干旱脅迫對文冠果幼苗的生理反應及生長的影響

馬 新，姜繼元，董 鵬，朱耀軍，李 銘 *

(1.新疆農墾科學院，新疆 石河子 832000；2.中國林業科學研究院，北京 100091)

干旱脅迫對文冠果幼苗的生理反應及生長的影響

馬 新1，姜繼元1，董 鵬1，朱耀軍2，李 銘1 *

(1.新疆農墾科學院，新疆 石河子 832000；2.中國林業科學研究院，北京 100091)

為了研究文冠果幼苗對干旱脅迫的耐受特性，選擇2年生文冠果幼苗為供試材料。在盆栽條件下，設置水分梯度，測定分析文冠果幼苗在不同水分梯度及不同時間下的生理指標及生長指標。結果表明，①隨著時間的延長，文冠果葉片丙二醛(MDA)含量及細胞膜相對透性(RCM)在對照和T2處理下保持相對穩定，而在T1、T3及T4處理下有升高的趨勢。②文冠果葉片內滲透調節物質可溶性糖(SS)和脯氨酸(Pro)含量在T3和T4處理下逐漸升高，T1處理下先升高后降低，而可溶性蛋白(SP)的含量則在T1和T4處理下呈先升高后降低的趨勢，T2與對照處理各滲透調節物質含量較為接近。③文冠果葉片的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性在T1、T3及T4處理下均高于對照，但變化的時間和幅度有所不同。④在文冠果株高、地徑、葉數及各器官生物量積累方面，T1和T4處理顯著低于對照(P<0.05)，但主根長則大體表現出T4>T3>T1>T2>CK，差異顯著(P<0.05)，T4、T3及T1處理的主根長分別較對照提高了68.4 %、54.5 %及41.5 %。文冠果幼苗能通過調整自身生長、保護酶活性和可溶性物質含量等提高其抗旱性。

文冠果；幼苗；干旱脅迫；生理指標

文冠果(Xanthocerassorbifolia)又名木瓜、文登閣、文官果等，屬于無患子科文冠果屬，該屬僅一種，是我國特有的珍稀木本油料植物[1]。文冠果在我國北方分布廣泛，其根系發達、保水力強，耐干旱、嚴寒、貧瘠，具有在荒山、荒地、沙化等不良條件下生長的能力，因此，是山區綠化、退耕還林、防風固沙的首選生態經濟樹種[2]，具有巨大的開發和利用潛力[3]。

本研究區位于新疆生產建設兵團，屬我國典型的干旱、半干旱區，降雨量少，蒸發量大，水資源缺乏。許多研究表明水分是影響植物生長的關鍵因素，水分脅迫會在多種水平上干擾樹木的生理活動的正常進行，如抗氧化酶活性、可溶性物質含量、生物量積累等[4]。已有的研究證明文冠果這一樹種具有良好的抗旱性，如謝志玉等[5]和張剛等[6]研究表明文冠果幼苗能通過調整自身生長、保護酶活性及根系活力等提高其抗旱性，文冠果具有較強的耐旱潛力；周玲等[7]和常燕虹等[8]的研究發現，在土壤干旱脅迫下文冠果幼苗葉片通過增大細胞膜透性、增加體內脯氨酸含量來提高自身的抗旱能力，文冠果幼苗表現出較強的抗干旱特性，可在干旱和半干旱地區推廣栽培；馮朝紅等[9]分析了天然油菜素內酯(NBR)對文冠果苗木抗旱性的影響，結果表明，NBR 處理可顯著增強苗木的抗旱性等。綜上所述，文冠果是一耐旱樹種，但同一抗旱樹種在不同地區或者不同生理狀態下，其抗旱能力和方式會發生變化[10]，而目前在本研究區有關文冠果需水規律及抗旱能力的研究還少有報道。因此，本研究通過對文冠果幼苗進行盆栽水分處理試驗，了解文冠果幼苗在不同水分條件下的生理和生長指標的變化，揭示水分變化對文冠果生理指標的影響及測定指標間的相關性，探討在本研究條件下適合文冠果生長的最適灌量，旨在為文冠果在新疆地區的進一步推廣應用提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年在新疆農墾科學院林園所試驗田進行，位于新疆石河子市，地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，地理位置為84°58′～86°24′ E，43°26′～45°20′ N，是典型的干旱半干旱氣候區。年平均氣溫6.5 ℃，年平均最高氣溫13 ℃，年平均最低氣溫0 ℃，無霜期為168～171 d，日照2300～2700 h，年平均降水量125～207.7 mm，年蒸發量1000～1500 mm，蒸發量是降雨量的5倍以上。

1.2 試驗設計與方法

試驗材料為內蒙古赤峰市林業科學研究院提供的文冠果種子，種子收集以后在地下室覆濕沙儲藏，2014年開始培育試驗用的文冠果幼苗，2015年5月份選擇大小一致的幼苗移栽至上口徑40 cm，下口徑25 cm，高40 cm的塑料盆內，進行不同水分處理盆栽試驗。苗木移栽后先期進行正常的水分管理，7月1日開始按照試驗設計進行水分處理，試驗共設置5個水分處理，即土壤含水量分別控制在田間最大持水量的(46.4 %)的80 %(T1)、60 %(T2)、40 %(T3)、20 %(T4)，以正常灌水為對照(CK，憑借經驗每天進行適當補水)，各處理重復21次，共105盆，每盆種植1株苗木。每天早晨8:00用稱重法(奧豪斯儀器廠生產的EX35001ZH天平，最大稱量為35 kg，最小精度為0.1 kg)控制土壤含水量的恒定，精度在0.1 g，加水補充其耗水損失，使含水量維持在各預定脅迫水平，實驗持續40 d，脅迫期間，晴天盆栽苗木正常照光，雨天及時用防雨布遮擋。

1.3 測試指標及方法

1.3.1 生理指標測定 各個處理達到脅迫水平的第0、10、20、30、40天分別取各處理各植株新鮮葉片，用鋁箔紙包裝完好后，標記并用液氮罐速凍帶回實驗室待測，丙二醛(MDA)和可溶性糖(SS)含量測定采用硫代巴比妥酸法[11]；細胞膜相對透性(RCM)采用相對電導法；可溶性蛋白(SP)含量測定采用考馬斯亮藍法[12]；脯氨酸(Pro)含量的測定采用茚三酮比色法[12]；超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性測定分別采用氮藍四唑染色法[12]、愈創木酚染色法[13]和紫外吸收法[14]進行測定，測定時，每個樣品重復3次。

1.3.2 生長指標測定 先利用鋼卷尺測量株高，電子游標卡尺測量地徑，然后用流水沖松盆土，用蒸餾水將植株洗凈濾紙吸干，在天平上分別稱量根、莖、葉鮮重，同時測量主根長，并統計葉片數，最后按根、莖、葉不同器官采集植株樣本，裝進牛皮紙袋，標號，帶回實驗室，在烘箱中105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，用奧豪斯儀器廠生產的EX224ZH天平(最大稱量為220 g，最小精度為0.0001 g)測定文冠果各器官干物質重。

1.4 數據分析

利用Excel2003進行數據整理和作圖，SPSS 21.0 統計軟件進行相關性分析和方差分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對文冠果葉片細胞膜相對透性(RCM)及丙二醛(MDA)的影響

植物處于逆境脅迫時，細胞內會累積大量自由基，在細胞保護機制缺乏時，自由基累積的活性氧可直接攻擊膜系統中的不飽和脂肪酸，使膜脂發生過氧化，MDA增加，膜脂組分發生變化，生物膜的結構和功能遭到損傷或破壞[15]。由圖1A可知，隨著時間的延長，T3和T4處理下的文冠果葉片細胞膜相對透性逐漸升高，且在第40天時達到最大值，較對照分別增加了78.9 %和114.2 %。而T1處理膜透性最大值比T3和T4提前了10 d，在第30天達到最大值，較對照增加了63.6 %，第30天后開始出現下降，表明T1處理下的文冠果葉片膜系統受到了一定程度的傷害。CK和T2處理下的文冠果葉片膜透性基本穩定在30 %左右，曲線較平緩。由圖1B可知，隨著時間的延長，T1和T4處理下MDA含量呈現先增大后減小的趨勢，其中T1處理下MDA含量的最大值出現在第20天，達0.054 μmol/g，較對照提高了116.0 %，之后逐漸下降，而T4處理的MDA含量最大值出現在第30天，達0.053 μmol/g。T3處理MDA含量整體呈緩慢上升的趨勢。T2處理MDA含量變化幅度較小。

圖1 不同水分處理下文冠果葉片細胞膜相對透性和丙二醛含量的變化Fig.1 Contents of RCM and MDA in leaves of Xanthoceras sorbifolia under different treatments

2.2 干旱脅迫對文冠果葉片內有機滲透調節物質的生理響應

可溶性糖是很多植物主要的滲透調節劑，對細胞膜和原生質膠體起穩定作用，脯氨酸是滲透脅迫下易于積累的一種氨基酸，是植物調節滲透壓的一種溶質[16]，可溶性蛋白也是植物的滲透調節劑之一，高含量的可溶性蛋白可維持植物細胞較低的滲透壓，抵抗水分脅迫傷害[17]。由圖2A可知，隨著時間的延長，T3和T4處理下文冠果葉片可溶性糖含量整體呈上升的趨勢，在第40天達最大值分別為0.395和0.453 mmol/g，較同期的對照分別增加29.1 % 和48.1 %。T1處理在第20～30天積累較快，第30天達最大值，為0.491 mmol/g，較對照增加了71.1 %，但在第40天出現下降，可能是試驗后期重度脅迫破壞了其細胞結構所致。T2處理文冠果葉片可溶性糖含量在各個測定時期始終穩定在0.25 mmol/g左右。 由圖2B可知，隨著時間的延長， T1和T4處理下文冠果葉片可溶性蛋白含量呈先增大后減小的趨勢，其中T1在第20天達最大值，為7.54 mg/g，隨后逐漸下降，而T4處理在第30天達最大值，為7.80 mg/g，隨后緩慢下降。T3處理在整個取樣時期呈緩慢上升的趨勢，由第0天的3.73 mg/g 增加至第40天的7.44 mg/g。T2處理可溶性蛋白含量始終與對照較為接近。由圖2C可知，隨著時間的延長，T3和T4處理下文冠果葉片脯氨酸含量整體呈上升的趨勢，在第40天達最大值，分別達109.9和135.4 μg/g，較同期對照處理分別提高了33.4 %和64.2 %。T1處理在第30天脯氨酸含量達最大值，為181.2 μg/g，隨后在第40天下降至162.7 μg/g。T2處理在10～30 d葉片脯氨酸含量稍低于對照，但在第40天接近對照。

圖2 不同水分處理下文冠果葉片SS、SP和Pro含量的變化Fig.2 Contents of SS，SP and Pro in leaves of Xanthoceras sorbifolia under different treatments

2.3 干旱脅迫對文冠果葉片內保護酶活性的影響

SOD是保護植物細胞結構免受自由基傷害的“第一道防線”，是清除活性氧的關鍵保護酶[18]。POD和CAT也是植物體內的重要保護酶，對提高植物的抗逆能力有重要作用[19]。由圖3A可知，隨著時間的延長，對照處理的SOD活性基本穩定在845 U/g，T2與對照處理的SOD活性變化趨勢基本相同。T1的SOD活性在第30天達到最大值，為880.5 U/g，隨后在第40天下降至859.8 U/g。T3的SOD活性整體呈現先升高后降低，再升高的趨勢，在水分處理的第10天有一個峰值，較對照增加了1.4 %，說明水分脅迫激活了SOD的活性，其清除自由基的能力加強，隨后到了第30天達到最低值，說明隨著時間的延長，自由基大量增加，消耗了大量的SOD，致使SOD活性下降，此后，在可承受的范圍內，植物進行有效的調節SOD合成能力增加，在第40天 SOD活性又達到峰值。T4的變化趨勢與T3處理較為相似，但在第40天 SOD的活性達到最低值，推測可能是植株細胞膜系統受到了傷害所致。由圖3B可知，隨著時間的延長，文冠果葉片POD活性呈上升的趨勢，其中T1處理在第30天達最大值，為3966 U/g，較同期的對照處理提高了55.5 %，而后趨于平緩。T3處理在第20天 POD活性達最大值，為3515 U/g。T4處理呈現先升高后降低的趨勢，在處理第40天，SOD活性下降。T2處理下文冠果葉片POD活性在處理第20及30天高于對照，但在第40天趨于對照。由圖3C可知，隨著時間的延長，T1、T3及T4處理下文冠果葉片CAT活性呈先上升后下降，再緩慢上升的趨勢，其中T1和T4處理都在第20天達最大值，較對照分別增加了53.1 % 和 38.8 %，在第30天 CAT活性有所下降，但在第40天又有所回升，T3處理在第10天 CAT活性最大。T2與對照處理CAT活性變化趨勢較相似。

2.4 干旱脅迫下文冠果葉片各測定指標間相關性分析

由表1可知，干旱脅迫下文冠果葉片RCM分別與MDA和SP呈極顯著負相關(P<0.01)和顯著負相關(P<0.05)，與POD活性呈極顯著正相關(P<0.01)，說明在此范圍內隨著文冠果葉片細胞膜透性的增大，MDA及SP含量降低，植株受脅迫越嚴重；MDA與SP含量呈極顯著正相關，與POD活性呈極顯著負相關關系；SS與CAT活性呈顯著正相關關系；SP與Pro含量和POD活性分別呈顯著正相關關系和極顯著負相關關系；Pro與CAT活性呈顯著正相關關系，即隨著CAT活性的提高，Pro含量增加；3種保護酶活性之間相關性不明顯。

圖3 不同水分處理下文冠果葉片SOD、POD和CAT活性Fig.3 SOD, POD and CAT activities in leaves of Xanthoceras sorbifolia under different treatments

表1 干旱脅迫下文冠果生理指標的相關性分析

注：* 和**分別表示在(P<0.05)或 (P<0.01)下相關性達顯著和極顯著。

Note:* and ** mean significant correlation at 0.05 or 0.01 levels, respectively.

表2 干旱脅迫對文冠果幼苗形態生長指標的影響

注：同行不同字母表示不同脅迫梯度在(P<0.05)水平上存在顯著性差異。

Note: Different letters in the same line under different stress indicate significant difference at 0.05 level.

2.5 干旱脅迫對文冠果幼苗生長的影響

從表2可以看出，不同水分處理下的文冠果各個生長指標中，株高、基徑、葉數、根、莖、葉鮮重和干重總體表現出的趨勢為CK≈T2>T3>T4≈T1，其中，株高、基徑、葉數在T4和T1處理下顯著低于CK和T2(P<0.05)，但CK和T2處理間沒有差異；在葉、莖、根鮮重方面，T4處理較CK顯著降低了20.0 %、20.0 %、20.1 %(P<0.05)，T1處理較CK顯著降低了12.8 %、27.8 %、14.3 %，CK與T2間沒有差異顯著性，葉、莖、根干重則和鮮重表現出相同的趨勢；主根長則大體表現出T4>T3>T1>T2>CK，差異顯著(P<0.05)，T4、T3、T1處理的主根長分別較CK提高了68.4 %、54.5 %、41.5 %，而CK與T2差異不顯著。

3 討 論

文冠果幼苗在生長過程中對于生物量分配和形態適應上的策略是對現有生境資源利用效率最大化[5]。本研究結果表明土壤不同水分狀況對于盆栽文冠果幼苗的生長和生物量分配影響較大，隨著土壤水分的減少，文冠果幼苗通過主根長度增加來形成發達的根系，表現的趨勢為T4>T3>CK，差異顯著(P<0.05)，但T1處理的主根長卻大于對照，說明補水過多也對文冠果造成了澇害。通過分析文冠果地上部分后發現，株高、基徑、葉數、根、莖、葉鮮重和干重總體表現出的趨勢為CK≈T2>T3>T4≈T1，補水較多(T1)和呈梯度減少的T3和T4處理都通過降低株高、基徑的生長速度，減少葉數量，從而降低水脅迫造成的傷害。T2處理下文冠果長勢接近對照處理，說明在節約20 %田間持水量的前提下并不會造成由于水分脅迫而影響文冠果的生長及生理活動。

植物的抗旱性與其體內保護酶系統對活性氧的清除能力直接相關[20]，隨著脅迫時間的延長，T1、T3及T4處理文冠果葉片細胞內SOD、POD及CAT酶的活性整體有增強的趨勢，說明植物葉片在受到一定的外界脅迫后可以有效的誘導保護酶清除自由基，使細胞免于傷害[21]，其中T1和T4處理，在取樣后期保護酶活性下降，說明在長期補水較多(T1)和較少(T4)下，文冠果均受到水分脅迫，超出葉片細胞忍耐活性氧自由基的閾值，植株細胞膜系統受到傷害。試驗還發現，隨著時間的延長，T1、T3及T4處理文冠果葉片滲透調節物質(SP、SS及Pro)含量不斷升高，但在脅迫的后期，T1和T4處理下文冠果葉片的可溶性物質含量下降，其原因可能是在受到澇害脅迫(T1)和干旱脅迫(T4)后，保護酶的活性下降，細胞結構遭到嚴重破壞。T2處理下文冠果葉片的各項生理指標都接近對照處理，說明沒有受到水分的脅迫。通過對各個測試指標進行相關分析后發現，RCM分別與MDA和SP呈極顯著負相關(P<0.01)和顯著負相關(P<0.05)，與POD活性呈極顯著正相關(P<0.01)，這和張曉燕等[15]研究結論一致，說明在此范圍內隨著文冠果葉片細胞膜透性的增大，MDA及SP含量降低，植株受脅迫越嚴重，同時激發葉片中POD保護酶活性，清除植物體內過多的自由基，這也體現了文冠果對逆境的適應性反應。

4 結 論

綜上所述，文冠果幼苗能通過調整自身生長和保護酶活性(SOD、POD及CAT)、可溶性物質含量(SS、SP及Pro)等提高其抗旱性，從而有效防止了膜脂過氧化對植株的傷害，初步篩選田間最大持水量的60 %為最適灌水閥值，文冠果幼苗具有較強耐旱潛力，可作為生物能源或園林綠化植物在新疆兵團大面積推廣栽培。

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(責任編輯 李山云)

GrowthandPhysiologicalReactionofXanthocerassorbifoliaSeedlingsunderSoilDroughtStress

MA Xin1, JIANG Ji-yuan1, DONG Peng1, ZHU Yao-jun2, LI Ming1 *

(1. Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science, Xinjiang Shihezi 832000, China; 2. Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

In pot experiment, we selectedsorbifoliaseedlings as tested materials and set different moisture gradients to studysorbifoliaseedlings for drought stress tolerance characteristics.The physiological and growth properties ofsorbifoliaseedlings under different soil moisture gradients and different times were analyzed.The result showed that (i) The malondialdehyde (MDA) content ofsorbifolialeaf and cell membrane permeability (RCM) remained relatively stable in the control and T2 treatments over time, the T1, T3 and T4 treatments showed increasing trend. (ii) The osmotic adjustment substances, eg. soluble sugar (SS) and proline (Pro) content of leaves increased gradually in T3 and T4 treatments, increased firstly and then decreased in T1 treatment, soluble protein (SP) content in the T1 and T4 treatments exhibited increased after decreased, and compared to control treatment, different osmolytes content was closer in T2 treatment. (iii) Superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT) activities in T1, T3 and T4 treatments were higher than that of the control treatment, but the changes of time and amplitude were different. (iv) Insorbifoliaheight, diameter, number of leaves and organ biomass accumulation, T1 and T4 treatment decreased significantly (P<0.05) compared with the control treatment, but the long taproots were generally exhibited T4> T3> T1> T2> CK, the difference was significant (P<0.05), the main root length in T4, T3 and T1treatments improved 68.4 %, 54.5 % and 41.5 %, respectively, compared with the control treatment.Seedlings ofXanthocerassorbifoliacould improve their drought resistance by regulating their growth, protecting enzyme activity and soluble matter content.

Xanthocerassorbifolia; Seedlings; Soil drought stress; Physiological indexes

1001-4829(2017)3-0553-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.012

Q945.78

A

2016-03-20

國家林業公益性行業科研專項“新疆文冠果優系引選及繁育技術研究”(201404712)；兵團科技攻關項目“南疆節水園林綠化植物引選與應用”(2015AD024)；兵團科技攻關項目“文冠果優系引進與容器育苗技術研究”(2015AD019)

馬 新(1989-)，男，助理研究員，碩士，主要從事林業生態的研究，E-mail: mx501393782@126.com，*為通訊作者。