干旱和遮蔭對中國沙棘水碳平衡和黃酮化合物含量的影響

李曉慶 劉永強 薛靜茹 李俊鵬 韓有志 王林

摘要：[目的]研究干旱和遮蔭對中國沙棘生長、水碳代謝和黃酮類化合物含量的影響有助于全面了解沙棘的生態(tài)適應(yīng)性，同時有利于了解干旱和遮蔭對沙棘黃酮類化合物含量的影響。[方法]本研究以中國沙棘為研究對象，比較了干旱（40%土壤水分飽和含水量）、遮蔭（遮光50%）及二者交互處理下的水勢、枝條導(dǎo)水損失率（PLC）、光合作用、生物量、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）含量和黃酮類化合物含量的變化。[結(jié)果]干旱處理顯著降低了中國沙棘的枝條水勢、凈光合速率、葉生物量、根和莖的NSC含量，顯著增加了枝條PLC、根生物量；遮蔭顯著降低了凈光合速率、葉生物量、根莖葉的NSC含量和黃酮含量，干旱和遮蔭的共同作用顯著增加了枝條PLC，降低了葉凈光合速率、根莖葉生物量和NSC含量；且葉黃酮類化合物含量與枝條水勢呈顯著負相關(guān)。[結(jié)論]干旱會影響中國沙棘的水分狀況、碳攝取，降低莖和根的NSC儲藏，增加黃酮類化合物含量，遮蔭會影響中國沙棘的光合速率、根莖葉的NSC儲藏，干旱和遮蔭的共同作用進一步降低了中國沙棘的水分輸導(dǎo)能力、光合作用、生物量積累和NSC儲藏，遮蔭降低了中國沙棘對于旱脅迫的適應(yīng)能力，適度干旱有利于沙棘黃酮類化合物的合成。

關(guān)鍵詞：中國沙棘；遮蔭；干旱；水分利用；碳平衡；黃酮

中圖分類號：S718.51 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）03-0129-09

干旱和遮蔭是樹木常受到的兩類非生物脅迫形式，會影響到樹木的存活、生長、代謝及多個生理過程。水分代謝和碳代謝是樹木生長和存活的基礎(chǔ)，在逆境下水分代謝和碳平衡的維持能力很大程度上決定了樹木對逆境的適應(yīng)能力。前人研究表明，“干旱導(dǎo)致樹木水分長距離運輸受阻”是“干旱導(dǎo)致樹木死亡”的主要機制，同時干旱限制了植物的光合作用與碳素利用導(dǎo)致的碳饑餓也是干旱導(dǎo)致植物死亡的重要原因之一。遮蔭會導(dǎo)致植物碳攝取受阻，影響植物的碳素分配；也有研究表明，遮蔭會在一定程度上緩解干旱對植物的影響，但遮蔭與干旱的共同作用對植物的影響缺乏更深入的研究，這限制了人們對植物在干旱和遮蔭交互逆境下水碳代謝和生長、存活關(guān)系的全面了解。黃酮類化合物是植物抵御逆境的重要次生代謝物質(zhì)，一般在全光照條件下生長的植株，其黃酮的含量較高，而在遮蔭條件下，黃酮類化合物的積累較少，干旱脅迫會促進植株黃酮類成分的合成積累，以抵御十旱脅迫對植株的影響，但干旱和遮蔭及其交互作用對黃酮類化合物含量有何影響，有待進一步深入研究。

沙棘廣泛分布于我國的東北、西北、西南和黃土高原區(qū)，屬于生態(tài)經(jīng)濟兼用樹種，因其具有較好的生態(tài)適應(yīng)性，在黃土高原被廣泛種植。前期研究中顯示，不同海拔、不同坡向及不同遮蔭條件下沙棘的生長和存活情況存在較大的差別。不同水分和光照條件會對沙棘產(chǎn)生較大的影響，但目前尚不完全了解沙棘水碳代謝對不同水分和光照條件下的適應(yīng)能力，也不了解干旱和遮蔭兩種脅迫對沙棘影響的交互作用方式。此外，沙棘黃酮類化合物含量與沙棘對環(huán)境條件的響應(yīng)密切相關(guān)。因此，確定沙棘黃酮類化合物對干旱和遮蔭的響應(yīng)，將有利于全面了解沙棘環(huán)境適應(yīng)性，也有助于了解沙棘黃酮類化合物含量對環(huán)境條件的響應(yīng)。

本研究以中國沙棘（Hippophae thamnoides L.subsp.sinensis Rousi）為研究對象，通過比較干旱和遮蔭對沙棘水分狀況、光合作用、生長和生物量分配、碳平衡、黃酮類化合物含量的影響，旨在研究干旱和遮蔭兩種非生物脅迫形式下沙棘的水碳代謝與生長的關(guān)系，揭示干旱和遮蔭對沙棘不同部位黃酮類化合物含量的影響，以期全面了解中國沙棘對水分和光照條件的適應(yīng)能力，同時可以揭示干旱和遮蔭對沙棘黃酮類化合物含量的影響。

1材料與方法

1.1研究地概況

試驗于山西省晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)站（112°35′06″E，37°25′47″N）遮雨棚內(nèi)進行，該地區(qū)位于黃土高原東部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫11℃，1月份平均氣溫-4.4℃，最低氣溫-11℃；年平均降水量437 mm，年平均日照時數(shù)2 500～2 600 h，無霜期150～190 d。

1.2試驗材料

試驗材料為3年生中國沙棘扦插苗，扦插材料取自同一沙棘雌株。于2021年4月初定植于高25 cm，直徑20 cm的塑料盆中，培養(yǎng)基質(zhì)采用沙壤土與細沙3：1混合，盆底放置塑料托盤與地面土壤隔離。2021年6月初選取生長基本一致的沙棘48株，隨機分為4組，每組12株，分別進行正常澆水（正常供水土壤含水量為飽和含水量的70%、無遮蔭）干旱（土壤含水量為飽和含水量的40%、無遮蔭）、遮蔭澆水（土壤含水量為飽和含水量的70%、遮光50%）、遮蔭干旱（土壤含水量為飽和含水量的40%、遮光50%）處理。遮蔭處理采用遮蔭網(wǎng)在盆栽植株南部和上部遮蔭處理，干旱通過稱量質(zhì)量法控制土壤水分。每個處理隨機分為2組，其中，1組（6株）用于測定水力學(xué)指標(biāo)、光合指標(biāo)；另一組（6株）用于測定生物量、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）含量、黃酮類化合物含量。在處理2個月后（8月初）測定水勢、導(dǎo)水損失率、光合作用等指標(biāo)，在處理3個月后（9月初）測定生物量，并采集樣品測定根、莖、葉非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量。

1.3測定指標(biāo)及方法

1.3.1水勢和導(dǎo)水損失率測定 在2021年8月上旬選擇連續(xù)晴天，測定枝條的水勢、導(dǎo)水損失率（Percentage loss of conductivity，PLC）。水勢的測定時間為12： 00-14： 00，用Model 600水勢儀（PMS，Albany，USA）測定，每個處理隨機選取5～6個枝條進行測定。

正午PLC測量時間與正午水勢相同，測定方法如下：為保證剪口浸沒在水下，剪取20-30cm長度枝條，帶回實驗室后用鋒利的刀片在水中截取3-4 cm長的枝段，用低壓液流法獲得PLC。測定溶液為0.025 mol·L-1 KCI溶液（0.22um微孔濾膜抽濾）。首先，以4 kPa的壓差將KCI溶液通過枝段，收集流出的液體并通過萬分之一天平稱量質(zhì)量，連接到天平的計算機通過LPFM軟件計算流量，記錄初始流量Ki（kg·m-1·s-1·MPa-1）。通過用相同的KCI溶液在0.175 MPa下高壓沖洗約5 min，然后以與Ki相同的方式獲得最大流速Kmax。PLC計算公式為：

PLC=（1-Ki/Kmax）×100%

1.3.2氣體交換指標(biāo)測定 于2021年8月上旬選擇連續(xù)晴天的上午9：00-11： 00用Li-6400光合測定系統(tǒng)（L1-COR，Lincoln，USA）進行測定，分別測定其凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，每個處理至少6次重復(fù)。

1.3.3生物量測定 在2021年9月初，將每個處理的沙棘植株葉、莖、根分開，放置105℃烘箱殺青15 min，75℃烘干，稱質(zhì)量，計算植株生物量占比。

生物量占比=葉（莖、根）生物量/總生物量。

1.3.4非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量測定 將烘干的葉、莖、根樣品粉碎過100目篩用于測定可溶性糖、淀粉含量?？扇苄蕴?、淀粉含量采用硫酸蒽酮法測定，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）含量=可溶性糖含量+淀粉含量。

1.3.5黃酮含量測定 黃酮含量采用亞硝酸鈉-硝酸鋁-氫氧化鈉比色法測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用One-way ANOVA進行方差分析，并用最小顯著性差異數(shù)法（LSD）進行多重比較，以P<0.05作為顯著性的標(biāo)準(zhǔn)，并用Sigmaplot 13.0作圖。

2結(jié)果與分析

2.1干旱和遮蔭對中國沙棘水勢和枝條PLC的影響

干旱處理的沙棘枝條水勢顯著低于正常澆水處理（P<0.05），遮蔭澆水處理中國沙棘枝條的水勢略高于正常澆水處理，但未達到顯著性差異水平，遮蔭干旱處理中國沙棘的枝條水勢略低于正常澆水處理，但沒有顯著性差異（圖1A）。干旱處理的枝條PLC顯著高于正常澆水處理（P<0.05），比正常澆水處理高32.8%，遮蔭澆水處理的枝條PLC與正常澆水處理沒有顯著性差異，遮蔭干旱處理的枝條PLC顯著高于其它3種處理（P<0.05）（圖1B）。干旱處理顯著降低了枝條的水勢，顯著增加了枝條的PLC（表1）；遮蔭處理顯著增加了枝條的水勢，也顯著增加了枝條的PLC；干旱和遮蔭的共同作用沒有對沙棘水勢造成顯著影響，但顯著增加了枝條的PLC。

2.2干旱和遮蔭對中國沙棘光合作用的影響

干旱處理下，中國沙棘葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著低于正常澆水處理（P<0.05），分別比正常澆水處理低54.6%、66.3%、64.3%，遮蔭澆水處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率也顯著低于正常澆水處理（P<0.05），分別比正常澆水處理低49.1%、43.9%、39.6%。遮蔭干旱處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均顯著低于其它3種處理（P<0.05）（圖2）。干旱和遮蔭的交互作用顯著降低了中國沙棘的光合作用、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率（表1）。這表明干旱和遮蔭處理及二者的共同作用均顯著降低了中國沙棘的光合能力。

2.3干旱和遮蔭處理對中國沙棘生物量和生物量分配的影響

干旱和遮蔭澆水處理的葉生物量均顯著低于正常澆水處理（P<0.05），比正常澆水處理分別降低55.2%、71.8%，遮蔭干旱處理的葉生物量顯著低于正常澆水處理（P<0.05），但與遮蔭澆水處理差異不顯著（圖3A）。干旱處理和遮蔭澆水處理的莖生物量與正常澆水處理差異不顯著，遮蔭干旱處理的莖生物量顯著低于正常澆水處理、干旱處理和遮蔭澆水處理（P<0.05）（圖3B）。干旱處理的根生物量顯著大于正常澆水處理（P<0.05），遮蔭干旱處理的根生物量顯著低于正常澆水處理（P<0.05），也略低于遮蔭澆水處理（圖3C）。降低了中國沙棘的葉、根生物量，干旱和遮蔭的共同作用顯著影響了葉、根生物量（表1）。

2.4遮蔭和干旱對中國沙棘不同部位NSC含量的影響

干旱處理和遮蔭澆水處理、遮蔭干旱處理的葉、莖、根可溶性糖含量均顯著低于正常澆水處理（P<0.05）。遮蔭干旱處理的葉、莖可溶性糖含量顯著低于干旱處理（P<0.05），遮蔭干旱處理的根可溶性糖含量顯著高于干旱處理（P<0.05），與遮蔭澆水處理沒有顯著性差異（圖4A、B、C）。

干旱處理的沙棘葉淀粉含量顯著高于正常澆水處理（P<0.05），但干旱處理的莖、根淀粉含量均顯著低于正常澆水處理（P<0.05）。遮蔭澆水處理的葉淀粉含量顯著高于正常澆水處理（P<0.05），根淀粉含量顯著低于正常澆水處理（P<0.05）。遮蔭干旱處理的葉淀粉含量與正常澆水處理沒有顯著性差異，根淀粉含量顯著低于正常澆水處理（P<0.05）（圖4D、E、F）。

干旱處理的葉NSC含量與正常澆水處理沒有顯著性差異，莖和根NSC含量顯著低于正常澆水處理（P<0.05），遮蔭澆水處理的葉、莖、根NSC含量均顯著低于正常澆水處理（P<0.05），遮蔭干旱處理的葉、莖、根NSC含量均顯著低于正常澆水處理（P<0.05），與遮蔭澆水處理沒有顯著性差異（圖4G、H、I）。

以上表明干旱顯著降低了沙棘莖和根NSC含量，遮蔭顯著降低了各個部位的NSC含量，干旱和遮蔭的共同作用顯著降低了沙棘莖和根的NSC含量。

2.5干旱和遮蔭處理對中國沙棘不同部位黃酮含量的影響

沙棘葉的黃酮含量在15～25 mg·g-1之間，莖黃酮含量在3～5 mg·g-1之間，根黃酮含量在2～3 mg·g-1之間。干旱處理的葉、莖、根黃酮含量均顯著高于光照澆水處理（P<0.05），遮蔭澆水處理的根黃酮含量顯著低于正常澆水處理（P<0.05），遮蔭澆水處理的葉和莖黃酮含量略低于正常澆水處理，但沒有顯著性差異，遮蔭干旱處理的葉黃酮含量顯著低于干旱處理（P<0.05），與正常澆水處理和遮蔭澆水處理沒有顯著性差異，莖黃酮含量顯著高于正常澆水處理和遮蔭澆水處理（P< 0.05），與干旱處理沒有顯著性差異，根黃酮含量與正常澆水處理和干旱處理沒有顯著性差異，顯著高于遮蔭澆水處理（P<0.05）（圖5）。這表明沙棘葉有較高的黃酮物質(zhì)含量，干旱促進了各個部位黃酮物質(zhì)的積累，遮蔭顯著降低了根黃酮的積累，干旱和遮陰的共同作用顯著增加了莖黃酮含量，但對葉和根黃酮含量沒有顯著性影響。

3討論

3.1干旱和遮蔭對中國沙棘水分狀況和光合作用的影響

干旱是沙棘經(jīng)常受到的非生物脅迫形式，沙棘資源豐富的華北、西北地區(qū)，每年受到較大程度的干旱或季節(jié)性干旱的影響，雖然之前的研究和生產(chǎn)經(jīng)驗認為沙棘有較好的耐旱性，但近年來越來越多的試驗證據(jù)表明沙棘易受到干旱脅迫的影響。本研究中，無論是正常光照處理還是遮蔭處理下，干旱處理均顯著降低了沙棘的水勢，顯著提高了沙棘的枝條PLC，這表明本研究的干旱對沙棘水分狀況有較大程度的影響，進而會影響到沙棘的光合作用。因此，干旱處理的凈光合速率顯著低于正常澆水處理，遮蔭是沙棘經(jīng)常受到的另外一種非生物脅迫形式，沙棘屬于灌木樹種，樹木較矮小，與其它樹木混交情況下，會不同程度的受到遮蔭的影響。前人研究表明，沙棘屬于陽性樹種，對遮蔭的適應(yīng)能力較差。本研究中，遮蔭對沙棘的水分狀況沒有顯著影響，相反，在遮蔭處理下，環(huán)境溫度降低、蒸騰潛能減少，因此，遮蔭會在一定程度上減少干旱脅迫的影響程度，在本研究中具體表現(xiàn)為水勢一定程度的升高、沙棘水分狀況較正常澆水處理略好，這和前期的研究結(jié)果類似，但遮蔭處理受光照不足的影響，較大程度的限制了沙棘的光合作用。

對枝條PLC的研究結(jié)果沒有表現(xiàn)出與水勢的一致響應(yīng)，具體表現(xiàn)為遮蔭干旱處理的水勢雖然高于光照干旱處理，但枝條PLC也顯著高于光照干旱處理，這可能是由于在遮蔭處理下沙棘枝條的抗氣穴栓塞能力或栓塞修復(fù)能力降低引起的，前人的研究中也有報道遮蔭降低枝條的抗氣穴栓塞能力；同時本研究的NSC含量結(jié)果也表明，遮蔭處理顯著降低枝條的可溶性糖和NSC含量，進而會影響氣穴栓塞的修復(fù)能力，雖然本研究不能準(zhǔn)確證明這種枝條PLC增加的原因是由抗栓塞能力下降還是修復(fù)能力下降引起，但導(dǎo)致的結(jié)果是水分輸導(dǎo)能力下降。對植物在干旱條件下維持水分平衡不利，受干旱導(dǎo)致水分狀況變差和遮蔭導(dǎo)致光合速率降低兩方面的影響，遮蔭干旱處理的光合速率在4個處理中最低，進而導(dǎo)致碳攝取不足，并可能會影響生長和光合產(chǎn)物的儲藏利用。

3.2干旱和遮蔭處理對中國沙棘生長和NSC含量的影響

植物通過光合產(chǎn)物攝取的碳，通常分為兩類用途，一部分用于植物的生長，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)性碳，另外一部分用于呼吸代謝、儲藏或發(fā)揮其滲透調(diào)節(jié)等生理功能，這一部分通常以NSC形式存在。在結(jié)構(gòu)性碳方面，干旱處理下碳攝取受限，導(dǎo)致葉生物量顯著降低，這種反應(yīng)在正常光照處理下表現(xiàn)的更明顯，另外干旱也會影響植物體不同部位的生物量分配，在光照處理下，干旱顯著增加沙棘的根生物量，這有利于沙棘的水分吸收功能，應(yīng)對干旱脅迫。遮蔭處理下的中國沙棘由于光照不足，限制了光合速率，導(dǎo)致葉生物量較正常光照處理顯著降低，但對莖、根的生物量影響不顯著；同時本研究也發(fā)現(xiàn)，在遮蔭和干旱共同作用下，顯著降低了根、莖、葉的生物量，這表明遮蔭和干旱的共同作用對沙棘的生長更不利。

干旱對植物NSC含量的影響沒有一致性結(jié)論，有研究認為，干旱限制植物的光合作用，會導(dǎo)致植物出現(xiàn)NSC含量不足，甚至近年來的一些研究認為，干旱導(dǎo)致的NSC含量不足出現(xiàn)碳饑餓是導(dǎo)致植物死亡的重要原因；也有研究認為，干旱雖然限制植物的光合作用，但受植物本身生長減少的影響，干旱并不會導(dǎo)致NSC含量降低，甚至?xí)霈F(xiàn)NSC含量增加的情況，這可能與不同樹種的調(diào)節(jié)策略有關(guān)。本研究中，干旱處理并沒有使中國沙棘的根、莖、葉NSC含量增加，相反莖和根均有較大程度的降低，這種降低對沙棘應(yīng)對干旱不利，莖和根的NSC含量降低的主要原因是光合產(chǎn)物不足時，會優(yōu)先就近供應(yīng)距離光合部位較近的葉片，而距離光合部位較遠的根和莖，一定程度的受到碳脅迫的影響。遮蔭處理顯著降低了不同部位的NSC含量，一方面是因為遮蔭導(dǎo)致碳攝取能力降低，另一方面是遮蔭一定程度上緩解了植物的水分狀況，不需要那么多的可溶性糖用于滲透調(diào)節(jié)。通常的研究認為，干旱會促進淀粉向糖的轉(zhuǎn)化，但本研究中沒有體現(xiàn)出這一規(guī)律，可能與干旱影響了淀粉向糖轉(zhuǎn)化的能力有關(guān)，具體生理機制有待進一步研究。

3.3干旱和遮蔭處理對中國沙棘黃酮含量的影響

黃酮類化合物是植物應(yīng)對逆境的重要物質(zhì)，在植物遭受干旱等非生物脅迫時，通過合成黃酮類化合物來消耗過剩的能量和活性氧，以減輕非生物脅迫所造成的細胞氧化損傷和膜質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞。本研究中，干旱處理顯著增加了沙棘不同部位黃酮類化合物含量，這與前人的大部分研究結(jié)果一致；本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，葉黃酮含量與植物的水勢有顯著性的負相關(guān)關(guān)系，這表明隨著水分狀況的變差，黃酮類化合物含量有增加趨勢，干旱處理能促進沙棘的黃酮類化合物合成。前人的大部分研究結(jié)果認為，遮蔭會降低黃酮類化合物含量。本研究中，遮蔭處理在—定程度上降低了黃酮類化合物含量。同時黃酮類化合物也是重要的生物活性物質(zhì)，本研究發(fā)現(xiàn)，沙棘葉片黃酮類化合物含量顯著高于莖，是可用于黃酮類化合物提取利用的主要部位。

4結(jié)論

本研究比較了干旱和遮蔭對沙棘水分狀況、光合作用、生長、碳平衡、黃酮類化合物含量的影響，結(jié)果表明，干旱處理會影響中國沙棘的水分狀況、碳攝取，降低莖和根的NSC儲藏，增加黃酮類化合物含量；遮蔭處理會影響中國沙棘的光合速率、根莖葉的NSC儲藏，降低黃酮類化合物含量；干旱和遮蔭的共同作用進一步加劇了中國沙棘水分長距離運輸、光合作用、生物量積累和NSC儲藏的不利影響。以上結(jié)果表明，干旱和遮蔭均對中國沙棘光合作用、生長、NSC含量產(chǎn)生不利影響，干旱和遮蔭的共同作用進一步降低了中國沙棘的水分輸導(dǎo)能力、光合作用、生物量積累和NSC儲藏，遮蔭降低了中國沙棘對干旱脅迫的適應(yīng)能力，適度干旱有利于黃酮類化合物的積累。