干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗生長(zhǎng)及抗氧化特性的影響

楊耀國， 牛冰潔， 王永新*， 衛(wèi)昭君， 郭媛珍， 王開喜， 馬 春， 趙 祥， 朱慧森

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 山西 太谷 030801; 2.草地生態(tài)保護(hù)與鄉(xiāng)土草種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太谷 030801)

近年來，全球工業(yè)的迅速發(fā)展和人類的活動(dòng)導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度不斷升高，IPCC第五次報(bào)告預(yù)計(jì)本世紀(jì)末CO2濃度可能達(dá)到421～936 μmol·mol-1[1]。CO2濃度持續(xù)升高會(huì)引起溫室效應(yīng)和增加極端降水事件[2]，據(jù)預(yù)測(cè)未來100年地表溫度會(huì)升高2.2℃[3]，溫度升高會(huì)使土壤含水量下降從而導(dǎo)致植物干旱[4]。干旱不僅影響植物的生長(zhǎng)速度，而且影響植物的生理響應(yīng)[5]，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙；同時(shí)會(huì)使植物體內(nèi)發(fā)生膜脂過氧化，產(chǎn)生大量活性氧自由基，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞且相對(duì)電導(dǎo)率會(huì)升高[6]。干旱時(shí)間的增加，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞脫水，丙二醛(Malondialdehyde，MDA)和脯氨酸(Proline，Pro)不斷積累，可溶性糖(Soluble sugar，SS)和可溶性蛋白(Soluble protein，SP)含量也會(huì)持續(xù)升高[7]，同時(shí)植物可通過增強(qiáng)超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和過氧化物酶(Peroxidase，POD)來清除活性氧自由基以避免干旱對(duì)其造成傷害，從而增強(qiáng)抗旱性[8]。而植物生長(zhǎng)除受水分影響外，也與CO2濃度高低有密切聯(lián)系[9]。CO2是植物生長(zhǎng)和光合作用的底物，CO2濃度的升高會(huì)促進(jìn)植物的光合作用，提高水分利用率，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[10]。研究表明，高濃度CO2可以促進(jìn)植物體內(nèi)產(chǎn)生一系列抗氧化酶，在一定程度上激活抗氧化防御系統(tǒng)，抑制活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的積累，進(jìn)而提高植物遭受干旱脅迫后各功能的恢復(fù)能力[11]。牛胤全等[12]通過研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下高濃度CO2可以促進(jìn)小麥(Triticumaestivum)葉面積增加，同時(shí)促進(jìn)根部分蘗和根系生長(zhǎng)，在一定程度上增強(qiáng)其幼苗的抗氧化性。肖列等[13]通過試驗(yàn)得出CO2濃度升高能夠緩解干旱脅迫造成的不利影響，提高了白羊草(Bothriochloaischaemum)的抗旱性。

達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)為豆科(Leguminosae)胡枝子屬(Lespedeza)多年生草本植物[14]，國內(nèi)主要分布在河北、東北、內(nèi)蒙古、華北、西北等地區(qū)[15]，國外主要分布在蒙古、俄羅斯、朝鮮、日本等國。因其蛋白質(zhì)和脂肪含量高，有較好的適口性，可以作為優(yōu)良的牧草應(yīng)用于飼料加工[16]。其根系發(fā)達(dá)且適應(yīng)性強(qiáng)，具有耐陰、耐寒、耐干旱耐瘠薄等特點(diǎn)[17]，在改善生態(tài)環(huán)境、改良退化草地和推進(jìn)退耕還林工程中發(fā)揮著極其重要的作用[18]?，F(xiàn)國內(nèi)有關(guān)達(dá)烏里胡枝子的研究主要集中于抗旱性[19-21]、生產(chǎn)特性[22-24]等方面，對(duì)干旱脅迫和高CO2濃度相互作用的生理機(jī)制研究相對(duì)較少。本試驗(yàn)通過研究達(dá)烏里胡枝子幼苗在干旱脅迫下抗氧化酶活性的變化，探討CO2倍增與干旱脅迫達(dá)烏里胡枝子幼苗抗氧化特性的影響，旨在為適應(yīng)未來氣候變化條件下達(dá)烏里胡枝子的種質(zhì)資源評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院自主選育的‘晉農(nóng)1號(hào)’達(dá)烏里胡枝子。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1生長(zhǎng)條件 本試驗(yàn)采用盆栽方式，在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院校內(nèi)試驗(yàn)地取土，每盆裝風(fēng)干土2.0 kg，每盆均勻播種50粒。將花盆放置于溫室中進(jìn)行發(fā)芽，溫室平均溫度晝/夜分別為29℃/14℃，相對(duì)濕度晝/夜分別為79%/64%，幼苗長(zhǎng)至10 cm時(shí)進(jìn)行定苗，使每盆保留30株長(zhǎng)勢(shì)相近的幼苗，隨機(jī)移入兩個(gè)人工氣候培養(yǎng)箱(RCL-P1000-CO2型)，每個(gè)培養(yǎng)箱放置32盆，共計(jì)64盆，適應(yīng)1周后進(jìn)行干旱脅迫。

CO2處理由2個(gè)人工氣候培養(yǎng)箱分別控制，設(shè)定溫度和濕度分別為(27±1)℃和(60±2)%，模擬自然光光照強(qiáng)度。

圖1 試驗(yàn)示意圖Fig.1 Experimental schematic diagram

1.2.2干旱處理和CO2濃度設(shè)定 設(shè)置兩個(gè)CO2濃度：正常CO2濃度(400 μmol·mol-1，CK)和倍增CO2濃度(800 μmol·mol-1，DCO2)。通過自然消耗的方法進(jìn)行干旱脅迫處理，依據(jù)D-最優(yōu)性法則和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，開始觀測(cè)前對(duì)所有盆栽同時(shí)進(jìn)行澆透水處理(干旱脅迫第0 d)，之后不再澆水使其自然干旱，干旱脅迫的第2，4，6，8，10，12，14，16 d分別在每日上午9∶00—11∶00取樣，每次取樣時(shí)隨機(jī)取4盆幼苗進(jìn)行測(cè)定。

1.3 生長(zhǎng)特性的測(cè)定

1.3.1幼苗株高測(cè)定 每盆隨機(jī)選取10株幼苗，用直尺測(cè)量株高，將全株的地上與地下部分離并清洗干凈后，稱量地上部所有植株鮮重，計(jì)算株高和鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率。

相對(duì)生長(zhǎng)速率=以2 d為時(shí)間間隔所測(cè)定的每盆選取的10株達(dá)烏里胡枝子指標(biāo)平均值的差值/時(shí)間[25]。

1.3.2幼苗主根長(zhǎng)測(cè)定 每盆隨機(jī)選取10株植株，將地上部與地下部分離并清洗干凈后，用直尺測(cè)量主根長(zhǎng)，稱量地下部所有根系鮮重，計(jì)算主根長(zhǎng)和根鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率。

1.4 抗氧化特性的測(cè)定

1.4.1相對(duì)含水量和相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定 在每個(gè)測(cè)定日的上午11點(diǎn)，選取生長(zhǎng)健壯的植株剪取三小葉的中間小葉10片，稱量鮮重(W1)后放入烘箱，105℃殺青15 min后烘干至恒重(W2)，計(jì)算葉片相對(duì)含水量(Leaf relative water content，LRWC)。

LRWC=(W1—W2)/W1×100%[26]

選取生長(zhǎng)健壯的植株剪取三小葉的中間小葉5片，蒸餾水沖洗3次后剪成大小相近的碎片，采用電導(dǎo)儀法[26]進(jìn)行相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定。

1.4.2抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的測(cè)定 采用氮藍(lán)四唑法[27]測(cè)定SOD活性，愈創(chuàng)木酚比色法[27]測(cè)定POD活性，紫外分光光度計(jì)法[27]測(cè)定SP含量，苯酚法[27]測(cè)定SS含量，磺基水楊酸提取法[27]測(cè)定Pro含量，硫代巴比妥酸比色法[27]測(cè)定MDA含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，后用SPSS 23.0進(jìn)行方差分析，并采用Duncan法進(jìn)行差異顯著性的多重比較，采用Pearson法做相關(guān)性分析。使用Sigma Plot 12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗生長(zhǎng)特性的影響

2.1.1干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗植株的影響 CK條件下，株高相對(duì)生長(zhǎng)速率隨著自然干旱處理天數(shù)增加呈下降趨勢(shì)。在CO2濃度倍增條件下，達(dá)烏里胡枝子幼苗株高相對(duì)生長(zhǎng)速率隨著自然干旱處理天數(shù)的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)(圖2a)，在干旱脅迫至第6 d時(shí)，相對(duì)生長(zhǎng)速率升至最高。除第14 d外，CO2濃度倍增條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的株高相對(duì)生長(zhǎng)速率與CK處理差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。干旱脅迫至第16 d時(shí)，兩個(gè)CO2濃度處理下的株高相對(duì)生長(zhǎng)速率均達(dá)到最低，CO2濃度倍增條件下株高生長(zhǎng)速率較CK提高93.94%。

不同CO2濃度條件下，隨著自然干旱處理天數(shù)的增加，達(dá)烏里胡枝子幼苗的植株鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率均呈下降的趨勢(shì)(圖2b)。干旱脅迫6～12 d時(shí)呈顯著性下降趨勢(shì)，脅迫至12～16 d時(shí)下降趨勢(shì)變緩。CO2倍增條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的植株鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率均高于CK，在干旱脅迫4～6 d時(shí)CO2濃度倍增處理顯著高于CK處理(P<0.05)，干旱脅迫至第16 d時(shí)CO2倍增處理比CK提高1.04%。

圖2 干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗植株的影響Fig.2 Effects of doubling CO2 concentration on Lespedeza davurica seedling under drought stress

2.1.2干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗主根長(zhǎng)的影響 不同CO2濃度條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的主根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率均隨著自然干旱處理天數(shù)的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)(圖3a)。在CO2倍增條件下，干旱脅迫4～14 d時(shí)，主根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率持續(xù)上升，干旱脅迫至第14 d時(shí)，主根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率最大，后隨干旱脅迫天數(shù)增加呈下降趨勢(shì)；CK條件下，在干旱脅迫4～12 d時(shí)，主根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率持續(xù)上升，在干旱脅迫至第12 d時(shí)主根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率最大，后隨干旱脅迫天數(shù)增加呈下降趨勢(shì)。CO2倍增條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的主根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于CK，且與CK差異顯著(P<0.05)，CO2倍增處理下干旱脅迫至第14 d時(shí)主根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率較CK處理下干旱脅迫至第12 d時(shí)顯著提升61.88%(P<0.05)，干旱脅迫至第16 d時(shí)，CO2倍增處理較CK顯著提升91.73%(P<0.05)。

不同CO2濃度條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率均隨著自然干旱處理天數(shù)的增加呈緩慢上升后下降的趨勢(shì)，且CO2倍增條件下根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率峰值出現(xiàn)比CK晚(圖3b)。CO2倍增條件下，干旱脅迫至4～12 d時(shí)，達(dá)烏里胡枝子幼苗的根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率緩慢上升，干旱脅迫至14 d時(shí)，根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率達(dá)最大值，較CK處理下干旱脅迫最大值(第12 d時(shí))顯著提升37.15%(P<0.05)，干旱脅迫至14～16 d時(shí)，根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)。CK條件下，干旱脅迫至4～10 d時(shí)，達(dá)烏里胡枝子幼苗的根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率緩慢上升，干旱脅迫至10～12 d時(shí)根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)，干旱脅迫至12～16 d時(shí)，根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)。干旱脅迫至第16 d時(shí)，CO2倍增條件下根系鮮重相對(duì)生長(zhǎng)速率比CK顯著提高246.38%(P<0.05)。

圖3 CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗主根的影響Fig.3 Effects of CO2 doubling and drought stress on the taproot of Lespedeza davurica seedlings

2.2 干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗抗氧化特性的影響

2.2.1干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗抗氧化酶的影響 圖4a為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗SOD活性的影響。如圖所示，隨著自然干旱處理天數(shù)的增加，兩種CO2濃度條件下SOD活性均呈先升高后降低的趨勢(shì)，CO2倍增條件下的SOD活性始終高于CK，且隨著自然干旱處理天數(shù)的延長(zhǎng)兩者差異逐漸變大。干旱脅迫和CO2濃度倍增對(duì)SOD活性的影響具有顯著的交互作用，其中CO2濃度倍增條件下達(dá)烏里胡枝子SOD活性峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于CK，且與CK差異顯著(P<0.05)。

圖4b為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗POD活性的影響。如圖所示，隨著自然干旱處理天數(shù)的延長(zhǎng)，兩種CO2濃度條件下POD活性均呈先升高后降低的趨勢(shì)。CO2濃度倍增條件下，干旱脅迫至第8 d時(shí)，POD活性與干旱脅迫第2 d時(shí)無顯著差異，干旱脅迫至第12 d時(shí)POD活性達(dá)最大值，較干旱脅迫至第2 d時(shí)增加了24.3%，干旱脅迫和CO2濃度倍增對(duì)POD的影響具有顯著的交互作用，在干旱脅迫的12～14 d時(shí)CO2倍增下POD活性顯著高于CK。

圖4 CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effect of doubled CO2 on antioxidant enzyme activity of Lespedeza davurica seedling under drought stress注：不同小寫字母表示相同CO2濃度不同干旱脅迫天數(shù)之間差異顯著(P<0.05)，DCO2為CO2濃度倍增條件，下同Note：Different lowercase letters indicate significant difference between different drought stress days with the same CO2 concentration at the 0.05 level,DCO2 is the doubling condition of CO2 concentration,the same as below

干旱脅迫至第16 d時(shí)，CO2倍增條件下SOD活性較CK提高了46.28%(P<0.05)，POD活性較CK提高了10.18%。

2.2.2干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和LRWC的影響 圖5a為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗SP含量的影響。如圖所示，CK條件下，干旱脅迫至第4 d時(shí)，SP含量達(dá)到最大值，干旱脅迫至第14 d時(shí)出現(xiàn)最小值；在CO2倍增條件下，干旱脅迫第6 d時(shí)SP含量最低，干旱脅迫至第10 d時(shí)SP含量達(dá)到最大值，后隨干旱脅迫天數(shù)的增加SP含量開始降低。

圖5b為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗SS含量的影響。如圖所示，在干旱脅迫至2～4 d時(shí)，兩種CO2濃度條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗SS含量均上升，干旱脅迫4～8 d時(shí)均呈下降趨勢(shì)，干旱脅迫10～16 d時(shí)均呈上升趨勢(shì)，干旱脅迫至第16 d時(shí)兩種CO2濃度條件下的SS含量差異顯著(P<0.05)且均達(dá)到最大值。

圖5c為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗Pro含量的影響。如圖所示，隨著自然干旱處理天數(shù)的延長(zhǎng)，兩種CO2濃度條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的Pro含量逐漸增大，CO2倍增條件下Pro含量均高于CK，干旱脅迫至第16 d時(shí)，CO2倍增條件下Pro含量較CK顯著提高41.37%(P<0.05)。CO2濃度倍增條件下，干旱脅迫至第14 d時(shí)，達(dá)烏里胡枝子幼苗的Pro含量變化出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)；兩種CO2濃度條件下均在干旱脅迫至第16 d時(shí)達(dá)到最大值，CK條件下16 d時(shí)Pro含量較干旱脅迫第2 d時(shí)上升169.2%。

圖5d為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗LRWC的影響。如圖所示，兩種CO2濃度條件下，達(dá)烏里胡枝子幼苗的LRWC均隨著自然干旱處理天數(shù)的延長(zhǎng)而減小。CO2濃度倍增條件下的LRWC均高于CK，且隨著自然干旱處理天數(shù)的延長(zhǎng)差異逐漸變大，干旱脅迫至第16 d時(shí)，CO2倍增條件下LRWC較CK提高48.80%(P<0.05)。CK條件下干旱脅迫超過第10 d時(shí)LRWC急速減少，而CO2倍增條件下LRWC緩慢減少；干旱脅迫至第16 d與干旱脅迫至第2 d時(shí)LRWC差異顯著(P<0.05)，CK和CO2倍增條件下LRWC分別減少了46.2%和20.2%。

圖5 CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig.5 Effect of doubled CO2 on osmoregulatory substance of Lespedeza davurica seedling under drought stress

2.2.3干旱脅迫下CO2濃度倍增對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗質(zhì)膜透性和MDA含量的影響 圖6a為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗相對(duì)電導(dǎo)率的影響。如圖所示，隨著自然干旱處理天數(shù)的延長(zhǎng)，兩種CO2濃度條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率均上升，隨著自然干旱處理天數(shù)的延長(zhǎng)，兩者間的差異逐漸變大，干旱脅迫至第10 d時(shí)，兩種CO2濃度下的相對(duì)電導(dǎo)率開始出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)，干旱脅迫至第16 d時(shí)，CO2倍增條件下的相對(duì)電導(dǎo)率較CK顯著降低18.49%(P<0.05)。

圖6b為CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗MDA含量的影響。如圖所示，干旱脅迫至第14 d時(shí)，兩種CO2濃度條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的MDA含量均呈上升趨勢(shì)，CO2倍增條件下的MDA均低于CK。干旱脅迫至第12 d時(shí)，兩種CO2濃度條件下幼苗MDA含量差異顯著(P<0.05)，干旱脅迫至14 d時(shí)，CK條件下幼苗MDA含量有增加的趨勢(shì)，而CO2倍增條件下MDA含量開始下降。干旱脅迫至第16 d時(shí)，CO2倍增條件的MDA含量比CK處理少了18.16%(P<0.05)。

圖6 CO2倍增和干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗質(zhì)膜透性和MDA含量的影響Fig.6 Effect of doubled CO2 on cytomembrane permeability and MDA contents of Lespedeza davurica seedling under drought stress

2.2.4干旱脅迫與CO2濃度倍增條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗生理指標(biāo)間的相關(guān)分析 由表1可知，幼苗在CK條件下的SOD與POD活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；SP含量與LRWC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與Pro含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；SS含量與Pro含量、相對(duì)電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與LRWC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；Pro含量與LRWC呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；LRWC與MDA含量、相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；相對(duì)電導(dǎo)率與MDA含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。CO2倍增處理下，幼苗SOD活性與POD活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；Pro含量與LRWC呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；LRWC與MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；MDA含量與相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表1 對(duì)照和CO2倍增條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗各生理指標(biāo)間的相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis of physiological indexes of Lespedeza davurica seedlings

3 討論

3.1 干旱脅迫與CO2濃度倍增條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的生長(zhǎng)特性

干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)所需水分的吸收量不足，導(dǎo)致植株地上部分生長(zhǎng)緩慢，為了維持植株正常生長(zhǎng)，植株會(huì)促進(jìn)地下根系的生長(zhǎng)，以便獲取更多水分供生命活動(dòng)，而CO2濃度升高能夠促進(jìn)地上部和地下部生物量的增加[28]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：短期的自然干旱會(huì)抑制達(dá)烏里胡枝子幼苗植株地上部分的生長(zhǎng)，在干旱脅迫8～12 d時(shí)抑制作用緩解，在CO2濃度倍增條件下，自然干旱的幼苗株高相對(duì)生長(zhǎng)速率高于CK處理，而且在干旱脅迫初期時(shí)會(huì)對(duì)達(dá)烏里胡枝子的幼苗地上部分起促進(jìn)作用，說明在一定程度的干旱脅迫下高濃度的CO2會(huì)促進(jìn)植株幼苗地上部分的生長(zhǎng)；自然干旱會(huì)對(duì)幼苗地下部生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，干旱程度加深時(shí)這種促進(jìn)作用較明顯，這是因?yàn)樵诟珊禇l件下CO2濃度升高能促進(jìn)地上部營養(yǎng)物質(zhì)合成并向根部運(yùn)輸，促進(jìn)根系伸長(zhǎng)以便于獲取更深層的水分。楊敏慎等[29]研究表明氣候變暖和CO2濃度升高對(duì)農(nóng)作物地上和地下生物量及產(chǎn)量都具有促進(jìn)作用。楊娟等[30]研究認(rèn)為，干旱脅迫下玉米(Zeamays)苗期地下根系比地上部分響應(yīng)更為敏感，均與本研究結(jié)果相似。

3.2 干旱脅迫與CO2濃度倍增條件下達(dá)烏里胡枝子幼苗的抗氧化特性

研究表明，干旱脅迫下植物體內(nèi)發(fā)生膜脂過氧化，產(chǎn)生活性氧自由基后破環(huán)了細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞功能的紊亂，諸多植物為了應(yīng)對(duì)干旱脅迫對(duì)本體造成的傷害，會(huì)促進(jìn)相關(guān)抗氧化酶的合成，提高相關(guān)酶的活性，以緩解干旱脅迫給植株帶來的傷害[31-33]。本研究表明：在一定時(shí)間內(nèi)干旱脅迫，可促進(jìn)幼苗中SOD和POD活性的升高，隨著脅迫程度加深(10～16 d)幼苗的SOD和POD活性均受到抑制呈下降趨勢(shì)；CO2濃度倍增情況下在一定干旱脅迫時(shí)間內(nèi)(2～12 d)可以更好的促進(jìn)SOD和POD酶活性的升高，這樣可以減輕干旱脅迫對(duì)植株的傷害[34]，但過度干旱會(huì)傷害植物抗氧化機(jī)制導(dǎo)致抗氧化酶活性降低[35]。相較于CK，CO2濃度倍增能在更長(zhǎng)時(shí)間干旱脅迫提高達(dá)烏里胡枝子幼苗體內(nèi)SOD和POD活性，說明高濃度CO2能在更大干旱程度上促進(jìn)植物體內(nèi)抗氧化酶活性的提高，較CK更有效的緩解干旱脅迫，較大程度提高植物的抗旱能力。李儀曼等[36]通過增加CO2濃度提高了干旱脅迫下黃瓜幼苗的根系抗氧化酶系統(tǒng)的防御能力，緩解了干旱脅迫對(duì)黃瓜幼苗的傷害，增強(qiáng)其耐旱能力保證幼苗生長(zhǎng)，通過研究表明，CO2濃度倍增可以提高植物幼苗的抗旱性，有利于植物更好的應(yīng)對(duì)未來全球氣候變化所帶來的干旱影響。

干旱脅迫誘發(fā)植物體內(nèi)膜脂過氧化，促進(jìn)膜磷酸脂脫酯化反應(yīng)，加速膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞，植物體內(nèi)所含滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的多少可反映其所受干旱脅迫的程度[37]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在輕度干旱情況下能提高達(dá)烏里胡枝子幼苗葉片的SP和SS含量，當(dāng)干旱程度加深時(shí)，SP含量降低，SS含量升高，CO2濃度升高對(duì)SP和SS含量沒有明顯的抑制和促進(jìn)作用。干旱脅迫會(huì)促進(jìn)達(dá)烏里胡枝子葉片Pro的積累，同時(shí)會(huì)降低葉片的LRWC，隨著干旱脅迫程度的加深，效果越來越明顯；CO2濃度升高可以提高葉片內(nèi)的Pro含量和LRWC。劉遵春等[38]對(duì)金光杏梅幼苗葉片在干旱脅迫下的研究結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果相似，說明SS和Pro是植物體內(nèi)兩種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，當(dāng)受到干旱脅迫時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)積累大量的SS和Pro，使植物保持一定的含水量和膨壓，以維持細(xì)胞正常的功能。干旱脅迫能促進(jìn)Pro含量的增加，在CO2濃度升高處理中度干旱和高度干旱下Pro含量呈顯著性上升。高濃度CO2能促進(jìn)植株進(jìn)行光合作用，減少干旱脅迫下植株葉片的水分散失，在干旱環(huán)境中保持相對(duì)較高的LRWC，緩解干旱脅迫對(duì)植株的危害。

植物遭受干旱脅迫時(shí)MDA含量發(fā)生變化，發(fā)生膜脂過氧化進(jìn)而破壞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞膜的選擇透過性下降，MDA含量的高低可以反映植物所受逆境脅迫程度的大小。本研究表明：干旱程度較輕時(shí)(2～8 d)達(dá)烏里胡枝子幼苗相對(duì)電導(dǎo)率無明顯變化，干旱程度較重時(shí)(10～16 d)幼苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率升高，CO2濃度倍增條件下葉片相對(duì)電導(dǎo)率顯著低于CK；在短期干旱時(shí)間內(nèi)(2～10 d)MDA含量變化不明顯，隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，葉片中MDA含量明顯增加。干旱脅迫短時(shí)間內(nèi)，達(dá)烏里胡枝子幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量上升幅度較小，這是因?yàn)檫_(dá)烏里胡枝子幼苗本身具有一定耐旱性。當(dāng)脅迫程度超過了達(dá)烏里胡枝子本身的耐旱閾值，會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量明顯上升。與CK相比CO2倍增處理降低了幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量，是因?yàn)楦邼舛菴O2能夠緩解干旱條件下膜脂過氧化的發(fā)生，保護(hù)生物膜系統(tǒng)，降低MDA含量的累積與植物細(xì)胞的相對(duì)電導(dǎo)率。李清明等[39]研究說明CO2濃度升高可顯著促進(jìn)干旱脅迫下尤其是重度干旱情況下黃瓜幼苗葉片滲透物質(zhì)的積累，與本研究結(jié)果一致，認(rèn)為CO2濃度升高可在一定程度上減輕黃瓜幼苗干旱脅迫下活性氧積累造成的傷害，維持活性氧的平衡，致使質(zhì)膜相對(duì)透性降低，MDA含量減少，對(duì)防止植物的氧化損傷具有一定的保護(hù)作用，忽雪琦等[40]對(duì)玉米幼苗根系的研究結(jié)果也與本試驗(yàn)結(jié)果相似。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)探討在干旱脅迫時(shí)CO2濃度倍增對(duì)‘晉農(nóng)1號(hào)’達(dá)烏里胡枝子幼苗生長(zhǎng)特性和抗氧化特性的影響，CO2濃度倍增緩解了干旱脅迫對(duì)達(dá)烏里胡枝子幼苗株高的抑制作用，促進(jìn)其主根的生長(zhǎng)。CO2濃度倍增提高了干旱脅迫下達(dá)烏里胡枝子幼苗的SOD和POD活性，提高了幼苗的抗氧化酶活性，增加了LRWC和Pro含量，抑制MDA合成，降低了相對(duì)電導(dǎo)率，延緩了膜脂過氧化的發(fā)生。綜上所述，CO2濃度倍增減輕了干旱對(duì)植物細(xì)胞的傷害，提高了達(dá)烏里胡枝子幼苗對(duì)干旱的耐受性，同時(shí)也提高了達(dá)烏里胡枝子的生產(chǎn)性能。