旱樹種的篩選、抗旱育種及栽培工作提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在甘肅省天水市小隴山林業(yè)科學(xué)研究所溫室內(nèi)，位于34°28′N，105°54′E，海拔高度1 160 m，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫺?，年降雨?00～800 mm，年蒸發(fā)量1 290.0 mm，年平均氣溫10.7℃，≥10℃積溫3 359.0℃，極端高溫39℃，極端低溫-19.2℃。正常年份4～9 月份晴天日平均光照時(shí)數(shù)13～14 d，夏季日最高光照強(qiáng)度2 500 μmol·m-2·s-1，無霜期約190 d。溫室面積為400 m2，高3 m，溫室頂部覆蓋材料為PC 透光板，夏季溫室內(nèi)部光強(qiáng)可達(dá)800 μmol·m-2·s-1，溫室四周圍墻高1.2 m，為使溫室內(nèi)部通風(fēng)透氣良好，圍墻以上至頂部未加裝隔離材料，溫室內(nèi)夏季溫度最高為39℃。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取梓樹屬的黃金樹、梓樹、灰楸、滇楸和楸樹為試材，于2008 年3 月將苗木栽植在塑料盆內(nèi)，盆高25 cm，內(nèi)徑23 cm，苗木培養(yǎng)土為黃綿土，田間持水量為29%，放置在小隴山林科所玻璃溫室內(nèi)，每個(gè)種栽植20株苗木。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從3 月開始將種子苗置于充足水分條件下生長，每天早上8：00～9：00 澆水，以苗木花盆底座濕潤為止。到6 月中旬苗木高達(dá)到25 cm 以上時(shí)開始控水試驗(yàn)。將試驗(yàn)苗木在2 種水分條件下培養(yǎng)50 天。每種每處理重復(fù)5 株，每處理按完全隨機(jī)區(qū)組排列。2種水分處理每次的澆水量為：700 mL（正常水分條件）、400 mL（干旱脅迫），每2 d 澆一次水，澆水時(shí)間為18：00點(diǎn)。

2.3 測定指標(biāo)

8 月中旬測量苗高（cm）和地徑（cm），用掃描法測定葉面積（cm2）；采用SC-1氣孔計(jì)在測定氣孔導(dǎo)度（Gs）；用SPAD 葉綠素計(jì)測定葉綠素相對(duì)含量（SPAD）；用OS-30P 葉綠素?zé)晒鈨x在凌晨4：00～5：00 測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)；用WP4 水勢儀在凌晨4：00～5：00測定葉片水勢（ΨL）；后對(duì)葉片進(jìn)行烘干稱重并計(jì)算比葉重（LMA），計(jì)算公式為：

比葉重（LMA）=葉片干重（g）/葉片面積（cm2）（1）

3 數(shù)據(jù)處理

Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析；SPSS16.0 進(jìn)行單因素（one-way ANOVA）、雙因素（two-way ANOVA）方差分析，檢驗(yàn)不同樹種各性狀是否存在顯著差異，多重比較采用Duncan 法；Graphpad Prism 7進(jìn)行作圖。

采用隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)梓屬各樹種的抗旱能力差異。計(jì)算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。當(dāng)指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān)，則用公式（2）；當(dāng)指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān)，則用公式（3）。綜合評(píng)價(jià)值用公式（4）～（6）計(jì)算。

式中：μ（Xij）為i 樹種j 指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xij為i 樹種j 指標(biāo)的測定值，Xjmin為各樹種j 指標(biāo)測定最小值；Xjmax為該指標(biāo)測定的最大值。

式中：Vj為標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，Wj為各指標(biāo)的權(quán)重，μ（Xj）為樹種j指數(shù)的隸屬函數(shù)值，D為綜合價(jià)值。

最終根據(jù)D 值對(duì)各樹種進(jìn)行抗旱綜合性評(píng)價(jià)。

4 結(jié)果與分析

4.1 干旱脅迫對(duì)生長的影響

經(jīng)過50 d 的兩種水分處理，在同一水分條件下樹種之間的苗高（P<0.01）和地徑（P<0.01）差異極顯著（見圖1）。在2 種水分條件下，楸樹的苗高均最高，其次為滇楸，黃金樹和灰楸，梓樹的苗高最低。而地徑則是楸樹和黃金樹較高，滇楸，灰楸和梓樹較低。在700 mL 和400 mL 水分處理下，苗高極差分別為：20.7和26.2。說明干旱脅迫增加了各個(gè)種的苗高變異幅度。在兩種水分條件下，各樹種的苗高地徑變化趨勢一致，均為700 mL水分條件下的值大于400 mL水分條件下的值。在兩種水分條件下，生長狀態(tài)最好的為楸樹，梓樹相對(duì)較差。

4.2 干旱脅迫對(duì)葉片水勢的影響

在400 mL 水分條件下，除黃金樹外，其他各樹種的葉片水勢（ΨL）都小于700 mL 水分條件下的值（P<0.01），但不同種減小的幅度不同（見表1）。從700 mL 到400mL 水分處理，黃金樹的ΨL增加了24.77%，梓樹、滇楸、灰楸和楸樹的ΨL分別降低了16.32%、33.72%、15.85%和66.53%，表明不同種對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力有較大的差異。

4.3 干旱脅迫對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響

氣孔導(dǎo)度（Gs）的日變化表現(xiàn)為單峰曲線，不同種達(dá)到最大值的時(shí)間各不相同（見表2）。在700 mL 水分條件下，黃金樹、梓樹和灰楸的Gs均在10：30 左右達(dá)到最大值；滇楸和楸樹的最大Gs則出現(xiàn)在08：30 左右。在700 mL 水分條件下，灰楸的Gs峰值出現(xiàn)時(shí)間從10：30 左右前移到08：30左右，其他樹種不變。

在干旱脅迫下各個(gè)種的最大Gs除黃金樹外均表現(xiàn)出下降的趨勢（見表1），然而不同樹種下降的幅度差異較大。從700 mL 水分處理到400 mL 水分處理，黃金樹的最大Gs增加了66.2%，梓樹、灰楸、滇楸和楸樹的最大Gs分別降低了45.0%、31.4%、20.0%和14.3%。同一水分處理下不同樹種之間的最大Gs差異也較大。在700 mL 和400 mL 水分條件下，最大Gs的極差分別為：100.72 和200.79。由此表明在干旱脅迫下，各樹種的最大Gs對(duì)脅迫的響應(yīng)幅度也增大。

表2 干旱脅迫下不同種氣孔導(dǎo)度日變化趨勢Table 2 Diurnal variation trend of stomatal conductance of different species under drought stress

4.4 干旱脅迫對(duì)葉綠素相對(duì)含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

同一水分處理下不同種之間的葉綠素相對(duì)含量（SPAD）差異達(dá)到極顯著水平（P<0.01）（見圖2）。在兩種水分條件下皆為滇楸和灰楸葉片的SPAD 值最高，楸樹次之，而梓樹和黃金樹的SPAD值則相對(duì)較低。不同種的SPAD 值均隨著干旱脅迫的加劇而升高。在700 mL 和400 mL 水分條件下，SPAD 值的極差分別為：13.27 和15.67。因此，隨著干旱脅迫的加劇，各樹種的SPAD 值隨脅迫的變異幅度也隨之增加。

除滇楸和楸樹外，400 mL水分條件下，各樹種的光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）均大于700 mL水分條件下的值（見表3）。

4.5 不同水分梯度下比葉重的變化

比葉重（LMA）是指單位葉面積葉片的干重，是衡量葉片光合作用性能的重要參數(shù)［53］。不同種在相同的水分條件下其比葉重差異極顯著（P<0.01），2 種水分條件下都是灰楸的LMA 顯著高于其他4 個(gè)種，而其他4 個(gè)種之間則差異較?。ㄒ姳?）。在2 種水分梯度下，除灰楸外，其他樹種的LMA 都隨脅迫加劇而升高，但變化均不顯著。不同樹種升高幅度具有差異，從700 mL 水分處理到400 mL水分處理，黃金樹、梓樹、滇楸和楸樹的MA分別增加了0.5%、11.4%、7.6%和6.7%。

表3 各個(gè)種在2種水分條件下比葉重和最大光能轉(zhuǎn)化效率的變化Table 3 Changes of specific leaf weight and maximum light energy conversion efficiency of each species under 2 waterconditions

表4 干旱脅迫下各樹種隸屬函數(shù)值和綜合評(píng)價(jià)D值Table 4 Value of subordinative function，evaluation index D of each species under drought stress

4.6 梓樹屬5個(gè)樹種耐干旱評(píng)價(jià)

根據(jù)葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、葉水勢、比葉重和最大光能轉(zhuǎn)換效率5個(gè)指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)，用隸屬函數(shù)法對(duì)400 mL 水分條件下梓屬5 個(gè)樹種進(jìn)行耐干旱評(píng)價(jià)（見表4）。5 個(gè)樹種的綜合評(píng)價(jià)D 值為0.022、0.039、0.040、0.037 和0.025。結(jié)果表明，其耐旱性由強(qiáng)到弱依次為灰楸>梓樹>滇楸>楸樹>黃金樹。

5 討論

在干旱脅迫下，植物會(huì)產(chǎn)生一系列生理上的變化，通過改變自身生理代謝功能來適應(yīng)逆境［16］。植物葉片是與外界進(jìn)行水分和氣體交換，承擔(dān)光合作用和蒸騰作用的主要場所，是植物對(duì)干旱脅迫較為敏感的器官［24］，可以較好的反應(yīng)植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力［23］。在土壤—植物—大氣體系中包含了兩個(gè)植物輸水結(jié)構(gòu)體系，包括：連接土壤與葉片的水分傳輸系統(tǒng)，和連接葉片與大氣的葉片氣孔［24］。在連接土壤與葉片的水分傳輸系統(tǒng)中，ΨL是植物水分虧缺的重要指標(biāo)，高水勢是維持正常水分傳輸?shù)幕緱l件。隨著干旱脅迫的加劇，土壤水勢隨之下降，因此植物通過迅速降低ΨL，來調(diào)整土壤與幼苗的水勢，以此增加幼苗對(duì)水分的吸收能力［25］。干旱脅迫顯著降低了‘波葉金桂’、山杏、香樟、杜英和刺槐等的ΨL［18，26～27］。在本研究中，隨著干旱脅迫的加劇，除了黃金樹外，各樹種的ΨL也都表現(xiàn)出減小的趨勢。這表明干旱脅迫中，除黃金樹外，以上4 種梓屬幼苗均可以通過降低ΨL從而吸收更多的水分，增加其抗旱性。除了增強(qiáng)對(duì)土壤中水分的吸收，植物葉片還會(huì)通過減少自身的蒸騰來維持體內(nèi)的水分，即連接葉片與大氣的輸水結(jié)構(gòu)體系。研究表明，Gs與ΨL存在相關(guān)性［18］。隨著ΨL的降低，通過保衛(wèi)細(xì)胞膨壓的增大來控制氣孔的開閉，以此降低葉片蒸騰作用，保持植物體內(nèi)的水分，緩解干旱脅迫對(duì)幼苗的危害［29］。在本試驗(yàn)中，在干旱脅迫下，除了黃金樹外，各樹種的最大Gs均表現(xiàn)出下降的趨勢，且澆水量的減少增加了各樹種的最大Gs對(duì)脅迫響應(yīng)的差異，這與張棟，張軍等人的研究結(jié)果一致［28，30］。因此在干旱脅迫下，植物會(huì)逐漸關(guān)閉其氣孔以減少水分的散失［31］，干旱脅迫越嚴(yán)重，最大Gs越低。隨著干旱脅迫的加劇，灰楸的Gs峰值出現(xiàn)時(shí)間從10：30 提前到8：30，表明灰楸通過調(diào)控氣孔的開放，提前Gs峰值來適應(yīng)干旱的環(huán)境，這與韓磊等人的研究結(jié)果一致［32］。

光合作用是植物獲取能量的主要方式［33］，植物可以通過調(diào)整自身的光合能力來適應(yīng)環(huán)境的變化［34］。而葉綠素是光合過程中最重要的光合色素，直接關(guān)系著光合同化過程［35］。在以往的研究中，干旱脅迫會(huì)抑制葉綠素的合成并加快葉綠素的分解［36～37］，導(dǎo)致葉綠素含量下降［38］。但也有不同結(jié)論，如PEG 誘導(dǎo)干旱脅迫提高了加勒比松（Pinus caribaea）的葉綠素含量，輕度干旱條件下檸條（Caragana microphylla）和紫穗槐（Amorpha fruticosa）的葉綠素含量有所增加［39］。而SPAD 值與葉綠素含量具有顯著的相關(guān)性，在一定條件下具有較強(qiáng)的一致性［40～41］。在本研究中，隨著干旱程度的加劇，各樹種的SPAD 值均隨之增加。隨著干旱脅迫的加劇，各樹種均通過增加葉片葉綠素含量來提高光合作用以此維持正常的生理功能。這與譚春燕等人在干旱脅迫下，植物需要保持較高的光合能力來維持生命活動(dòng)這一結(jié)論相一致［16］。Fv/Fm為最大光化學(xué)效率，是表征植物是否受到光脅迫的一個(gè)有效指標(biāo)［43～44］。何炎紅，楊飛洋等人認(rèn)為［42，44］，干旱脅迫會(huì)降低PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)化效率，降低Fv/Fm值，趙麗英等人則認(rèn)為［45］，F(xiàn)v/Fm降低是由于植物可以做出一定的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，葉片內(nèi)沒有發(fā)生光抑制，而Fv/Fm的增加則為脅迫使植物體內(nèi)發(fā)生光抑制，光合結(jié)構(gòu)受到了一定破壞。在本研究中，梓屬各樹種的Fv/Fm受干旱脅迫影響均不顯著。這可能是由于本試驗(yàn)的干旱脅迫程度較低，因此對(duì)各樹種Fv/Fm的影響未達(dá)到顯著程度。

LMA 與植物葉片的生理活動(dòng)強(qiáng)弱相關(guān)，可以在一定程度上反映植物的抗旱性［14］。它把單位干重水平和單位葉面積水平的葉片指標(biāo)聯(lián)系在一起［46］。Witkowski、劉金環(huán)、李善家［47～49］等人研究認(rèn)為，植物的LMA 越大，葉片越厚，其儲(chǔ)水能力就越強(qiáng)，因此抗旱能力越強(qiáng)。這可以解釋為，隨著干旱脅迫的加劇，植物通過積累可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以降低脅迫對(duì)植物的傷害，增加葉片SPAD 值來提高光合作用，最終維持正常的生理功能，由此形成單位葉面積葉片厚度較大的葉片，即LMA 較大的葉片。在本研究中，除灰楸外，其他樹種的LMA 都隨脅迫加劇而升高，但差異不顯著，說明其他各種均可通過滲透調(diào)節(jié)來降低干旱脅迫帶來的傷害。

利用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果為灰楸>梓樹>滇楸>楸樹>黃金樹。各樹種的苗高和地徑均在700 mL 水分條件下達(dá)到最大值，說明5 個(gè)樹種的最適水分條件均為700 mL。黃金樹的ΨL和Gs均隨著澆水量的減小而增加，700 mL 為黃金樹正常生長的水分閾值，低于700 mL 水分條件時(shí)，黃金樹會(huì)失去其水分與氣孔調(diào)節(jié)能力，因此其抗旱能力較差。從苗高、地徑的數(shù)值上，ΨL、Gs和Fv/Fm的變化上看，楸樹為5 個(gè)樹種中較耐旱樹種；從Gs和SPAD值的變化，綜合隸屬函數(shù)分析，灰楸也為5個(gè)樹種中較耐旱樹種，這與Ma 等人的結(jié)論一致［50］。綜上所述，梓屬不同樹種間有著不同的抗旱能力。綜合分析，楸樹和灰楸的抗旱能力較強(qiáng)，滇楸和梓樹的抗旱能力次之，黃金樹的抗旱能力最差。因此，渭北高原、關(guān)中平原、甘肅南部等地區(qū)可引種栽培楸樹和灰楸，其有益于水土保持，具有較高的觀賞、生態(tài)以及經(jīng)濟(jì)效益。