長(zhǎng)柄扁桃在烏蘭布和沙地的生理適應(yīng)性研究

任 俊，楊 濤，樊 強(qiáng)，羅竹梅*，呂 剛，劉冬林，吳 彪

(1. 巴彥淖爾市沙漠綜合治理中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾市 015000；2.陜西省林業(yè)科學(xué)院，西安 710082；3.國(guó)家林業(yè)和草原局長(zhǎng)柄扁桃工程技術(shù)研究中心，陜西 榆林 719000；4.長(zhǎng)柄扁桃國(guó)家創(chuàng)新聯(lián)盟，陜西 榆林 719000)

長(zhǎng)柄扁桃(Amygdaluspedunculata)是薔薇科(Rosaceae)桃屬(Amygdalus)落葉灌木，俗稱野櫻桃或毛櫻桃，廣泛分布于陜西北部及內(nèi)蒙古沙地，是當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土樹種，目前被列為國(guó)家二級(jí)瀕危珍稀保護(hù)植物[1]。長(zhǎng)柄扁桃根系發(fā)達(dá)，萌蘗力強(qiáng)，枝條稠密，耐旱耐寒、耐沙埋，抗逆性強(qiáng)，是中國(guó)西北部干旱和半干旱地區(qū)沙地造林、水土保持和沙漠治理的優(yōu)勢(shì)樹種和先鋒樹種[2-3]，同時(shí)也是一種難得的木本油料樹種、優(yōu)良藥用植物和綠化觀賞植物。隨著國(guó)家防沙治沙工作力度的進(jìn)一步加強(qiáng)，挖掘和開發(fā)適應(yīng)西部沙地干旱環(huán)境且具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的鄉(xiāng)土樹種就成為沙地造林的主要任務(wù)。干旱少雨是大規(guī)模沙地造林的最主要限制因子，選擇和推廣適應(yīng)干旱環(huán)境的鄉(xiāng)土樹種尤為重要。長(zhǎng)柄扁桃長(zhǎng)期都處于野生狀態(tài)，近十年來，其保護(hù)、人工栽培、開發(fā)利用和基地建設(shè)都有了長(zhǎng)足發(fā)展，取得了許多重要研究成果[4,6]。不同植物在干旱環(huán)境下會(huì)表現(xiàn)出不同的生理特征，以抵抗惡劣環(huán)境維持正常的生命活動(dòng)[5]。以烏蘭布和沙地為環(huán)境背景，研究在烏蘭布和沙地干旱條件下長(zhǎng)柄扁桃生理指標(biāo)的變化，進(jìn)而研究其對(duì)土壤干旱和氣候干旱的反應(yīng)和適應(yīng)性，探索長(zhǎng)柄扁桃的抗旱閾值，為在烏蘭布和及其相似沙地開展大面積長(zhǎng)柄扁桃造林具有重要的理論價(jià)值。

本研究以長(zhǎng)柄扁桃為對(duì)象，人工模擬沙地土壤干旱梯度，測(cè)定在不同干旱梯度下長(zhǎng)柄扁桃的生理指標(biāo)變化，并進(jìn)一步探討長(zhǎng)柄扁桃對(duì)烏蘭布和沙地土壤干旱環(huán)境的生理適應(yīng)性，以期掌握長(zhǎng)柄扁桃苗期生長(zhǎng)的對(duì)水分虧缺的反應(yīng)，給大面積人工造林水分管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

烏蘭布和沙漠是中國(guó)八大沙漠之一，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西部巴彥淖爾市和阿拉善盟境內(nèi)。試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市磴口縣沙金套海蘇木巴音溫都爾嘎查，穿沙公路36 km處的萬畝長(zhǎng)柄扁桃種植基地，烏蘭布和沙漠東部邊緣，東經(jīng)106°9′～ 107°10′，北緯40°9′～ 40°57′。磴口縣萬畝長(zhǎng)柄扁桃種植基地總面積2 470 hm2，水、電、路等基礎(chǔ)設(shè)施齊全，灌溉水源充足，交通便利。

試驗(yàn)地位于萬畝長(zhǎng)柄扁桃種植基地中心地段，地表為沙丘和沙生植物覆蓋，土壤為風(fēng)沙土，地勢(shì)平坦，土地肥沃，灌溉便利。溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，春秋短暫，夏季炎熱，降雨量少，日照充足，熱量豐富，晝夜溫差大，積溫高，無霜期短。年均氣溫為7.6 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫-34.2 ℃。植物生長(zhǎng)期(5-9月)的光合有效輻射40.19 kcal·cm-2，積溫約為3 100 ℃，晝夜溫差14.5 ℃。年均降水量144.5 mm，年均蒸發(fā)量2 397.6 mm。年均風(fēng)速4.5 m·s-1，≥3 m·s-1的時(shí)間達(dá)6 800 h以上，≥6 m·s-1風(fēng)速的時(shí)間2 200～2 500 h以上。植物主要有甘草(Glycyrrhizauralensis)、花棒(Hedysarumscoparium)、麻黃(Ephedrasinica)、肉蓯蓉(Cistanchedeserticola)、鎖陽(Cynomoriumsongaricum)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、梭梭(Haloxylonammodendron)等名貴藥材和稀有種，并有大小湖泊200多處。

2 材料與方法

本研究采用盆栽試驗(yàn)方法，選取1 a生長(zhǎng)柄扁桃幼苗，在具有可移動(dòng)遮雨棚設(shè)施的試驗(yàn)地露天培養(yǎng)，晴天時(shí)遮雨棚開放，陰雨天時(shí)遮雨棚關(guān)閉以防止雨水滲入。試驗(yàn)盆口徑25 cm，盆高30 cm。盆栽土壤采自于試驗(yàn)區(qū)的壤土和砂土，土壤采回后先風(fēng)干然后過篩(篩孔直徑2 mm)，按1∶1配比成盆栽土。填裝土壤后向各盆中加水至飽和，靜置2 d后，測(cè)定盆栽土物理指標(biāo)，盆栽土的田間持水量208.52 g·kg-1，容重1.52 g·cm-3，飽和導(dǎo)水率10.84 cm·h-1，總有機(jī)碳2.66 g·kg-1。選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的長(zhǎng)柄扁桃幼苗移栽至盆中，待植株成活且長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定后，每盆定苗3株，盆表面均勻覆蓋直經(jīng)0.5～1.0 cm的礫石，抑制水分蒸發(fā)。共設(shè)置4個(gè)干旱梯度:(1)對(duì)照(CK)，盆栽土壤含水量保持為田間持水量75%～80%；(2)輕度干旱(T1)，盆栽土壤含水量保持為田間持水量55%～60%；(3)中度干旱(T2)，盆栽土壤含水量保持為田間持水量35%～40%；(3)極度干旱(T3)，盆栽土壤含水量保持為田間持水量15%～20%。

每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，水分控制采取人工稱重的方法，即每天下午16∶00稱重并補(bǔ)充散失的水分，分別在處理后第7、14、21、28 d采集長(zhǎng)柄扁桃葉片進(jìn)行相關(guān)測(cè)定。參照《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[7]的方法測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)，采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量；氮藍(lán)四唑光還原法測(cè)定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性；愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶(peroxidase，POD)的活性；用茚三酮顯色法測(cè)定游離脯氨酸(Pro)含量。采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同干旱條件下長(zhǎng)柄扁桃MDA含量的變化

丙二醛(MDA)是細(xì)胞內(nèi)膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生會(huì)加劇膜的損傷，細(xì)胞膜系統(tǒng)受損后導(dǎo)致質(zhì)膜透性增大，內(nèi)容物滲漏，進(jìn)而阻礙植物的正常生長(zhǎng)。所以，經(jīng)常用細(xì)胞內(nèi)MDA的含量間接判斷細(xì)胞膜受傷害的程度[8]。MDA含量升高時(shí)細(xì)胞膜系統(tǒng)受傷害程度加??；MDA含量下降時(shí)細(xì)胞膜系統(tǒng)受傷害程度減緩。

從圖1可分析得出，長(zhǎng)柄扁桃葉片MDA含量隨著干旱程度的加劇而增加，且隨著干旱時(shí)長(zhǎng)的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。在極輕度干旱(CK)條件下，MDA含量上升緩慢，上升幅度只有1.11 mmol·g-1，隨著干旱程度的增加，MDA含量隨干旱時(shí)長(zhǎng)不斷提升，提升幅度最大的時(shí)段在14 d到21 d之間，21 d后上升幅度有所減緩。在干旱開始的7 d內(nèi)，輕度干旱與CK的MDA含量差值極小，而中度干旱和極度干旱的的MDA含量則大幅提升，與CK的差值顯著。MDA含量變化的趨勢(shì)間接反映出了長(zhǎng)柄扁桃葉對(duì)輕度干旱的適應(yīng)能力。

圖1 長(zhǎng)柄扁桃MDA含量隨干旱程度和干旱時(shí)長(zhǎng)的變化

3.2 不同干旱條件下長(zhǎng)柄扁桃SOD活性的變化

超氧化物歧化酶(SOD)是植物活性氧代謝的關(guān)鍵酶，植物對(duì)逆境的適應(yīng)能力與SOD的活性密切相關(guān)，它可以防止自由氧基對(duì)細(xì)胞膜和生物大分子的毒害，維持植物的正常生理代謝[8]。

從圖2分析得出，長(zhǎng)柄扁桃的SOD活性隨著干旱程度的增加而提升，在每個(gè)測(cè)定節(jié)點(diǎn)上，干旱程度越高，SOD活性越高。在極輕度干旱(CK)和輕度干旱(T1)情況下，隨著干旱間的延長(zhǎng)，SOD活性隨然有所提升，但提升的幅度都較小，分別為46.02 U·g-1·min-1和170.06 U·g-1·min-1；在中度干旱(T2)和極度干旱(T3)時(shí)，SOD活性急劇提升，至21 d達(dá)到峰值，分別為786.35 U·g-1·min-1和1 136.52 U·g-1·min-1，升幅分別達(dá)255.07 U·g-1·min-1和403.87 U·g-1·min-1，之后出現(xiàn)小幅回落。在中度干旱和極度干旱條件下，SOD活性值在21 d后出現(xiàn)的小幅回落，表明長(zhǎng)柄扁桃對(duì)短期適度干旱有一定的適應(yīng)能力；但在長(zhǎng)時(shí)間重度干旱脅迫下，這種適應(yīng)能力有所下降，需要及時(shí)補(bǔ)充水分。

圖2 長(zhǎng)柄扁桃SOD活性隨干旱程度和干旱時(shí)長(zhǎng)的變化

3.3 不同干旱條件下長(zhǎng)柄扁桃POD活性的變化

過氧化物酶(POD)也是一種保護(hù)酶，廣泛存在于植物細(xì)胞內(nèi)，有利于清除自由基，能降低膜脂過氧化水平，從而減輕膜的傷害程度[8]。長(zhǎng)柄扁桃POD活性的變化趨勢(shì)與SOD活性變化不同，從極輕度干旱到中度干旱，干旱程度越高，POD活性越大，但到了極度干旱時(shí)，POD活性稍有回落，反而低于中度干旱的POD水平。從干旱時(shí)長(zhǎng)來看，都是隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)POD活性不斷提升，只是在極度干旱情況下，當(dāng)干旱持續(xù)到21 d后，POD活性基本維持在同一水平上，沒有顯著變化(圖3)。這一結(jié)果間接反映出長(zhǎng)柄扁桃對(duì)干旱程度適應(yīng)范圍，在極度干旱情況下，長(zhǎng)柄扁桃的抗旱能力有所減弱。

圖3 長(zhǎng)柄扁桃POD活性隨干旱程度和干旱時(shí)長(zhǎng)的變化

3.4 不同干旱條件下長(zhǎng)柄扁桃游離脯氨酸(Pro)含量的變化

脯氨酸( Pro) 作為植物細(xì)胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可保持胞質(zhì)溶液與外界環(huán)境的滲透平衡，對(duì)原生質(zhì)起保護(hù)和維持保水平衡的作用。當(dāng)長(zhǎng)柄扁桃在受到干旱脅迫之后，脯氨酸( Pro)含量有一個(gè)敏感性應(yīng)對(duì)反應(yīng)，表現(xiàn)出隨干旱程度和干旱時(shí)長(zhǎng)的變化特征(圖4)。

圖4 長(zhǎng)柄扁桃游離脯氨酸(Pro)含量的變化

從圖4可看出，隨著干旱程度的加劇，脯氨酸(Pro)含量也隨之升高，但在極度干旱條件下，在干旱脅迫的最初階段，脯氨酸(Pro)含量仍然處于較高水平，當(dāng)干旱時(shí)長(zhǎng)達(dá)到21 d之后，脯氨酸(Pro)含量反而不及中度干旱的水平。在4個(gè)干旱程度水平上，脯氨酸(Pro)含量都呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，在脅迫21 d時(shí)長(zhǎng)柄扁桃的Pro含量出現(xiàn)了一個(gè)高峰，但在持續(xù)干旱28 d后都呈下降趨勢(shì)，說明其對(duì)短期干旱的響應(yīng)比較敏感，能盡快產(chǎn)生Pro調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)溶液與環(huán)境的滲透平衡，但持續(xù)性干旱之后，則超過了Pro的調(diào)節(jié)能力。

4 結(jié)論與討論

長(zhǎng)期生長(zhǎng)在干旱條件下的植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中都形成了一系列生理適應(yīng)能力，從而能適應(yīng)干旱環(huán)境而得以生存。長(zhǎng)柄扁桃是烏蘭布和沙地鄉(xiāng)土落葉灌木，在長(zhǎng)期的生長(zhǎng)適應(yīng)過程中形成了特殊的生理結(jié)構(gòu)和生理特性，比如葉片表面厚的蠟質(zhì)層，龐大的根系，特殊的氣孔結(jié)構(gòu)[8-9]。本試驗(yàn)通過人工模擬干旱脅迫處理，通過測(cè)定長(zhǎng)柄扁桃幼苗在水分脅迫下隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)幾個(gè)生理指標(biāo)的變化，間接揭示了長(zhǎng)柄扁桃抗旱的原因以及對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)。

研究結(jié)果表明：長(zhǎng)柄扁桃葉片MDA含量、SOD活性、POD活性、Pro含量都隨著干旱程度的加劇和干旱時(shí)間的延長(zhǎng)而表現(xiàn)出了相應(yīng)的變化規(guī)律。MDA含量隨著干旱程度的加劇而增加，且隨著干旱時(shí)長(zhǎng)的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)；SOD活性也隨著干旱程度的增加而提升，但在中度干旱和極度干旱時(shí)，當(dāng)干旱時(shí)長(zhǎng)達(dá)到21 d后，則出現(xiàn)小幅回落的現(xiàn)象；POD活性的變化趨勢(shì)與 SOD活性變化不同，在極度干旱時(shí)，POD活性低于中度干旱的水平，而且當(dāng)干旱持續(xù)到21 d后，POD活性基本維持在同一水平上； Pro含量整體上都呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，在脅迫21 d時(shí)長(zhǎng)柄扁桃Pro含量出現(xiàn)了一個(gè)高峰，但在持續(xù)干旱28 d后都呈下降趨勢(shì)，當(dāng)干旱時(shí)長(zhǎng)達(dá)到21 d之后， 極度干旱下Pro含量反不及中度干旱的水平。這些生理指標(biāo)的變化特征間接反映出長(zhǎng)柄扁桃干旱條件的適應(yīng)特征，在干旱程度不斷加劇的情況下，各生理指標(biāo)對(duì)干旱的適應(yīng)存在閾值，在短期干旱時(shí)響應(yīng)比較敏感，但持續(xù)性干旱之后，其敏感度和調(diào)節(jié)能力都有所下降。

長(zhǎng)柄扁桃具有典型抗旱植物的生理特征，對(duì)干旱具有一定的適應(yīng)能力，但在生產(chǎn)中必須重視長(zhǎng)柄扁桃抗旱的生理極限，在有條件的情況下盡可能在生理功能正常的情況下及時(shí)補(bǔ)充水分以保障其正常生長(zhǎng)發(fā)育。