脯氨酸對干旱脅迫下白榆扦插苗生長的影響

張 曉，曹慧芬，趙建國*，王海雁，姚建忠，孫 欣，王宇晴，翟小娜，王 浩

（1.山西大同大學炭材料研究所，山西大同 037009；2.山西大同大學生命科學院，山西大同 037009；3.山西省桑干河楊樹豐產林實驗局，山西大同 037006）

隨著全球變暖以及異常氣候出現的越來越頻繁，干旱已成為限制全球農林業發展的重要因素[1]。我國西北地區屬于干旱、半干旱氣候，占該地區約83%的土地常年受干旱威脅[2]。研究干旱條件下促進植物生長的技術手段對于促進西北地區農林業發展、保障國家糧食安全、保護生態環境具有重要意義。

脯氨酸是目前最為熟知的滲透保護物質。當植物遭遇高溫、高鹽、干旱等逆境脅迫時，植物體內脯氨酸含量明顯升高，從而提高植物的滲透調節能力。脯氨酸的積累主要是由于脯氨酸合成增加、降解減少、利用率下降或蛋白水解引起[3-4]。除了自身合成外，植物根系或者葉片可以吸收外源脯氨酸，一般將此視為植物對逆境的響應[5]。大量研究表明：外源脯氨酸處理對于提高植物的抗逆性具有重要作用。外施脯氨酸可以緩解鹽脅迫對甜瓜[6-7]、蘿卜[8]、青楊[9]、水稻[10]的傷害；脯氨酸浸種可以提高黃瓜幼苗的抗冷能力[11]；葉面噴施脯氨酸可以提高玉米抗旱能力[12]。然而，干旱條件下土壤中脯氨酸處理對木本植物生長的影響目前并無確切證據。

為了研究干旱環境條件下促進植物生長的技術手段，我們以北方常見的樹種白榆為實驗材料，通過盆栽實驗研究干旱條件下外施脯氨酸對植物生長的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與處理

供試白榆枝條由山西省桑干河楊樹豐產林實驗局科技服務中心提供，在山西大同農業嘉年華溫室中利用無紡布袋扦插成活。挑選扦插成活的生長狀態一致的白榆植株在山西大同大學炭材料研究所溫室完成后續脯氨酸處理及干旱脅迫實驗。脯氨酸用蒸餾水配制成25 mg/L 濃度，實驗組按照每株植物200 mL 的量將白榆扦插苗生長的栽培土壤澆透，對照組每株植物澆200 mL蒸餾水。所有白榆扦插苗置于光照周期為8 h 黑暗/16 h 光照，溫度為23 ± 2 ℃，濕度約為50%的培養室中繼續培養。實驗開始前2周不澆水，此后以4 周為一個實驗周期，前2 周每株植物澆50 mL 蒸餾水，后2 周實驗組和對照組分別澆50 mL 的25 mg/L 脯氨酸和蒸餾水，此后重復此操作。扦插苗生長16 周后對各種性狀進行觀察、檢測以及統計分析工作。

1.2 測定方法

1.2.1 生物量測定

植物新生枝條長度利用卷尺測量，每個數據取5個植株的平均值。將新生枝條取下，在電子天平上稱量，作為新生莖葉的質量；統計每一個枝條上的葉片數量，每個數據取5個植株的平均值。將葉片取下并用玻璃壓平，用照相機拍照后利用Image J 軟件測量葉片長度、寬度和面積，每個植株測量5個葉片，每個數據取5個植株的平均值。

1.2.2 光合熒光分析

植物光合熒光指標（包括最大光能轉換效率、PSⅡ實際光化學效率、光化學淬滅系數和非光化學淬滅）利用德國WALZ 公司PAM-2500 便攜式調制葉綠素熒光儀測定。測定開始前將葉片進行至少半小時暗適應，每個數據測5 株植物，每株植物選位置相似的5片葉子。測量時間為上午8時到12時，測量地點為室內。

1.3 數據分析

數據采用單因素方差分析和Duncan 檢驗，所有統計分析均利用SPSS 22.0 軟件進行，并利用Excel做圖。

2 結果與分析

2.1 干旱條件下脯氨酸處理對白榆生長狀態的影響

水分是植物生長的必須物質，然而自然條件下植物常常處于缺水狀態。干旱脅迫可以影響林木的生物量[13]。為了研究脯氨酸處理對于干旱條件下林木生長的影響，我們觀察了干旱條件下脯氨酸處理后白榆扦插苗的生長情況。根據前期預實驗結果，白榆扦插苗每周至少需要澆灌100 mL水才能保證其正常生長。在第一次澆足水或25 mg/L 脯氨酸溶液后，此后每2 周澆50 mL 水或25 mg/L 脯氨酸溶液，從而模擬干旱脅迫環境。由圖1 可知，經過16 周處理干旱脅迫下施加脯氨酸可以明顯促進白榆扦插苗的個體生長。脯氨酸處理組白榆扦插苗的株高、新生枝條長度、葉片大小相比對照組都明顯增加。

圖1 干旱條件下脯氨酸處理白榆生長狀態

通過對扦插苗新生器官進行測量發現，與對照相比干旱條件下脯氨酸處理使新生莖葉的鮮重顯著增加了95.4%（圖2A）。對于構成植物鮮重的因素進行統計分析發現，脯氨酸處理使新生枝條長度顯著增加了170.9%，而每個枝條上的平均葉片數量增加了39.9%（圖2B，C）。除了葉片數量增加外，脯氨酸處理使葉片平均葉長、葉寬和葉面積分別增加了39.7%、29.1%和89%（圖2D-F）。

圖2 植株器官大小指標

2.2 干旱條件下脯氨酸處理對白榆扦插苗光和熒光參數的影響

干旱脅迫下植物的光合作用受到抑制，光合熒光參數中最大光能轉換效率（Fv/Fm）、PSⅡ實際光化學效率（Y(Ⅱ)）和光化學淬滅系數（qP）顯著下降，而非光化學淬滅（NPQ）顯著上升[14]。為了研究干旱環境下脯氨酸處理對白榆扦插苗光合作用的影響，我們分析了扦插苗葉片的光合熒光參數。結果表明，與對照相比脯氨酸處理后扦插苗葉片光合熒光參數中的Fv/Fm、Y(Ⅱ)和qP分別顯著下降了10.4%、9.44%和6.6%，同時使NPQ 顯著上升了6.6%。這一結果表明：脯氨酸處理后植物所受脅迫影響更加嚴重，這一結果與脯氨酸處理組植物葉片黃化現象相互印證（圖1A,B）。

圖3 脯氨酸處理對白榆扦插苗葉片光合熒光參數的影響

但是，這一結果與脯氨酸處理促進植物生長的結果矛盾。我們認為脯氨酸處理后植物生物量幾乎增加了一倍，因此需水量比對照組更大。而兩組植物都是始終用劑量明顯不足的50 mL溶液處理，因此隨著兩組植物生物量的差別越來越大，脯氨酸處理組植物所受干旱脅迫也就更為嚴重。

3 討論與結論

植物的生長中受到周圍不同環境的影響，在外界脅迫條件下植物的生物量積累受到抑制，表現為株高、葉片數、葉片大小等指標的顯著減少[9,15]。

干旱脅迫是對我國經濟發展和糧食安全的重大威脅之一，我國目前每年因旱災造成的糧食減產達到50 億kg[16]。目前人們常用控制澆水量和PEG6000處理兩種方法模擬干旱環境[14]，本研究采用在土壤中控制澆水量模擬干旱脅迫，并分析脯氨酸處理對植物抵抗干旱脅迫的能力，對于指導林業生產具有很大的參考價值。

脯氨酸促進植物生長可能有幾種機制：首先脯氨酸可以作為植物的一種營養劑，在植物受到逆境脅迫而影響光合作用的合成能力時作為一種外源營養補充為植物生長提供能量；其次脯氨酸的積累可能提高了植物滲透調節能力，從而使植物的各項生理功能盡可能保持穩定。

由于脯氨酸處理組植物個體地上部分更大，植物包括蒸騰作用在內的生理活動需水量相比對照組更多。在封閉的環境體系中，雖然我們對于對照組和實驗組澆灌同樣的水分，實際上實驗組干旱脅迫的程度更為嚴重。因此，在開放體系中或者在更早時間點檢測，可能會有不同的結果。

通過本研究我們可以得到以下結論：脯氨酸處理可以顯著促進干旱脅迫下白榆的生長，這種效應與植物光合作用沒有明確的關系。