干旱脅迫下薄殼山核桃實生苗內(nèi)源激素的變化規(guī)律

廖健明，黃曉露，梁鐘芳，李慈代，藍金宣，李寶財，梁文匯

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院 廣西特色經(jīng)濟林培育與利用重點實驗室，廣西南寧 530002；2.鳳山縣核桃科研開發(fā)中心，廣西河池 5476000）

近年來，全球氣候變化和水資源分布不均造成極端氣候頻發(fā)，旱災發(fā)生的頻率和強度增加[1]。植物對干旱脅迫的適應機制與自身抗性有關，并以生化代謝、生理功能、形態(tài)適應和生長發(fā)育等形式表現(xiàn)出來。內(nèi)源激素是最敏感的生理活性物質，植物通過改變不同內(nèi)源激素的濃度和激素間的比例控制生理反應及基因表達，對自身的生長發(fā)育進行多方面的調節(jié)[1-2]。關于干旱脅迫對獼猴桃（Actinidia）[3]、銀杏（Ginkgo biloba）[4]、梨（Pyrus sorotina）[5]和柑桔（Citrus reticulata）[6]等果樹內(nèi)源激素的影響已有報道，其對薄殼山核桃內(nèi)源激素的影響暫未見報道。薄殼山核桃（Carya illinoensis）為胡桃科（Juglandaceae）山核桃屬落葉喬木，原產(chǎn)于美國和墨西哥北部。其種仁營養(yǎng)豐富，油脂和不飽和脂肪酸含量高，樹形高大且樹干通直，木材堅韌，有顯著的生態(tài)和經(jīng)濟效益[7]。本試驗以5 個不同種源的薄殼山核桃2年生實生苗為試材，研究干旱脅迫下薄殼山核桃葉片內(nèi)源激素含量及比例的變化規(guī)律，評價其耐旱性，為其栽培品種的選育及砧木選擇提供依據(jù)，也為其在廣西地區(qū)的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設計

試驗地位于廣西南寧市廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院試驗苗圃（108°35'E，22°92'N），海拔120 m，年均氣溫21.6 ℃，年均降水量1 304.2 mm，年均相對濕度79%。供試的薄殼山核桃種子為紹興、金華、貝克（Baker）、卡多（Caddo）和拋尼（Pawnee），由云南省林業(yè)和草原科學院漾濞核桃研究院提供。2018年2月將種子播種于以黃心土為基質的無紡布營養(yǎng)袋中，2019年5月下旬（生長旺盛期）將苗高30 cm 左右、胸徑0.3 cm 左右的健康實生幼苗從營養(yǎng)袋中取出，清洗根系，放入直徑15 cm、高20 cm 且盛有1/2 Hoagland 營養(yǎng)液的塑料桶內(nèi)，進行3 天的平衡恢復處理。

以不加聚乙二醇（PEG-6000）的1/2 Hoagland營養(yǎng)液為對照（CK），將1/2 Hoagland 營養(yǎng)液和PEG-6000 配置成濃度為5%（50 g/L PEG）、10%（100 g/L PEG）和20%（200 g/L PEG）的脅迫溶液，水勢值依次為-0.05、-0.09、-0.21 和-0.79 MPa[8-10]。將薄殼山核桃幼苗的根部完全浸入脅迫溶液中，進行干旱脅迫，每種源和濃度處理12株。

1.2 測定方法

脅迫處理3 天后，分別采集不同種源和不同處理成熟、健康的薄殼山核桃葉片，剪碎后取1 g 放入陶瓷研缽中，加入液氮速凍并磨碎，采用間接酶聯(lián)免疫吸附分析法（ELISA）測定IAA、GA3、ZR 和ABA的含量。計算內(nèi)源激素比例IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3。試劑盒由中國農(nóng)業(yè)大學作物化學控制研究中心提供。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS v20.0 軟件對試驗結果進行初步統(tǒng)計，并進行單因素ANOVA 方差分析和Duncan 多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同種源和干旱處理下內(nèi)源激素含量的方差分析

不同種源下IAA、GA3和ZR含量的F值比不同干旱處理下和兩者的交互作用下高，所以不同種源對3種促進型激素的影響較大；不同干旱處理下ABA 含量的F值比不同種源下和兩者的交互作用下高，所以干旱程度對抑制型激素ABA 的影響較大（表1）。不同種源、不同干旱處理和種源×處理交互作用下幼苗的4 個內(nèi)源激素和ABA 含量均差異極顯著（P＜0.01），可見不同內(nèi)源激素含量水平在不同種源內(nèi)存在特異性，同時受到不同程度干旱處理的影響，需進一步對上述指標進行多重比較。

表1 內(nèi)源激素含量的方差分析Tab.1 Variance analysis on endogenous hormone contents

續(xù)表1 Continued

2.2 干旱脅迫下內(nèi)源激素含量的變化

隨著干旱程度的增加，紹興種源的IAA 含量表現(xiàn)較穩(wěn)定，各處理間差異均不顯著；金華種源的IAA 含量呈上升趨勢，5%、10%和20%PEG 處理下分別比CK 高26.13%、31.36%和30.08%，均與CK差異極顯著（P＜0.01），3 個干旱處理間差異不顯著；貝克和卡多種源的IAA 含量呈下降趨勢，貝克種源在5%、10%和20%PEG 處理下分別較CK 下降了4.41%、0.40%和11.05%，卡多種源分別下降了6.81%、24.67%和25.42%；拋尼種源的IAA 含量表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢，5%PEG 處理下最高，比CK 高12.45%，差異極顯著（P＜0.01），10%和20%PEG 處理下，與CK 差異不顯著（圖1a）。

隨著干旱程度的增加，紹興種源的GA3含量逐漸升高，5%、10% 和20%PEG 處理下分別比CK高20.97%、53.24%和59.37%，均與CK差異極顯著（P＜0.01）（圖1b）。金華和卡多種源的GA3含量表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢，金華種源的GA3含量在10%PEG處理下達到最大值，比CK 高39.44%，20%PEG 處理下大幅下降，比CK 低44.30%；卡多種源的GA3含量在5%和10% PEG 處理下分別比CK 高17.62%和18.36%，20%PEG 處理下大幅下降，比CK 低56.17%。貝克和拋尼種源的GA3含量呈下降趨勢，20%PEG處理下分別比CK低39.78%和20.13%。

隨著干旱程度的增加，紹興、貝克和卡多種源的ZR 含量呈先上升后下降的趨勢（圖1c）。紹興種源的ZR 含量在10%PEG 處理下達到最大值，比CK高5.49%；貝克種源的ZR 含量在5%PEG 處理下達到最大值，比CK高33.82%，10%和20%PEG 處理下雖有所下降，但仍分別比CK 高22.22%和24.25%；卡多種源的ZR含量在10%PEG處理下達到最大值，比CK 高48.01%，20%PEG 處理下下降，但仍比CK高17.57%。金華和拋尼種源的ZR 含量持續(xù)上升；金華種源的ZR含量在10%PEG處理下大幅上升，比CK 高39.98%，并在20%PEG 處理下維持了較高的濃度；拋尼種源的ZR 含量在5%和10%PEG 處理下與CK 差異不顯著，20%PEG 處理下大幅增加，比CK高44.20%。

隨著干旱程度的增加，5 個種源的ABA 含量均持續(xù)上升（圖1d）。紹興種源的ABA 含量上升幅度最 小，5%、10% 和20%PEG 處 理下 分 別比CK 高8.12%、9.69%和21.29%，對比其他4個起源，其ABA含量受干旱脅迫影響相對較小。貝克種源的ABA含量在5%、10%和20%PEG 處理下分別比CK 高2.93%、13.82%和24.35%；卡多種源的ABA 含量分別上升了12.91%、29.69%和51.50%；拋尼種源的ABA 含量分別上升了10.53%、19.67%和59.86%。金華種源的ABA 含量受干旱脅迫影響最大，5%、10%和20%PEG 處理下分別比CK 高3.43%、37.39%和79.56%。

圖1 不同干旱脅迫下內(nèi)源激素含量的變化Fig.1 Content changes of endogenous hormones in different drought stresses

2.3 干旱脅迫下內(nèi)源激素葉片的平衡變化

干旱處理既影響了植物葉片的內(nèi)源激素含量，又對各激素間的平衡產(chǎn)生影響。紹興、貝克、卡多和拋尼4個種源的IAA/ABA 整體表現(xiàn)為隨著干旱程度的增加而下降的趨勢（圖2a）。紹興種源下降幅度最小，5%、10%和20%PEG處理下分別比CK低6.81%、2.22%和12.96%；卡多種源下降幅度最大，分別下降了17.36%、41.94%和50.69%。金華種源表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，在5%PEG 處理下達到最高值，比CK高21.80%，20%PEG處理下比CK低27.53%。

隨著干旱程度的增加，紹興和卡多種源的GA3/ABA 表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，金華種源表現(xiàn)為先下降后上升再下降的趨勢（圖2b）。紹興種源在10%PEG 處理下最高，比CK 高39.67%；20%PEG 處理下下降，但仍比CK 高31.37%。卡多種源在5%PEG 處理下最高，比CK 高4.21%；20%PEG 處理下大幅下降，達到最低值，比CK 低71.05%。金華種源在10%PEG 處理下最高，但較CK 增幅較小；20%PEG 處理下大幅下降，達到最低值，比CK 低69.01%。貝克和拋尼種源表現(xiàn)為隨干旱程度增加持續(xù)下降的趨勢；在5%、10%和20%PEG 處理下，貝克種源分別比CK 低6.91%、39.30%和51.58%，拋尼種源分別低8.03%、16.52%和50.03%。

紹興、金華和拋尼種源的ZR/ABA 整體表現(xiàn)為隨干旱程度增加而下降的趨勢（圖2c）。紹興和金華種源均在5%和10%PEG 處理下與CK 差異較小，20%PEG 處理下大幅下降，分別比CK 低34.81%和19.82%，達到最低值；拋尼種源在各處理下的下降幅度均較小，表現(xiàn)較穩(wěn)定，分別比CK 低6.30%、11.71%和9.91%。貝克和卡多種源表現(xiàn)為隨干旱程度增加先上升后下降的趨勢。貝克種源在5%PEG處理下最高，比CK高30.21%，20%PEG處理下與CK水平相持；卡多種源在10%PEG處理下達到最大值，比CK 高14.04%，20%PEG 處理下最 低，比CK 低22.81%。

隨著干旱程度的增加，紹興種源的ZR/GA3持續(xù)下降，5%、10% 和20%PEG 處理下分別比CK低1.48%、2.96%和4.44%；貝克種源則持續(xù)上升，分別比CK 高3.13%、6.25%和9.38%（圖2d）。金華、卡多和拋尼種源在5%和10%PEG 處理下與CK 差異較小，20%PEG處理下大幅上升，分別比CK高12.07%、9.65%和5.41%。

圖2 不同干旱脅迫下內(nèi)源激素的平衡Fig.2 Balance of endogenous hormones in different drought stresses

2.4 不同薄殼山核桃種源內(nèi)源激素抗性綜合比較

參考楊梅等[11]桉樹無性系內(nèi)源激素抗逆性指標IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3進行坐標綜合評定，判斷5 個薄殼山核桃種源的抗逆能力。將觀測值以Aij表示（i為1、2、3、4、5，即5個種源；j為1、2、3、4，即IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3），其相對值（Xij）的計算公式為：

結果組成Xij矩陣坐標，計算綜合值（Pi2）：

IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3與抗逆性皆呈正相關。式中，Kij為加權系數(shù)，根據(jù)各指標用十分法確定權重，分別為3/10、3/10、3/10 和1/10。3個干旱脅迫處理下，紹興種源皆排名第一，抗旱性最好；貝克種源在5%和20%PEG處理下僅次于紹興；拋尼種源在各處理下皆排名最后，抗性相對較弱（表2）。

表2 不同干旱脅迫下各種源抗性的綜合評定Tab.2 Synthetic evaluation for resistance of different provenances to different drought stresses

3 結論與討論

內(nèi)源激素是植物體生長活動的調節(jié)者及痕量信號分子，在植物遭受逆境脅迫時，起著重要的調節(jié)作用[12]。IAA、GA3和ZR 為促進型激素；IAA 合成于植物頂端組織和生長的葉片中，能促進植物頂端生長和細胞伸長；GA3能促進植物莖節(jié)伸長，抑制生長素的氧化分解[1,13-14]；ZR是植物體內(nèi)重要的細胞分裂素之一，其含量變化可體現(xiàn)植物對環(huán)境脅迫的響應[12,15]。干旱脅迫下，內(nèi)源激素在不同植物中表現(xiàn)不同。李書平[16]研究表明，櫻花（Cerasus serrulata）葉片的IAA 和GA3含量隨著土壤含水量的減少呈先增加后降低的趨勢；韓永芬等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度的增加，菊苣（Cichorium intybus）的IAA 含量持續(xù)上升，GA3含量持續(xù)下降；敖紅等[18]研究表明，云杉（Picea asperata）的IAA 含量在輕度干旱脅迫下升高，ZR 含量顯著下降，GA3含量對干旱脅迫不敏感。本研究中，不同種源的薄殼山核桃在不同程度的干旱脅迫下，促進型激素的變化存在差異。紹興種源的IAA 和GA3含量呈上升趨勢，ZR 含量在輕度和中度干旱下上升，在重度干旱下下降；可見促進型激素在干旱調節(jié)下仍維持該種源植株的生長，隨著干旱程度加劇ZR 首先做出響應，減緩了生長勢，減緩水分的消耗[14]。金華種源則由IAA 和ZR 維持生長勢，在重度脅迫下通過大幅降低GA3濃度來減緩生長，產(chǎn)生抗性。貝克種源在干旱脅迫下，ZR 含量雖有所上升，但變化較小，IAA 和GA3含量下降，生長呈持續(xù)受抑制狀態(tài)，對干旱較為敏感。卡多種源通過持續(xù)降低IAA 的濃度來減緩生長勢，GA3和ZR 含量在重度脅迫下也大幅下降。拋尼種源在重度脅迫下IAA 和GA3含量下降，ZR 含量大幅上升。ABA為抑制型激素，通常被稱為脅迫激素，在水分脅迫下植物體內(nèi)的ABA 含量會累積，這一結論已被研究證實[4,19]。本研究中，隨著干旱程度的加劇，5個種源薄殼山核桃葉片的ABA 含量皆持續(xù)上升，李暢等[19]、滿達等[20]和鄔燕等[21]的研究也表明杜鵑花（Rhododendron simsii）、差巴嘎蒿（Melica transsilvanica）和葡萄（Vitis vinifera）在干旱脅迫下ABA 含量持續(xù)累積。ABA 累積的重要生理效應促使氣孔關閉，減少不必要的水分消耗，可增強植物的保水能力[2]。各種源薄殼山核桃中，紹興種源的ABA 含量變化幅度較小，對干旱脅迫不敏感，金華和拋尼種源變化幅度較大，對干旱脅迫較敏感。

植物生長發(fā)育中的生理過程是多種激素相互作用的結果，內(nèi)源激素間的平衡比例反應了植物生長的現(xiàn)狀[8]。IAA/ABA 和ZR/ABA 的比率影響植物的光合作用、葉片生長以及氣孔運動等，GA3/ABA影響種子萌發(fā)和果樹成熟[1]。本研究中，5 個種源薄殼山核桃葉片的IAA/ABA、GA3/ABA 和ZR/ABA 整體上隨著干旱程度加劇而下降，干旱對薄殼山核桃的生長和發(fā)育表現(xiàn)出明顯的抑制作用。除紹興種源的ZR/GA3呈持續(xù)下降趨勢外，其他4 個種源均呈上升趨勢，且在重度脅迫下大幅上升，主要原因為GA3含量的減少。以各干旱處理下內(nèi)源激素間的平衡比例為指標，對不同種源薄殼山核桃的抗旱性進行綜合評價，輕度干旱下抗旱性表現(xiàn)為紹興＞貝克＞卡多＞拋尼＞金華，中度干旱下表現(xiàn)為紹興＞卡多＞貝克=金華＞拋尼，重度干旱下表現(xiàn)為紹興＞貝克＞金華＞卡多＞拋尼。綜合考慮，紹興種源的抗旱性最優(yōu)，其次為貝克種源，拋尼種源最弱。