欒樹無性系抗旱性差異研究

劉金秋,曹幫華,段正洪,孔雨光,崔鳳華,郝明慧,陳 珍,趙聯秀,欒 艷

（1.山東省地質科學研究院，山東濟南250013；2.山東農業大學林學院，山東泰安271001；3.滕州市國有西崗苗圃，山東滕州277519；4.山東省林業監測規劃院，山東濟南250014）

水分是植物的重要組成部分，是植物賴以生存的必要條件之一，無論是長時期的干旱還是短時間的水分虧缺都可能對植物的生長發育產生不同程度的影響[1]。干旱脅迫會引起植物脫水，降低細胞和組織水勢，影響植物各種生理過程，同時植物主動適應外界變化，積極的進行生理生化代謝變化[2]。在林業生產中，普遍存在著因為土壤干旱造成成活率不高和人工林生產力低下等問題[3]。研究植物在干旱脅迫下的抵抗能力對林業生產、良種選育具有重要意義。

欒樹（Koelreuteria paniculata）在園林綠化中應用較多，其觀賞性較高，抗逆性較強，是優良的園林綠化行道樹樹種[4]。欒樹在我國生長地域廣闊，國內東北南部、長江流域、甘肅一帶都有栽植。近年來對欒樹的培育、病蟲害防治皆有研究，抗旱性的研究多集中在生長速率、葉片生理生化特征上，對干旱脅迫下形態學、光合作用影響研究較少，且多是與其他樹種間的比較，而欒樹種間抗旱性研究較少[5-8]。本文以滕州西崗國有苗圃選育的欒樹優良觀賞無性系“滕選”4 號、5 號以及北欒為研究對象，通過盆栽試驗，研究了持續干旱條件下，各個供試無性系苗木形態及生理生化指標的變化，并對其抗旱性進行比較，為良種選育和生產應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為欒樹優良無性系“滕選”4 號、5 號1年生扦插苗，以北欒實生樹扦插苗為對照。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計

試驗地位于山東省滕州市西崗國有苗圃。試驗設干旱和對照(正常澆水)2 個處理，每個處理每個無性系5 株，3 次重復，計15 株。2019年4月，將植株定植在35 cm×30 cm(高×內徑)的塑料營養盆中。7月25日試驗開始，脅迫前2 d 對所有植株澆透水2 次，之后停止澆水，對照組正常澆水。逐日測定土壤含水量，每隔5 d 進行形態觀測統計，苗高測量，并取各供試材料相同位置葉片測定相關生理生化指標，至第40 d 停止取樣，共取樣9 次。

1.2.2 指標及測定方法

（1）形態觀測

記錄不同無性系葉片萎蔫、黃葉、枯葉數量及時間。

（2）土壤含水量

采用稱重法測定，土壤相對含水量=土壤絕對含水量/田間持水量。

（3）生理生化指標

苗高用卷尺測量,生長率=（干旱脅迫末期苗高-干旱脅迫前苗高）/干旱脅迫前苗高；葉綠素用SPAD-502 葉綠素儀測定；凈光合速率用Li-6400XT 光合儀測定；脯氨酸、超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)采用的分光光度法[9]。

1.2.3 數據的處理與分析

利用Excel 軟件進行數據歸整理、作圖，SPSS 20.0 軟件對實驗數據采用單因素方差分析，鄧肯（Duncant）方法進行多重比較。運用模糊數學中隸屬函數法[10]，分別根據試驗測定的指標情況，對其抗旱能力進行排序。

與植物抗旱性呈正相關的生長率、葉綠素含量、凈光合速率、SOD 的隸屬函數值計算采用公式：

R（Xi）＝（Xi－Xmin）／（Xmax－Xmin）

與植物抗旱性呈負相關的丙二醛含量的隸屬函數值計算采用公式：

R（Xi）＝1-(Xi－Xmin）／（Xmax－Xmin）

式中，Xi為第40 d 某項指標測定值，Xmax、Xmin為某一指標的最大值和最小值。將各無性系隸屬函數值進行計算，然后取平均值。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同欒樹無性系土壤含水量變化

各無性系土壤含水量變化見表1，干旱脅迫初期土壤相對含水量分別為4 號65.17%、5 號65.3%、北欒65.51%，至脅迫結束分別降至14.15%、13.91%、11.35%，土壤含水量在相同脅迫時間不同無性系間差異不顯著（P＞0.05），但同一無性系在不同干旱脅迫時間下差異極顯著（P＜0.01）。

隨著干旱脅迫時間的延長，土壤相對含水量逐漸下降，但是下降幅度又有所不同，前15 d 各個無性系土壤含水量下降較快，以北欒下降幅度最大，至第10 d 土壤含水量已降至24.24%，達到嚴重干旱水平，而4 號、5 號在第10 d 仍維持到43.42%、37.15%，至15 d 才分別降至26.42%、28.42%，接近對照第10 d 的干旱水平，表明北欒在前期苗木蒸騰大于無性系4 號、5 號。第10 d 后所有無性系土壤含水量下降較為平緩，此時苗木蒸騰能力下降，土壤含水量由高到低依次為“滕選”4 號＞“滕選”5 號＞北欒。

2.2 干旱脅迫下3 個欒樹無性系苗木形態特征

干旱脅迫下3 個無性系形態特征見表2，在干旱脅迫前5 d 所有無性系生長正常；干旱脅迫至第10 d 對照北欒2 株葉片萎蔫下垂但“滕選”4 號、“滕選”5 號仍基本正常；干旱脅迫第15 d 對照北欒11株葉片萎蔫下垂，葉片開始脫落，“滕選”4 號5 株葉片萎蔫下垂，8 株底部葉片出現黃葉，部分出現黃葉，“滕選”5 號3 株萎蔫下垂，2 株底部出現黃葉；干旱脅迫第20 d 對照北欒所有植株萎蔫，6 株底部葉片失綠變紅；“滕選”4 號（12 株）、“滕選”5 號（5株）葉片萎蔫下垂；干旱脅迫第25 d 對照北欒（9株）、“滕選”4 號（6 株）、“滕選”5 號（4 株）下部出現枯葉；干旱脅迫第30 d 對照北欒所有植株下部枯葉，“滕選”4 號、5 號所有植株葉片萎蔫下垂，葉片干枯加?。桓珊得{迫第35 d 對照北欒13 株上部出現枯葉，“滕選”4 號、“滕選”5 號所有植株下部出現黃葉；干旱脅迫第40 d 對照北欒葉片萎蔫嚴重，莖變細軟，落葉嚴重，“滕選”4 號、5 號均14 株枯葉，葉片干枯嚴重，莖變細軟。相比而言，“滕選”5 號葉片萎蔫程度較輕，4 號次之，北欒葉片萎蔫及脫落情況最嚴重。

表1 干旱脅迫下不同欒樹無性系土壤相對含水量（%）的變化

表2 干旱脅迫對3 個欒樹無性系苗木形態特征的影響統計表

2.3 干旱脅迫下不同欒樹無性系苗高的變化及生長率

植物高生長受生長環境影響，高生長與其抗逆性具有相關性，一般情況下逆境脅迫增強，生長速度隨之減慢，甚至停止。因此，高生長指標是衡量樹種生長狀況的重要形態指標之一[11]。不同欒樹無性系苗高的變化見表3，相同脅迫時間不同無性系間差異不顯著(P＞0.05)，同一無性系不同脅迫時間差異顯著(P＜0.05)。各無性系前20 d 生長量變化較大，表明生長相對迅速，第25 -40 d 變化不顯著，表明隨著干旱脅迫的加深，各無性系苗高增長變緩，干旱脅迫極大地影響了植株生長。各無性系生長率分別為0.4、0.41、0.39，從高到低排序為“滕選”5 號、“滕選”4 號、北欒。

表3 干旱脅迫下不同欒樹無性系苗高的變化

2.4 干旱脅迫下不同欒樹無性系葉綠素含量的變化

SPAD-502 葉綠素儀可以直接測定葉綠素值，在不損害葉片的前提下可以較好的反映植物葉片的葉綠素濃度[12]。各無性系葉綠素含量變化如表4所示，3 個無性系葉片葉綠素含量變化趨勢表現出一定規律性，都呈先降低再升高再降低的趨勢，相同脅迫時間下不同無性系差異不顯著。4 號在第5 d、第20-30 d 葉綠素含量降低，其余升高；5 號在第0-15 d 降低，至第20 d 含量最高，之后降低；北欒對照0-10 d 降低，10-20 d 升高，20 d 之后降低。變化幅度上，4 號、5 號、北欒葉綠素相對含量分別為11.24、14.67、12.4，變化幅度“滕選”5 號＞北欒＞“滕選”4 號。

表4 干旱脅迫下不同欒樹無性系葉綠素含量的變化

2.5 干旱脅迫下不同欒樹無性系凈光合速率的變化

持續干旱第32 d 對各無性系凈光合速率影響見表5，結果表明，欒樹各無性系隨干旱脅迫強度增加凈光合速率均顯著降低，且各無性系間差異極顯著（P＜0.01），而各無性系對照凈光合速率差異不顯著，表明干旱脅迫對植物葉片造成損傷，葉片光合作用下降。4 號、5 號、北欒與CK 相比分別降低了4.14 mmoL·m-2·s-1、3.81 mmoL·m-·2s-1、5.15 mmoL·m-·2s-1，各無性系凈光合速率值分別為對照的20%、30%、4%。3 個欒樹無性系葉片凈光合速率較對照下降幅度大小依次為：北欒＞“滕選”4 號＞“滕選”5 號。

表5 干旱脅迫下不同欒樹無性系凈光合速率的變化

2.6 干旱脅迫對滲透調節物質脯氨酸含量的影響

各無性系脯氨酸變化從表6 可以看出，相同干旱脅迫時間下，各無性系脯氨酸含量第0 d“騰選”4號同5 號、北欒之間差異不顯著，5 號同北欒差異顯著，干旱第20 d“滕選”4 號同5 號差異顯著，北欒同4 號、5 號之間差異不顯著，第35 d“滕選“4 號同北欒差異顯著，5 號同4 號、北欒之間差異均不顯著；第40 d“滕選”4 號、5 號之間差異不顯著，但與北欒差異顯著。同一無性系不同脅迫時間上，差異極顯著（P＜0.01）?！半x“4 號在前10 d 差異不顯著，第0 d、5 d、15 d 之間差異不顯著，第20-40 d 差異不顯著?！半x”5 號第0 -20 d 之間差異不顯著，第25-40 d 之間差異不顯著。北欒第0-5 d 差異不顯著，第10-25 d 差異不顯著，第30 d 同40d 差異不顯著，第35 d 同其他所有脅迫時間差異顯著。

表6 干旱脅迫下不同欒樹無性系脯氨酸含量（mg·g-1）的變化

持續干旱脅迫下，隨著土壤含水量的降低，欒樹3 個無性系的脯氨酸含量變化前35 d 總體呈現增加的趨勢，第35 d 往后北欒下降，“滕選”4 號、5號變化不明顯?！半x”4 號前10 d 變化不大，第10 d 后迅速增加，表明4 號在前10 d 受傷害并不是很嚴重，隨著干旱脅迫的加劇，脯氨酸含量迅速升高，表明植物受到傷害逐漸加重?！半x”5 號前20 d 增加不明顯，至第20 d 迅速增加，北欒對照從脅迫開始至第35 d 近乎直線增加，之后迅速下降，脯氨酸含量下降說明干旱對其造成的傷害突破了其自身的滲透調節能力，植物生理機能下降。

2.7 干旱脅迫對超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

各無性系SOD 含量變化由表7 可知，通過方差分析與多重比較，相同時間不同無性系間，干旱脅迫第0 d“滕選”5 號同4 號、北欒差異顯著，4 號同北欒之間差異不顯著；第10 d 北欒同4 號、5 號差異顯著，4 號、5 號差異不顯著；第15 d 5 號同4 號、北欒差異顯著，4 號同北欒差異不顯著，第20 d 北欒同4 號、5 號差異顯著，4 號、5 號之間差異不顯著，其余相同脅迫時間下各無性系間差異不顯著（P＞0.05）。同一無性系不同脅迫時間比較，差異極顯著（P＜0.01）?！半x”4 號第20 d 同第35 d 之間差異不顯著，第20 d 同第30 d 之間差異不顯著，第25 d、30 d 之間差異不顯著，第5 d、10 d、40 d 之間差異不顯著，第0-10 d、第0 d、5 d、15 d 之間差異不顯著。“滕選”5 號第0 d、5 d、15 d 之間差異不顯著，第5-15 d、第40 d 之間差異不顯著，第20 d-35 d 之間差異不顯著。北欒第0-15 d 差異不顯著，第0 d、5 d、15 d 差異不顯著，第20 d、25 d、40 d 之間差異不顯著，第35 d、第40 d 分別同其他所有脅迫時間差異顯著。

表7 干旱脅迫下各無性系SOD 含量（u·g-1）的變化

持續干旱脅迫下，隨著土壤含水量的降低，所有欒樹無性系SOD 活性呈降低-升高-降低-升高-降低趨勢。在增加幅度上，前15 d 變化不明顯，至第20 d 快速上升，至第25 d 快速上升至第35 d 峰值后下降。

2.8 干旱脅迫對丙二醛含量（MDA）的影響

各無性系MDA 含量變化由表8 可知，隨著干旱脅迫加深，相同脅迫時間不同無性系間的MDA含量差異不顯著，各無性系MDA 含量不同脅迫時間下差異顯著（P＜0.05）?！半x”4 號第0 d、5 d 之間差異不顯著，第10-25 d 之間差異不顯著，第30-40 d 之間差異不顯著；“滕選”5 號第0-25 d 之間差異不顯著，第10-30 d 之間差異不顯著，第15-35 d 之間差異不顯著，第30-40 d 之間差異不顯著；北欒第0-30 d 之間差異不顯著，第20-40 d 之間差異不顯著。

表8 干旱脅迫下各無性系MDA 含量（μ moL·g-1）的變化

在持續干旱脅迫的條件下，3 個欒樹無性系的丙二醛（ MDA）含量隨著干旱脅迫的增強總體呈現增加趨勢，至40 d 脅迫末期北欒降低。“滕選”4 號、5號、北欒分別上升了6.706 μmoL·g-1、6.870 μmoL·g-1、6.273 μmoL·g-1，增加幅度排序為“滕選”5 號＞“滕選”4 號＞北欒。

2.9 不同無性系欒樹無性系抗旱能力排序

試驗研究了在干旱脅迫期間，“滕選”4 號、“滕選”5 號、北欒的5 個生理生化指標的變化情況，不同的生理指標在對同一種源下抗旱能力排序不盡一致。運用隸屬函數法能能克服單個指標的片面性，使評定結果更全面地反應無性系的實際抗旱能力[10]。隸屬函數值及綜合評價結果見表9。

表9 干旱脅迫下各無性系隸屬函數值及綜合評價

結果表明，3 個無性系抗旱能力排序為“滕選”5號＞“滕選”4 號＞北欒，其中4 號、5 號抗旱能力比較接近。

3 討論

試驗研究了在干旱脅迫下，“滕選”4 號、“滕選”5 號、北欒3 個欒樹無性系形態變化、生長率、葉綠素含量、凈光合速率、脯氨酸、超氧化物歧化酶、丙二醛的變化情況。結果表明，隨著干旱時間的延長，各無性系葉片均萎蔫下垂，從植株底部往上開始出現黃葉、枯葉。萎蔫嚴重程度從高到低排序為北欒、“滕選”4 號、“滕選”5 號。隨著干旱脅迫加深，各無性系生長變緩，生長率排序為“滕選”5 號、“滕選”4號、北欒。

在干旱脅迫下，葉片的葉綠素發生降解而降低，抗旱性較強的種類葉綠素含量較高[13]。本試驗各無性系葉片葉綠素含量總體略有降低但變化不大，表明各無性系抗旱性均較強，在欒樹不同無性系抗旱性比較中葉綠素含量比較差異并不明顯。

植物光合作用將CO2和水轉化為有機物，蓄積太陽能并提供氧氣，光合作用是植物適應環境最重要的特征和物質積累代謝的基本單元，也是植物生長發育的基礎和生產力高低的決定性因素[14]。干旱脅迫下各無性系凈光合速率均顯著下降，表明持續干旱影響了葉片的光合能力和生理機能，“滕選”4 號、5號、北欒與CK 相比分別降低了4.14 mmoL·m-2·s-1、3.81 mmoL·m-2·s-1、5.15 mmoL·m-2·s-1，處理測定值分別為對照的20%、30%、4%。光合下降幅度結果與最終抗旱性比較結果一致，體現了凈光合速率與抗旱性的正相關關系。

脯氨酸是重要的滲透調節物質，干旱脅迫下積累脯氨酸能夠增加植物的吸水、保水能力，維持各項代謝正常進行[13]。干旱脅迫時植物會產生傷害植物細胞的活性氧，植物體內具有清除活性氧的防御保護體系可以提高細胞膜的穩定性，SOD 等酶活性的高低一定程度上反映了植物的抗逆境能力[15]，SOD 升高說明植物抗旱體系通過酶的升高應對干旱脅迫。丙二醛（MDA）反映了植物的脂膜過氧化，逆境下會大量累積[16]，MDA 值越高，說明植物傷害越嚴重。脯氨酸含量、SOD、丙二醛含量在整個干旱脅迫過程中變化較大，反映了這些指標在干旱逆境中的敏感性。各無性系變化趨勢也有所不同，脯氨酸含量“滕選“4 號、5 號升高，北欒先升高后降低；SOD 活性均呈升高-降低-升高-降低趨勢；MDA 含量“滕選”4 號、5 號總體呈升高趨勢，北欒先升高后降低。北欒脯氨酸含量、SOD 活性在脅迫末期都降低，而“滕選”4 號、5 號僅SOD 活性降低，可能是由于北欒最先到達干旱脅迫的最大承受能力導致生理機能下降，“滕選”4 號、5 號葉片生理機能還未達到生理機能紊亂的最大限度，同時也說明了SOD 活性相比較MDA、脯氨酸對干旱帶來的損傷反應更加迅速。

本試驗干旱脅迫時間為40 d，從第15 d 重度干旱至脅迫結束所有植株皆未死亡，體現了各無性系抗旱能力。各無性系抗旱水平受多種因素共同影響，單一指標無法準確判斷抗旱性，本文以脅迫末期第40 d 數值比較，運用隸屬函數法判斷植物的抗旱性差異，各無性系抗旱能力排序為” 滕選”5 號＞“滕選”4 號＞北欒，其中4 號、5 號抗旱能力比較接近，此結果與外部形態觀測、生長率排序一致。在實際生產應用中，可對各個不同干旱脅迫階段抗旱指標抗旱性綜合評定，以提高抗旱性鑒定的全面性以及實用性。

本試驗確定干旱脅迫強度是通過盆栽控水實現的，在整個試驗過程中，脯氨酸、SOD、MDA 等生理指標并非呈現持續性地增高或降低，而是出現上下波動，其原因一方面與不同取樣植株存在單株差異性導致數值波動有關，另一方面，與試驗期間降水較多，導致空氣濕度變化增大緩解了植物干旱脅迫程度有關。如需更精確的抗旱比較，可從延長脅迫時間、復水恢復性、植株根系等方面加強研究。