干旱脅迫對速生刺槐‘民刺1 號’光合及生理特征的影響

楊淑紅,張江濤,趙蓬暉,朱延林

(河南省林業科學研究院,鄭州450008)

刺槐(Robinia pseudoacaciaL.)為豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionoideae)刺槐屬(RobiniaL.),落葉喬木,原產美國。天然分布在密西西比河流域的阿巴拉契山脈和西部的歐扎克地區的15個州[1-2],分布范圍是北緯35°—43°。1601年巴黎植物園把刺槐引入法國,很快又被引入其他國家,目前已成為世界上引種最成功的三大樹種之一。中國自19 世紀末開始引種刺槐,現已演化為我國的一個鄉土樹種,在27個省(市)自治區栽植,水平栽培區為北緯23°—46°、東經86°—124°,在黃河中下游、淮河流域的黃土高原、溝坡、土石山坡中下部、山溝、黃泛區沙地、河漫灘、海濱細沙地及輕鹽堿地(含鹽0.3%以下)多集中成片栽植,面積達1000萬hm2。有關資料報道,僅河北、河南、山東和山西等地的刺槐就有40 億株,是中國單個樹種栽培區域最大的樹種之一[3-4]。刺槐生長旺盛,以華北地區海拔400—1200 m 處生長最好,為華東、華北、西北、東北部分地區保持水土、用材、薪材、蜜源、園林綠化等不可替代的樹種。

刺槐具有適應性強、抗逆性強、耐干旱貧瘠、易繁殖、生長快、固氮能力強等優良特性[4],在平原沙區,栽培刺槐的目的以防風固沙為主,兼顧改良鹽堿和生產木材。我國學者對刺槐開展了大量的研究,特別是在速生、雜交、良種選育、抗逆性、遺傳多樣性、混交林造林技術研究等領域取得顯著成果[5-14]。基于良種選育的需要,在速生優質的基礎上培育抗逆能力相對較強的新品種成為刺槐育種中亟待解決的問題,我國對刺槐開展了大量的抗逆性研究,結果證實,不同刺槐品種的抗逆性存在較大的差異[7-10]。干旱是我國目前面臨的重要生態問題,由于刺槐主要分布于干旱、半干旱地區,水分缺失和高鹽脅迫等逆境普遍發生,嚴重影響其生物量的產出。因此,對刺槐新品種進行干旱脅迫研究尤為必要。本研究初步探索干旱脅迫下速生刺槐‘民刺1號’光合及生理特征的變化,闡述‘民刺1 號’對干旱脅迫的響應機制,為進一步優化良種栽培技術及確定推廣造林范圍等提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為河南省林業科學研究院與民權林場共同培育的刺槐無性系中生長表現較好的6個系號,分別為:‘民刺1 號’、‘豫刺1 號’、M3、M24、R5 和M30。‘豫刺1 號’具有極強的耐寒、耐旱能力,在西北地區造林成活率較高[15];‘民刺1 號’于2020年通過河南省良種審定。

1.2 試驗處理

2014年2月下旬將生長健康、長勢一致的一年生參試實生苗移植于普通塑料桶中(上口直徑300 mm,下底直徑230 mm,高290 mm),盆土為50%普通園土+50%腐質土,桶內土高約240 mm。每個無性系6 株,每盆1 株,平茬截干至20 cm 高,正常管理至7月底,苗木生長旺期澆透水后移至溫室內,停止澆水。試驗觀測從7月28日起,截至9月25日。每隔5 d 取桶中部土壤連續測定各個無性系的土壤含水量,每桶取3 份土樣,取平均值,直至整株枯死。每隔10 d 上午10:00 對各品種植株葉片進行光合生理指標測定,取平均值,直至整株枯死,同時采集相同部位葉片,3個重復,樣葉袋封存置于冰桶立即帶回實驗室進行理化指標測試。

1.3 測定指標及方法

采用TRME-T3TDR 便攜式土壤水分測定儀(IMKO,Ettlingen,Germany)測定土壤水分,測定部位為刺槐苗主干和花盆邊緣的中間部分,測定深度為8 cm。采用美國LI-COR 公司生產的LI-6400 便捷式光合測定儀開放式氣路測定光合特性,每次每組每品種選取長勢相對較好的3 株苗木,在每株苗木的中上部選取3—4 片健康功能葉為待測葉,測定時隨機選取其中2 片進行測量。待儀器讀數穩定3—4 min 后,連續記錄6 組數據,測定結果取平均值。

利用DDB-303A 型電導率儀測定葉片相對電導率。丙二醛(MDA)測定采用硫代巴比妥酸比色法。游離脯胺酸測定采用磺基水楊酸比色法[16]。

酶液提取方法:稱取所采新鮮樣葉(去除葉脈)0.5 g 于預冷研缽中,加入0.1 g PVP 及少許石英砂,再加入2 mL pH 7.0 磷酸提取液冰浴研磨成勻漿,勻漿后加入提取液定容至5 mL。充分攪勻后,4 ℃下10000 r·min-1離心20 min,取上清液4 ℃下冰箱保存備用。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法測定,過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚比色法測定[15]。所有含量的比色結果均使用UV-5200PC 型紫外可見分光光度計得到。

1.4 統計分析

數據使用Excel、SPSS 和DPS 系統軟件進行處理、統計并作圖,圖中標出標準差。利用隸屬函數法對刺槐品種抗干旱能力進行綜合評價[17]。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量及植株葉片外部形態的變化

由表1 可見,干旱脅迫處理開始時土壤含水量(SMC)為28.73%±0.38%。當土壤含水量下降到14.17%—16.38%時,M24、R5 和M30 開始落葉,土壤含水量下降到8.15%—8.75%時,‘民刺1 號’、‘豫刺1 號’和M3 開始落葉。當干旱脅迫45 d 時,M24、R5 葉片全部脫落,此時土壤含水量下降到3.31%以下;干旱脅迫50 d 時,M3、M30 葉片全部脫落;干旱脅迫55 d,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片全部脫落,此時土壤含水量下降到3.08%以下。

表1 土壤含水量(SMC)及植株外部形態的變化Table 1 Changes of soil moisture content and plant morphology %

2.2 干旱脅迫對刺槐品種葉片光合特性的影響

由圖1 可見,持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片凈光合速率(Pn)均呈下降趨勢。‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片Pn始終明顯高于其他刺槐品種,干旱脅迫20 d 前葉片Pn下降緩慢,隨后加速下降;脅迫50 d時,兩者葉片Pn下降為負值。其他4個刺槐品種在脅迫10 d 時,葉片Pn即呈現出明顯的下降趨勢,脅迫40 d 時,葉片Pn均下降為負值。M24 葉片Pn始終處于相對較低的水平,脅迫30 d 時,‘民刺1 號’葉片Pn最高,為2.74 μmol·m-2·s-1,其次為M3 和‘豫刺1 號’,分別為1.73 μmol·m-2·s-1和1.21 μmol·m-2·s-1,R5、M30 和M24 葉片Pn均低于0.45 μmol·m-2·s-1,M24 葉片Pn最低,為0.20 μmol·m-2·s-1。

圖1 干旱脅迫對刺槐葉片Pn、Tr 的影響(平均值±標準誤)Fig.1 Effects of drought stress on Pn and Tr in Robinia pseudoacacia leaves(mean±SD)

持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片蒸騰速率(Tr)均大致呈下降趨勢,但變化模式有所不同。‘民刺1號’和‘豫刺1 號’葉片Tr在脅迫20 d 前下降緩慢,‘豫刺1 號’在脅迫10 d 出現下降,脅迫20 d 時又略有升高。隨后兩者葉片Tr快速下降,脅迫50 d 時,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片Tr分別降為0.49 mmol·m-2·s-1、0.46 mmol·m-2·s-1。M3、M24 葉片Tr呈逐漸下降,R5、M30 葉片Tr在脅迫10 d 時略有升高,隨后快速下降,脅迫40 d,四者葉片Tr分別下降為0.42 mmol·m-2·s-1、0.70 mmol·m-2·s-1、0.53 mmol·m-2·s-1和0.77 mmol·m-2·s-1。

由圖2 可見,持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片氣孔導度(Gs)均大致呈下降趨勢,但變化模式有所不同。脅迫20 d,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片Gs下降幅度較小,‘豫刺1 號’葉片Gs較脅迫10 d 略有回升,隨后逐漸下降,干旱脅迫過程中,兩者葉片Gs始終明顯高于其他刺槐品種。M24、R5 葉片Gs在試驗開始時明顯高于其他品種,但在干旱脅迫10 d 即出現極顯著的下降,隨后下降幅度變緩。M3 和M30 葉片Gs則呈逐漸下降趨勢。

持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片胞間CO2濃度(Ci)前期變化模式較多樣,后期均呈升高趨勢。‘民刺1 號’、M3 和M24 葉片Ci均在干旱脅迫10 d 出現下降,隨后逐漸升高。‘豫刺1 號’葉片Ci在脅迫20 d前有所下降,隨后快速升高。R5 和M30 則基本呈現為逐漸升高。干旱脅迫過程中,‘民刺1 號’、M3葉片Ci始終明顯低于其他刺槐品種。

2.3 干旱脅迫對刺槐品種葉片丙二酫和脯氨酸含量的影響

由圖3 可見,持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片MDA 含量均呈逐漸升高,但變化模式差異較大,升高時間和幅度也有所不同。刺槐品種M3、M24、R5 和M30 葉片MDA 含量在干旱脅迫第10 天即開始升高,R5 和M30 升高幅度明顯,而‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片MDA 含量則在脅迫第20 天開始出現明顯升高。干旱脅迫第40 天時,M24、R5 葉片中MDA 含量達到最大值,分別為40.01 μmol·g-1和40.91 μmol·g-1,極顯著高于其他刺槐品種;脅迫50 d 時,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片MDA 含量達到最大值,分別為39.02 μmol·g-1和37.77 μmol·g-1。

圖3 干旱脅迫對刺槐葉片MDA、脯氨酸含量的影響(平均值±標準誤)Fig.3 Effects of drought stress on MDA and proline contents in Robinia pseudoacacia leaves(mean±SD)

持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片脯氨酸含量均呈先升后降的變化模式,升高時間和幅度有所不同。‘豫刺1 號’和M24 在干旱脅迫第10 天即開始有明顯的升高。干旱脅迫20 d 時,M3、M24 和R5 葉片中脯氨酸含量達到最大值,分別為28.10 μg·g-1FW、32.24 μg·g-1FW 和30.22 μg·g-1FW,顯著高于其他刺槐品種,隨后快速下降,M24 下降幅度最大;M30 葉片脯氨酸含量在脅迫30 d 時達到最大值32.46 μg·g-1FW,隨后快速下降,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片脯氨酸含量升高幅度較為緩慢,干旱脅迫40 d 時達到最大值,分別為29.19 μg·g-1FW 和29.28 μg·g-1FW,隨后‘豫刺1 號’下降幅度大于‘民刺1 號’。

2.4 干旱脅迫對刺槐品種葉片SOD 和POD 活性的影響

由圖4 可見,持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片SOD 活性變化模式較多樣、達到峰值的時間也各不相同。‘民刺1 號’、M3 和‘豫刺1 號’葉片SOD 活性呈現先逐漸升高、后期出現下降,分別在干旱脅迫30 d、40 d 達到最大值,分別為609.69 U·g-1FW、588.13 U·g-1FW 和608.43 U·g-1FW;M24、R5 葉片SOD 活性呈現脅迫初期略微降低后逐漸升高,均在脅迫40 d 達到最大值,分別為567.69 U·g-1FW、589.31 U·g-1FW;M30 葉片SOD 活性呈先逐漸升高、到脅迫后期有所下降后又升高,在脅迫20 d 達到最大值582.72 U·g-1FW。‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片SOD 活性始終處于相對較高的水平。

圖4 干旱脅迫對刺槐葉片SOD、POD 活性的影響(平均值±標準誤)Fig.4 Effects of drought stress on SOD and POD activities in Robinia pseudoacacia leaves(mean±SD)

持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片POD 活性大致呈先升高后降低的變化趨勢,但變化模式和達到峰值的時間有所不相同。‘民刺1 號’、‘豫刺1 號’和M3 葉片POD 活性先升高后降低,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片POD 活性在脅迫20 d 達到峰值,分別為375.13 U·g-1·min-1FW 和423.31 U·g-1·min-1FW,M3 葉片POD 活性在脅迫10 d 達到峰值351.84 U·g-1·min-1FW;M24、R5 和M30 葉片POD 活性呈“Z”字形變化,但均在脅迫10 d 達到峰值,分別為310.40 U·g-1·min-1FW、 257.69 U·g-1·min-1FW 和240.13 U·g-1·min-1FW。‘民刺1 號’、‘豫刺1 號’、M3 葉片POD 活性始終明顯高于M24、R5、M30。

2.5 刺槐品種抗干旱能力的綜合評價

經方差分析可知,8個生理指標在刺槐品種中均呈現顯著性差異,因此采用隸屬函數法對測得的刺槐品種葉片的生理指標進行綜合評定,得到刺槐品種在持續干旱脅迫下的耐旱性差異。為避免不同物種間對照值的差異對試驗結果造成的影響,對所測得的各項生理指標值進行轉換,求得各生理指標在不同時間的抗旱系數(Ii)。

指標與抗旱性正相關隸屬函數公式為:

指標與抗旱性負相關隸屬函數公式為:

式中,Xij為i品種j指標抗旱系數,Xmax、Xmin為j指標抗旱系數的最大值和最小值,R(Xij)為i品種j指標的抗旱隸屬值。再求取各抗旱指標隸屬函數值的平均值,綜合評定值越大說明抗旱能力越強[17]。

由表2 可知,對6個刺槐品種在持續干旱脅迫下的8個生理指標所表現的抗旱性狀進行綜合評價,結果表明,抗干旱能力為:‘民刺1 號’ ＞‘豫刺1 號’ ＞M3 ＞M30 ＞R5 ＞M24。

表2 刺槐品種生理指標的平均隸屬函數值及排序Table 2 Average subordinate function values and ranking of physiological indexes of Robinia pseudoacacia varieties

3 結論與討論

持續干旱脅迫下,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片Pn保持在相對較高的水平,與其他4個刺槐品種差異明顯。隨著脅迫持續加重,各品種葉片凈光合速率相繼開始出現負值,說明葉片不再積累光合產物,反而呈消耗代謝,生長停滯。各品種葉片蒸騰速率均也隨著水分脅迫程度的加劇而顯著降低,試驗前期‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’、R5、M30 葉片Tr下降緩慢或有所升高,說明此時土壤干旱程度并沒有對樹苗造成脅迫影響。隨著土壤含水量的持續下降,葉片Tr出現大幅下降,說明土壤水分從適宜到干旱脅迫的變化過程中,葉片通過降低Tr,提高水分利用率來適應逐漸加劇的水分脅迫。M3、M24、 R5、M30 葉片Tr快速下降,對干旱脅迫的生理響應均明顯早于‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’。劉建偉等[18]提出用凈光合速率接近0 時的土壤含水量、水勢等評價樹木的抗旱能力。‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’在干旱脅迫40 d 時葉片Pn分別為0.25 μmol·m-2·s-1和0.04 μmol·m-2·s-1,此時土壤含水量分別為3.75%和4.04%,而M3、M24、R5、M30 在 干 旱 脅 迫30 d 時 葉 片Pn均 降 為 最 低 正 值, 分 別 為0.25 μmol·m-2·s-1、0.20 μmol·m-2·s-1、0.45 μmol·m-2·s-1、0.22 μmol·m-2·s-1,此時它們的土壤含水量分別為5.07%、5.95%、5.69%、5.30%,其中M24 葉片Pn最低,但土壤含水量相對最高。可見,‘民刺1 號’和‘豫刺1號’土壤含水量臨界值最低,抗干旱能力較強,而M24 抗旱能力較弱。

氣孔是植物與外界聯系的重要通道,直接影響和控制植物的蒸騰和光合作用[19]。脅迫20 d 前,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片氣孔導度Gs變化不明顯,葉片蒸騰速率升高引起Ci下降,葉片Pn下降幅度也相對較小,說明此時的土壤含水量沒有對其造成干旱脅迫。而在脅迫前期其他4個刺槐品種葉片氣孔導度即明顯下降,同時Ci值下降,此時干旱脅迫引起氣孔限制,這也是葉片Pn和Tr下降的主要原因,但脅迫并未破壞苗木的光合器官。隨著干旱脅迫持續加重,所有刺槐品種葉片氣孔導度Gs均大幅下降,葉片Ci逐漸升高,此時葉片光合速率快速降低的主要原因逐漸轉變為葉肉細胞光合活性下降導致的非氣孔限制,干旱脅迫逐漸對苗木的光合器官造成了破壞。各刺槐品種葉片光合特性從產生氣孔限制到向非氣孔限制轉換的過程中,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’時間均明顯遲于M24、R5、M3 和M30,因此認為兩者對干旱脅迫有更持久的耐受性。

植物體內自由基大量產生會引發膜脂過氧化作用,造成細胞膜系統破壞,通常用膜質過氧化產物丙二醛(MDA)的變化來衡量膜的完整性及細胞膜的功能狀態[20]。持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片中MDA 含量均有明顯的升高,說明干旱對各品種均造成一定程度的膜脂質過氧化。‘民刺1 號’和‘豫刺1號’葉片MDA 含量升高時間、幅度均明顯遲、低于其他品種,膜脂質過氧化程度最弱。M24、R5 膜脂質過氧化程度則最早,并且葉片中MDA 在脅迫后期開始游離出來,可見膜系統的受損使質膜相對透性增大,植物體機能受到嚴重破壞。持續干旱脅迫下,各刺槐品種葉片脯氨酸含量呈先升高后降低。脅迫20 d時,M3、M24 和R5 葉片中脯氨酸含量達到峰值;脅迫40 d,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片脯氨酸含量達到峰值。游離脯氨酸含量能夠反映植物體內一定程度上的水分情況,結合表1 土壤含水量變化情況,不同刺槐品種葉片脯氨酸含量峰值出現時的土壤干旱閾值不同,曾有人提出以干旱脅迫下游離脯氨酸大量積累的水勢閾值作為評價抗旱能力的參考,本研究結果來看具有一定的可行性,在其他刺槐品種的研究中也有相似的結論[10,21]。

干旱脅迫造成的膜傷害主要包括一個活性氧自由基傷害過程,SOD 受到底物濃度誘導產生,可歧化超氧陰離子成為活性較低的O2和H2O2,POD 則將H2O2轉變為H2O,防止活性氧自由基毒害[22],各種酶對活性氧的協作清除能力是決定細胞對脅迫抗性的關鍵因素。本研究中,‘民刺1 號’、M3 和‘豫刺1 號’葉片SOD 活性始終明顯高于其他刺槐品種,并且出現峰值時間較晚,而M24、R5 葉片SOD 活性則處于相對較低的水平。各刺槐品種葉片POD 活性大致呈先升高后降低的變化趨勢,‘民刺1 號’和‘豫刺1 號’葉片POD 活性在干旱脅迫20 d 達到峰值,其他刺槐品種則在脅迫10 d 后就出現不同形式的下降。通常水分脅迫下植物體內的保護酶活性與植物抗氧能力呈正相關,抗旱性強的品種在干旱條件下這些保護酶活性能維持在一個較高的水平,降低膜脂過氧化水平減輕膜傷害程度,并且下降越是滯后抗旱性越強[19]。當活性氧自由基濃度超過一定閾值時,就會使植物細胞內的大分子物質發生過氧化,影響植物的正常生長[23]。綜合可見,‘豫刺1 號’和‘民刺1 號’POD 活性能更好地協作SOD 清除體內有害的自由基,起著一定的保護效應,表現出較強的抗旱能力。

通過生理指標的隸屬函數平均值對6個刺槐品種進行綜合評價,表明抗干旱能力‘民刺1 號’ ＞‘豫刺1 號’ ＞M3 ＞M30 ＞R5 ＞M24,這與表1 中不同干旱脅迫強度下,各品種植株葉片形態特征(反卷、脫落、落葉等)出現的時間和葉片損失程度基本相吻合。可見,‘民刺1 號’的抗旱能力優于抗旱能力強、在西北造林成活率高的‘豫刺1 號’。