檸條錦雞兒和沙拐棗主根暴露后的生理響應及抗逆機理

王 歡,張 萍,王 朔,郭佳茹,王 博,張 昱,秦海琴,靳 磊

寧夏大學農學院,銀川 751500

壤風蝕是發生于干旱、半干旱及部分半濕潤地區土地沙漠化過程的首要環節,也是固定沙丘活化,植物種群更新與演替的影響因素之一[1]。合理選擇搭配防風固沙植物可有效控制風沙活動、維持當地生態穩定[2]。沙拐棗和檸條錦雞兒是流動半流動沙丘(沙地)上草方格沙障內常套種的固沙植物種[3- 5],揭示固沙植物的抗風蝕生理生化調節機制,對今后的防風固沙選種及撫育工作具有指導意義。

風蝕對植物的影響主要有兩方面,一是風沙流對植物的拍打、磨蝕和劈裂等物理傷害；另一方面是風蝕帶走地表沙土使植物根系暴露,甚至使其喪失固著能力。在發生風沙活動的地區沙埋、風蝕和風沙流磨蝕是同時存在的,目前有關沙埋對植物生長和生理的影響研究較多,而風沙流對植物地上部分機械性損傷以及風蝕導致植物根系暴露后生長及生理響應的研究較少。大量研究發現沙埋后植物生理指標表現為,植物體內活性氧升高,致超氧化物歧化酶(SOD,Superoxide Dismutase)和過氧化物酶(POD,Peroxidase)活性增強,并及時清除過氧化物,保護細胞膜不被氧化；滲透調節系統中的脯氨酸含量也升高,降低細胞的滲透勢,防止細胞脫水；植物生產低于消耗,作為儲存物質的可溶性糖被分解利用維持生長,含量呈下降趨勢[6- 12]。沙下葉片遭遇黑暗和缺氧脅迫,丙二醛(MDA,Malondialdehyde)含量增幅越小代表植物抗沙埋特性越強[13]。與沙埋相反,風蝕將植物根系大量暴露在地表,使植物受到高溫、水分缺乏和營養匱乏的威脅,顯著降低植物葉水勢和氣孔導度,抑制光合作用,限制植物的生長[14- 16],另一方面風蝕帶走沙土從而改變了植物的生長環境,進而影響植物的更新和繁殖方式[17]。我們通過野外考察也發現,大量固沙植物因沙丘活化或處在風蝕強烈區,致使其根系逐漸裸露,直至植株死亡。本試驗以常見典型固沙植物檸條錦雞兒和沙拐棗為研究對象,采樣測量主根暴露不同處理深度后三個時間點的各項生理指標,從而揭示檸條錦雞兒和沙拐棗遭受風蝕導致根系暴露后的生理動態響應過程及抗逆機理。

1 研究區概況及研究方法

寧夏靈武白芨灘國家級自然保護區(E106°20′22″—106°37′19″,N37°49′05″—38°20′54″)位于我國西部鄂爾多斯臺地西南緣,常見人工固沙植物有檸條錦雞兒、沙拐棗、花棒(Hedysarumscoparium)等。氣候屬中溫干旱氣候區,具有典型的大陸性氣候特征,全年日照時數3080 h,平均無霜期157 d,植物生長期持續170 d,年平均≥10℃積溫3351.3℃,年平均氣溫8.8℃,年均降水量206.2—255.2 mm。年平均風速5.1 m/s,東南風較多,西北西南風次之,4級風天數70.9 d,冬春季風沙多。保護區南部以沙地丘陵為主,北部以山地荒漠為主,最高海拔為1650 m。

于2018年4月14日,在保護區南部的固定沙丘迎風側(西北朝向),選取以8年生的檸條錦雞兒和沙拐棗為建群種的樣地。沙拐棗平均株高1.5 m,處在展葉期,檸條錦雞兒平均株高2 m,處在開花期。兩個植物種各選取長勢相近的12株作為供試材料,供試材料中的3株為正常生長的對照,剩余9株分成3組進行主根暴露處理,3組的暴露深度分別為10、20、30 cm,每組3個重復。考慮到不同植物種和各植株間的側根根系生長均有差異,因此盡可能只暴露主根(挑選主根暴露段上側根較少的植株),揭示僅主根暴露后對植株生理的影響。首先用記號筆在供試植株主根的土表處做一記號,之后人為用手將主根周圍的沙土(面積約10 cm×10 cm)扒掉使其暴露至處理深度,在處理后的土表處再做標記。處理后每隔7d采集一次葉片,共采集3次。采集時將植株按東西南北四個方向分為四部分,每個方向上在植株的上、中、下采集葉片,采集后的葉片混合均勻后用錫箔紙包住放入盛有干冰的保溫桶內帶回實驗室,放入-80℃的超低溫冰箱保存待測。

采用分光光度法測葉綠素含量,茚三酮法測脯氨酸含量,硫代巴比諾酸顯色法,蒽酮法測可溶性糖含量,愈創木酚法測過氧化物酶(POD)活性,NBT還原法測SOD活性,紫外吸收法測過氧化氫酶(CAT)的活性[18]。

各生理指標值變化率的計算公式：

式中,Kt為植物處理第t天的某一生理指標的變化率；At為第t天處理組的某一生理指標的平均值,Bt為第t天對照組的某一生理指標的平均值。

采用Microsoft Excel 2010進行數據處理,以及基礎統計分析和繪圖；采用SPSS18.0進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 葉綠素含量及葉綠素(a/b)對根系暴露深度的響應

檸條錦雞兒在3種不同根系暴露深度(10、20、30 cm)處理下,其葉綠素含量及Chl(a/b)相較對照組的變化如圖1、2所示。檸條錦雞兒在根系暴露10 cm深度后的3個觀測時間點(7、14、21 d),其葉綠素含量和Chl(a/b)與對照組相比均無顯著性差異；20 cm深度處理下隨暴露時間延長葉綠素含量和Chl(a/b)先低于對照組后高于對照組(葉綠素含量高于對照時有顯著差異(P<0.05,下同),Chl(a/b)低于對照時有顯著差異)；30 cm深度處理下第7天葉綠素含量和Chl(a/b)均顯著低于對照組,第14天時處理組與對照組間的葉綠素含量和Chl(a/b)差異逐漸減小(葉綠素含量已無顯著差異,Chl(a/b)仍顯著低于對照),第21天葉綠素含量和Chl(a/b)與對照組間均無顯著差異。

如圖1、2所示,沙拐棗根系暴露10 cm深度處理下,3個觀測期的葉綠素含量與對照間均無顯著性差異,20、30cm深度處理在第7天與對照間無顯著性差異,第14天和第21天均與對照間有顯著性差異；沙拐棗3個深度處理的Chl(a/b)在根系暴露至第7天和第14天時與對照間均存在顯著性差異(第7天顯著高于對照,第14天時20 cm和30 cm處理顯著低于對照),至第21天時3個處理與對照間均無顯著性差異。

圖1 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的葉綠素含量及其變化率Fig.1 Chlorophyll content and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth相同的字母表示各處理之間差異不顯著;不同的字母表示差異顯著(P<0.05)

圖2 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的Chl(a/b)及其變化率Fig.2 Chl(a/b) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

2.2 丙二醛(MDA)對根系暴露深度的響應

如圖3所示,檸條錦雞兒根系暴露10、20 cm深度的MDA含量在觀測期內與對照間均無顯著差異,30 cm深度的MDA含量在第7天、第14天低于對照值(P<0.05),第21天恢復至與對照無顯著差異；沙拐棗3個處理的MDA含量在觀測期內均與對照間無顯著性差異。

圖3 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的丙二醛(MDA)及其變化率Fig.3 Malondialdehyde (MDA) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

2.3 可溶性糖和脯氨酸(Pro)對根系暴露深度的響應

如圖4所示,檸條錦雞兒3個處理的可溶性糖含量在觀測期內均與對照間無顯著性差異。沙拐棗3個處理的可溶性糖含量在第7天均與對照間存在顯著性差異(P<0.05)(各處理間無顯著差異),第14天、21天則與對照間無顯著性差異。綜上,30cm深度內的根系暴露處理,對檸條錦雞兒的可溶性糖含量無影響,沙拐棗的可溶性糖含量隨暴露時間增長表現為先上升后恢復至對照水平。

如圖5所示,檸條錦雞兒30 cm 深度處理的Pro含量僅在第7天相比對照顯著升高(P<0.05),至第21天各處理間及其與對照間均無顯著性差異；10 cm深度處理下的沙拐棗Pro含量在第21天時相比對照顯著升高,其他處理在觀測期內相比對照均無顯著性差異或未顯著上升。

圖4 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的可溶性糖含量及其變化率Fig.4 Soluble sugar content and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

圖5 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的脯氨酸(Pro)含量及其變化率Fig.5 Proline (Pro) content and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

2.4 過氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)對根系暴露深度的響應

如圖6、圖7所示,檸條錦雞兒3個深度處理在觀測期內的SOD活性均與對照間無顯著性差異,20、30 cm兩個處理的CAT活性在第7天和14天與對照存在顯著性差異(P<0.05)；沙拐棗10 cm深度處理的SOD活性和檸條錦雞兒10 cm深度處理的CAT活性在觀測期也均與對照間無顯著性差異；沙拐棗20、30 cm兩個處理下,SOD活性在第14天和21天,CAT活性在觀測期內均與對照間存在顯著性差異(P<0.05)。綜上,檸條錦雞兒的SOD活性對3個深度處理均無顯著響應,CAT活性先升后降,在處理21 d后也恢復至對照水平；沙拐棗在20、30 cm兩個處理下,SOD活性和CAT活性至第21天時仍顯著低于對照(P<0.05),10 cm深度處理的SOD和CAT活性與對照間基本無顯著差異。

圖6 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的超氧化歧化酶(SOD)及其變化率Fig.6 Superoxide dismutase (SOD) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

圖7 不同根系暴露深度下檸條錦雞兒和沙拐棗的過氧化氫酶(CAT)及其變化率Fig.7 Catalase (CAT) and its change rate of Caragana korshinskii and Calligonum mongolicum at different root exposure depth

3 討論

3.1 沙拐棗主根暴露后的抗逆機理

與其他單因素對植物造成的逆境脅迫不同,風蝕導致植物根系大量暴露在地表,使其可能受到高溫、水分和營養缺乏等多因素共同作用的脅迫。沙拐棗遭受風蝕致根系出露后的母株和分株的生長和繁殖均受到影響,其母株和分株的葉綠素含量、凈光合速率、水分利用效率和同化枝長度、數量等只有沙埋分株的50%左右[19]。超氧化物歧化酶(SOD),過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是抗氧化酶系統的重要組成,SOD催化氧自由基轉變為H2O2,POD與CAT則一起分解由SOD作用產生的H2O2,生成無害的H2O,3種酶相互協調能有效清除代謝過程產生的活性氧[20-21]。有研究表明植物在輕度干旱脅迫下,SOD、POD、CAT活性會上升,但在中重度干旱脅迫下,其活性則會下降[22- 24],同時干旱脅迫會抑制葉綠素的生物合成并促使其降解[25]。可溶性糖和脯氨酸是植物組織內理想的滲透調節物,當其含量大幅度增加時,細胞滲透勢降低,植物組織的持水能力提高,維持體內水分,保護植物生理穩態[26]。葉綠素a的含量與土壤水分呈正相關,相同的干旱脅迫對葉綠素a比葉綠素b影響大[27]。本實驗中的沙拐棗在根系暴露20—30 cm深度的后兩周,其SOD、CAT活性和葉素綠含量相比對照均顯著下降,MDA含量相比對照有所升高,加之觀測期是在沙丘土壤水分含量整體偏少的春季,由此推斷在春季干旱期根系暴露20 cm以上即對沙拐棗的抗氧化酶系統和光合作用造成影響,使其處于中重度的干旱脅迫狀態,但沙拐棗根系暴露20 cm以內的處理第一周,其SOD、CAT活性、Pro含量、葉綠素含量與對照間無顯著差異,而其可溶性糖含量、Chl(a/b)相比對照顯著升高,表明沙拐棗在此階段通過滲透調節功能和提高光能利用率來維持生理穩態[14- 17]。綜上判斷春季干旱期的沙拐棗成株,根系暴露深度和暴露時長均是決定其受脅迫程度的重要影響因素,根系暴露后的多因素作用中,以干旱脅迫作用為主。

3.2 檸條錦雞兒主根暴露后的抗逆機理

檸條錦雞兒根系暴露10 cm深度所測的各項生理指標在觀測期內與對照間均無顯著差異,意味著根系暴露10 cm深度對檸條錦雞兒未造成任何環境脅迫。MDA是膜脂過氧化作用的最終產物[28],當植物處于干旱、高溫、鹽堿等逆環境脅迫時,細胞內活性氧的產生與消除的平衡就會受到破壞,導致活性氧大量積累,從而引發膜脂過氧化作用,造成MDA大量積累[29]。檸條錦雞兒根系暴露30 cm深度時其MDA含量在前兩周相比對照顯著下降,這與風蝕沙埋后一些沙生植物幼苗MDA含量的變化趨勢一致[13-14,28],表明根系暴露后的逆境脅迫,未引發膜脂過氧化。檸條錦雞兒的葉綠素含量和Chl(a/b)在前期均存在不同程度下降,此結果與馬洋等發現風蝕導致幼苗葉綠素含量降低的結果一致[30],植物在受干旱脅迫時葉綠素b的波動較小[31],因此推測葉綠素含量及Chl(a/b)的下降是由葉綠素a合成變緩或分解過快所致,但隨著暴露時間的延長,其葉綠素含量及Chl(a/b)均恢復至對照水平。有研究表明弱干旱脅迫時CAT活性對植物抗性起主要作用,而強干旱脅迫時SOD和POD起主要作用[32],本研究中20 cm和30 cm深度處理的檸條錦雞兒CAT活性和Pro含量在處理后7 d內顯著升高,21 d后又恢復至對照水平,而SOD活性始終與對照間無差異,因此判斷CAT活性增強和以游離脯氨酸為主的滲透調節系統共同作用使其逐漸適應根系暴露所致的環境脅迫。綜上,20—30 cm深度根系的出露造成檸條錦雞兒受輕度脅迫,但因檸條錦雞兒根系主要分布在60 cm層內,且其根系生物量密度顯著大于其他植物種,獲取水分和養分的能力較強[33],因此主根暴露30 cm深度對其并不能造成不可修復的生理損傷。

4 結論

在春季干旱期,不同物候期的檸條錦雞兒和沙拐棗根系暴露30 cm深度,兩者的生理響應過程和適應機理存在明顯的差異性。

(1)根系暴露10 cm深度對開花期檸條錦雞兒未造成脅迫,20—30 cm深度的根系暴露,其通過CAT活性快速升高和游離脯氨酸為主的滲透調節系統的共同作用,從而在21 d后恢復至正常水平。

(2)沙拐棗根系暴露20 cm深度以內的初期,其通過積累可溶性糖及提高Chl(a/b)來維持生理穩態,根系暴露20 cm以上的兩周后削弱了其抗氧化酶系統和光合作用,使其處于中重度的干旱脅迫狀態,且在21 d后仍未恢復至對照水平,根系暴露深度和暴露時長協同決定其受脅迫的程度。