沙生檉柳地理種群的抗旱性綜合評(píng)價(jià)及抗旱指標(biāo)篩選

卓 立，閔孝君，蘇志豪

（1.新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆師范大學(xué)圖書館，新疆 烏魯木齊 830017）

干旱是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中最主要的非生物脅迫之一［1-2］。受干旱脅迫影響，植物逐漸演化出各種形態(tài)、結(jié)構(gòu)、代謝方式來適應(yīng)干旱環(huán)境［3-6］，其對(duì)干旱的適應(yīng)性是形態(tài)解剖、水分生理特征、生理生化反應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的綜合反應(yīng)，受多種因素影響［7］。鑒于植物對(duì)干旱環(huán)境適應(yīng)的復(fù)雜性，其抗旱性是各種非生物脅迫中最難測(cè)定的［8］。在評(píng)估植物的抗旱性時(shí)，選取單一的指標(biāo)，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其抗旱性能，一般采用多種指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并篩選出抗旱指標(biāo)［9-10］。

沙生檉柳（Tamarix taklamakanensis M.T.Liu）屬檉柳科（Tamaricaceae）的檉柳屬（Tamarix），在第三紀(jì)時(shí)已經(jīng)存在，為我國特有物種［11］，主要分布于塔克拉瑪干沙漠腹地。塔克拉瑪干沙漠光照強(qiáng)、空氣干旱、沙表溫度高，生境十分惡劣。蔣進(jìn)等人基于若干水分生理和形態(tài)指標(biāo)，采用數(shù)學(xué)分析法對(duì)檉柳屬的十二種檉柳抗旱性進(jìn)行了排序，結(jié)果顯示沙生檉柳抗旱性最強(qiáng)［12］，目前認(rèn)為沙生檉柳為我國荒漠地區(qū)流動(dòng)沙丘上最抗旱耐炎熱的固沙造林樹種［13-14］。沙生檉柳表皮細(xì)胞大，皮層4～8 層，角質(zhì)層厚，氣孔密度大，孔下室大，厚壁細(xì)胞排列緊密，韌皮部排列緊密，維管束連接成一個(gè)完整的環(huán)，髓部具黏液細(xì)胞［15］。塔克拉瑪干沙漠腹地嚴(yán)重缺水，地下水位低，沙生檉柳在這種極端生境下形成了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)來抑制蒸騰，防止水分散發(fā)，減少光線輻射，提高光合作用效率［16］。目前關(guān)于沙生檉柳生理生化特征的研究較少，缺乏自然條件下生理生化特征的研究，而且關(guān)于沙生檉柳抗旱性指標(biāo)較為單一，不能全面綜合地評(píng)價(jià)沙生檉柳的抗旱性。對(duì)沙生檉柳地理種群進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，全面分析其抗旱能力，能為篩選優(yōu)質(zhì)的抗旱種質(zhì)資源，進(jìn)行抗旱育種奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠腹地，氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶曰哪畾夂?。塔克拉瑪干沙漠極度干旱，年均降水量?jī)H為15～60 mm，年均蒸發(fā)量高達(dá)3600 mm，年均氣溫為10～12℃，年均相對(duì)濕度為29.4%，1 月平均氣溫為-5～-10℃，7 月平均氣溫為24～27℃.沙漠腹地平均風(fēng)速約為2.5 m·s-1，大風(fēng)集中在春夏兩季，年起沙風(fēng)日數(shù)達(dá)130d 以上，風(fēng)沙危害嚴(yán)重［17-19］。本研究選擇塔克拉瑪干沙漠腹地沙生檉柳種群進(jìn)行研究，地面景觀以流動(dòng)性高的大復(fù)合沙壟為主，土壤類型絕大部分為流動(dòng)風(fēng)沙土。塔克拉瑪干沙漠公路兩側(cè)由于極度干旱，自然植被匱乏，大多為零星分布的沙生灌木及草本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，覆蓋度低。沙漠公路綠化帶主要為人工種植的梭梭、檉柳屬植物、沙拐棗、大白刺以及蘆葦。沙生檉柳地理種群的經(jīng)緯度用GPS 定位記錄，地理種群分布如圖1所示。

圖1 沙生檉柳地理種群分布圖

2 材料與方法

2.1 測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法

沙生檉柳營養(yǎng)生長(zhǎng)旺期為5—7月。2019年7月前往輪臺(tái)縣沿塔克拉瑪干沙漠公路選取種群，采集沙生檉柳種群新鮮枝條、葉片。每個(gè)種群選取的沙生檉柳個(gè)體發(fā)育良好、形態(tài)大小基本一致、樹齡大小大致相同。枝條、葉片在植株中部大約同一位置采集，重復(fù)3次，每個(gè)種群采集15個(gè)個(gè)體，采集枝條、葉片均勻混合并立即放入液氮罐中冷凍保存。表1 為沙生檉柳地理種群的分布及環(huán)境參數(shù)，氣候數(shù)據(jù)參考同區(qū)域的相關(guān)研究文獻(xiàn)［17-18，20-21］。

表1 沙生檉柳地理種群分布及環(huán)境參數(shù)

沙生檉柳葉片相對(duì)含水量利用烘干法測(cè)重［22］，葉綠素含量利用乙醇浸提法測(cè)定［23］?？寡趸芰χ笜?biāo)包括過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、總抗氧化能力。過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定［24］；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT 光化學(xué)還原法測(cè)定［25］；過氧化氫酶（CAT）活性采用KMnO4 法測(cè)定［26］；總抗氧化能力采用鐵離子還原法測(cè)定［27］；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)指標(biāo)包括可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量。可溶性糖含量采用蒽酮硫酸水合熱法測(cè)定［28］；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)比色法測(cè)定［29］；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測(cè)定［30］。丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸顯色法測(cè)定［31］；硝酸還原酶活性采用離體法測(cè)定［32］；各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。各種群土壤相對(duì)含水量用烘干法測(cè)定［33］。在各種群采集土壤樣本，土壤深度為0～90 cm，土層深度為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm.土壤樣本用烘箱烘干至恒重計(jì)算土壤含水量。每個(gè)土壤樣本重復(fù)3次。

2.2 隸屬函數(shù)值法

用模糊隸屬函數(shù)值法對(duì)沙生檉柳不同地理種群進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)［34］。隸屬函數(shù)法是先求出各抗旱指標(biāo)在不同地理種群中的具體隸屬值，然后累加不同地理種群各抗旱指標(biāo)隸屬函數(shù)值，求其平均值評(píng)定抗逆性，根據(jù)種群平均值的大小評(píng)定抗旱性的強(qiáng)弱。隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式如下

或

式中，u(X)ij為第i個(gè)地理種群第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xij為第i個(gè)地理種群第j個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值，Ximin、Ximax為該指標(biāo)在第i個(gè)地理種群的最小、最大值。若抗旱指標(biāo)與抗旱性成正相關(guān)關(guān)系用式（1），成負(fù)相關(guān)則用式（2）。對(duì)于各地理種群，將累加各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值并求平均值，平均值越大表示抗旱性越強(qiáng)。隸屬函數(shù)值計(jì)算在Excel中進(jìn)行，平均隸屬函數(shù)值比較在SPSS 19.0中進(jìn)行。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法意圖通過求灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，尋求各因素之間的數(shù)值關(guān)系?；疑P(guān)聯(lián)度分析設(shè)置參考序列與比較序列，通過計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)、灰色關(guān)聯(lián)度、權(quán)重對(duì)各抗旱指標(biāo)進(jìn)行分析。參考序列為X0={X0( 1) ,X0( 2 ),…X0(n) }，比較序列為Xi={Xi( 1) ,Xi( 2 ),…Xi(n) }。用公式Xi'(K)=Xi(K)∕Xi進(jìn)行數(shù)據(jù)無量綱化處理，Xi(K)為原始抗旱指標(biāo)數(shù)據(jù)，Xi為該抗旱指標(biāo)的平均值。將6 個(gè)沙生檉柳地理種群各抗旱指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值作為數(shù)列X0.

關(guān)聯(lián)系數(shù)εi(K)、灰色關(guān)聯(lián)度ri、W（k）分別用以下公式計(jì)算

式中，?i(k)=|X0(k)-Xi(k)|，min min ?i(k)為二級(jí)最小差，max max ?i(k)為二級(jí)最大差，ρ為分辨系數(shù)，取值范圍為（0，1），本研究取值0.5［35］.灰色關(guān)聯(lián)度分析在Excel中進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙生檉柳不同地理種群抗旱指標(biāo)值

沙生檉柳6 個(gè)地理種群的13 項(xiàng)抗旱指標(biāo)值各不相同，抗旱指標(biāo)值如表2 所示。種群4、種群3 的土壤含水量較低，從單一抗旱指標(biāo)來看，各抗旱指標(biāo)并不呈現(xiàn)單一趨勢(shì)。

表2 沙生檉柳地理種群抗旱指標(biāo)

3.2 沙生檉柳不同地理種群抗旱性評(píng)價(jià)

沙生檉柳各地理種群抗旱指標(biāo)隸屬值如表3所示，各地理種群平均隸屬值排序如圖2所示。種群4抗旱指標(biāo)隸屬值最大，為0.533；種群5抗旱指標(biāo)隸屬值最小，為0.452.沙生檉柳地理種群的綜合抗旱性排序?yàn)榉N群4>種群3>種群2>種群1>種群6>種群5.各地理種群間抗旱指標(biāo)隸屬值差異不顯著（F=2.295，P=0.054）。種群3平均隸屬函數(shù)值與種群5差異顯著，與其他種群差異均不顯著；種群4平均隸屬函數(shù)值與種群5、種群6差異顯著，與其他種群差異均不顯著。

表3 沙生檉柳各地理種群生理指標(biāo)抗旱隸屬值

圖2 沙生檉柳各地理種群平均隸屬值排序及比較

3.3 沙生檉柳地理種群抗旱指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度分析

沙生檉柳地理種群抗旱指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)如表4所示。各抗旱指標(biāo)與抗旱性關(guān)聯(lián)順序?yàn)槿~綠素a含量>葉綠素總含量>丙二醛MDA>脯氨酸PRO>硝酸還原酶>超氧化物酶SOD 活性>過氧化氫酶CAT>過氧化物酶POD>總抗氧化能力>BCA 法蛋白含量>可溶性糖>葉綠素b 含量>葉片含水率RWC.其中葉綠素a 含量關(guān)聯(lián)度在0.9以上，可作為首要的抗旱性鑒定指標(biāo)；葉綠素總含量、丙二醛MDA、脯氨酸PRO、硝酸還原酶、超氧化物酶SOD、過氧化氫酶CAT、過氧化物酶POD、總抗氧化能力、BCA 法蛋白含量、可溶性糖關(guān)聯(lián)度在0.5～0.7 之間，對(duì)所選的地理種群抗旱能力次之，可作為重要的抗旱性鑒定指標(biāo)；葉綠素b 含量、葉片含水率RWC影響較弱，可作為次要的抗旱性鑒定指標(biāo)（表5）。

表4 沙生檉柳地理種群抗旱指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表5 沙生檉柳抗旱指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度及權(quán)重

4 討論

不同植物在干旱逆境中，適應(yīng)干旱的途徑和機(jī)理多種多樣，復(fù)雜的抗旱性由受多基因控制的多個(gè)數(shù)量性狀來表現(xiàn)［36］。對(duì)于同一植物的不同品種、同一植物品種的不同生長(zhǎng)時(shí)期及所處的不同生境，其抗旱性也不盡相同，各項(xiàng)生理指標(biāo)表現(xiàn)的敏感度也不相同［37］。干旱脅迫下，植物可以通過POD、SOD 酶活性升高使得植物加快清除體內(nèi)自由基，減輕膜脂過氧化［38］；也有些植物通過滲透物質(zhì)的積累來調(diào)節(jié)降低水勢(shì)，維持膨壓，使植物能夠忍耐失水所帶來的負(fù)面影響［39］。植物應(yīng)對(duì)干旱的生理表現(xiàn)多樣，并且與環(huán)境因子密切相關(guān)，用單一指標(biāo)進(jìn)行植物抗旱性的評(píng)價(jià)具有片面性［40］，因而對(duì)植物進(jìn)行抗旱性的綜合定量評(píng)價(jià)顯得十分必要。

基于隸屬函數(shù)法，綜合分析沙生檉柳地理種群多項(xiàng)生理指標(biāo)，可得不同地理種群沙生檉柳綜合抗旱性排序?yàn)榉N群4>種群3>種群2>種群1>種群6>種群5.檉柳屬植物根系較深，地下水顯著影響檉柳屬的分布與發(fā)展［41］。沙生檉柳雖極耐旱，能夠存活于塔克拉瑪干沙漠腹地，但也主要分布于沙漠中的古河道和舊河床，與地下水位息息相關(guān)，若地下水位過低，也很難存活［41］。本研究選取的沙生檉柳地理種群沿沙漠公路分布，雖然地理種群的環(huán)境因子有所差異，比如年均降水量、年均蒸發(fā)量有所不同，但結(jié)合檉柳屬植物的自身特性，本研究認(rèn)為其抗旱生理特性主要受地下水影響，土壤水分條件越差，抗旱性越強(qiáng)。較其他種群，種群4、種群3抗旱性更強(qiáng)，其平均土壤含水量較低；種群2、種群1具中等強(qiáng)度的抗旱性，平均土壤含水量居中；種群6、種群5 抗旱性最弱，平均土壤含水量較高。在更為干旱的生境條件下，沙生檉柳從生理、生化各方面產(chǎn)生自動(dòng)調(diào)節(jié)，以與外界的環(huán)境條件相適應(yīng)，使其受外界的壓力最小，與環(huán)境壓力取得平衡。

對(duì)于所選的13個(gè)生理生化抗旱指標(biāo)，灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)各抗旱指標(biāo)代表的抗旱能力進(jìn)行了甄別。葉綠素a 含量關(guān)聯(lián)度大于0.9，是本研究確定的首要抗旱性鑒定指標(biāo)。土壤的干旱程度影響葉片葉綠素含量，進(jìn)而影響光合作用、呼吸代謝等生理過程［42］。前期研究發(fā)現(xiàn)，沙生檉柳種群在土壤最為干旱的流動(dòng)沙丘，植物葉片葉綠素a含量最高［43］。此外，在荒漠植物紅砂中也發(fā)現(xiàn)，在面臨干旱脅迫時(shí)，紅砂通過提高葉片葉綠素a含量，增強(qiáng)光合作用，應(yīng)對(duì)干旱脅迫［44］。葉綠素總含量、丙二醛MDA、脯氨酸PRO、硝酸還原酶、超氧化物酶SOD、過氧化氫酶CAT、過氧化物酶POD、總抗氧化能力、BCA 法蛋白含量、可溶性糖是本研究確定的重要的抗旱性鑒定指標(biāo)。這些指標(biāo)關(guān)聯(lián)度大致相當(dāng)，說明這些抗旱指標(biāo)相互制約并相互依賴，共同調(diào)節(jié)沙生檉柳的內(nèi)在抗旱機(jī)制。前期研究表明，沙生檉柳通過多種途徑來抵御和適應(yīng)干旱環(huán)境。沙生檉柳地理種群在干旱脅迫條件下，主要通過增高SOD 活性、POD 活性、總抗氧化能力及降低過氧化氫酶（CAT）、硝酸還原酶（NR）含量以維持活性氧代謝平衡；同時(shí)，通過大量積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛以維持高滲透調(diào)節(jié)能力，抵御干旱環(huán)境脅迫［43］。

綜上所述，本研究利用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)沙生檉柳地理種群抗旱性，所選的13 項(xiàng)抗旱指標(biāo)中，有11項(xiàng)能較好地代表沙生檉柳抗旱性，葉綠素a 含量可作為首要的抗旱性鑒定指標(biāo)；葉綠素總含量、丙二醛MDA、脯氨酸PRO、硝酸還原酶、超氧化物酶SOD、過氧化氫酶CAT、過氧化物酶POD、總抗氧化能力、BCA 法蛋白含量、可溶性糖可作為重要的抗旱性鑒定指標(biāo)。葉綠素b 含量、葉片含水率RWC 影響較弱?；疑P(guān)聯(lián)度法分析表明，沙生檉柳抗旱生理特性主要受地下水影響，土壤水分條件越差，抗旱性越強(qiáng)。沙生檉柳抗旱指標(biāo)相互制約并相互依賴，共同調(diào)節(jié)沙生檉柳的內(nèi)在抗旱機(jī)制，使其通過多種途徑來抵御和適應(yīng)干旱環(huán)境。植物抗旱性是受多種因素控制的綜合性狀，評(píng)價(jià)沙生檉柳抗旱性還需要結(jié)合其他方面，如生長(zhǎng)指標(biāo)、光合特性、解剖結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合評(píng)定，以全面分析其抗旱能力，篩選優(yōu)質(zhì)的抗旱種質(zhì)資源，為其抗旱育種奠定基礎(chǔ)。