干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗生理特性的影響

梁煒文，周紅英，楊景竣，覃 奎，劉 秀

（1.廣西壯族自治區(qū)國(guó)有高峰林場(chǎng)，廣西南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002；3.廣西大學(xué)，廣西南寧 530004）

隨著全球氣候變暖加劇，干旱這一極端現(xiàn)象變得越來(lái)越頻繁，在非干旱地區(qū)也存在季節(jié)性干旱現(xiàn)象[1]。干旱是限制植物正常生長(zhǎng)和發(fā)育的主要因素，干旱導(dǎo)致的植物減產(chǎn)已超過(guò)其他非生物因素造成減產(chǎn)的總和[2]。研究表明，干旱作為一種多維脅迫，可引起植物表型、生理學(xué)、生物化學(xué)和分子水平的變化[3]。干旱會(huì)影響植物的生命活動(dòng)（如呼吸作用和光合作用），進(jìn)而影響植物的生理代謝和生長(zhǎng)發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物死亡，影響整個(gè)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。植物可通過(guò)調(diào)整形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合作用、滲透物質(zhì)含量和抗氧化酶活性等機(jī)制來(lái)適應(yīng)干旱逆境[4-8]。了解植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制，選育抗旱能力強(qiáng)的樹種是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

落羽杉（Taxodium distichum）為杉科（Taxodiaceae）落羽杉屬植物，原產(chǎn)北美東南部，20 世紀(jì)初引種到我國(guó)，具有適應(yīng)性強(qiáng)，耐低溫、干旱、澇漬和土壤瘠薄，耐水濕，抗污染，病蟲害少，生長(zhǎng)快等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)平原湖區(qū)和丘陵山地重要的造林樹種和園林綠化植物。目前，對(duì)落羽杉的研究主要集中在栽培育種[9-10]、生態(tài)化學(xué)計(jì)量[11-12]、解剖結(jié)構(gòu)[13]、化學(xué)成分[14]和耐淹性[15-16]等方面。落羽杉作為構(gòu)建消落帶植被的優(yōu)良適生喬木，干旱是威脅其生存的生境脅迫之一，但對(duì)其耐旱性的研究較少，對(duì)其干旱耐受機(jī)制缺乏認(rèn)識(shí)。因此，本研究以2年生落羽杉幼苗為研究對(duì)象，采用聚乙烯二醇（PEG）模擬干旱脅迫，探究落羽杉在干旱脅迫下的生理機(jī)制，以期為落羽杉耐旱性的理論研究及消落帶植被選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院苗圃基地（108°35′E，22°92′N）進(jìn)行。該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21.6 ℃，極端高溫40.4 ℃，極端低溫-2.1 ℃，年均降水量1 304.2 mm，降水主要集中在夏季；年均相對(duì)濕度80%，夏季潮濕，冬季干燥；全年日照時(shí)間較長(zhǎng)。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2年生落羽杉幼苗。2019年11月，在浙江安吉縣龍山林場(chǎng)采集種子，帶回廣西林科院苗圃干藏；2020年3月，在沙床中播種，待種子萌發(fā)、幼苗長(zhǎng)勢(shì)良好后，移入12 cm × 10 cm 的育苗杯中，每盆1株，基質(zhì)為純椰糠。露天培育幼苗，定時(shí)定量澆水。2021年6月，待苗高生長(zhǎng)至40 cm 左右時(shí)，選取生長(zhǎng)一致的幼苗進(jìn)行試驗(yàn)。供試藥品為PEG-6000（無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司），培養(yǎng)基為霍格蘭完全營(yíng)養(yǎng)液（Hoagland）（青島高科技工業(yè)區(qū)海博生物技術(shù)有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)置6 個(gè)PEG-6000 濃度梯度：0%（CK）、5%（T1）、10%（T2）、15%（T3）、20%（T4）和25%（T5），將不同濃度的PEG-6000 添加至Hoagland 完全營(yíng)養(yǎng)液，每處理15 株幼苗，共90 株。將幼苗從育苗杯中取出，用清水洗去根系的土和雜質(zhì)后，立即將其放入Hoagland 完全營(yíng)養(yǎng)液中平衡3 天，之后將幼苗根部完全浸入裝有不同濃度PEG-6000 和Hoagland 完全營(yíng)養(yǎng)液混合液的燒杯中，模擬干旱脅迫處理2天。處理完成后，分別對(duì)各處理的葉片進(jìn)行采樣，測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

選取不同處理中長(zhǎng)勢(shì)相近的植株，采摘足量完整的成熟功能葉，剪去主脈，放入自封袋中保存，每處理重復(fù)3 次。采用丙酮-乙醇混合浸提法測(cè)定葉綠素含量；采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA 含量；采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量；采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量；采用氮藍(lán)四唑光還原法測(cè)定SOD 活性；采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD 活性，采用紫外分光光度法測(cè)定APX活性[17]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Word 2016 和Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖表繪制，采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析并通過(guò)多重比較（Waller-Duncan法）分析各項(xiàng)生理指標(biāo)在不同干旱處理下的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗葉綠素含量的影響

隨干旱脅迫程度增加，葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量均呈先降后升的趨勢(shì)（圖1）。干旱脅迫對(duì)各處理幼苗的葉綠素含量影響顯著（P＜0.05）。T1 處理下，葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量均最低，分別為0.44、0.30 和0.74 mg/g，分別比CK 減少27.87%、18.92%和24.49%，顯著低于CK 和其他處理（P＜0.05）；T5 處理下，葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量均最高，分別為1.27、0.65 和1.92 mg/g，分別比CK 高出108.20%、75.68%和95.92%，顯著高于CK和其他處理（P＜0.05）。

圖1 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of drought stress on chlorophyll contents of T.distichum seedlings

2.2 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗MDA含量的影響

隨干旱脅迫程度增加，MDA 含量呈逐漸升高的趨勢(shì)（圖2）。干旱脅迫對(duì)幼苗MDA 含量影響顯著（P＜0.05)。T1 處理下，MDA 含量最低，比CK 高出14.89%，與CK 差異不顯著；T5 處理下，MDA 含量最高，比CK 高出279.79%，顯著高于CK 和其他處理（P＜0.05）。

圖2 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗MDA含量的影響Fig.2 Effects of drought stress on MDA contents of T.distichum seedlings

2.3 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

隨干旱脅迫程度增加，可溶性糖含量呈逐漸升高的趨勢(shì)（圖3a）。干旱脅迫對(duì)幼苗的可溶性糖含量影響顯著（P＜0.05）。T1 處理下，可溶性糖含量最低，比CK高出19.33%，與CK差異不顯著；T5處理下，可溶性糖含量最高，比CK 高出121.33%，顯著高于CK和其他處理（P＜0.05）。

隨干旱脅迫程度增加，可溶性蛋白含量呈逐漸升高的趨勢(shì)（圖3b）。干旱脅迫對(duì)幼苗的可溶性蛋白含量影響顯著（P＜0.05）。T1 處理下，可溶性蛋白含量最低，比CK 高出3.68%，與CK 差異不顯著；T5 處理下，可溶性蛋白含量最高，比CK 高出49.85%，顯著高于CK和其他處理（P＜0.05）。

圖3 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響Fig.3 Effects of drought stress on contents of soluble sugar and soluble protein of T.distichum seedlings

2.4 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗抗氧化酶活性的影響

隨干旱脅迫程度增加，SOD 活性呈逐漸升高的趨勢(shì)（圖4a）。干旱脅迫對(duì)幼苗SOD 活性影響顯著（P＜0.05）。各脅迫處理的SOD活性均顯著高于CK（P＜0.05）。T1 處理下，SOD 活性最小，比CK 高出21.94%；T5 處理下，SOD 活性最大，比CK 高出110.18%，顯著高于CK和其他處理（P＜0.05）。

隨干旱脅迫程度增加，POD 活性呈逐漸升高的趨勢(shì)（圖4b）。干旱脅迫對(duì)幼苗POD 活性影響顯著（P＜0.05）。T1 處理下，POD 活性最小，比CK 高出59.53%，與CK 差異不顯著；T5 處理下，POD 活性最大，比CK高出381.18%，顯著高于CK（P＜0.05）。

隨干旱脅迫程度增加，APX 活性呈先升后降的趨勢(shì)（圖4c）。干旱脅迫對(duì)幼苗APX 活性影響顯著（P＜0.05）。T4 處理下，APX 活性最大，比CK 高出81.59%，顯著高于CK 和其他處理（P＜0.05）；T5 處理下，APX 活性最小，比CK 高出20.80%，與CK 差異不顯著。

圖4 干旱脅迫對(duì)落羽杉幼苗SOD，POD和APX活性的影響Fig.4 Effects of drought stress on SOD,POD and APX activities of T.distichum seedlings

3 討論與結(jié)論

葉綠素是一種重要的光合色素，在植物光合作用中起重要作用。其含量能在一定程度上衡量植株的抗逆性[18]。研究表明，適度干旱脅迫，能使葉綠素含量升高；過(guò)度的干旱脅迫會(huì)造成葉片中葉綠素含量大幅降解[19]。不同植物在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)，葉綠素的變化規(guī)律不同。本研究中，落羽杉幼苗的葉綠素含量隨干旱脅迫程度增加呈先降后升的趨勢(shì)，這可能是輕度干旱脅迫抑制葉綠素合成，但隨干旱脅迫增加，落羽杉幼苗通過(guò)合成大量葉綠素來(lái)促進(jìn)光合作用，促進(jìn)有機(jī)物積累及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成，以此來(lái)適應(yīng)干旱逆境。這與吳玲等[20]對(duì)青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca）及區(qū)智等[21]對(duì)燈臺(tái)樹（Alstonia scholaris）的干旱脅迫研究結(jié)果相似。

MDA 是細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化作用的最終分解產(chǎn)物，對(duì)細(xì)胞具有毒害作用，其含量反映膜系統(tǒng)的受傷害程度[22]。研究發(fā)現(xiàn)，植物在應(yīng)對(duì)干旱逆境時(shí)，膜脂過(guò)氧化程度會(huì)隨干旱脅迫增加而逐漸增大，MDA 含量逐漸升高[23]。本研究中，落羽杉幼苗的MDA 含量隨干旱脅迫程度增加而逐漸升高，說(shuō)明干旱脅迫會(huì)對(duì)落羽杉幼苗造成一定的損害，且干旱脅迫程度越大，葉片受到的損害越嚴(yán)重。

在干旱脅迫下，植物體內(nèi)會(huì)自動(dòng)積累各種有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)來(lái)提高細(xì)胞液濃度，降低滲透勢(shì)，維持細(xì)胞膨壓以減少水分流失，可溶性糖和可溶性蛋白是植物葉片滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)[24]。本研究中，落羽杉幼苗的可溶性糖與可溶性蛋白含量均隨干旱脅迫程度增加而逐漸升高，說(shuō)明落羽杉具有較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力，通過(guò)合成大量的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)使其更好地適應(yīng)干旱逆境，這與何鳳[25]等對(duì)杜仲（Eucommia ulmoides）干旱脅迫的研究結(jié)果相似。

應(yīng)對(duì)干旱脅迫的另一個(gè)重要機(jī)制是抗氧化酶防御系統(tǒng)，SOD、POD 和APX 是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，可有效清除活性氧，減輕脅迫誘導(dǎo)的氧化傷害[26-27]。本研究中，落羽杉幼苗的SOD 和POD 活性均隨干旱脅迫程度增加而逐漸升高，說(shuō)明落羽杉幼苗可以通過(guò)增強(qiáng)保護(hù)酶的活性來(lái)清除活性氧，抵御干旱逆境造成的傷害，這與姜露露[28]等對(duì)無(wú)花果（Ficus carica）干旱脅迫的研究結(jié)果相似。APX 活性隨干旱脅迫增加呈先升后降的趨勢(shì)，這可能是在重度脅迫下，落羽杉幼苗的活性氧清除系統(tǒng)遭到破壞，酶活性下降，也說(shuō)明抗氧化酶防御系統(tǒng)對(duì)植物的保護(hù)具有一定局限性。

落羽杉具有較好應(yīng)對(duì)干旱脅迫的調(diào)節(jié)能力，對(duì)干旱逆境具有較強(qiáng)的耐受性，其幼苗可以通過(guò)提升自身葉綠素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及抗氧化酶活性來(lái)適應(yīng)干旱逆境，但在重度干旱下，其膜脂過(guò)氧化程度顯著升高，細(xì)胞受損嚴(yán)重，APX 活性降低，抑制其生長(zhǎng)。本研究較為系統(tǒng)地探究了落羽杉幼苗在干旱脅迫下的生理應(yīng)答機(jī)制，可為落羽杉耐旱性的理論研究提供重要參考。雖然本研究?jī)H選擇2年生幼苗作為試驗(yàn)材料，不能完全代表其各生長(zhǎng)階段的抗旱性，但幼苗是植物生長(zhǎng)的最脆弱階段，其表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐旱性，說(shuō)明落羽杉是適用于消落帶景觀改良和綠化的重要樹種。