模擬葉片損傷條件下密胡楊幼苗的生理適應

孫 陽 師建銀 馬 楠 葛曉康 白夢晗 韓占江*

(1 塔里木大學生命科學學院/新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室新疆阿拉爾843300）

（2 新疆生產建設兵團林業工作管理總站，新疆烏魯木齊830000）

密胡楊（Populus talassica × P． euphratica）是以胡楊為父本、密葉楊為母本雜交選育獲得的新樹種［1］，解決了胡楊雜交世界性難題［2,3,4］。密胡楊除具備胡楊耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風沙的優良特性外，還具有無性繁殖能力強、生長速度快、材質好等優勢［4,5］。在鹽度為2.9%和pH值大于8.7的重鹽堿條件下，密胡楊能夠正常生長發育，具有外觀整齊、生長速度較快、耐旱性強、景觀效果好等特點［1］，是干旱、鹽堿條件下沙荒地區控制風沙的良好樹種［6］。病蟲害是林木上最常見的一種生物脅迫，是威脅林木生長的最大天敵，也是影響林業可持續發展的重要因素［7,8］。林木病蟲害具有傳染性，當某些地區出現病蟲害時，它們會迅速蔓延到附近的植物，原有林木結構將被破壞，生物鏈被破壞，生態系統受到影響，極易造成巨大的經濟損失［9］。近年來，在新疆南疆病蟲害對樹木的危害時有發生，部分團場防護林損失有增加趨勢。受病蟲害侵染后的林木會直接導致其體內活性氧和自由基的增加以及導致質膜損傷，抗氧化物質含量、保護酶活性均會發生變化，代謝失調，不僅影響植物的正常生長和發育，而且嚴重影響到它們的各種生理代謝活動。相應地，植物體內會通過逆境蛋白的表達、啟動抗氧化防御系統、滲透調節等降低質膜系統的損傷。保護酶系統——超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等與滲透調節物質——可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等在植物的逆境適應中發揮重要作用，能提高細胞對逆境的抵抗能力［10,11］。鑒于此，通過分析保護酶活性、滲透調節物質含量及過氧化產物（MDA）含量變化，可以幫助了解植物在傷害條件下的生理調節機制。

作為新樹種，密胡楊對傷害條件的適應能力關系到其推廣面積和生態作用的發揮。基于此，采用人工模擬密胡楊葉片受傷害條件，通過分析損傷后密胡楊生理生化指標的變化，評估密胡楊對傷害的適宜能力，以期為科學管護密胡楊樹苗，合理開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1年生密胡楊幼苗。

1.2 試驗方法

1.2.1 密胡楊的前期處理及材料收集

試驗于2018年生長季在塔里木大學園藝試驗站進行，采用盆栽的方法。將長勢一致的密胡楊幼苗分成3 組，每組10 株，1 組作為對照組，2 組作為傷害處理組，分別對密胡楊幼苗葉片進行20%和60%的模擬病蟲害處理（均勻地將密胡楊幼苗上的葉片除去20%和60%）。傷害處理后，定期觀察密胡楊幼苗的生長情況，保持三個月相同條件生長，然后取葉片，測定生理指標，3次重復。

1.2.2 生理指標的測定

相對電導率采用電導儀法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，超氧物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定，游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定［10］。

1.3 數據處理

利用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據分析和作圖，應用DPS（9.01）統計軟件進行方差分析及LSD檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同傷害條件下密胡楊幼苗相對電導率的變化

相對電導率是反映植物膜系統的一個直觀數值，可以反映植物體內生物膜透性變化的情況，植物在遭受逆境時，細胞膜透性會增加致使電導率升高［10,11］。由圖1 可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗相對電導率無顯著變化；但在60%傷害條件下，相對電導率顯著增加，說明較高強度的傷害造成了密胡楊幼苗細胞膜的損傷。

圖1 不同傷害程度下的密胡楊幼苗的相對電導率

2.2 不同傷害條件下密胡楊幼苗MAD含量的變化

通常植物在條件不利時，生物膜脂會與自由基發生過氧化反應，MDA 是膜脂過氧化作用的產物之一，其含量高低與植物的抗性強弱成反比［10,11］。從圖2 可以看出，與對照相比，20%傷害條件下，密胡楊幼苗的MDA含量無顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗的MDA 含量顯著增高，說明密胡楊幼苗的細胞膜脂發生了過氧化反應。

圖2 不同傷害程度下密胡楊幼苗的MDA含量

2.3 不同傷害條件下密胡楊幼苗SOD活性的變化

SOD 在植物體內是一種可以抗氧化、抗衰老的酶類，對植物細胞具有保護作用［10,11］。由圖3 可以看出，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的SOD 的活性均未發生顯著變化，說明在傷害條件下密胡楊幼苗的SOD活性保持穩定。

圖3 不同傷害程度下密胡楊幼苗的SOD活性

2.4 不同傷害條件下密胡楊幼苗CAT活性的變化

CAT 可以清除體內活性氧，防止植物細胞在不良條件下的衰老等［10,11］。由圖4 中可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗的CAT 活性未發生顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗CAT活性顯著下降，說明密胡楊幼苗通過CAT 清除體內積累的活性氧的能力顯著降低。

圖4 不同傷害程度下密胡楊幼苗的CAT活性

2.5 不同傷害條件下密胡楊幼苗POD活性的變化

POD 是植物體內普遍存在的、活性較高的一種酶，它與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等均有密切關系［10,11］。由圖5 中可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗POD 的活性無顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗POD 的活性顯著升高，說明密胡楊幼苗通過提高POD活性來抵御傷害。

圖5 不同傷害程度下密胡楊幼苗的POD活性

2. 6 不同傷害條件下密胡楊幼苗中游離脯氨酸含量的變化

脯氨酸是一種良好的滲透調節物質，通常以游離的狀態存在，對植物進行滲透調節［10,11］。由圖6 可以看出，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的游離脯氨酸含量均未發生顯著變化，說明脯氨酸合成對傷害條件不敏感。

2. 7 不同傷害條件下密胡楊幼苗可溶性蛋白質含量的變化

圖6 不同傷害程度下密胡楊幼苗的游離脯氨酸含量

植物體內可溶性蛋白的含量通常與酶的活性相聯系，可溶性蛋白含量的高低反映了植物體內的生理總代謝［10,11］。由圖7可以看出，與對照相比，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗的可溶性蛋白含量未發生顯著變化；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗的可溶性蛋白含量顯著降低，說明密胡楊幼苗體內的蛋白代謝紊亂，分解大于合成。

圖7 不同傷害程度下密胡楊幼苗的可溶性蛋白含量

2.8 不同傷害條件下密胡楊幼苗可溶性糖含量的變化

可溶性糖可參與植物體內的滲透調節［10,11］。由圖8 可以看出，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的可溶性糖含量均顯著降低，說明密胡楊幼苗的糖代謝紊亂，分解大于合成。

圖8 不同傷害程度下密胡楊幼苗的可溶性糖含量

3 結論與討論

在人工模擬自然生態對密胡楊幼苗傷害后（病蟲害等），密胡楊幼苗的生理生化指標發生了一定變化。逆境會使細胞膜系統受到傷害，導致電解質大量外滲，因而相對電導率可反映細胞膜受損程度。MDA 是植物細胞內膜脂過氧化的產物，會引起細胞膜功能紊亂［12］，MDA的積累量越少，植株受到的危害就越輕，抗性越好，反之，抗性越差。因此，相對電導率和MDA含量是常作為逆境脅迫下細胞質膜受到傷害程度的指標，通過分析其含量的高低，可以了解膜脂過氧化程度、膜系統受損程度以及植物抗性強弱［13］。本研究結果表明，在60%傷害條件下，相對電導率和MDA 含量均顯著增加，說明較高強度的傷害會造成密胡楊幼苗細胞膜的損傷。

保護酶體系（SOD、POD、CAT）是植物體內的活性氧自由基清除機制之一，在逆境中能使植物通過提高其活性，來減少活性氧對植株的傷害，維持細胞膜的穩定［14］。其中，SOD 能夠催化超氧化物的歧化反應，具有清除活性氧自由基的作用［15］。本研究中SOD 活性無顯著變化，說明密胡楊幼苗對逆境抵抗能力與維持體內較高SOD 活性的能力有關［16］；CAT能夠調節活性氧傷害，但其調節能力是有限的，當脅迫達到一定程度后，其活性會降低，失去調節能力［17］；POD 活性升高可以保護植物細胞膜的結構，其活性升高的原因可能是活性氧的增加刺激了保護酶系統的活性［18］。總體而言，在傷害條件下，密胡楊幼苗保護酶的活性調節機制比較復雜。

滲透調節的主要功能是維持細胞膨壓和細胞膜穩定［11］。本研究發現，與對照相比，在20%傷害條件下密胡楊幼苗的可溶性糖含量顯著降低；在60%傷害條件下，除脯氨酸含量升高，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均顯著降低，這與已報道病蟲侵染樹木的變化趨勢一致。其原因可能是植物受到傷害條件時產生了防御反應，而合成防御反應中的碳源主要由糖類提供［19］。由此可見，可溶性總糖含量的減少是植物在遭受生物逆境后，對代謝過程重新調整的結果［9］?？扇苄缘鞍淄瑯幼鳛闈B透調節物質的一種，在逆境條件下，植物體內的蛋白質合成受到抑制。本研究發現，在20%傷害條件下，密胡楊幼苗會誘導合成新的蛋白，減弱傷害條件的不利影響；在60%傷害條件下，密胡楊幼苗可溶性蛋白含量顯著降低，說明此時密胡楊幼苗的傷害已較為嚴重。游離脯氨酸是細胞質中重要的滲透劑和防脫水劑同時對植物體內的酶和膜結構有保護作用［20］。在正常生長條件下，植物體內的游離脯氨酸含量很低［21］，但在逆境條件下脯氨酸含量會增加［22］。脅迫條件通常容易引起蛋白質分解，脯氨酸首先被大量地游離出來［23］。近年來的多項研究表明，脯氨酸的累積與植物的抗逆性間的關系在不同的植物中存在差異［24］。本研究發現，與對照相比，在20%和60%傷害條件下，密胡楊幼苗的游離脯氨酸含量均未發生顯著變化，說明脯氨酸合成對傷害條件不敏感，在一定程度上反映了密胡楊對傷害條件的生理調控機制是由多種生理過程共同參與和決定的綜合性表現。

綜合以上指標的變化規律可以看出，密胡楊幼苗在20%傷害條件下尚能保持一定的自我調節、修復能力，而傷害程度達到60%時，其代謝發生紊亂，修復能力幾乎喪失。因此，密胡楊對病蟲害等傷害程度較輕時可以進行自身調節、修復，但在病蟲害對其損傷較重的情況下則需要進行人工養護。