摘 要:【目的】了解‘豫濟(jì)’山桐子苗期的抗旱能力,為其推廣種植提供理論參考?!痉椒ā恳? 年生‘豫濟(jì)’山桐子為試驗(yàn)材料,設(shè)置CK、輕度干旱(D1)、中度干旱(D2)、重度干旱(D3)、持續(xù)干旱(D4)共5 個(gè)處理,CK、D1、D2、D3 處理的土壤相對(duì)含水量分別為75%、30%、20%、10%,D4 處理為一次性澆透后不再澆水。每10 d 測(cè)定1 次株高、地徑和葉片形態(tài);分別在干旱脅迫前期(試驗(yàn)第0 天)、干旱脅迫中期(各脅迫處理苗木存活時(shí)間的1/2)、干旱脅迫末期(苗木整株枯死,試驗(yàn)結(jié)束)時(shí),對(duì)各處理苗木的根系形態(tài)特征和生物量進(jìn)行測(cè)定。探究干旱脅迫下苗木在形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和內(nèi)源激素等方面的變化。【結(jié)果】D1、D2 處理苗木全部存活,D3、D4 處理苗木分別存活30、60 d。短時(shí)間的輕度干旱脅迫能夠促進(jìn)苗木根系生長(zhǎng)。脅迫末期,隨著脅迫程度的加強(qiáng),葉長(zhǎng)、葉寬、著葉數(shù)量、株高增量、地徑增量、根體積、根表面積、根長(zhǎng)、根系密度逐漸降低??扇苄缘鞍缀恐饾u降低,MDA 含量和相對(duì)電導(dǎo)率逐漸升高,IAA、GA3 和ZR 含量表現(xiàn)為輕、中度干旱脅迫下逐漸升高,重度和持續(xù)干旱脅迫下降低。D3 處理后期可溶性糖含量、脯氨酸含量迅速升高;D4 處理后期可溶性糖含量迅速升高、脯氨酸含量先升高后降低?!窘Y(jié)論】‘豫濟(jì)’山桐子對(duì)干旱較為敏感,能夠通過(guò)延緩生長(zhǎng)、損失部分生物量、提高滲透調(diào)節(jié)物含量、增加激素水平來(lái)適應(yīng)不同程度的干旱,適度的干旱可以促進(jìn)苗木的生長(zhǎng)發(fā)育,可以將土壤相對(duì)含水量20% 作為臨界點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:‘豫濟(jì)’山桐子;干旱脅迫;形態(tài)結(jié)構(gòu);生理生化
中圖分類號(hào):S601 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1003—8981(2025)01—0029—11
干旱是限制樹(shù)木生長(zhǎng)、分布和生存的主要環(huán)境因素之一[1],在長(zhǎng)期嚴(yán)重的干旱條件下,植物細(xì)胞擴(kuò)展受到抑制,葉片氣孔開(kāi)度減小,光合作用減弱,導(dǎo)致樹(shù)木生長(zhǎng)速度減緩、抽新枝量減少、葉片卷曲枯萎甚至凋落,最終致使林木長(zhǎng)勢(shì)衰退甚至死亡[2-4]。隨著全球缺水干旱現(xiàn)象的日益加劇,植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫的形態(tài)與生理響應(yīng)已成為研究的熱點(diǎn)之一。植物在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí),會(huì)通過(guò)改變生物量分配和功能性狀來(lái)維持或增加水分吸收能力,從而為其正常生命活動(dòng)創(chuàng)造條件[5]。例如,北柴胡Bupleurum chinense 在干旱脅迫下總根長(zhǎng)和根系平均直徑顯著增加,而株高、冠干質(zhì)量降低[6]。在一定程度上,輕度的干旱脅迫可以促進(jìn)刺槐Robinia pseudoacacia 的生長(zhǎng),增加其對(duì)水分的吸收,從而干旱的影響得以減輕;但中、重度干旱處理對(duì)刺槐幼苗株高、地徑、冠幅、葉面積和根長(zhǎng)的影響較大[7]。滲透調(diào)控是植物抵御環(huán)境脅迫的重要途徑,通過(guò)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)滲透壓,維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),從而提高植物對(duì)環(huán)境脅迫的適應(yīng)性[8]。隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),云南松Pinusyunnanensis[9] 幼苗針葉中可溶性蛋白、脯氨酸和可溶性糖含量均逐漸升高,在重度干旱脅迫下含量明顯增加。同樣,M9T337 蘋(píng)果Malus pumila 砧木中的可溶性糖和可溶性蛋白含量也升高,但是淀粉含量有所降低,部分原因可能是淀粉水解轉(zhuǎn)化為可溶性糖,增加了可溶性糖的積累,從而幫助植物應(yīng)對(duì)惡劣的外部環(huán)境[10]]。這些研究結(jié)果表明,植物在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí),可以通過(guò)增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)增強(qiáng)對(duì)逆境的適應(yīng)性。石開(kāi)明等[11] 利用聚乙二醇6 000(PEG 6 000,簡(jiǎn)稱PEG)模擬干旱脅迫環(huán)境,發(fā)現(xiàn)隨著PEG 濃度的提高,山桐子種子萌發(fā)參數(shù)、幼苗根系活力和呼吸速率均顯著下降,與王艷芳等[12] 的研究結(jié)果一致,在PEG 含量為25% 的條件下,發(fā)芽苗的胚軸無(wú)法正常發(fā)育,而盆栽苗在干旱脅迫7 d 時(shí)出現(xiàn)了部分枯死現(xiàn)象。因此,通過(guò)干旱脅迫模擬試驗(yàn),定量分析樹(shù)木生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)構(gòu)造及生理過(guò)程對(duì)不同干旱脅迫強(qiáng)度的響應(yīng),可以深入探討樹(shù)木的干旱適應(yīng)能力,為耐旱樹(shù)木良種選育和干旱地區(qū)造林提供理論依據(jù)。
山桐子Idesia polycarpa是大風(fēng)子科Flacourtiaceae山桐子屬I(mǎi)desia 落葉喬木,廣泛分布于亞熱帶與暖溫帶地區(qū)[13]。其果肉含油率高達(dá)44.08%[14],籽含油量達(dá)26.54%[15],果實(shí)油脂中富含亞油酸,是我國(guó)重要的木本油料樹(shù)種之一。山桐子具有生長(zhǎng)速度快、立地適應(yīng)性強(qiáng)、材質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn),于2019年被列入《國(guó)家儲(chǔ)備林樹(shù)種目錄》[16]。在干旱的山坡地栽植山桐子,能夠充分發(fā)揮其“不與糧爭(zhēng)地”的優(yōu)勢(shì)。降水是影響山桐子分布的主要因素,其分布區(qū)域的年降水量為600 ~ 2 000 mm,其中800 ~ 1 800 mm 為適宜年降水量[17]。山桐子果實(shí)的平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比及十六烷值與有效降水量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),種子千粒質(zhì)量、含油率和皂化值與有效降水量呈現(xiàn)拋物線相關(guān),這表明水分是影響山桐子分布、生長(zhǎng)及豐產(chǎn)的關(guān)鍵限制因子[13]。因此,亟待深入研究山桐子對(duì)干旱脅迫的耐受程度及其適應(yīng)干旱環(huán)境的生理響應(yīng)機(jī)制。
‘豫濟(jì)’山桐子Idesia polycarpa ‘Yuji’ 是適生于河南省境內(nèi)亞熱帶與暖溫帶過(guò)渡氣候帶的優(yōu)良品種,其干形通直、結(jié)實(shí)量大、含油率顯著高于其他種源山桐子,具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)[18-19],在干旱地區(qū)發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)經(jīng)濟(jì)林方面展現(xiàn)出巨大潛力。本研究中以2 年生‘豫濟(jì)’山桐子苗木為試驗(yàn)材料,通過(guò)盆栽試驗(yàn)設(shè)置不同干旱脅迫梯度,探究干旱脅迫下‘豫濟(jì)’山桐子在形態(tài)結(jié)構(gòu)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和內(nèi)源激素等方面的變化規(guī)律,旨在揭示其對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制,為‘豫濟(jì)’山桐子良種在干旱和半干旱地區(qū)的栽植造林提供理論參考。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地概況
試驗(yàn)地設(shè)在河南省鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)試驗(yàn)站(34°43′ ~ 34°93′N(xiāo),113°42′ ~ 113°97′E)。該地區(qū)為暖溫帶大陸性氣候,四季分明,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱多雨。年平均氣溫14.2 ℃,極端最高氣溫43 ℃,極端最低氣溫-17.9 ℃,年平均降水量650.1 mm。
1.2 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為2 年生‘豫濟(jì)’山桐子實(shí)生苗。2021 年3 月,將‘豫濟(jì)’山桐子種子與濕沙混勻后撒播于營(yíng)養(yǎng)缽中?;|(zhì)為蛭石和草炭土的混合物(體積比1∶1),其有效氮含量1.32 g/kg,有效磷含量0.022 g/kg,有效鉀含量1.29 g/kg,有機(jī)質(zhì)含量7.8 mg/kg,pH 6.45,最大田間持水量為65%。將萌發(fā)后的幼苗置于室外露天擺放,進(jìn)行澆水、除草等日常管理。2021 年5 月,將山桐子幼苗移栽到外徑29.6 cm、內(nèi)徑25.4 cm、高19.7 cm、底徑17.8 cm 的花盆中繼續(xù)培育。2022 年6 月26日,選取長(zhǎng)勢(shì)相同且無(wú)病害的‘豫濟(jì)’山桐子幼苗,進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。為避免自然降水影響試驗(yàn)結(jié)果,將苗木放置在遮雨棚下,大棚四面通風(fēng)。
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
設(shè)置CK、輕度干旱(D1)、中度干旱(D2)、重度干旱(D3)、持續(xù)干旱(D4)共5 個(gè)處理,CK、D1、D2、D3 處理的土壤相對(duì)含水量分別為75%、30%、20%、10%,采用智能滴灌系統(tǒng)控制土壤含水量,含水量誤差為±1%;D4 處理為一次性澆透后不再澆水。每個(gè)處理重復(fù)3 次,每次10 盆,共30 盆,每個(gè)處理均另外設(shè)置6 盆只有基質(zhì)無(wú)苗木的花盆,用于采集土壤,進(jìn)行含水量測(cè)定。干旱脅迫連續(xù)處理90 d,每10 d 測(cè)定一次生長(zhǎng)指標(biāo)(株高、地徑和葉片形態(tài))和生理指標(biāo),測(cè)定生長(zhǎng)指標(biāo)時(shí)對(duì)D4 處理的土壤含水量進(jìn)行測(cè)定。
1.4 測(cè)定方法
1.4.1 土壤相對(duì)含水量
隨機(jī)選取3 盆,用環(huán)刀取15 ~ 20 g 土樣,放入鋁盒稱取其質(zhì)量,105 ℃烘干,冷卻至室溫后再次稱量。土壤相對(duì)含水量(ωsw)計(jì)算公式:ωsw=(mtf-mtd)×100%/[(mtd-mb)ωs max]。式中,mtf 為鋁盒加鮮土的質(zhì)量,mtd 為鋁盒加干土的質(zhì)量,mb為鋁盒質(zhì)量,ωs max 為田間最大持水量。
1.4.2 幼苗形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)
利用精度0.1 cm 的卷尺和精度0.01 mm 的游標(biāo)卡尺測(cè)量株高和地徑,每處理3 個(gè)重復(fù)。分別計(jì)算株高增量和地徑增量。株高增量為連續(xù)2 次測(cè)量的絕對(duì)株高的差值,地徑增量為連續(xù)2 次測(cè)量的絕對(duì)地徑的差值。
利用精度0.1 cm 的直尺測(cè)量植株中上部成熟葉片的最長(zhǎng)處和最寬處,即葉長(zhǎng)、葉寬,每處理9 個(gè)重復(fù)。統(tǒng)計(jì)各處理的著葉數(shù)量、落葉數(shù)量和葉總數(shù)量(著葉數(shù)量與落葉數(shù)量之和),每處理3次重復(fù)。
分別在干旱脅迫前(試驗(yàn)第0 天)、干旱脅迫中期(各脅迫處理苗木存活時(shí)間的1/2)、干旱脅迫后期(苗木整株枯死,試驗(yàn)結(jié)束;D3 成活30 d,D4 成活60 d),采用挖掘法,測(cè)定根系形態(tài)指標(biāo)。每處理隨機(jī)選取3 株,將整株挖出后,用流水沖洗干凈完整的根系。將根系樣品平鋪于掃描儀(EPSON PERFECTION V700Photo,日本)上進(jìn)行梳理并掃描,保存掃描圖后,利用WINRHIZOPRO 2007 根系分析系統(tǒng)對(duì)植物根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根平均直徑和根系密度進(jìn)行分析計(jì)算。
1.4.3 幼苗生理生化指標(biāo)
1)細(xì)胞膜透性。采用相對(duì)電導(dǎo)率法測(cè)定葉片細(xì)胞膜透性。采摘幼苗中上部成熟葉,用去離子水反復(fù)清洗,將其切成合適的大小。稱0.5 g 新鮮樣品,置于玻璃試管中,加入20 mL 去離子水,用薄膜密封,在室溫下放置24 h。用電導(dǎo)計(jì)(Bante550-S,上海)測(cè)量該溶液的起始導(dǎo)電率(Co)。測(cè)量完成后,將每個(gè)試管再次封閉,在沸水浴中20 min,冷卻后測(cè)量最終電導(dǎo)率(Ce),每個(gè)處理測(cè)量3 次,結(jié)果取其平均值,計(jì)算相對(duì)電導(dǎo)率(Cr):Cr=(Co/Ce)×100%。
2)葉片內(nèi)含物及內(nèi)源激素。采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量,采用酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量,采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定可溶性蛋白含量[20]。采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(Malondialdehyde,MDA) 含量[21]。采用酶聯(lián)免疫吸附分析法(enzyme-linked immunosorbentassay,ELISA)測(cè)定生長(zhǎng)素(IAA)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GA3)、玉米素核苷(ZR)等內(nèi)源激素的含量,酶聯(lián)免疫法試劑盒由武漢賽維爾公司提供。
1.5 數(shù)據(jù)處理
使用Excel 軟件整理數(shù)據(jù),利用SPSS26.0 軟件中的單因素方差分析法(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析,使用Origin 2021 軟件繪圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫對(duì)‘豫濟(jì)’山桐子幼苗形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響
2.1.1 干旱脅迫對(duì)幼苗株高和地徑的影響
隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),株高和地徑增量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖1)。除D4 處理在試驗(yàn)初期株高增量略大于CK 外,各處理在各時(shí)期的株高增量均顯著低于對(duì)照處理。重度干旱的D3 處理的株高生長(zhǎng)近乎停滯,存活時(shí)間僅30 d,株高總增量0.33 cm,僅相當(dāng)于CK 的2.08%;中度干旱(D2)和輕度干旱的(D1)處理株高總增量分別為1.96、3.54 cm, 為CK 的12.24% 和22.03%。地徑生長(zhǎng)對(duì)輕度和中度干旱的響應(yīng)要弱于株高生長(zhǎng),D1 和D2 處理的地徑總增量為CK 的67.28% 和61.99%;隨干旱脅迫程度加強(qiáng),D3 和D4 處理的地徑總增量分別為0.12、1.03 mm,僅為CK 的1.54%和13.28%。由此可見(jiàn),干旱脅迫對(duì)幼苗高生長(zhǎng)的影響要大于地徑生長(zhǎng),土壤相對(duì)含水量低于20%會(huì)危及山桐子幼苗存活。
2.1.2 干旱脅迫對(duì)幼苗葉片形態(tài)的影響
干旱脅迫強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間對(duì)幼苗葉片生長(zhǎng)的影響如圖2 所示。各處理幼苗葉片的長(zhǎng)和寬均隨干旱脅迫強(qiáng)度加重而減小。隨著脅迫進(jìn)程的延續(xù),D1 和D2 處理的葉長(zhǎng)與葉寬明顯小于CK。D1 處理僅少部分植株葉緣枯焦,葉片出現(xiàn)少量褐色斑點(diǎn);D2 處理旱害癥狀明顯,大部分植株葉緣枯焦,少部分植株葉片失綠皺縮。隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng),D3 處理的大量葉片失綠皺縮,葉長(zhǎng)、葉寬急劇減小,在干旱脅迫30 d 時(shí)達(dá)最小值6.25、5.05 cm,為CK 同期葉片長(zhǎng)與寬的48.33% 和57.45%;D4 處理葉片在干旱脅迫下的受害特征與D3 處理相似,葉片長(zhǎng)、寬于干旱脅迫60 d 時(shí)達(dá)最小值。相對(duì)于水分供應(yīng)充足的CK,單株在生長(zhǎng)期內(nèi)產(chǎn)生的葉總數(shù)量隨著干旱脅迫程度加劇而顯著下降。D1、D2 處理在干旱脅迫90 d 時(shí)產(chǎn)生的葉總數(shù)量接近,分別為36.33、32.66,為CK 的67.28% 和60.49%;D3 和D4 處理在生長(zhǎng)期內(nèi)的葉總數(shù)量分別為27.66、25.66,為CK的51.23% 和47.53%。重度干旱脅迫和持續(xù)干旱脅迫下,在相同生長(zhǎng)期內(nèi),D3 和D4 處理的落葉數(shù)量均遠(yuǎn)大于其他處理,著葉數(shù)量急劇減少。D3 處理在干旱脅迫30 d 時(shí)落葉數(shù)量為CK 同期的9 倍,為D1 和D2 處理的4.5、2.3 倍。D3 處理著葉數(shù)量在干旱脅迫30 d 時(shí),僅為CK 同期著葉數(shù)量的17.3%,為D1 和D2 處理的21% 和32%。
2.1.3 干旱脅迫對(duì)幼苗根系形態(tài)的影響
干旱脅迫強(qiáng)度對(duì)‘豫濟(jì)’山桐子不同生長(zhǎng)期根系形態(tài)的影響如表1 所示。干旱脅迫前期,各處理幼苗根系形態(tài)一致。在干旱脅迫中期,輕度干旱脅迫處理的根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根直徑和根系密度5 個(gè)指標(biāo)均大于CK,而隨干旱脅迫強(qiáng)度增大,除根系直徑外,其余指標(biāo)值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),D3 和D4 處理與CK 和D1 處理間有顯著差異。在干旱脅迫末期,根系形態(tài)各指標(biāo)值整體上均隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì),僅D1 處理的根直徑略大于CK,且差異不顯著。重度干旱脅迫下D3 處理的根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根直徑和根系密度分別為CK 的43%、49%、43%、84% 和46%,D4 處理在干旱脅迫末期的土壤相對(duì)含水量接近D3 處理,已達(dá)致死干旱程度,其根系形態(tài)各指標(biāo)值與D3 處理接近,且無(wú)顯著差異,但D3 與D4 處理均與D2 處理存在顯著差異,表明土壤相對(duì)含水量低于20% 可導(dǎo)致‘豫濟(jì)’山桐子生長(zhǎng)不良甚至死亡。
2.2 干旱脅迫對(duì)‘豫濟(jì)’山桐子幼苗生理生化的影響
2.2.1 干旱脅迫對(duì)幼苗細(xì)胞膜系統(tǒng)的影響
MDA 含量、相對(duì)電導(dǎo)率等指標(biāo)值的變化可以反映干旱脅迫下植株細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化強(qiáng)度及質(zhì)膜損傷的強(qiáng)度(圖3)。MDA含量、相對(duì)電導(dǎo)率越高,細(xì)胞膜受損越嚴(yán)重。重度干旱的D3 處理和持續(xù)干旱的D4 處理在生長(zhǎng)期內(nèi)幼苗的MDA 含量和相對(duì)電導(dǎo)率持續(xù)增大,且均大于其余3 個(gè)處理,在生長(zhǎng)末期,MDA 含量分別達(dá)到0.054、0.058 μmol/g,約為同期CK 的5 倍,相對(duì)電導(dǎo)率均達(dá)到99.5%,為同期CK 的1.5 倍,表明在重度或持續(xù)干旱情況下,細(xì)胞膜已嚴(yán)重受損。D1、D2 處理的MDA 含量和相對(duì)電導(dǎo)率自脅迫開(kāi)始逐漸增大,分別在干旱脅迫20、40 d 時(shí)達(dá)到最大值,然后MDA 含量降低,至試驗(yàn)?zāi)┢谟众呌谏仙鄬?duì)電導(dǎo)率則呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。結(jié)果表明‘豫濟(jì)’山桐子幼苗對(duì)干旱脅迫具有較高的敏感性,當(dāng)土壤相對(duì)含水量在20% 以上時(shí),幼苗能夠通過(guò)自身的生理生化反應(yīng)及調(diào)節(jié)機(jī)制,有效應(yīng)對(duì)并減輕水分不足對(duì)細(xì)胞膜的損害。
2.2.2 干旱脅迫對(duì)幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響
干旱脅迫下,‘豫濟(jì)’山桐子幼苗會(huì)通過(guò)滲透調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)水分不足的環(huán)境。如圖4 所示,當(dāng)土壤相對(duì)含水量在20% 以上時(shí),隨干旱脅迫程度加劇,D1 和D2 處理的葉片脯氨酸含量相對(duì)于CK無(wú)明顯變化,在19.07 ~ 40.47 μg/g 波動(dòng),干旱脅迫60 d 后,D1 和D2 處理的葉片脯氨酸含量開(kāi)始持續(xù)降低,至試驗(yàn)結(jié)束時(shí),這2 個(gè)處理的脯氨酸含量約為CK 的25.6%。D3 和D4 處理的脯氨酸含量在干旱脅迫20 d 后開(kāi)始急劇上升,于脅迫進(jìn)行30 d 時(shí)達(dá)最大值118.16、133.32 mg/g,分別為CK的3.23、4.83 倍,此時(shí)D3 處理的葉片失綠枯萎,植株瀕于枯死,D4 處理的葉片局部失綠,脯氨酸含量急劇下降,干旱脅迫50 d 時(shí)D4 處理脯氨酸含量為64.11 mg/g,并持續(xù)枯萎,至脅迫進(jìn)行60 d時(shí)全株枯死。
可溶性蛋白含量除D3 處理隨脅迫進(jìn)程持續(xù)降低外,其余處理和CK 均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)在5.60 ~ 12.25 mg/g 波動(dòng)(圖4)。干旱脅迫下在各生長(zhǎng)階段,幼苗葉片可溶性蛋白含量均隨脅迫強(qiáng)度的增加而降低,按照各階段和全生長(zhǎng)期可溶性蛋白含量平均值由大到小排序,各處理依次均為CK、D1、D2、D4、D3。重度干旱脅迫的D3 處理在脅迫30 d 時(shí)可溶性蛋白含量最低,僅為同期CK 和D1 處理的30% 和33%。
隨干旱脅迫強(qiáng)度增加和時(shí)間的延長(zhǎng),葉片可溶性糖含量與脯氨酸含量的變化趨勢(shì)相近(圖4)。土壤相對(duì)含水量在20% 以上的各處理的葉片可溶性糖含量在1.73 ~ 2.59 mg/g 波動(dòng),相對(duì)于CK 無(wú)明顯差異。D3 和D4 處理的可溶性糖含量分別在干旱脅迫20、50 d 之前略大于其他處理,但分別于干旱脅迫30、60 d 時(shí)達(dá)最大值5.16、5.26 mg/g,分別為CK 的2.31、2.61 倍。
2.2.3 干旱脅迫對(duì)幼苗葉片內(nèi)源激素的影響
隨著干旱處理時(shí)間的延長(zhǎng),葉片內(nèi)源激素IAA、ABA、GA3 和ZR 的含量出現(xiàn)了一定的波動(dòng)(圖5)。D1 處理的IAA 含量與CK 較為接近,D2 處理略大于CK。隨脅迫強(qiáng)度增大,重度干旱的D3 處理的IAA 含量持續(xù)降低,脅迫30 d 時(shí)最低,平均值為CK 的61%,持續(xù)干旱處理下D4 處理的含量為CK 的78%。隨著脅迫強(qiáng)度增大,ABA 含量的變化與IAA 含量有較大的不同,4 個(gè)處理的葉片ABA 含量均大于CK,D1 處理最高,D4 處理最低,分別為CK 的1.68、1.01 倍,ABA 含量的變化趨勢(shì)表明,‘豫濟(jì)’山桐子幼苗對(duì)水分虧缺較敏感。各處理的GA3 和ZR 含量隨干旱脅迫強(qiáng)度增大的變化趨勢(shì)比較接近,由高到低排序均為D2、D1、CK、D3、D4。
3 結(jié)論與討論
在干旱脅迫下,‘豫濟(jì)’山桐子通過(guò)延緩生長(zhǎng)和損失部分生物量來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境,同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)自身滲透物質(zhì)的積累,增強(qiáng)對(duì)水分的吸收和保持能力,從而提高其抗旱性。在干旱脅迫期間,幼苗葉片中ABA 含量迅速升高,表明‘豫濟(jì)’山桐子對(duì)水分虧缺的響應(yīng)較為敏感,ABA 可被作為干旱脅迫的重要信號(hào)分子?!?jì)’山桐子對(duì)干旱脅迫的耐受性在土壤相對(duì)含水量約20%(中度干旱)附近可能存在一個(gè)臨界點(diǎn),低于此含水量時(shí),幼苗可能會(huì)遭受不可逆的傷害甚至死亡。此外,‘豫濟(jì)’山桐子幼苗對(duì)土壤水分變化表現(xiàn)出比較高的敏感性。由于本試驗(yàn)在開(kāi)放式環(huán)境中進(jìn)行,無(wú)法精確控制溫度和空氣濕度等環(huán)境因子,因此在后續(xù)研究中將進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)條件,盡可能精確控制環(huán)境變量,以期為‘豫濟(jì)’山桐子良種在干旱和半干旱地區(qū)的栽植造林提供更可靠的理論依據(jù)。
3.1 干旱脅迫對(duì)‘豫濟(jì)’山桐子幼苗形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響
研究植物的生長(zhǎng)狀況和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征對(duì)于揭示干旱脅迫響應(yīng)機(jī)制具有重要意義。例如,遼東櫟Quercus wutaishanica 的株高和基徑等生長(zhǎng)指標(biāo)均隨干旱脅迫的加劇而降低[22]。同樣,刺山柑Capparis spinosa 的株高、產(chǎn)量和葉面積在干旱脅迫下也顯著降低[23]。本研究結(jié)果顯示,干旱脅迫不僅延緩了‘豫濟(jì)’山桐子苗木的生長(zhǎng)速度,還導(dǎo)致葉片生長(zhǎng)的停滯時(shí)間明顯提前,葉長(zhǎng)、葉寬、著葉數(shù)量均隨脅迫程度增強(qiáng)而降低。干旱脅迫對(duì)幼苗高生長(zhǎng)的影響遠(yuǎn)大于對(duì)地徑生長(zhǎng)的影響,‘豫濟(jì)’山桐子幼苗的高生長(zhǎng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)比徑向生長(zhǎng)更為敏感,這與王怡霖等[24] 對(duì)中紅楊Populus×euramericana 的研究結(jié)果一致,即植物在干旱脅迫下通過(guò)減緩生長(zhǎng)和損失部分生物量來(lái)增強(qiáng)對(duì)干旱的耐受性[25]。
在干旱條件下,大多數(shù)植物會(huì)通過(guò)減少根系直徑、增大根長(zhǎng)度等策略來(lái)擴(kuò)大其在土壤中的分布范圍,從而增強(qiáng)其對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收能力[26-27]。例如,在干旱條件下,泡桐Paulowniafortunei 幼苗的細(xì)根明顯變細(xì),能夠以相同的生物量更多地獲取水分和養(yǎng)分[28]。同時(shí),在重度干旱條件下,細(xì)根的密度增大,韌度增強(qiáng),以應(yīng)對(duì)干旱導(dǎo)致的細(xì)根變細(xì)和伸長(zhǎng)所帶來(lái)的不利影響。例如,持續(xù)干旱顯著促進(jìn)了馬尾松Pinus massoniana幼苗根系長(zhǎng)度的生長(zhǎng),但降低了根直徑,同時(shí)增加了組織密度[29]。本研究中,‘豫濟(jì)’山桐子在干旱脅迫下,苗木的地上和地下生物量均有所下降。然而,在干旱中期D1 處理的根系形態(tài)指標(biāo)值均高于對(duì)照組(CK),表明短期的輕度干旱脅迫能夠促進(jìn)苗木根系生長(zhǎng)。除D1 處理外,其余干旱處理末期的根系平均直徑均顯著增加(P < 0.05),說(shuō)明在干旱條件下,幼苗能夠?qū)⒏嗟墓夂袭a(chǎn)物分配到根系,增加根系的直徑,從而增強(qiáng)其吸收水分和養(yǎng)分的能力。這一現(xiàn)象與植物最優(yōu)配置理論相一致[30]。Cairns 等[31] 對(duì)水稻的研究結(jié)果也支持了這一觀點(diǎn),表明在干旱脅迫下,根系直徑與植株的存活率正相關(guān)。
3.2 干旱脅迫對(duì)‘豫濟(jì)’山桐子幼苗內(nèi)含物的影響
植物通過(guò)激活特定的生理生化反應(yīng)和調(diào)節(jié)不同的代謝途徑來(lái)應(yīng)對(duì)外界脅迫環(huán)境,從而減輕脅迫對(duì)其生長(zhǎng)、發(fā)育及繁殖的負(fù)面影響[32]。MDA 是一種由脂類、糖類、核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)氧化生成的復(fù)合物,對(duì)細(xì)胞具有毒害作用,其含量反映了膜系統(tǒng)的受損程度,MDA 積累量越多,表明膜系統(tǒng)受損害越嚴(yán)重,反之則越輕。本研究中,‘豫濟(jì)’山桐子葉片的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA 含量在重度和持續(xù)干旱脅迫下均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。在輕度和中度干旱脅迫下,相對(duì)電導(dǎo)率先升高后趨于平緩,而中度干旱脅迫下的MDA 含量先升高后降低。這表明在輕、中度干旱脅迫下,‘豫濟(jì)’山桐子苗木能夠通過(guò)積極的自我調(diào)節(jié)機(jī)制,表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐旱能力。這一結(jié)果與薛立等[33] 對(duì)楓香Liquidambar formosana的干旱脅迫研究結(jié)果相似,即植株對(duì)逆境脅迫的反應(yīng)越強(qiáng),MDA 積累量越多。
在干旱脅迫條件下,植物能夠合成一類小分子量且高度可溶的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),這些物質(zhì)能夠在一定程度上維持細(xì)胞的滲透壓,保護(hù)細(xì)胞內(nèi)酶的活性,從而增強(qiáng)植物的抗逆性。隨著干旱程度的加劇,植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也會(huì)逐漸增強(qiáng)[34]。在本研究中,不同干旱處理下的可溶性蛋白含量均低于CK,且在干旱脅迫末期,隨著脅迫程度的加劇,可溶性蛋白含量逐漸遞減。在輕度和中度干旱脅迫下,‘豫濟(jì)’山桐子葉片的可溶性糖含量和脯氨酸含量無(wú)明顯變化;在重度干旱脅迫后期,可溶性糖含量和脯氨酸含量迅速升高;在持續(xù)干旱脅迫后期,可溶性糖含量迅速升高,脯氨酸含量先升高后降低。這表明‘豫濟(jì)’山桐子主要在重度干旱脅迫后期啟動(dòng)滲透調(diào)節(jié)機(jī)制,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。這是因?yàn)樵跇O端干旱和水分虧缺的逆境下,山桐子能夠通過(guò)自身的代謝活性,促進(jìn)植株合成更多的可溶性糖和脯氨酸,提高細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度,維持細(xì)胞的低滲透勢(shì),從而增強(qiáng)其對(duì)水分的吸收和保持能力,提升植株對(duì)干旱的適應(yīng)性。這一結(jié)果與肖姣娣[35] 對(duì)合歡Albizia julibrissin以及顏淑云等[36] 對(duì)紫穗槐Amorpha fruticosa 幼苗的干旱脅迫研究結(jié)果相似。
3.3 干旱脅迫對(duì)‘豫濟(jì)’山桐子幼苗內(nèi)源激素的影響
激素是一類重要的信號(hào)傳導(dǎo)分子,廣泛參與調(diào)控植物的多種生理代謝過(guò)程,包括生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等,同時(shí)也作為“化學(xué)信使”在植物逆境響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。ABA 是其中一種關(guān)鍵的逆境響應(yīng)激素,能夠通過(guò)細(xì)胞質(zhì)Ca2+、活性氧(ROS)等信號(hào)分子調(diào)控氣孔開(kāi)閉,有效減少水分散失,提高水分利用率,從而增強(qiáng)植物的抗逆能力,在非生物脅迫耐受中起主要調(diào)控作用[37]。IAA 在植物細(xì)胞極性發(fā)育和細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中起關(guān)鍵調(diào)控作用,其與環(huán)境脅迫的關(guān)系也十分密切。通常情況下,逆境條件會(huì)誘導(dǎo)IAA 合成酶的上調(diào),同時(shí)抑制IAA 的活性,從而促進(jìn)植物對(duì)逆境的適應(yīng)[38]。李書(shū)平等[39] 的研究結(jié)果表明,在輕度脅迫下日本櫻花Prunus yedoensis 和福建山櫻花Prunus campanulata 的IAA 與GA3 含量均高于CK,ABA 含量與CK 無(wú)顯著差異,但隨著脅迫程度增強(qiáng),IAA 與GA3 含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),ABA 含量則顯著增加。張世英等[40] 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),中華金葉榆Ulmus pumila ‘Jinye’ 在不同脅迫條件下,CK的ZR 和ABA 含量逐漸降低,而GA3 與IAA 含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),且在中、重度脅迫下,不同激素的比例出現(xiàn)劇烈波動(dòng),表明金葉榆能夠通過(guò)調(diào)整自身激素的含量及其比例來(lái)適應(yīng)干旱脅迫。在本試驗(yàn)中,‘豫濟(jì)’山桐子的IAA 含量在輕、中度干旱脅迫前期變化不明顯,在后期迅速上升,較同期CK 高出31.54%。這表明干旱脅迫對(duì)IAA含量的影響較為復(fù)雜,不同植物的IAA 含量在干旱脅迫下可能呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。吳鳳嬋[41] 對(duì)百香果Passiflora edulis 砧木的研究結(jié)果表明,ABA 含量隨著干旱脅迫程度的增強(qiáng)而增加。而在本研究中,‘豫濟(jì)’山桐子的ABA 含量在干旱脅迫下也呈現(xiàn)升高趨勢(shì),脅迫末期ABA 含量由高到低依次為D2、D1、D3、D4、CK,但并非脅迫程度越強(qiáng)ABA 含量越高。這表明‘豫濟(jì)’山桐子在適度干旱脅迫下,通過(guò)關(guān)閉葉片氣孔來(lái)減弱蒸騰作用和降低細(xì)胞膜受損程度,從而提高自身的抗旱能力。此外,在中度干旱脅迫下,‘豫濟(jì)’山桐子葉片的IAA、GA3、ZR 含量均顯著高于CK,說(shuō)明短期干旱脅迫能夠促進(jìn)山桐子幼苗中IAA 和GA3 等激素含量的增加,從而增強(qiáng)其抗逆性。
在輕、中度干旱脅迫下,‘豫濟(jì)’山桐子苗木全部存活;在持續(xù)干旱脅迫(一次性澆透水后不再澆水)條件下,苗木能夠存活60 d。這表明‘豫濟(jì)’山桐子具有較強(qiáng)的抵御干旱脅迫的能力,適合作為干旱地區(qū)造林的主要樹(shù)種。盡管干旱脅迫會(huì)對(duì)林木生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響,但在短期或輕、中度干旱脅迫下,‘豫濟(jì)’山桐子受到的負(fù)面影響并不顯著,甚至可能出現(xiàn)“補(bǔ)償”或促進(jìn)生長(zhǎng)的現(xiàn)象,在遭受較長(zhǎng)時(shí)間或中等強(qiáng)度以上的干旱脅迫時(shí)才會(huì)出現(xiàn)不可逆的抑制效應(yīng)或“后效應(yīng)”。這一特性與臭椿Ailanthus altissima[42]、黃連木Pistacia chinensis[43] 等耐旱樹(shù)種對(duì)水分脅迫的響應(yīng)類似。盡管‘豫濟(jì)’山桐子表現(xiàn)出較好的耐旱性,但在造林初期仍應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)干旱[44]。
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[ 本文編校:聞 麗]
基金項(xiàng)目:國(guó)家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)(2019FY100802);河南省科技興林項(xiàng)目(2020);中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目(GTH〔2023〕02 號(hào))。