鈴鐺刺苗期對持續干旱脅迫的生理響應

宋丹華++黃俊華++王豐

摘要：采用盆栽試驗和直播試驗方法，測定持續干旱脅迫條件下鈴鐺刺幼苗的脯氨酸、丙二醛、可溶性蛋白質、可溶性糖、可溶性淀粉、根系活力、細胞膜透性、葉綠素、根相對含水量、莖相對含水量等生理指標含量，研究鈴鐺刺幼苗對干旱脅迫的生理響應。結果表明：隨著干旱脅迫程度的加劇，直播苗與容器苗的葉片相對含水量和葉綠素含量呈遞減變化，相對電導率、脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均呈遞增趨勢，直播苗體內的可溶性淀粉含量先升高后降低，容器苗體內的可溶性淀粉含量先減少后增加，直播苗與容器苗在根系活力上都表現為先遞減后增加，干旱脅迫的第6—9天是植物生理變化的重要時期。直播苗比容器苗具有更強的抗旱性能，容器育苗適宜在持續干旱6 d進行灌溉。

關鍵詞：鈴鐺刺；苗期；抗旱性；生理指標

中圖分類號： Q945.78文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0292-04

干旱對人類社會、經濟可持續發展影響巨大，人們越來越關注干旱問題，世界42.9%的耕地面積是干旱半干旱耕地，我國48%的耕地面積是干旱半干旱耕地[1-2]。干旱半干旱地區沙質土地不合理的利用方式經常會引發沙漠、戈壁面積增加，而且會影響陸地生態系統功能與結構，最終導致生態環境惡化[3-4]。干旱地區生態修復的主要限制問題是缺水和植物生長困難，因此，篩選出耐旱植物是加快干旱半干旱地區植被生態建設、恢復生態系統的有效方法之一，植物在干旱環境下生長繁殖的必備條件是抗旱，植物的抗旱性是各種因素綜合作用的產物，植物的抗旱性會通過生理生化功能、生長發育、形態適應以及生物生產力等多種形式表現[5-8]。目前為止還沒有形成統一的方法能夠全面描述各種植物的抗旱特征。鈴鐺刺屬豆科鈴鐺刺屬灌木，產自內蒙古自治區西北部和新疆維吾爾自治區、甘肅省等地（河西走廊沙地）。鈴鐺刺生于荒漠鹽化沙土和河流沿岸的鹽質土上，常見于胡楊林下[1]。鈴鐺刺在年降水量為85～175 mm、3 m深沙層且平均含水量僅有2.1%的高大格狀沙丘上，也可以正常生長發育、開花、結實，是非常好的固沙植物，在園林中可用作綠（花）籬，也可叢植，條件較好的地方有時出現純叢景觀。本研究選擇造林常用的2種方式——大田直播育苗、容器育苗進行持續干旱脅迫試驗，測定鈴鐺刺脯氨酸、丙二醛（MDA）、可溶性蛋白質、可溶性糖、細胞膜透性等生理生化指標，以期了解鈴鐺刺苗期持續干旱脅迫的極限時間，旨在為開發利用鈴鐺刺種質資源提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料

2014年4—11月在新疆農業大學網室和新疆農業大學綜合實驗樓進行試驗。選擇采自新疆維吾爾自治區阜康市梧桐溝沙漠風景區的種子分別進行直播育苗、容器育苗，以新疆農業大學網室土壤作為供試土壤。育苗容器選用 10 cm×15 cm 的黑色聚乙烯薄膜底部及中下部周圍打孔的營養缽。每穴（盆）播種3粒并培育植株，每穴（盆）只保留1株，培育3個月，選擇生長健康、長勢一致的鈴鐺刺幼苗作為供試材料，于2014年9月1日澆透水，保證土壤吸足水分，9月1日取樣測定植物生理生化指標作為對照值（CK），次日開始斷水處理，分別于斷水后3、6、9、12 d取樣測定，每處理取樣6株，整個試驗過程在人工溫室大棚內進行。

1.2方法

采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量；采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白質含量；采用相對電導率法測定細胞膜透性；采用TTC染色法測定根系活力；采用烘干法測定相對含水量；采用水合茚三酮比色法測定脯氨酸含量；采用SPAD-502葉綠素儀測定葉綠素含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖、可溶性淀粉含量。

1.3數據分析

采用Microsoft Excel軟件、SPSS軟件、DPS軟件統計分析數據。

2結果與分析

2.1干旱脅迫對鈴鐺刺葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸是水溶性氨基酸，具有非常強的水合能力，是一種良好的滲透調節物質。植物體內脯氨酸以游離狀態存在。受到干旱危害時，植物體內脯氨酸大量累積[9]。由圖1可以看出，隨著土壤干旱脅迫的加劇，直播與容器內的鈴鐺刺幼苗葉片的脯氨酸含量都呈上升趨勢，容器苗脯氨酸含量在斷水6 d之前與直播苗趨勢一樣，增幅不大，持續斷水6 d以后，容器苗脯氨酸含量明顯增加，斷水9～12 d，增幅減緩，說明在水分脅迫初期，生成的游離脯氨酸可以維持各器官較強的滲透能力，以提高植株對干旱的適應能力，但隨著干旱脅迫的進一步加劇，植物組織因嚴重萎蔫、碳水化合物供給減少以及酶活性喪失而導致游離脯氨酸積累減少，斷水6 d時土壤含水量是植株良好生長的臨界點，正常種植情況下應該在第6天進行復水。直播苗脯氨酸含量雖然呈遞增趨勢，但是增幅緩慢，說明直播苗受到水分脅迫的影響較容器苗小，這可能與直播苗可以吸取到地下水有關。斷水0～3 d，直播苗與容器苗脯氨酸含量差異不明顯，斷水6 d時差異顯著，斷水9～12 d，差異極顯著。

2.2干旱脅迫對鈴鐺刺葉片可溶性蛋白含量的影響

蛋白質是生命的物質基礎，植物在逆境條件下通過可溶性蛋白合成的增加，直接參與其適應逆境的過程。從圖2可以看出，隨著干旱脅迫的加劇，直播與容器內鈴鐺刺幼苗體內可溶性蛋白均呈現增加趨勢。干旱脅迫時期容器內鈴鐺刺幼苗可溶性蛋白含量高于直播苗，干旱脅迫9 d時直播苗可溶性蛋白含量高于容器苗。干旱脅迫后期，容器內鈴鐺刺幼苗可溶性蛋白含量迅速增加。脅迫12 d時，直播苗和容器苗可溶性蛋白含量分別比脅迫前增加416.58%、478.51%。直播苗與容器苗可溶性蛋白含量差異顯著，從可溶性蛋白的增加可以推測有“旱脅蛋白”產生，這種熱穩定性蛋白有利于增強苗木抗旱性。

2.3干旱脅迫對鈴鐺刺葉片可溶性糖的影響

可溶性糖也是植物體內的一種重要的滲透調節物質，在水分脅迫下，能增加細胞液濃度，提高對水分的吸收能力及保水能力，從而有利于適應干旱缺水的環境[10-12]。從圖3可以看出，隨著干旱脅迫的加劇，直播苗和容器苗幼苗可溶性糖含量整體上呈增加趨勢。干旱脅迫初期，直播苗和容器苗幼苗可溶性糖含量變化不大，說明輕度的水分脅迫對于鈴鐺刺幼苗無太大影響。干旱脅迫后期，容器苗的可溶性糖含量有所升高，但是直播苗的可溶性糖含量下降。方差分析表明，在整個干旱脅迫的各階段，直播苗與容器苗體內可溶性糖含量只有在第6天差異極顯著。

2.4干旱脅迫對鈴鐺刺葉片可溶性淀粉的影響

可溶性淀粉同樣是植物體內的一種重要的滲透調節物質，植物在逆境條件下通過增加可溶性淀粉的合成，直接參與其適應逆境的過程。從圖4可以看出，在土壤干旱脅迫過程中，直播苗體內可溶性淀粉含量先升高后降低，可能是由于這一土壤水分范圍適宜其合成可溶性淀粉；容器苗體內可溶性淀粉含量呈先減少后增加趨勢，臨界點出現在第6天。

2.5干旱脅迫對鈴鐺刺根系活力的影響

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況和活力水平直接影響地上部的營養狀況及產量水平，根系活力是表征植物根系的量。從圖5可以看出，在土壤干旱脅迫過程中，直播苗與容器苗根系活力上都表現為先遞減后增加，都在脅迫后9 d時遞增，說明脅迫后9 d的土壤含水量是根系活力變化的一個臨界點。脅迫后3 d和12 d直播苗和容器苗根系活力差異極顯著。

2.6干旱脅迫對鈴鐺刺MDA含量的影響

逆境環境會對植物細胞膜系統造成破壞，MDA含量體現了生物膜脂過氧化強度和膜系統受傷害程度。從圖6可以看出，干旱脅迫過程中，直播苗與容器苗MDA含量都呈現升高趨勢。干旱脅迫初期，鈴鐺刺MDA含量較低，且變化較平緩，脅迫后期，MDA含量上升較為明顯。干旱脅迫后9 d，直播苗與容器苗的 MDA含量分別比脅迫前增加2.12倍、2.18倍。從保護酶協調作用保護細胞膜來看，MDA含量應該越來越少。試驗結果表明，隨著脅迫程度的增強，MDA含量呈現升高趨勢，這可能是由于保護酶活性和抗氧化物質含量的上升并不意味著活性氧清除能力同步上升，從而引起膜脂過氧化加劇。經方差分析，直播苗與容器苗MDA含量差異不顯著，只有在3 d時差異顯著，說明斷水處理對容器苗的影響一開始就比直播苗明顯。

2.7干旱脅迫對鈴鐺刺細胞膜相對透性的影響

逆境對植物細胞最開始的傷害是對膜的傷害，細胞膜一旦遭到破壞，透性會增大，接著細胞內的電解質會外滲，導致細胞浸提液電導率增大[13-14]。從圖7可以看出，隨著干旱脅迫的加劇，直播苗和容器苗的細胞相對透性整體呈現增加趨勢，說明干旱脅迫傷害了幼苗的膜系統。干旱脅迫初期，細胞相對透性變化不大，說明輕度的水分脅迫對于鈴鐺刺幼苗生長無太大影響。干旱處理后期，容器苗的細胞相對透性有所升高，但是直播苗的細胞相對透性增幅不大。干旱脅迫后 3 d，直播苗、容器苗的細胞相對透性分別是脅迫前的1.40倍、1.05倍；干旱脅迫后6 d，直播苗和容器苗的細胞相對透性分別是脅迫前的1.53倍、1.15倍；干旱脅迫后9 d，直播苗和容器苗的細胞相對透性分別是脅迫前的1.64倍、1.75倍，增長幅度不大，說明輕度干旱脅迫對灌木幼苗膜系統的影響不大；斷水后12 d，直播苗和容器苗的細胞相對透性分別是脅迫前的1.87倍、3.03倍，容器苗的細胞相對透性與脅迫初期相比增長幅度明顯變大，說明干旱脅迫程度對幼苗的影響較大。方差分析表明，干旱脅迫各階段，直播苗與容器苗體內細胞相對透性只在脅迫后9 d和12 d差異顯著。

2.8干旱脅迫對鈴鐺刺葉綠素含量的影響

逆境下植物光合能力會受到嚴重影響，葉綠素是植物光合作用的重要參與物質，所以葉綠素含量變化可直接反映植物受干旱脅迫的程度[15]。葉綠素含量是衡量葉片衰老程度的重要生理指標。從圖8可見，隨著干旱脅迫加劇，直播苗和容器苗的幼苗葉綠素含量整體呈遞減趨勢，整體變化趨勢不明顯，說明輕度水分脅迫對于鈴鐺刺幼苗葉綠素含量影響不大。干旱處理后期，直播苗和容器苗的幼苗葉綠素含量較脅迫前遞減明顯。方差分析表明，整個干旱脅迫過程中，直播苗與容器苗體內可溶性糖含量只有在脅迫后12 d差異顯著。

2.9干旱脅迫對鈴鐺刺相對含水量的影響

從圖9、圖10可以看出，干旱處理0～6 d，鈴鐺刺直播苗與容器苗的根、莖相對含水量基本一樣。干旱處理9 d，直播苗與容器苗的根、莖相對含水量出現差異，直播苗的根、莖相對含水量高于容器苗，且直播苗與容器苗的根相對含水量差異顯著。干旱處理12 d，直播苗與容器苗的莖相對含水量差異顯著。

3結論與討論

植物抗旱性受到多種因素影響，只靠單一指標無法反映植物整體抗旱能力，因此需要采用多個指標鑒定植物抗旱性[16]。研究表明，植物處于干旱脅迫環境時，脯氨酸、MDA、可溶性蛋白質、可溶性糖、細胞膜透性等生理生化指標含量變化可以在一定程度上反映植物的抗逆性能力[17-21]。植物葉片相對含水量能夠反映植物水分狀況與蒸騰作用之間的平衡關系，是反映植物葉片水分狀況的重要指標[22]。研究表明，隨著干旱脅迫程度的加強，植物葉片相對含水量下降，但抗旱能力強的植物葉片相對含水量下降速度較慢[22]。葉綠素是與光合作用（photosynthesis）有關的最重要的色素，干旱脅迫會影響葉綠素的合成，并會加速現有葉綠素的分解，導致葉片變黃。本試驗結果表明，直播苗與容器苗的葉片相對含水量和葉綠素含量均隨干旱脅迫的加強呈遞減變化，與陳娟等關于胡頹子（Elaeagnus pungens Thunb.）、三顆針（Berberis diaphana Maxim.）、金絲梅（Hypericum patulum Thunb.ex Murray）、十大功勞[Mahonia fortunei （Lindl.） Fedde]、刺梨（Rosa roxburghii Tratt.）、火棘[Pyracantha fortuneana （Maxim.） Li]等6種野生灌木隨著水分脅迫的日益加重，葉綠素含量呈持續下降趨勢的研究結果[23]一致。直播苗的相對含水量下降速度相對較慢，說明直播苗葉片失水速度慢，水分是植物正常生命活動的必需物質之一，植物一切生命活動都必須在細胞水分充足的情況下進行，水分直接參與植物的光合作用、呼吸作用，為植物的各項生理活動正常進行提供了重要保障。干旱脅迫下，直播苗保水能力比容器苗強。從植物外觀特征來看，干旱脅迫后6 d，容器苗部分葉片開始黃化，脅迫后9 d葉片開始干枯卷曲，脅迫后12 d植株葉片基本全部干枯，莖干枯嚴重；直播苗在干旱脅迫后12 d才開始出現葉片變黃的現象，直播苗抗旱能力明顯比容器苗強。

植物細胞膜對維持細胞正常的生理代謝起著重要作用，在多種逆境環境下，植物細胞膜系統都會受到傷害，進而引起膜透性增大。張立軍等研究結果表明：不同脅迫強度下，細胞膜透性的增大可能存在不同的機制，在低強度的干旱脅迫下可能是由于自由基積累引起膜脂過氧化所致，在高強度干旱脅迫下，可能是膜物理結構改變的結果，MDA是膜脂過氧化分解的最終產物，因此一定程度上MDA含量高低同樣可以反映細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件的反應[24]。本研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的加強，直播苗和容器苗MDA含量和細胞相對透性均呈明顯遞增趨勢，這與陳志成等采用盆栽試驗方法，測定持續干旱條件下2年生五角楓、臭椿、黃連木幼苗的MDA含量、細胞膜透性都呈上升趨勢的研究結果[25]基本一致。只是在干旱脅迫后9 d，鈴鐺刺幼苗MDA含量趨于平緩，同樣在干旱脅迫后9～12 d，容器苗細胞透性驟然變大，說明干旱脅迫后9 d土壤含水量是鈴鐺刺幼苗的一個臨界點。

脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白都是植物的滲透調節物質。脯氨酸作為能起到滲透調節和滲透保護作用的氨基酸，在正常情況下其含量很少，但是當植物處在逆境條件時，普遍會表現出脯氨酸積累[26]。因為脯氨酸是最大的水溶性氨基酸，植物受旱時脯氨酸的增加有助于細胞或組織持水，起到防脫水劑的作用。可溶性糖也是干旱脅迫下植物體內的滲透調節物質，可以增加細胞的原生質濃度，從而起到抗脫水作用。植物在干旱脅迫下，可溶性蛋白會部分轉化為氨基酸，從而增加滲透性物質。本研究結果表明，直播苗與容器苗的脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量都隨著干旱脅迫的增加而增加，直播苗的脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量變化緩慢，說明直播苗比容器苗具有更強的滲透調節能力及抗旱性，并且容器苗的脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量在干旱脅迫后9 d猛然增加，說明干旱脅迫后9 d土壤含水量是容器苗的一個臨界點。

干旱脅迫條件下，容器苗的根系活力在干旱脅迫第3天變化明顯，可溶性淀粉含量在干旱脅迫后6 d變化明顯，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、MDA含量、細胞相對透性等生理生化指標都在干旱脅迫的第9天變化明顯，這與上文中提到的容器苗外觀特征表現相呼應，說明容器育苗方式干旱脅迫極限是9 d。干旱脅迫條件下，直播苗只有可溶性蛋白、可溶性淀粉、細胞相對透性在干旱脅迫第6天產生明顯變化，其余生理生化指標都變化緩慢。干旱脅迫后12 d才開始出現葉片變黃現象，說明直播苗直到干旱脅迫后12 d也沒有達到干旱脅迫極限，直播苗的干旱脅迫極限天數有待進一步研究。干旱脅迫后6～9 d是植物生理變化的重要時期，容器苗在灌溉時，干旱脅迫時間不要超過9天，最好在干旱脅迫6 d開始進行灌溉，直播苗最好在干旱脅迫后9 d開始灌溉。在鈴鐺刺苗期生長階段，容器育苗的持續干旱時間不應超過6 d。直播苗比容器苗具有更強的抗旱性能，原因可能是干旱脅迫時直播苗根部可以吸收地下水。參考文獻：

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