沙棘耐干旱脅迫的生理生化響應(yīng)研究

吳芹，牟淑梅，李雪蕾，李傳榮*，郭天佑，劉功生

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山東泰安 271018；2.山東棲霞園林管理處，山東 棲霞 265300；3.山東建筑大學(xué)學(xué)報編輯部，山東 濟南 250101；4.山東建筑大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，山東濟南 250101）

沙棘耐干旱脅迫的生理生化響應(yīng)研究

吳芹1，牟淑梅2，李雪蕾3，李傳榮1*，郭天佑4，劉功生4

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山東泰安 271018；2.山東棲霞園林管理處，山東 棲霞 265300；3.山東建筑大學(xué)學(xué)報編輯部，山東 濟南 250101；4.山東建筑大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，山東濟南 250101）

沙棘是我國干旱半干旱地區(qū)植被修復(fù)和生態(tài)重建中常用的生態(tài)與經(jīng)濟樹種，研究其在干旱脅迫條件下的葉片生理生化指標的變化，深入了解沙棘對對干旱脅迫的響應(yīng)特征和規(guī)律，可為干旱區(qū)生態(tài)樹種的造林綠化與生態(tài)修復(fù)研究提供試驗依據(jù)。文章采用盆栽控水試驗，研究了沙棘苗木葉片在7個土壤水分梯度下的葉綠素含量、保護酶活性等生理生化指標的變化，分析了各生理指標的相關(guān)性。結(jié)果表明：隨著土壤相對含水量（RWC）的降低，葉片含水量（LRWC）及葉綠素（Chl）含量逐漸降低，細胞膜透性逐漸增大，MDA含量逐漸增加；超氧化物歧化酶（SOD）與過氧化物酶（POD）兩種抗氧化酶活性先升高后降低，可溶性糖（Ss）含量與脯氨酸（Pro）含量增加；葉片相對含水量與細胞膜相對透性之間、細胞膜相對透性與葉綠素含量、細胞膜相對透性與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

沙棘；干旱脅迫；生理生化響應(yīng)；相關(guān)性分析

0 引言

植物在進化過程中，為了適應(yīng)或抵抗不良環(huán)境，體內(nèi)會產(chǎn)生一系列生理和生化變化來適應(yīng)逆境脅迫，以減輕或避免逆境對細胞的傷害［1-2］。這些變化在樹木的形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合機制、保護酶體系和滲透調(diào)節(jié)等方面均有體現(xiàn)［3-4］。

沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）為非豆科固氮 植 物，屬 胡 頹 子 科 （Elaeagnaceae）沙 棘屬（Hippophae L.），落葉灌木，喜光；根系發(fā)達，根蘗性強，生長迅速，抗風(fēng)沙，是固沙保土、涵養(yǎng)水源、改善生態(tài)環(huán)境的優(yōu)良樹種，并且有較高的經(jīng)濟價值［7-9］。

近年來，對沙棘在水分脅迫條件下的生長和水分利用特性、光合作用等方面的研究均有報道［10-12］。有關(guān)沙棘在水分脅迫下保護酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等方面的抗旱生理生化機理的研究較多，但這些研究報道在土壤水分處理上多限于 3～4個固定水分梯度［13-14］。裴斌等對多水分梯度下沙棘保護酶活性和光合作用的變化規(guī)律進行了研究［10］，尚缺乏對干旱脅迫條件下各生理指標之間的相關(guān)性的研究。文章采用自然干旱處理的方法，研究土壤干旱逐漸加劇過程中，沙棘苗木葉片多個生理生化指標的變化，如葉片含水量、葉綠素含量、保護酶活性和葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生理指標，并對干旱脅迫條件下各生理指標的相關(guān)性進行分析，探討沙棘對干旱脅迫的響應(yīng)特征和規(guī)律，為充分發(fā)揮其在造林綠化與生態(tài)修復(fù)中的作用和優(yōu)勢提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地點

試驗材料為 3年生沙棘苗木，平均株高為85 cm、基徑為 2.3 cm。試驗地點在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)新校區(qū)林學(xué)試驗站。室內(nèi)生理生化試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國家重點實驗室進行。

1.2 試驗設(shè)計

選擇6株生長健壯、無病蟲害的沙棘苗木，定植于直徑為40 cm、高為 30 cm的花盆中，每盆 1株，4 ～6月進行適應(yīng)性生長培育管理。土壤干旱處理采用人工澆水使土壤水分達到飽和，通過自然干旱處理的方法獲得不同程度的土壤水分梯度。首先，給盆栽苗木充分澆水，土壤水分飽和后即停止?jié)菜?天開始取葉片，采樣時間為上午8：00，取樣方式為混合取樣。剪取苗木中部、生長健壯的葉片，臨時存放于密封袋，將樣葉置于冰壺中帶回實驗室，測定葉片的各項生理生化指標。對每一個土壤水分梯度下的各生理指標的均重復(fù)測定 3次，取其平均值。以后每3 d取一次葉片測定測定各項生理生化指標，同時取土壤，用烘干法稱質(zhì)量測定土壤相對含水量（RWC）。試驗共測得7個土壤水分梯度系列，RWC分別為91.8%、79.7%、65.4%、54.3%、41.1%、33.9%、和22.6%。

1.3 測定指標及方法

主要測定指標有葉片相對含水量（LRWC）、葉綠素（Chl）含量、細胞膜透性、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、可溶性糖（Ss）含量、脯氨酸（Pro）含量。其中：采用烘干法測定 LRWC，以鮮重為基數(shù)表示［15］；采用無水乙醇提取法測定 Chl含量［16］；采用電導(dǎo)儀法測定細胞膜透性［17］；采用雙組分光光度法測定 MDA含量［15］；采用氮藍四唑（NBT）法測定 SOD活性［18］；采用愈創(chuàng)木酚法測定 POD活性［15］；采用苯酚法測定 Ss含量［17］；采用磺基水楊酸提取法測定 Pro含量［17］。

試驗數(shù)據(jù)處理及作圖采用 Microsoft Excel 2003進行，對所測定的葉片各生理指標數(shù)據(jù)采用SPSS18.0軟件進行雙變量的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水分條件下各生理指標的測定結(jié)果

不同土壤水分條件下生理指標的測定值見表1。

表1 不同土壤水分條件下各生理指標的測定平均值

2.2 土壤干旱對沙棘葉片相對含水量（LRWC）與葉綠素（Chl）含量的影響

沙棘葉片相對含水量和綠素含量對土壤水分的響應(yīng)如圖1所示。由圖1可以看出，沙棘葉片相對含水量（LRWC）與葉綠素（Chl）含量隨著土壤水分含量的降低，均表現(xiàn)為下降的變化趨勢。當土壤相對含水量（RWC）由91.8%下降至65.4%時，LRWC較處理初期下降了15.09%；當RWC降低至54.3%時，Chl較處理初期下降了 19.37%；至干旱處理末期，當RWC為22.6%時，LRWC較干旱處理初期下降了44.02%，Chl較干旱處理初期下降了43.53%。

圖1 沙棘葉片相對含水量和綠素含量對土壤水分的響應(yīng)圖

2.3 土壤干旱對沙棘葉片細胞膜透性和丙二醛（MDA）含量的影響

沙棘葉片細胞膜透性與丙二醛含量（MDA）含量隨著土壤水分含量的降低，總體表現(xiàn)為上升的變化趨勢（如圖2所示）。干旱對細胞膜透性的影響較大，當土壤相對含水量（RWC）由91.8%下降至65.4%時，細胞膜透性增加幅度較 大，增加了25.06%，當RWC下降至54.3%時，MDA含量較處理初期增加了29.56%，；至干旱處理末期，當 RWC為22.6%時，細胞膜透性較干旱處理開始增加了112.29%；當 RWC為 33.9%時，MDA含量較干旱處理開始增加了63.76%，至干旱處理末期，MDA含量有所下降，可能與保護酶活性的增強和自身物質(zhì)的降解有關(guān)。

圖2 沙棘葉片細胞膜透性和 MDA含量對土壤水分的響應(yīng)圖

2.4 土壤干旱對沙棘葉片 SOD活性和 POD活性的影響

隨著土壤水分含量降低，沙棘葉片 SOD活性與POD活性均表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢（如圖3所示）。當 RWC下降至79.7%時，SOD活性與POD活性均增加，SOD活性在RWC為65.4%時達到最高，較干旱處理初期升高了27.42%，POD活性在 RWC為 41.1%時達到最高，較干旱處理初期升高了44.65%，POD活性峰值較SOD活性峰值出現(xiàn)晚。干旱脅迫加劇時 SOD活性與POD活性均增加，并維持在一個比較高的水平上，有利于降低膜脂過氧化程度，清除活性氧，減輕質(zhì)膜損傷。當 RWC低于41.1%時，沙棘 SOD活性與POD活性均快速下降，說明干旱脅迫已超出了沙棘所能承受的最大限度，缺水已對其細胞生理造成了不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

圖3 沙棘葉片 SOD活性和 POD活性對土壤水分的響應(yīng)圖

2.5 土壤干旱對沙棘葉片可溶性糖（Ss）含量和脯氨酸（Pro）含量的影響

沙棘葉片可溶性糖（Ss）含量與脯氨酸（Pro）含量隨著土壤水分含量的降低，均表現(xiàn)為增加的變化趨勢，且整個處理過程中脯氨酸含量的增加幅度高于可溶性糖含量的增加（如圖4所示）。至干旱處理末期，當RWC為22.6%時，脯氨酸含量較干旱處理開始增加了193.1%，可溶性糖含量較干旱處理開始增加了71.08%。脯氨酸含量增加幅度高于可溶性糖含量的增加幅度，表明干旱脅迫時 Pro對維持沙棘葉片細胞膜的穩(wěn)定性發(fā)揮著更重要的滲透調(diào)節(jié)作用。在自然干旱處理過程中，沙棘葉片細胞內(nèi)溶質(zhì)大量積累，主要是積累可溶性糖和脯氨酸等物質(zhì)來調(diào)節(jié)滲透壓，降低滲透勢，維持細胞膨壓，有利于沙棘抵御干旱脅迫，提高其抗逆性。

圖4 沙棘葉片可溶性糖含量和脯氨酸含量對土壤水分的響應(yīng)圖

2.6 沙棘葉片各生理生化指標的相關(guān)性分析

沙棘葉片各生理指標的相關(guān)性分析結(jié)果見表2。相關(guān)性分析結(jié)果表明，葉片相對含水量與細胞膜相對透性之間、細胞膜透性與葉綠素含量、細胞膜透性與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)性系數(shù)≥0.850），可溶性糖含量與脯氨酸含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)性系數(shù)為0.736）。表明干旱脅迫加劇時，沙棘葉片細胞膜遭受干旱傷害，發(fā)生膜脂過氧化，透性增大導(dǎo)致其防御和保護功能降低，影響了細胞內(nèi)其它器官的正常生理功能，葉綠體結(jié)構(gòu)遭破壞，葉綠素合成受到抑制；沙棘葉片可通過自身的生理調(diào)節(jié)對干旱脅迫做出及時的響應(yīng)，在細胞內(nèi)積累大量的可溶性糖、脯氨酸等溶質(zhì)，兩種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)具有功能上的協(xié)同性（相關(guān)性系數(shù)為0.736），可快速調(diào)節(jié)細胞滲透壓，維持細胞膨壓，抵御或降低干旱傷害，提高自身抗逆性。

表2 各測定指標的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）沙棘葉片相對含水量（LRWC）與葉綠素（Chl）含量隨土壤水分含量的降低均逐漸下降，葉片細胞膜透性增大，MDA含量增加。

（2）隨著土壤水分含量的減少，SOD活性與POD活性均表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢，葉片可溶性糖含量與脯氨酸含量逐漸增加，且整個處理過程中脯氨酸含量的增加幅度高于可溶性糖含量的增加。

（3）相關(guān)性系數(shù)較高的前 3組生理指標為：葉片相對含水量與細胞膜相對透性，相關(guān)性系數(shù)為0.850；葉綠素含量與細胞膜相對透性，相關(guān)性系數(shù)為0.897；細胞膜透性與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，相關(guān)性系數(shù)≥0.860；可溶性糖含量與脯氨酸含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，二者在功能上具有協(xié)同作用。

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（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

Physiological and biochemical responses to different soil drought stress in Hippophae rhamnoides Linn

Wu Qin1，Mou Shumei2，Li Xuelei3，et al.
（1.School of Forestry，Shandong Agricultural University，Taian 271018，China；2.Shandong Qixia Grarden Management Office，Qixia 265300；3.Editorial Department of Journal，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Hippophae rhamnoides Linn.is commonly used as ecological and economic tree species for vegetation restoration and ecological reconstruction in arid and semi-arid areas in China.The paper studies the changes of physiological and biochemical indexes under drought stress condition and the response characteristics and laws to drought stress in leaves of Hippophae rhamnoides Linn，which can provide experiment basis for afforestation and ecological restoration of ecological species in the arid areas.The changes of physiological and biochemical indexes such as the chlorophyll（Chl）content and protective enzyme activity，and the correlation of physiological indexes are analyzed in seven soil moisture gradients，the response characteristics and laws to soil drought stress of the main physiological and biochemical indexes are illustrated in potted H.rhamnoides leaves by water controlled test.The results show that with the decrease of the relative water content（RWC）of soil，leaf relative water content（LRWC）and the chlorophyll（Chl）content decrease，the cell membrane permeability and the content of MDA increase gradually，and the activity of superoxide dismutase（SOD）and peroxidase（POD）increases first and then decreases，the soluble sugar（Ss）content and the proline（Pro）content increase.There were higher correlation coefficients between the LRWC and the cell membrane permeability，and between the Chl content and Pro.

Hippophae rhamnoides Linn；drought stress；physiological and biochemical responses；correlation analysis

S718.43

A

1673-7644（2015）03-0231-05

2015-01-15

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后科研項目（76464）

吳芹（1976-），女，在研博士后，主要從事植被重建與生態(tài)修復(fù)等方面的研究.E-mail：wuqin＠sdjzu.edu.cn

*：李傳榮（1968-）男，教授，博士，主要從事森林生態(tài)、林業(yè)生態(tài)工程等方面的研究.E-mail：chrli＠sdau.edu.cn