荒漠灌木蒙古巖黃芪對干旱脅迫的生理響應

呂娥娥， 周向睿， 周志宇， 趙桂琴*

(1.甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州730070；2.草地農業生態系統國家重點實驗室，蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

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荒漠灌木蒙古巖黃芪對干旱脅迫的生理響應

呂娥娥1， 周向睿1， 周志宇2， 趙桂琴1*

(1.甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州730070；2.草地農業生態系統國家重點實驗室，蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

采用盆栽實驗，研究了不同程度干旱脅迫(重度、中度、輕度、對照，分別為15%、30%、50%、70%田間最大持水量)對荒漠灌木蒙古巖黃芪幼苗光合特性、抗氧化特性和滲透調節物質的影響。結果顯示，在中度和重度干旱脅迫下，除胞間CO2濃度外，其余各光合指標均顯著下降；在輕度干旱脅迫下，蒙古巖黃芪幼苗凈光合速率、PSⅡ的潛在活性與對照相比上升了20.7%和5.7%。中度和重度脅迫下蒙古巖黃芪葉片的丙二醛(MDA)含量、細胞相對質膜透性、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)以及過氧化物酶(POD)活性顯著高于對照，而在輕度干旱脅迫下無明顯變化。葉片中游離脯氨酸含量和可溶性糖含量以及K+含量隨干旱脅迫的加劇而顯著增加；根、莖、葉中的Na+含量在干旱脅迫處理中均顯著下降。蒙古巖黃芪在干旱脅迫下采取協同升高葉片中SOD、 CAT、POD活性，提高脯氨酸和可溶性糖含量，同時選擇性吸收K+的策略來減小干旱對植株所造成的傷害。實驗結果可為蒙古巖黃芪適應干旱脅迫的策略提供理論依據，為其保護利用以及干旱與半干旱區的植被恢復提供參考。

蒙古巖黃芪；干旱脅迫；光合特性；抗氧化特性；滲透調節物質

干旱已成為全球最嚴重的自然災害之一[1]。目前，干旱和半干旱區已占我國國土面積的49%。而隨著全球氣候變化和人類活動的影響，將會有越來越多的干旱和半干旱區受到干旱脅迫的影響，嚴重影響這些地區的生產和生態環境。干旱脅迫不僅能直接對植物的生長狀況、形態結構與生理生態過程產生顯著影響，還是區域景觀植被破碎化和荒漠化的直接驅動者。土壤水分匱乏影響植物的形態建成和生理生化過程，限制了植物的存活和分布[2]。研究干旱和半干旱區代表性植物對不同干旱脅迫強度的響應與適應，是深入探討植物干旱適應能力及對策的有效手段，對這些地區的植被恢復和生態環境建設具有重要的參考價值[3]。

蒙古巖黃芪(又名踏郎、楊柴，Hedysarummongolicum)，豆科巖黃芪屬，主要分布在我國的內蒙古、陜西、寧夏、甘肅等省區，是一種沙生灌木、根系發達、耐沙埋，具有良好的防風固沙、保持水土作用[4]。蒙古巖黃芪耐寒、抗旱、耐高溫、抗風蝕耐沙埋，能在-30～-50℃的條件下正常生長。另外，蒙古巖黃芪飼用價值很高，其枝葉營養豐富且適口性好，含有動物生長所需的多種氨基酸，其含量大多高于玉米粉，與美國脫水苜蓿粉近似或略高，被稱為沙漠的“紅花苜?！盵5]。蒙古巖黃芪的再生性強、成活率高、生長迅速，是扦插造林的良好樹種，扦插造林時一般以沙障形式多見[4]。其種子扁平并有皺紋，撒布在沙面上不易產生位移，這為飛播播種造林提供了良好的條件[4]。近年來，對于蒙古巖黃芪抗旱性方面的報道主要集中耗水規律、水分利用效率、干旱脅迫時黃芪甲苷的積累[6]、解剖結構的抗旱性分析[7]以及干旱脅迫下生物量的積累和生長活動方面的影響[8]。但是，關于蒙古巖黃芪幼苗的抗旱性機理的研究報道尚少。本研究擬分析不同強度的干旱脅迫對蒙古巖黃芪光合特性、滲透調節物質、抗氧化特性的影響，從而為干旱環境下蒙古巖黃芪資源的保護與利用提供理論基礎，也為荒漠區植被的恢復提供科學參考。

1　材料與方法

1.1試驗材料與實驗設計

蒙古巖黃芪種子于2012年9月采自陜西省靖邊縣。在甘肅農業大學實驗室挑選籽粒飽滿的蒙古巖黃芪種子，用75%乙醇浸泡1 min，然后用蒸餾水沖洗3次，再用蒸餾水浸泡24 h，催芽，待用。當地農田土帶回實驗室盛在花盆中(直徑22 cm，高21 cm)澆透水，待自然耗水至田間最大持水量的70%，將發芽2 d后的幼苗移栽到花盆中，培養8周。8周齡蒙古巖黃芪幼苗按以下水分梯度進行處理：對照(田間最大持水量的70%)、輕度干旱脅迫(田間最大持水量的50%)、中度干旱脅迫(田間最大持水量的30%)和重度干旱脅迫(田間最大持水量的15%)。人工給水后，采用自然耗水的方法，用感量為0.005 kg的電子秤，控制盆栽土壤含水量的水分梯度[9]。每個處理4個重復，每個花盆20株苗。測定各項指標的時間以植株開始出現萎蔫為標準(處理7 d后)。

1.2生理指標的測定

1.2.1光合生理參數在光強為(1000±50) μmol/(m2·s)的鹵素燈下，于上午 9:00-11:30 用 LI 6400 便攜式光合儀(LI2COR, USA)測定連體成熟葉片的凈光合速率(Pn)，氣孔導度(Gs)，胞間 CO2濃度(Ci)。葉綠素的測定采用丙酮比色法[10]。按以下公式計算葉綠素含量：葉綠素含量(mg/g FW)=(8.02×OD663+20.20×OD645)×V/(1000×W) 。式中，V為丙酮提取液的體積(mL)；W為所取樣品的鮮重(g)。

1.2.2葉綠素熒光動力學參數的測定測定儀器使用 PAM2100 葉綠素熒光儀，測定時間為上午9:00-12:30。 測定的葉片葉綠素熒光動力學參數：PSⅡ的初始熒光 (F0)、最大熒光 (Fm)、可變熒光(Fv)、最大光能轉換效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0) 以及光合電子傳遞速率(ETR)，測定前葉片均暗適應20 min。

1.2.3丙二醛(MDA)含量和相對質膜透性的測定取高度一致的葉片，剪成碎片，稱取0.5 g放入研缽中，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛[11]。參考Gibon等[12]的方法，用DDS-ⅡA型電導率儀測定電導率。根據下列公式計算組織MDA的含量：MDA(μmol/g)=[6.45(A532-A600)-0.56A450]NW-1。式中，N為上清液的總體積，W為稱取植物材料的鮮重(g)。

1.2.4抗氧化酶活性的測定稱取0.5 g新鮮葉片于預冷的研缽中，加10 mL pH 7.8，50 mmol/L 預冷的磷酸緩沖液，在冰浴上研磨成勻漿，勻漿在4℃下12000 r/min 離心20 min，上清液用于超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性的測定。用氮藍四唑(NBT)法測定SOD活性[13]；用紫外吸收法測定過氧化氫酶活性[13]；用愈創木酚法測定過氧化物酶活性[13]。

1.2.5有機滲透調節物質的測定葉片的可溶性糖含量用蒽酮比色法測定[10]；葉片脯氨酸含量采用酸性茚三酮染色法[14]測定。

1.2.6K+、Na+濃度的測定將烘至恒重的植物根、莖、葉干樣搗碎后放入20 mL試管中，加入100 mmol/L的冰乙酸10 mL。然后密封試管，置于90℃沸水中水浴2 h，冷卻，過濾，稀釋適當倍數后，在火焰光度計(2655-00)上測定離子含量。

1.3數據處理方法

數據分析使用SPSS 16.0軟件，繪圖使用Origin 8.0。

2　結果與分析

2.1不同干旱脅迫對蒙古巖黃芪葉片光合特性的影響

葉片凈光合速率(Pn)在輕度干旱脅迫下顯著高于其他處理，與對照相比上升了20.7%，而中度和重度脅迫下則分別下降了30.3%和55.5%(圖1A)。輕度干旱處理的葉片氣孔導度(Gs)與對照無顯著性差異； 而中度和

圖1　不同干旱脅迫對蒙古巖黃芪葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)及葉綠素含量的影響Fig.1　Effects of different drought stress on the net photosynthetic rate, intercellular CO2 concentration, stomatal conductance and chlorophyll content in the leaves of H. mongolicum　不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters indicate a significant difference among treatments (P<0.05). The same below.

重度處理顯著低于對照，分別下降了45.6%和57.4% (圖1C)。葉綠素含量隨土壤含水量的降低呈逐漸下降趨勢，與對照相比，分別下降了32.7%，54.1%和59.8%(圖1D)。各處理間胞間CO2濃度(Ci)差異不顯著(圖1B)。

由表1可知，在輕度脅迫下，PSⅡ的潛在活性(Fv/F0)與對照相比上升了5.7%，而在中度和重度脅迫下下降了6.2%和7.6%。PSⅡ原初光能轉換效率(Fv/Fm)和電子傳遞速率(ETR)在輕度脅迫下與對照相比差異不顯著，中度和重度脅迫下分別下降了2.5%、5.4%和5.0%、6.8%。

2.2不同干旱脅迫對蒙古巖黃芪滲透調節物質的影響

隨土壤水分梯度的下降，葉片中的游離脯氨酸含量呈不斷上升的趨勢，重度處理含量最高，與對照相比，輕度、中度和重度脅迫下脯氨酸含量分別增加了15.3%，42.6%和55.4%(圖2A)。可溶性糖含量在中度和重度處理顯著高于對照，分別增加了51.2%和25.2%；輕度和對照處理間差異不顯著(圖2B)。

表1　不同干旱脅迫對蒙古巖黃芪葉片 葉綠素熒光動力學參數的影響Table 1　Effects of different drought stress on the chlorophyll fluorescence parameters in the leaves of H. mongolicum

不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Different letters indicate a significant difference among treatments (P<0.05).

K+含量在根和莖中不同處理間無顯著性差異；但在葉中隨干旱脅迫的增加有增加的趨勢，分別上升了6.3%，18.7%和24.4%(圖2C)。與對照相比，Na+含量在其他處理中均顯著下降，在根中分別降低了39.1%，43.9%和24.4%；在莖中分別降低了43.8%，37.8%和48.3%；在葉中分別降低了23.1%，24.4%和34.8%(圖2D)。

圖2　不同干旱脅迫對蒙古巖黃芪葉片脯氨酸含量、葉片可溶性糖、根莖葉K+和Na+含量的影響Fig.2　Effects of different drought stress on the contents of proline and soluble sugar in the leaves and K+ and Na+ in the roots, stems and leaves of H. mongolicum

2.3不同干旱脅迫對蒙古巖黃芪抗氧化特性的影響

蒙古巖黃芪葉片MDA含量在對照和輕度處理間無顯著性差異，但在中度和重度處理顯著高于對照，分別增加了20.8%和61.1%(圖3A)。隨著干旱程度的增加，相對質膜透性呈逐漸升高的趨勢。與對照相比，輕度處理與對照無顯著性差異，中度與重度處理顯著高于對照，分別增加了153%和174%(圖3B)。SOD在輕度、中度和重度處理下均顯著高于對照，分別增加了34.8%，127.9%和70.0%(圖3C)。CAT活性在輕度處理與對照差異不明顯；在中度和重度處理顯著提高，分別增加了80.5%和39.8%(圖3D)。POD活性隨干旱脅迫程度的增加而逐漸增加，與對照相比分別增加了12.2%，47.9%和106.0%(圖3E)。

圖3　不同程度干旱脅迫下蒙古巖黃芪葉片丙二醛(MDA)濃度

3　討論

3.1干旱脅迫對蒙古巖黃芪光合特性的影響

光合作用是植物體內重要的代謝過程，它的強弱對植物生長、產量及其抗逆性都具有十分重要的影響。光合作用不僅可以用來作為判斷植物生長的指標，還可以用來作為判斷植物抗逆性大小的指標[15-16]。有研究表明，有兩類因素能導致植物在逆境脅迫下引起它的葉片光合速率降低，即(1)有氣孔的部分關閉導致的氣孔限制，(2)葉肉細胞光合活性的下降導致的非氣孔限制。若出現Ci、Gs同時下降，則氣孔因素是主要限制因素；否則，非氣孔限制是主導因素[17]。在本研究中，蒙古巖黃芪葉片凈光合速率(Pn)在輕度干旱脅迫處理下上升明顯，在中度和重度干旱脅迫處理下卻顯著下降(圖1A)；葉片胞間CO2濃度(Ci)在不同處理間變化不大(圖1B)；而葉片氣孔導度(Gs)在中度和重度干旱脅迫處理顯著下降(圖1C)。這些結果表明，在干旱脅迫下，蒙古巖黃芪幼苗光合速率的下降是由于葉肉細胞的光合活性下降所致。

葉片光合色素含量是反映植物光合能力的一個重要指標。而葉綠體色素含量的變化又會受到環境因子的影響，環境因子的變化會引起其含量發生明顯的改變，進而引起光合性能的改變。有研究表明，環境脅迫能引起葉綠素酶的含量明顯的增加[18]。而葉綠素酶含量的增加勢必又會引起植物葉綠素的降解，使其發生明顯的下降，進而影響葉片的光合作用[18]。本研究中也得到類似結果，與對照相比，輕度、中度和重度干旱脅迫下蒙古巖黃芪葉片葉綠素含量均顯著下降(圖1D)。說明隨干旱程度增強蒙古巖黃芪從光中吸收能量越少，轉變的碳水化合物越少，當達到一定程度干旱時，蒙古巖黃芪從光中吸收能量趨于平穩，轉變的碳水化合物也趨于平穩值。

光合系統Ⅱ(PSⅡ)是植物光合系統中主要的組成部分，對光合作用起著重要的作用[19]。葉綠素熒光動力學技術在測定葉片光合作用過程中光系統對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與“表觀性”的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數更具有反映“內在性”特點[20-21]。因此，葉綠素熒光動力學技術被稱為測定葉片光合能力的快速、無損傷的探針[22-23]。PSⅡ的潛在活性(Fv/F0)、PSⅡ原初光能轉換效率(Fv/Fm)、電子傳遞速率(ETR)在輕度干旱脅迫時上升，而在中度和重度干旱脅迫時均下降(表1)，表明在輕度(50%田間最大持水量)干旱脅迫PSⅡ反應中心的活性最強。以上結果表明：在輕度干旱脅迫蒙古巖黃芪幼苗光合能力最強。

3.2干旱脅迫對蒙古巖黃芪滲透調節物質的影響

在逆境條件下，大多數植物在體內積累可溶性溶質如脯氨酸和可溶性糖等，它們對調節滲透勢具有重要的作用[24]。這種作用主要表現為保護植物細胞在逆境脅迫下的滲透失衡[25]，穩定亞細胞組織如細胞膜和蛋白質，清除抗氧化系統[26]。脯氨酸大量積累，除了作為植物細胞內滲透調節物質具有較好的水合作用、提高原生質膠體的穩定性、降低細胞的水勢、擴大細胞的溶解容積的作用外，還在降低細胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調節細胞氧化還原勢等方面起重要作用[27-30]?？扇苄蕴且彩侵参矬w內一種有機滲透調節物質。逆境脅迫下，植物可通過積累可溶性糖等有機溶質來降低其滲透勢，抵抗外界水分脅迫[31]， 如在干旱和模擬干旱脅迫下，蠶豆(Viciafaba)[32]和野生大豆(Glycinesoja)[33]的可溶性糖明顯累積。這些現象說明，植物體內可溶性糖累積也是對逆境條件下的應激反應，是一種適應性的表現。本試驗結果表明：蒙古巖黃芪受到干旱脅迫時，葉片中脯氨酸含量隨土壤水分條件發生變化，且積累量與脅迫強度相關。在輕度干旱脅迫下游離脯氨酸迅速積累，重度脅迫下累積量最大(圖2A)，該結果與小麥(Triticumaestivum)和豇豆(Vignaunguiculata)上所得的結果一致[34-35]。隨著干旱脅迫不斷加重，可溶性糖含量經歷了下降-上升-下降的過程(圖2B)，在輕度脅迫下比對照略有下降；中度脅迫下顯著上升；重度脅迫下比中度脅迫有所下降，但與對照相比還是有所積累(圖2B)。說明在中度干旱脅迫下，蒙古巖黃芪葉片內可溶性糖的作用最顯著。

Na+在適應干旱環境時起到滲透調節作用，尤其對于多漿旱生植物來說，其適應干旱環境的有效策略之一是積累Na+[36]。K+是植物細胞中含量最豐富的陽離子之一，能調節植物體的許多生理功能，如增強植物光合作用，增強植株體內物質合成和轉運，提高能量代謝等。本實驗結果顯示，隨著干旱脅迫加重，K+含量顯著上升(圖2C)，Na+含量卻顯著下降(圖2D)，表明蒙古巖黃芪適應干旱環境的有效策略主要是積累K+，同時也說明K+和Na+由于原子半徑相似，在進入植物體時存在競爭關系[36-38]。

3.3干旱脅迫對蒙古巖黃芪抗氧化特性的影響

對植物來說，一個最普遍的氧化破壞就是膜脂過氧化，這是確定氧化脅迫的主要指標之一[11]。有研究表明，在干旱脅迫下，若葉片中的膜脂過氧化顯著增加，則能表明干旱脅迫引起了氧化脅迫[13,36,39]。植物葉片的膜脂過氧化的產物之一是MDA，其含量的高低可表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱。同樣，對植物來說，細胞膜是細胞與環境之間交流的屏障，各種不良環境對植株的影響，往往首先作用于細胞膜，改變它的透性，細胞的相對質膜透性大小能夠反映植株受傷害的程度[40]。本研究中蒙古巖黃芪葉片的MDA含量在中度和重度干旱脅迫下顯著增加，且在重度干旱脅迫下最高(圖3A)，說明隨著干旱脅迫的加劇，蒙古巖黃芪受到的傷害也越來越嚴重。細胞的相對質膜透性在中度和重度脅迫下顯著高于對照(圖3B)，說明在中度和重度干旱脅迫下，蒙古巖黃芪受到的傷害越大，重度脅迫下植株出現明顯的萎蔫，葉片脫落。

SOD、CAT和POD對植物體內的抗氧化性至關重要，是植物體內清除活性氧的3種重要保護酶。植物在遭受干旱脅迫等特殊環境條件時，清除活性氧的酶活性均會增加[41]。SOD是防御ROS對細胞損害的第一道防線，歧化超氧陰離子自由基為O2和H2O2。本研究發現蒙古巖黃芪葉片SOD活性隨水分脅迫的增強先升高后降低(圖3C)，這與刺槐(Robiniapseudoacacia)[42]和花棒(Hedysarumscoparium)[43]上的研究一致。但也有研究表明干旱脅迫加劇SOD活性增加[44-45]。本實驗中，葉片SOD活性在中度干旱脅迫下最高，說明蒙古巖黃芪葉片中SOD有效清除超氧陰離子自由基是一個非常重要的保護機制。然而超氧陰離子自由基清除的同時伴隨H2O2過量產生。CAT能夠清除H2O2使其轉化成H2O和O2，POD也可以用一些酚類化合物(例如愈創木酚)作為主要的還原劑[46]氧化進而清除H2O2。有研究認為，植物中CAT和POD活性在水分脅迫下有所增加[47]；也有研究認為，CAT和POD的活性隨干旱脅迫增強有先增加后降低的趨勢[48]。本實驗結果顯示，蒙古巖黃芪葉片中CAT和POD活性是隨著干旱脅迫加劇而增加的，POD在重度脅迫下活性最高，CAT在中度脅迫下活性最高，均顯著高于對照(圖3D,E)。表明在中度干旱脅迫下蒙古巖黃芪葉片CAT在清除H2O2時起到主要作用，而在重度干旱脅迫下其清除H2O2的能力相比中度脅迫有所降低。在重度脅迫下POD的活性很高，表明其在清除H2O2時起到主要作用。

4　結論

蒙古巖黃芪的光合作用在中度和重度干旱脅迫下明顯受到抑制，其原因是葉肉細胞光合活性下降，而不是由氣孔部分關閉所造成。蒙古巖黃芪能協同升高葉片中的SOD、CAT、POD活性，提高脯氨酸、可溶性糖含量，同時選擇性吸收K+，來減小干旱對植株所造成的傷害。

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*Physiological responses of the desert shrubHedysarummongolicumto drought stress

LV E-E1, ZHOU Xiang-Rui1, ZHOU Zhi-Yu2, ZHAO Gui-Qin1*

1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofGrasslandEcologySystem,MinistryofEducation,Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China; 2.StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

A pot experiment was conducted to determine the effects of drought stress on the photosynthetic characteristics, antioxidant properties and osmotic adjustment substances of the desert shrubHedysarummongolicum. The experiment used four different water treatments of 70%, 50%, 30% and 15% field moisture capacity, representing serious (SED), moderate (MOD) and mild (MID) stresses and the control (CK), respectively. The photosynthetic characteristics (except intercellular CO2concentration) under MOD and SED were significantly lower than those under CK. Compared to CK, the net photosynthetic rate and PSⅡ potential activity under MID increased 20.7% and 5.7% respectively. The malondialdehyde content, relative plasma permeability, and the activities of superoxide dismutase, catalase and peroxidase were significantly higher under the MOD and SED treatments than CK, while there was no significant difference between MID and CK. The contents of proline, soluble sugar and K+in leaves showed significant increase trends with the degree of drought stress. Compared to CK, Na+contents in leaves, roots and stems showed significant decline trends. These results show that in response to stressH.mongolocumincreases the activities of SOD (superoxide dismutase), CAT (catalase) and POD (peroxidase), increases relative plasma permeability in leaves, improves the contents of proline and soluble sugar, and enhances the selective absorption of K+, thereby reducing the damage of drought to the plant. Our findings provide the theoretical basis for understandingH.mongolocumadaptation to drought stress. The study also provides references for the protection and utilization of this plant and for vegetation restoration in arid and semiarid areas.

Hedysarummongolocum; drought stress; photosynthetic characteristics; antioxidant properties; osmotic adjustment substances

10.11686/cyxb2015274

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-05-28；改回日期：2015-09-08基金項目：國家自然基金資助項目(31201849)和農業部牧草種質資源保護項目(2013014)資助。

呂娥娥(1988-)，女，甘肅靜寧人，碩士。E-mail: 1402595393@qq.com

Corresponding author. E-mail: zhaogq@gsau.edu.cn

呂娥娥， 周向睿， 周志宇， 趙桂琴. 荒漠灌木蒙古巖黃芪對干旱脅迫的生理響應. 草業學報, 2016, 25(6): 42-50.

LV E-E, ZHOU Xiang-Rui, ZHOU Zhi-Yu, ZHAO Gui-Qin. Physiological responses of the desert shrubHedysarummongolicumto drought stress. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(6): 42-50.