風沙流吹襲對油莎豆和大豆幼苗生理特征的影響

王立龍，段育龍，任 偉

（1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院 奈曼沙漠化研究站，內(nèi)蒙古 通遼 028300；3.吉林省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)生物技術研究所，吉林 長春 130033）

風是一種重要的生態(tài)因子，其對植物的整個生長發(fā)育過程有著重要的影響[1]。春季大風和沙塵暴是我國北方干旱、半干旱地區(qū)的常見天氣現(xiàn)象[2]，頻繁的春季風沙活動會危害處在苗期的農(nóng)作物，主要體現(xiàn)為高速空氣流動引起的干旱脅迫以及氣流中攜帶的沙粒對植物表面造成的磨蝕損傷[3]，嚴重時導致農(nóng)作物大面積減產(chǎn)甚至死亡[4]。近年來，在全球氣候變化的背景下，我國北方半干旱區(qū)氣候暖干化趨勢明顯，大風、沙塵天氣在該區(qū)的發(fā)生較為頻繁，是威脅區(qū)域農(nóng)作物種植和生產(chǎn)的主要風險因素[5]。因此，有關風沙流對當?shù)剞r(nóng)作物影響的研究正日益受到關注，相關研究已經(jīng)涉及形態(tài)特征[6]、生理特征[7-8]、光合與蒸騰特征[9-10]等諸多方面。

大豆（Glycine max）是我國主要的油料作物之一，集中種植在東北地區(qū)[11]。在東北的半干旱風沙區(qū)，每年春季頻發(fā)的風沙天氣常常對大豆幼苗造成嚴重傷害，導致組織受損，甚至大面積減產(chǎn)[12]。油莎豆（Cyperus esculentus）是原產(chǎn)于北非地區(qū)的莎草科（Cyperaceae）莎草屬（Cyperus）草本植物，不僅具有耐澇、耐旱、耐鹽堿等特點，同時也是當今最具有發(fā)展?jié)摿Φ挠土献魑颷13]。與大豆相比，油莎豆的優(yōu)點在于適應性強，能夠在各類土壤環(huán)境下種植，且產(chǎn)油量能夠達到大豆的4倍，可能是未來戰(zhàn)略性替代大豆的新型油源植物[14]。目前，油莎豆產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸主要在收獲環(huán)節(jié)，首先是收獲期短，其次是表面泥土去除不充分晾曬時極易霉爛[15]。在沙質(zhì)土壤環(huán)境下，種植油莎豆能夠在很大程度上緩解以上問題，因此，在沙漠化地區(qū)發(fā)展油莎豆產(chǎn)業(yè)不僅是拓展油源的新途徑，也是助力經(jīng)濟落后地區(qū)鄉(xiāng)村振興的重要舉措。然而，目前對油莎豆適應風沙環(huán)境的規(guī)律和特征還知之甚少，有關風沙流脅迫對油莎豆生理特征的影響還未見報道。

本試驗在我國北方典型半干旱風沙區(qū)的科爾沁沙地進行，以油莎豆和大豆2種油料作物為研究對象，通過野外風洞開展不同風沙流脅迫強度對植物幼苗葉片逆境生理特征的比較分析，對于揭示油莎豆響應風沙流吹襲的逆境生理特征和機制具有重要意義，同時也可為油莎豆在風沙環(huán)境下的推廣提供科技支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)域位于科爾沁沙地腹地的內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗中國科學院奈曼沙漠化研究站（42°58′N，120°41′E），海拔360 m。該區(qū)域屬溫帶半干旱大陸性氣候，年平均降水量（MAP）約340 mm，約80%的降水集中在5—9月，年平均溫度7.0℃，年平均蒸發(fā)量約1 900 mm[10]。該區(qū)域土地沙漠化嚴重，地形地貌主要為高低起伏的沙丘，其間交錯分布著相對平緩的草甸、灌叢和農(nóng)田，土壤主要為風沙土和沙質(zhì)草甸土[16]。受氣候變化和人類活動的影響，該區(qū)域風沙活動強烈，年平均揚沙天氣20～30 d，主要集中在春季（4—5月）。

1.2 材料

本試驗以大豆和油莎豆為研究對象，大豆為中黃57，從當?shù)剞r(nóng)資市場購買；油莎豆為中油莎1號，由吉林省農(nóng)業(yè)科學院提供。

1.3 試驗設計

大豆和油莎豆以盆栽的方式種植，每個盆裝25.0 kg流沙，于2021年5月初將大豆和油莎豆種子埋入盆中，每盆種植2株，待種子萌發(fā)后，每3 d用Hoagland營養(yǎng)液澆灌1次，待大豆幼苗株高20 cm、油莎豆幼苗株高15 cm時，于2021年6月中旬開展吹襲試驗，風沙流吹襲共設4個強度處理（每個處理重復3次），依次為0（CK）、7、10、15 m/s，分別對應蒲福風力等級的0、5、6和8級風，不同風速條件的輸沙量分別為0、8.81、37.94、112.49 g/（cm·min），不同風速下沙風洞的輸沙量特征見圖1。吹襲在上午進行，風沙流吹襲模擬設施為自主設計的野外便攜式沙風洞，不同處理的持續(xù)吹襲時間均為0.5 h。吹襲處理結束后立即采樣，采集的葉片樣本由紗布包裹后在液氮中保存，用于各項生理指標的測定。

圖1 不同風速下沙風洞的輸沙量特征

1.4 測定項目及方法

丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）顯色法，單位為nmol/g。超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用氮藍四唑（NBT）光化學還原法，過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用紫外吸收法，過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法，3種保護酶活性單位均為U/g。可溶性糖（soluble sugar）含量的測定采用蒽酮比色法，脯氨酸（Pro）含量的測定采用茚三酮顯色法[17]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均基于SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和獨立樣本t檢驗（One sample t-test）用于比較不同處理之間的差異。

2 結果與分析

2.1 風沙流吹襲對葉片丙二醛（MDA）含量的影響

由圖2可知，不同風沙流強度對大豆和油莎豆幼苗的MDA含量產(chǎn)生了顯著影響（P＞0.05）。隨著風沙流吹襲強度的增加，油莎豆幼苗MDA含量呈先增加后降低的趨勢，大豆幼苗的MDA含量呈逐漸增加趨勢。與對照（CK）相比，在7、10、15 m/s風沙流強度下，油莎豆幼苗的MDA含量分別增加了12.6%（P＞0.05）、38.2%（P＜0.05）和21.9%（P＞0.05）；大豆幼苗的MDA含量分別增加了21.3%（P＞0.05）、33.2%（P＜0.05）和43.6%（P＜0.05）。此外，相同處理油莎豆幼苗和大豆幼苗的MDA含量均無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同強度風沙流對油莎豆和大豆幼苗丙二醛含量的影響

2.2 風沙流吹襲對葉片保護酶活性的影響

2.2.1 對SOD活性的影響

由圖3可知，不同風沙流強度下油莎豆和大豆幼苗葉片SOD活性差異較大。與對照（CK）相比，不同風沙流強度處理油莎豆幼苗的SOD活性均顯著降低（P＜0.05），在10 m/s風沙流強度下達到最低，為51.03 U/g，低于對照（CK）39.8%。大豆幼苗的SOD活性總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在7 m/s風沙流強度下為52.59 U/g，較對照（CK）增加了19.3%；在15 m/s的風沙流強度下為39.20 U/g，較對照（CK）下降了11.1%；不同處理與對照（CK）相比均未達到顯著水平（P＞0.05）。通過對2種作物的比較發(fā)現(xiàn)，只有在10 m/s風沙流強度下大豆和油莎豆幼苗的SOD活性差異不顯著（P＞0.05），其他風沙流強度下油莎豆SOD活性均極顯著高于大豆（P＜0.01）。

圖3 不同強度風沙流對油莎豆和大豆幼苗SOD活性的影響

2.2.2 對POD活性的影響

由圖4可知，與對照（CK）相比，油莎豆的POD活性表現(xiàn)出隨風沙流強度增加先下降而后上升的趨勢，大豆的POD活性表現(xiàn)出隨風沙流強度增加先上升而后下降的趨勢。油莎豆POD活性在15 m/s風沙流強度下最高，為22.81 U/g，比對照（CK）高41.2%，差異顯著（P＜0.05）；大豆POD活性在10 m/s風沙流強度下最高，為21.65 U/g，比對照（CK）高18.7%，差異顯著（P＜0.05）。2種作物POD活性在相同處理下均無顯著差異（P＞0.05）。

圖4 不同強度風沙流對油莎豆和大豆幼苗POD活性的影響

2.2.3 對CAT活性的影響

由圖5可知，與對照（CK）相比，油莎豆幼苗的CAT活性隨風沙流強度增加呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，在7 m/s風沙流強度下活性最低，為42.83 U/g，在15 m/s風沙流強度下活性最高，為62.50 U/g，二者之間差異顯著（P＜0.05）；大豆幼苗的CAT活性呈現(xiàn)隨風沙流強度的增加而上升的趨勢，變化幅度與對照（CK）相比均未達到顯著水平（P＞0.05）。此外，2種作物的比較結果顯示，無論在對照組還是在風沙流吹襲條件下，CAT活性在油莎豆和大豆之間差異均不顯著（P＞0.05）。

圖5 不同強度風沙流對油莎豆和大豆幼苗CAT活性的影響

2.3 風沙流吹襲對葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.3.1 對脯氨酸（Pro）含量的影響

由圖6可知，風沙流吹襲顯著改變了油莎豆和大豆幼苗葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量（P＜0.05）。油莎豆幼苗脯氨酸（Pro）含量隨風沙流強度的增加明顯上升，在10、15 m/s風沙流強度下分別為18.43、22.73 μg/g，較對照（CK）分別高21.1%和49.3%，均差異顯著（P＜0.05）；大豆幼苗脯氨酸（Pro）含量也呈現(xiàn)隨風沙流吹襲強度的增加而上升的趨勢，在15 m/s風沙流強度下為17.33 μg/g，較對照高60.30%，差異顯著（P＜0.05）。2種作物脯氨酸（Pro）含量在相同處理下呈顯著差異（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01）。

圖6 不同強度風沙流對油莎豆和大豆幼苗脯氨酸含量的影響

2.3.2 對可溶性糖含量的影響

由圖7可知，油莎豆幼苗可溶性糖含量的變化與脯氨酸一致，即隨風沙流強度的增加呈上升趨勢，在10、15 m/s風沙流強度下分別為18.70、20.96 mg/g，較對照（CK）分別增加34.20%和50.30%，差異顯著（P＜0.05）；大豆幼苗的可溶性糖含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在7、10 m/s的風沙流強度下分別為11.77、11.95 mg/g，與對照（CK）相比分別降低27.50%和26.40%，差異顯著（P＜0.05），在15 m/s風沙流強度下為15.76 mg/g，低于對照（CK）2.90%，差異不顯著（P＞0.05）。2種作物比較結果顯示，油莎豆幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量在各處理下均顯著高于大豆。

圖7 不同強度風沙流對油莎豆和大豆幼苗可溶性糖含量的影響

3 討論與結論

風是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，植物的形態(tài)特征和生理功能的變化與風的作用關系密切[18]。本試驗結果表明，隨著風沙流吹襲強度的增加，油莎豆和大豆幼苗的MDA含量均顯著上升，說明大豆和油莎豆在風沙流吹襲作用下均受到明顯的膜質(zhì)過氧化損傷，這與有關風沙流吹襲對樟子松生理特征影響的研究結果一致[8]。其原因主要是由于風的持續(xù)吹襲會極大地加速葉片表面的空氣流動，產(chǎn)生水分脅迫，進而引起MDA含量的上升[19-20]。油莎豆葉片MDA含量在10 m/s風沙流強度下達到最大，在15 m/s風沙流強度下開始下降，說明風沙流吹襲對油莎豆的膜質(zhì)過氧化損傷在本試驗條件下是可逆的。相比之下，大豆葉片的MDA含量始終呈上升的趨勢，在15 m/s風沙流強度下達到最高值，說明大豆葉片中MDA累積的量已導致植物細胞中電解質(zhì)泄漏急劇增加，損傷已經(jīng)達到不可逆的程度。MDA變化趨勢的差異表示在風沙流脅迫條件下油莎豆應對葉片膜質(zhì)過氧化的調(diào)節(jié)能力可能比大豆更強。

保護酶是植物應對過氧化損傷時的防御性蛋白，其活性的變化直接參與植物對逆境脅迫的響應[21]。本試驗發(fā)現(xiàn)，油莎豆幼苗的SOD、POD和CAT活性隨風沙流強度的增加呈現(xiàn)波動式變化，其中，SOD和CAT 2種酶活性均表現(xiàn)為先顯著下降后又顯著上升，而POD活性則表現(xiàn)為輕微下降后顯著上升。這種波動式的變化在受風沙流脅迫的玉米和樟子松中同樣存在[8，22]。雖然油莎豆幼苗不同保護酶的變化趨勢不盡相同，但共同點在于當處于15 m/s的風沙流吹襲下，3種保護酶的活性均顯著高于7 m/s風沙流強度，說明油莎豆體內(nèi)的保護酶系統(tǒng)被激活，對響應風沙流脅迫起到一定的保護作用。與油莎豆不同，大豆幼苗的POD活性僅在10 m/s風沙流強度下顯著高于對照，而SOD和CAT活性在不同風沙流強度下與對照相比差異均不顯著，說明風沙流脅迫對大豆體內(nèi)保護酶系統(tǒng)的激活程度相對有限。這可能與機械損傷造成的影響有關，因為風沙流是氣固兩相的混合體，其中的沙粒會直接擊打在植物體表面，使植物形態(tài)和生理結構受損[3]。油莎豆為莎草科植物，葉片革質(zhì)且為狹長的三棱形，面對風沙流吹襲表現(xiàn)出良好的韌性，且葉片之間不會產(chǎn)生相互擊打，而大豆為紙質(zhì)的寬卵形葉片，即便是本試驗中最低的風沙流強度也對其產(chǎn)生了明顯的機械損傷。有研究發(fā)現(xiàn)，機械損傷會顯著降低楊樹葉片SOD和CAT活性[23]。因此，嚴重的機械損傷可能在一定程度上抑制了大豆葉片保護酶系統(tǒng)對風沙流脅迫的響應。

研究表明，滲透調(diào)節(jié)作用是植物面對環(huán)境變化，尤其是水分脅迫時的重要響應對策，可溶性糖和脯氨酸在該過程中扮演著重要角色[24-25]。風沙流吹襲能夠使葉片表面空氣流動急劇加快，增加了水分的蒸騰耗散，從而間接產(chǎn)生干旱脅迫[1]。本試驗結果表明，隨著風沙流脅迫強度的增加，油莎豆幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量均表現(xiàn)為顯著增加的趨勢，說明在各處理下，油莎豆葉片中的脯氨酸和可溶性糖均發(fā)揮了滲透調(diào)節(jié)作用。與油莎豆不同，大豆葉片中起滲透調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)主要是脯氨酸，而非可溶性糖。本試驗結果表明，可溶性糖和脯氨酸是植物響應風沙流脅迫過程中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，這與之前有關風沙流對樟子松影響的研究結果是一致的[8]。

風沙流吹襲對油莎豆幼苗的影響主要是水分脅迫，對大豆幼苗的影響除水分脅迫之外還有明顯的機械損傷。風沙流吹襲后大豆和油莎豆的葉片均發(fā)生了不同程度的膜質(zhì)過氧化損傷。對于油莎豆來說，3種保護酶（SOD、POD、CAT）均表現(xiàn)出一定的清除氧自由基的能力，其中，CAT和POD 2種保護酶起主要作用。與油莎豆不同，在風沙流脅迫下，SOD、POD和CAT對大豆幼苗的保護作用非常有限，這與其受到強烈機械損傷有關。此外，油莎豆葉片中的可溶性糖和脯氨酸在各風沙流吹襲強度下均發(fā)揮了滲透調(diào)節(jié)作用，而大豆幼苗中起滲透調(diào)節(jié)的主要是脯氨酸。相比之下，油莎豆能夠比大豆更好地避免風沙流脅迫造成的傷害。