水分脅迫對桑樹生理生化特性的影響

莫榮利+李勇+于翠+鄧文+朱志賢+胡興明

摘要：以桑樹（Morus alba L.）品種強桑1號（M. alba L. cv. Qiangsang No.1）、強桑2號（M. alba L. cv. Qiangsang No.2）和農桑14號（M. alba L. cv. Nongsang 14）一年生盆栽苗為試材，研究水分脅迫（干旱脅迫和淹水脅迫）對不同桑樹品種生理生化特性的影響。結果顯示，水分脅迫導致桑樹葉片丙二醛含量隨時間的延長而增加；干旱脅迫下，強桑1號丙二醛含量較低，而淹水脅迫下，農桑14號丙二醛含量較低。水分脅迫下，不同桑樹品種葉片超氧化物歧化酶活性變化趨勢均為先下降后升高，且無顯著差異；過氧化物酶活性隨時間的延長而升高，尤其是脅迫后期增加迅速，而強桑1號和農桑14號的過氧化物酶活性分別在干旱脅迫和淹水脅迫下最高；過氧化氫酶活性在干旱脅迫下表現為先增后降，而淹水脅迫下表現為先降后增。隨著水分脅迫時間的延長，桑樹葉片凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率不斷下降，胞間CO2濃度不斷增加；且不同品種間葉片凈光合速率無明顯差異。綜合試驗結果表明，強桑1號表現出較強的耐旱性，農桑14號表現出較強的耐澇性。

關鍵詞：桑樹（Morus alba L.）；水分脅迫；丙二醛；抗氧化酶活性

中圖分類號：S888.112+.3：Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）24-4815-06

水是農業生產發展的要素，在植物光合作用和營養元素等物質的吸收與運輸過程中起著重要作用。隨著全球氣候變暖，極端天氣及自然旱澇災害頻發，水分脅迫成了農業生產中最為常見的一種非生物逆境脅迫。水分脅迫主要包括兩個方面，即土壤水分虧缺引起的干旱脅迫和土壤含水量過剩造成的淹水脅迫。因此土壤水分過多或過少均會對植物的生長造成嚴重的影響。研究表明，通常抗旱的植物不耐澇，而耐澇的植物又不耐干旱[1-3]。水分脅迫成了干旱、半干旱以及荒漠化地區農業發展的瓶頸，尤其是庫區消落帶形成的反季節性淹水及夏季干旱頻發的局部極端生態環境幾乎成了大多數植物的“噩夢”。桑樹（Morus alba L.）為桑科（Moraceae）桑屬（Morus L.）植物，是重要的經濟林木。在中國，桑樹分布于南緯30°至北緯50°的廣闊疆域[4]，且種質資源類型豐富，桑種占有量為全世界的50%，擁有15個種4個變種近3 000多份資源[5]。桑樹以適應多種生態環境的豐富資源類型和對惡劣自然環境的超強適應能力而在生態環境治理中備受青睞。近年來，隨著“立桑為業，多元發展”的理念不斷深入，有關桑樹防風固沙、涵養水源、土壤保熵、調節氣候等生態系統服務功能的研究得到長足發展[6-8]。同時，桑樹被認為是經濟林木里生態效益最高、生態林木里經濟效益最佳的樹種[9]，已成為眾多省區用于干旱、半干旱及庫區消落帶等生態脆弱區植被修復的主要經濟樹種[10]。試驗以桑樹不同品種盆栽苗為試材，探討了干旱脅迫和淹水脅迫對桑樹生理生化特性的影響，分析不同桑樹品種對水分脅迫的耐受力，以期在干旱、半干旱及庫區消落帶等生態脆弱區環境治理中，為桑樹品種的選擇及其生態效益和經濟效益的最優化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料及設計

供試材料為強桑1號（M. alba cv. Qiangsang No.1）、強桑2號（M. alba cv. Qiangsang No.2）和農桑14號（M. alba cv. Nongsang 14）一年生桑樹嫁接苗，嫁接方式為袋接，砧木均為草桑（本砧）。2016年3月初將桑苗栽植于高25 cm、上口徑26 cm的塑料花盆中，桑苗栽植后地上部莖干統一留20 cm定干，置于避雨大棚內。土壤配比（體積比）為園土∶蛭石∶珍珠巖∶草炭=1∶1∶1∶1。

土壤水分脅迫試驗設置3個處理，分別是對照（土壤相對濕度為70%～80%）、干旱（土壤相對濕度為40%～50%）和淹水（苗根淹沒），重復3次。每盆栽植1棵桑苗，每個品種分別栽植90盆，隨機分成3組，每30盆為1個重復。干旱處理前，將盆栽苗澆透水后進行自然干旱，每天傍晚取土樣（10～15 cm深），采用烘干稱重法[11]測定土壤相對含水量，待土壤相對濕度達到40%～50%時定為干旱處理的第一天，同時進行淹水處理；而后干旱處理的水分控制采用稱質量法[12]，分別于處理后0、10、20、30 d進行葉片（枝條第四～第五葉位）采集及相關指標的測定。葉片樣品采集后于液氮中速凍，-80 ℃保存，備用。

1.2 方法

1.2.1 抗氧化酶活性測定 稱取0.3 g葉樣于液氮中迅速研磨成粉末，并快速轉移至5 mL離心管中，同時迅速加入3 mL 50 mmol、pH 7.8的磷酸緩沖液（含1% PVP），于渦旋器上振動重懸浮，并置于冰中抽提10 min，期間上下顛倒數次以充分提取。4 ℃ 12 000 g離心10 min，上清液即為酶液。抗氧化酶超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性測定采用南京建成生物工程研究所的試劑盒，其操作步驟按試劑盒說明書進行。采用考馬斯亮藍法測定各樣品中的總蛋白含量[13]。

1.2.2 丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量測定

MDA含量的測定分別參照MDA測定試劑盒（TBA法），具體操作步驟按試劑盒說明書進行。試劑盒購買自南京建成生物工程研究所。

1.2.3 光合生理指標的測定 利用Li-6400 XT便攜式光合測定儀（美國LI-COR公司），分別于水分脅迫處理后的第0、10、20、30 d的上午9：00-11：00，測定各處理植株葉片的光合生理指標，包括凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、氣孔導度（Stomatal conductance，Gs）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）、胞間CO2濃度（Intercellular CO2 concentration，Ci），每個品種均選擇植株枝條第四～第五葉位作為測定對象，每個品種隨機選取3株，每株測定3片葉，每片葉重復記錄3次，取均值。endprint

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下桑樹生理生化的變化

2.1.1 干旱脅迫下桑樹葉片MDA含量的變化 通常干旱脅迫會擾亂植物體內自由基產生與消除之間的平衡，并傾向于自由基的累積，進而引起細胞膜脂過氧化，脂質過氧化物被進一步分解為MDA[14]。因此，MDA含量可直接反映植物受膜脂氧化傷害的程度；試驗里干旱脅迫對桑樹葉片MDA含量的影響情況見圖1。從圖1可知，在正常情況下，3個桑樹品種葉片MDA含量基本相同，隨著干旱脅迫時間的延長，桑樹葉片MDA含量不斷升高，尤其是干旱脅迫后期葉片大量累積MDA，表明在干旱脅迫后期桑樹植株受膜脂過氧化傷害程度較重。不過不同品種間葉片MDA含量差異明顯，其中農桑14號在整個干旱脅迫期間的MDA含量均高于其他2個品種；而強桑1號干旱處理0-20 d的MDA含量基本維持不變，直到后期才升高，且總體含量均低于其他2個品種，表明其膜脂抗氧化能力強，對干旱脅迫具有較強的耐受力。

2.1.2 干旱脅迫下桑樹葉片抗氧化酶活性的變化 植物逆境脅迫下， SOD、CAT、POD作為主要的抗氧化酶類，其酶活性高低直接反映植物清除活性氧的能力；試驗里干旱脅迫對桑樹葉片SOD活性的影響情況見圖2。從圖2可知，正常條件下，3個桑樹品種葉片的SOD活性基本相同；干旱脅迫初期，3個桑樹品種的SOD活性迅速降低，隨著干旱脅迫時間的增加，強桑1號和強桑2號葉片SOD活性又不斷升高；而農桑14號葉片SOD活性隨干旱脅迫時間的延長而不斷降低。干旱脅迫對桑樹葉片POD活性的影響情況見圖3-A。從圖3-A可見，干旱脅迫下，3個桑樹品種葉片的POD活性變化趨勢基本相似，總體呈上升趨勢。干旱脅迫前期（0-20 d）3個桑樹品種POD活性基本一致，且變化幅度相對穩定。脅迫后期，POD活性迅速升高，且不同品種間存在明顯差異，其中強桑1號葉片POD活性明顯高于其他2個品種，表明桑樹植株能夠通過自我調節適應外界干旱脅迫環境，但不同品種間自我調節和適應能力不一。干旱脅迫對桑樹葉片CAT活性的影響情況見圖3-B。從圖3-B可見，正常條件下，3個桑樹品種間CAT活性相差不大，隨著干旱脅迫時間的增加，CAT活性均呈現先略微升高后迅速下降的變化趨勢，不同品種間CAT活性差異明顯，其中農桑14號葉片CAT活性總體上高于其他2個品種。

2.1.3 干旱脅迫下桑樹葉片光合生理的變化 基于LI-6400型光合作用測定系統，對干旱脅迫處理后0、10、20、30 d桑樹葉片Pn、Gs、Ci和Tr等光合生理參數進行了測定，結果見圖4。從圖4可知，隨著干旱脅迫時間的延長，3個桑樹品種葉片Pn、Gs、Tr不斷下降，而Ci隨干旱時間的延長則增加。雖然正常條件下不同品種間各光合生理參數存在品種特異性，但干旱處理30 d后基本上處于相同水平。在干旱脅迫期間，強桑1號葉片的Pn、Gs、Tr均明顯高于其他品種，而農桑14號的各光合生理參數值相對較低。

2.2 淹水脅迫下桑樹生理生化的變化

2.2.1 淹水脅迫下桑樹葉片MDA含量的變化 試驗里淹水脅迫對桑樹葉片MDA含量的影響情況見圖5。從圖5可知，隨著淹水脅迫時間的延長，桑樹葉片MDA含量均呈現不斷升高的變化趨勢，表明隨淹水脅迫時間的延長，桑樹植株受膜脂過氧化損傷的程度在不斷增加；并且不同品種的葉片MDA含量變化相差較大，其中強桑1號MDA含量隨淹水脅迫時間的增加呈直線式上升，強桑2號和農桑14號MDA含量呈波浪式變化，以強桑2號MDA含量變化幅度相對較大，表明其能迅速響應并積極進行自我調節以適應淹水脅迫環境；農桑14號MDA含量總體低于其他2個品種，表明其膜脂過氧化損傷程度較低。

2.2.2 淹水脅迫下桑樹葉片抗氧化酶活性的變化 試驗里淹水脅迫對桑樹葉片抗氧化酶類的影響情況見圖6、圖7。從圖6、圖7可見，在自然環境條件下，3個桑樹品種間SOD、POD和CAT活性相差不大。隨著淹水脅迫時間的延長，桑樹葉片SOD和CAT活性均呈現先降后升的變化特點，且淹水處理20 d后2個酶活性達最低值（圖6）。不同品種間以強桑2號的SOD活性明顯高于其他2個品種，強桑1號和農桑14號的葉片SOD活性基本相同（圖6-A）；而CAT活性在3個桑樹品種間相差不大，以強桑1號略高于其他2個品種（圖6-B）。

與之相反，從圖7可見，桑樹葉片POD活性隨淹水脅迫時間的增加而升高，但不同品種間存在明顯的差異，強桑2號和農桑14號葉片POD活性隨淹水脅迫時間的增加而升高，在處理后30 d達到最大值；而強桑1號葉片POD活性呈先升后降的變化趨勢。上述結果表明，強桑2號和農桑14號對淹水脅迫的耐澇能力較強，能夠通過自我調節積極適應脅迫環境；而強桑1號耐澇能力較弱，不能有效的進行自我調節。

2.2.3 淹水脅迫下桑樹葉片光合生理的變化 試驗里淹水脅迫對桑樹葉片光合生理特性的影響情況見圖8。從圖8可知，淹水脅迫處理0、10、20、30 d后，隨著淹水脅迫時間的延長，桑樹各品種葉片Pn、Gs和Tr前期迅速降低而后緩慢下降，且30 d時基本上處于相同水平。不同品種間的Pn無明顯差異，而強桑2號的Gs和Tr總體略高于其他2個品種；農桑14號的Ci隨淹水脅迫時間的延長在后期迅速變化，強桑1號呈波浪式升高，而強桑2號Ci基本維持在相對穩定的水平，這表明農桑14號對淹水環境的耐受力較強。

3 討論

水分脅迫是農作物面臨的最為頻繁的逆境傷害，也是限制農業生產發展的主要瓶頸問題。水分脅迫通常包括干旱脅迫（缺水）和淹水脅迫（水過剩）兩個方面。脅迫逆境通常會引起植物體內自由基代謝失衡，自由基累積導致膜脂過氧化，并最終產生MDA。試驗結果顯示，無論是干旱還是淹水處理，均可導致桑樹葉片MDA累積，且隨水分脅迫時間的延長含量不斷增加，表明在水分脅迫條件下，隨時間的增加桑樹葉片膜脂過氧化損傷程度在不斷加重。這也與前人的研究結果相似[15，16]。在水分脅迫條件下，不同桑樹品種間MDA的含量及累積方式也不同，即耐膜脂過氧化損傷的能力具有品種特異性。在干旱脅迫期間，0-20 d的強桑1號葉片MDA含量基本維持不變，總體含量均低于其他2個品種，農桑14號葉片MDA含量最高；淹水脅迫條件下，農桑14號葉片MDA含量總體低于強桑1號和強桑2號，但強桑2號葉片MDA含量變化幅度相對較大，表明其能迅速響應并積極進行自我調節以適應淹水脅迫環境。這個結果表明，不同品種對不同脅迫環境表現出了不同的適應性和耐受力，其中強桑1號對干旱具有較強的耐受力，而農桑14號在淹水脅迫下，具有較強的膜脂抗氧化能力，對淹水脅迫具有較強的耐受力。endprint

在脅迫環境下，植物內源抗氧化酶類對清除體內活性氧、自由基及保護生物膜穩定性發揮著重要的作用，這些抗氧化酶類主要包括SOD、POD和CAT，其酶活性高低直接反映出植物清除活性氧的能力[17，18]。不同物種（品種）及不同逆境脅迫下，SOD、POD和CAT活性是不一樣，有研究發現在水分脅迫條件下，SOD、POD、CAT活性及含量與桑樹品種抗性呈極顯著相關性[15，16，19]?？傮w來看，抗逆性越強的品種，保護酶活性也越高。試驗結果顯示，干旱脅迫下，桑樹葉片SOD活性在初期迅速降低，而后略微升高；POD活性隨干旱時間的增加而提升，尤其在脅迫后期酶活性迅速升高，這在強桑1號上表現最為明顯；而CAT活性先升高而后快速下降，表明在干旱脅迫下，桑樹POD和CAT在清除活性氧中發揮著主要的作用，尤以POD突出。在淹水脅迫條件下，SOD和CAT活性均表現為先下降后上升，表明桑樹能夠通過自身的調節逐漸適應淹水環境；不過農桑14號和強桑2號葉片POD活性隨淹水時間的延長而不斷增加，而強桑1號POD活性呈先升后降的變化特點，表明SOD、CAT和POD在淹水脅迫不同階段發揮了各自的抗氧化作用，尤以POD突出。SOD、POD和CAT通常是相互協調而發揮抗氧化作用的，也不排除具有物種、品種和時間上存在特異性的可能[20-24]。試驗結果表明，桑樹不同品種在不同逆境環境及不同階段下，SOD、POD和CAT活性變化特點都不一樣，在水分脅迫下，POD在桑樹抗膜脂過氧化過程中發揮著重要的作用。

光合作用也是植物對水分脅迫的一個重要應答反應。前人的很多研究[25-30]結果顯示，干旱或者淹水均會導致植物Pn、Gs和Tr降低，進而影響植物的耐水分脅迫能力。水分脅迫引起植物光合速率下降可歸結為兩方面因素，一是氣孔限制，二是非氣孔限制[31，32]。試驗結果顯示，水分脅迫下（干旱處理和淹水處理），3個桑樹品種葉片的Pn、Gs和Tr不斷下降，而Ci隨脅迫時間的延長而增加。從Ci升高而Gs下降的變化趨勢可以判斷，水分脅迫條件下，桑樹Pn下降是由非氣孔因素引起的，即葉肉細胞光合能力降低所致。但不同品種、不同脅迫條件下，桑樹葉片光合能力也存在差異，干旱脅迫下，強桑1號葉片Pn、Gs和Tr均明顯高于其他品種，而淹水脅迫下，強桑1號、強桑2號和農桑14號光合能力無明顯差異，只是強桑2號的Ci受淹水脅迫的影響較小而已。

上述結果表明，不同桑樹品種對不同水分脅迫條件（干旱脅迫和淹水脅迫）表現出不同的耐受力。正如前人研究所言，通?？购档闹参锊荒蜐?，而耐澇的植物又不耐旱[1-3]。干旱脅迫下，桑樹品種強桑1號表現出較強的耐受力；淹水脅迫下，桑樹品種農桑14號表現出較強的耐澇性。水分脅迫下，桑樹葉片的POD在抗氧化過程中發揮著重要的作用。

參考文獻：

[1] 戴方喜，許文年，劉德富，等.對構建三峽庫區消落帶梯度生態修復模式的思考[J].中國水土保持，2006（1）：34-36.

[2] 賀秀斌，謝宗強，南宏偉，等.三峽庫區消落帶植被修復與蠶桑生態經濟發展模式[J].科技導報，2007，25（23）：59-63.

[3] 楊朝東，張 霞，向家云.三峽庫區消落帶植物群落及分布特點的調查[J].安徽農業科學，2008，36（31）：13795，13866.

[4] 韓世玉.桑樹的生態價值及其在貴州“東桑西移”中的生態栽培[J].貴州農業科學，2007，35（5）：140-142.

[5] 陳默君，賈慎修.中國飼用植物[M].北京：中國農業出版社，2002.10-18.

[6] 陳敏剛，金佩華，魯興萌，等.蠶桑生態系統服務功能價值的初步評估[J].蠶業科學，2005，31（3）：316-320.

[7] 孫雪萍，劉某承，王 斌.山東夏津黃河故道古桑樹群生態系統服務功能分析[J].世界農業，2015（11）：107-114.

[8] 鐘興權，熊國普，胡文龍，等.桑樹在三峽庫區消落帶種植試驗初報[J].蠶學通訊，2016，36（4）：9-12.

[9] 劉 蕓.桑樹在三峽庫區植被恢復中的應用前景[J].蠶業科學，2011，37（1）：93-97.

[10] 劉 挺，王福海.全國生態桑及桑樹生態產業學術研討會在陜西楊凌召開[J].蠶業科學，2012，38（5）：806.

[11] 張曉虎，李新平.幾種常用土壤含水量測定方法的研究進展[J].陜西農業科學，2008，54（6）：114-117.

[12] 張愛民，耿廣東，楊 紅，等.干旱脅迫對辣椒幼苗部分生理指標的影響[J].山地農業生物學報，2010，29（1）：35-38.

[13] 李合生，孫 群，趙世杰，等.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京：高等教育出版社，2003.182-186.

[14] AHMED S，NAWATA E，HOSOKAWA M，et al. Alterations in photosynthesis and some antioxidant enzymatic activities of mungbean subjected to waterlogging[J].Plant Sci，2002，163（1）：117-123.

[15] 時連輝，牟志美，姚 健.不同桑樹品種在土壤水分脅迫下膜傷害和保護酶活性變化[J].蠶業科學，2005，31（1）：13-17.

[16] 郭 龍，朱大鵬，張敏娟，等.桑樹同源多倍體品種在PEG模擬干旱脅迫下的相關生理生化指標變化[J].蠶業科學，2014，40（5）：774-780.

[17] ARBONA V，HOSSAIN Z，L？魷PEZ-CLIMENT M，et al.Antioxidant enzymatic activity is linked to waterlogging stress tolerance in citrus[J].Physiol Plant，2008，132（4）：452-466.endprint

[18] RAMACHANDRA R，CHAITANYA K，SUNDAR D.Water stress-mediated changes in antioxidant enzyme activities of mulberry （Morus alba L.）[J].Journal of Sericultural Science of Japan，2000，69（3）：169-175.

[19] 任迎虹.干旱脅迫對不同桑品種保護酶和桑樹生理的影響研究[J].西南大學學報，2009，31（4）：94-99.

[20] REDDY A，CHAITANYA K，JUTUR P，et al.Differential antioxidative responses to water stress among five mulberry （Morus alba L.） cultivars[J].Environmental & Experimental Botany，2004，52（1）：33-42.

[21] 王哲宇，童麗麗，湯庚國.淹水脅迫對構樹幼苗形態及生理特性的影響[J].甘肅農業大學學報，2013，48（6）：99-103.

[22] 張新蘭.不同品種苜蓿葉片離體干旱脅迫過程中抗氧化酶活性動態[J].草業科學，2008，25（2）：78-83.

[23] 李秀玲，劉 君，楊志民.干旱脅迫對4種觀賞草枯葉率及生理指標的影響[J].草業科學，2010，27（11）：26-32.

[24] 齊 琳，馬 娜，吳雯雯，等.無花果品種幼苗淹水脅迫的生理響應與耐澇性評估[J].園藝學報，2015，42（7）：1273-1284.

[25] 姜曉丹，郭軍戰.不同果桑品種在干旱脅迫下的光合生理變化[J].蠶業科學，2012，38（1）：18-24.

[26] SCHWANZ P，PICON C，VIVIN P. Responses of antioxidative systems to drought stress in pendunculate oak and maritime pine as modulated by elevated CO2[J].Plant Physiology，1996， 110（2）：393-402.

[27] FLEXAS J，MEDRANO H. Drought-inhibition of photosynthesis in C-3 plants，stomatal and non-stomatal limitations revisited[J].Annals of Botany，2002，89（2）：183-l89.

[28] 衣英華，樊大勇，謝宗強，等.模擬淹水對池杉和栓皮櫟光合生理生態過程的影響[J].生態學報，2008，28（12）：6025-6033.

[29] 羅芳麗，王 玲，曾 波，等.三峽庫區岸生植物野古草（Arundinella anomala Steud.）光合作用對水淹的響應[J].生態學報，2006， 26（11）：360-3609.

[30] 徐子棋，饒良懿，朱金兆，等.水淹脅迫下飼料桑苗的生長及光合響應[J].農業工程學報，2015，31（22）：105-114.

[31] 劉國琴，樊衛國.果樹對水分脅迫的生理響應[J].西南農業學報，2000，13（1）：101-106.

[32] 黃小輝，劉 蕓，李佳杏，等.水分脅迫對三峽庫區消落帶桑樹幼苗生理特性的影響[J].林業科學，2012，48（12）：122-127.endprint