干旱-復水處理對吉林文冠果幼苗生理特性和光合參數的影響

李 碩, 李美玄, 劉英卉, 張友民

(吉林農業大學林學與草學學院,吉林長春 130000)

干旱脅迫、低溫脅迫、高溫脅迫、鹽堿脅迫、重金屬脅迫等是嚴重影響植物生長的非生物脅迫,而在全球范圍內,干旱脅迫的地理分布最廣泛,同時也是危害植物生長最嚴重、限制農作物產量最主要的環境因子[1]。目前,全球干旱越來越嚴重,2022年第27屆聯合國氣候變化大會上,正式成立了“全球抗擊干旱聯盟”以應對全球旱災,2022年我國的平均降水量較常年同期減少了12.3%,雨量為近40年來最少[2]?？梢?干旱已經成為影響作物產量、植物生態系統和生物多樣性的全球性問題。

植物處在干旱脅迫時,根系活力會下降,其對土壤營養物質的吸收會受阻,且植物體內更多的營養物質會向根系傳導,從而影響植株的生長發育[3]。干旱脅迫會導致植物體內尤其是葉片水勢下降,影響水分代謝,進而使植物的生理特性和光合作用效率下降。研究表明,干旱脅迫會影響植物體內滲透調節物質含量變化,積累大量的活性氧,破壞細胞的氧化應激水平,使細胞內抗氧化酶和一些代謝酶活性降低,同時還會對葉片內葉綠素含量產生一定的影響,而嚴重的干旱脅迫會導致植株萎蔫、枯萎甚至死亡[4-5]。當植物經過一段時間的干旱脅迫后,對其進行復水處理,研究認為大多數的植物會利用自身的代謝調節作用進行自我恢復[6]。因此,研究干旱脅迫和旱后復水處理對植物的生理代謝和光合作用的影響,可以解析植物對逆境脅迫的響應機制,一方面可以揭示植物對干旱脅迫的應答機理,另一方面對植物的高效栽培和技術推廣有著重要作用。

文冠果(Xanthocerassorbifolium)是我國重要的生態經濟樹種和園林觀賞樹種,同時也是特有的木本油料樹種,主要分布于我國較干旱、寒冷的北方地區[7]。其中吉林省西南部文冠果的種植面積排在全國前列,是最適合文冠果產業發展的重要地區之一。目前,吉林省受全球氣候影響,年均降水量逐漸減少,水分蒸發量逐漸增大,同時隨著部分地區人口集中性增長,出現了不合理的資源開發利用現象,導致吉林省沙漠化土地面積逐漸增加,平均每年干旱期也越來越長,這對文冠果苗木的高效種植產生了嚴重影響[8]。此外,由于吉林地區獨特的降雨格局,常常又會出現干旱與強降雨交替現象,使文冠果苗木在受到干旱脅迫的同時還會受到旱后復水的影響。因此,研究干旱脅迫和復水處理對文冠果苗木生長的影響,對深入了解文冠果苗木如何應對干旱-復水脅迫具有重要意義。

因此,本研究通過對一年生文冠果實生苗進行干旱脅迫和復水處理,模擬其從正常水分到干旱再經過復水的生長過程,從根系活力、滲透調節物質含量、氧化應激作用、葉綠素含量、光合作用等方面探究其體內生理特性變化,以期為文冠果實生苗的干旱-復水抗逆性評價提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

文冠果種子來源于吉林省白城市洮南市,2021年4月6日在吉林省文冠果科技有限公司進行育苗培養,2022年5月9日,選取株高、長勢一致的一年生實生苗,全部移栽到育苗盆中,育苗盆規格為口徑23 cm、高度22 cm、底徑18 cm,裝土5 L,栽培土壤為泥炭土,有機質含量為33.58 g/kg、有效鉀含量為86.78 mg/kg、速效鉀含量為115.73 mg/kg、全氮含量為1.23 g/kg、堿解氮含量為68.72 mg/kg、有效磷含量為9.03 mg/kg、速效磷含量為26.52 mg/kg,pH值為6.48,土壤含水量32%,每盆1株。試驗地為吉林農業大學設施生產基地溫室大棚(120.4°E,43.8°N)。

1.2 試驗設計

盆栽苗常規管理1個月,期間土壤含水量在60%～75%,文冠果苗木成功定植后,進行干旱脅迫試驗。利用TRASE土壤水分自動監測系統每天測量盆栽土壤含水量。設置干旱脅迫等級,含水量大于60%為正常對照組,含水量在50%～60%為輕度干旱,含水量40%～<50%為中度干旱,含水量在30%～<40%為重度干旱[9]。通過對土壤含水量測定預試驗,對同一盆栽土壤連續監測含水量,確定盆栽土在第1天16:00時灌水,當有水從底部漏出時測得土壤平均含水量為66%,盆栽苗維持不澆水管理,在第5天同一時間測得土壤平均含水量為55%(輕度干旱),在第7天同一時間測得土壤平均含水量為46%(中度干旱),在第10天同一時間測得土壤平均含水量為37%(重度干旱)。在第10天16:00測完土壤含水量后及時復水處理,復水處理后測得土壤平均含水量為64%,之后每天定時補充水分,使土壤含水量不低于60%,連續復水處理10 d。

因此,本試驗設置正常對照組(CK)和連續干旱-復水處理組,每組10盆為1個處理,3個重復。其中CK一直維持土壤含水量不低于60%。干旱-復水處理組分為2個階段,第1階段為干旱脅迫階段,設置輕度干旱組(D5)、中度干旱組(D7)、重度干旱組(D10);第2階段為復水處理階段,設置復水處理3 d組(R3)、復水處理5 d組(R5)、復水處理10 d組(R10)。同時在整個試驗過程中,確保CK組土壤含水量一直維持在65%～71%。

干旱-復水處理組樣品采集節點:在干旱脅迫前1天16:00時,記為0;干旱脅迫的第5天16:00輕度干旱時,記為D5;干旱脅迫的第7天16:00中度干旱時,記為D7;干旱脅迫的第10天16:00重度干旱時,記為D10;D10的16:00樣品采集后開始復水處理,復水處理后第3天16:00時采樣,記為R3;復水處理后第5天16:00時采樣,記為R5;復水處理后第10天16:00時采樣,記為R10。CK組一直維持正常水分管理,樣品采集節點同干旱-復水處理組。

在每個樣品采集節點上測定土壤平均含水量,測得0的含水量為67%,D5含水量為53%,D7含水量為48%,D10含水量為35%,R3含水量為67%,R5含水量為64%,R10含水量為65%,每個節點上的土壤含水量符合試驗設計。

1.3 試驗方法

1.3.1 根系活力測定 分別在正常水分0時,干旱脅迫的D5、D7、D10時和復水后R3、R5、R10時采集根系,同時在每個時期均采集CK組幼苗根系。將根系清洗干凈后用濾紙控干,稱取1 g根系,參照 2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC法)[10]測定根系活力。

1.3.2 葉片滲透物質含量測定 分別在干旱脅迫前0和干旱脅迫后的D5、D7、D10和復水后R3、R5、R10時采集文冠果幼苗的功能性葉片,功能性葉片位于頂部葉心往下5～6 cm處。采集完后的葉片放入干冰保鮮盒中,在實驗室用無菌水清洗干凈,并用濾紙吸干表面水分,液氮冷凍后放入-80 ℃冰箱保存,備用待測。葉片脯氨酸(proline,簡稱Pro)、可溶性糖(soluble sugar,簡稱SS)、可溶性蛋白(soluble protein,簡稱SP)含量參考張治安等的方法[10]測定。

1.3.3 葉片葉綠素含量測定 按照“1.3.2”節的方法采集功能性葉片,采用葉片打孔器取樣,稱取 2 g 葉片,加入無水乙醇研磨,參考丙酮提取法,采用分光光度計比色,測定645、663 nm處吸光度,分別計算葉片中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量[11]。

1.3.4 葉片丙二醛含量和抗氧化酶活性測定 稱取0.1 g待測葉片,加入1 mL預冷的磷酸鹽緩沖液,在冰上研磨,低溫離心,取上清液待測,丙二醛(malondialdehyde,簡稱MDA)含量和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,簡稱SOD)、過氧化氫酶(catalase,簡稱CAT)、過氧化物酶(peroxidase,簡稱POD)活性測定均采用蘇州科銘生物技術有限公司植物葉片測定試劑盒。

1.3.5 葉片光合參數測定 采用美國Li-cor 6400XT便攜式光合作用測定系統,分別在干旱脅迫前0和干旱脅迫后的D5、D7、D10以及復水后R3、R5、R10的10:00—12:00,選取光照方向一致的文冠果幼苗頂部葉片,設置光照強度1 200 μmol/(m2·s),分別測定凈光合速率[net photosynthetic rate,簡稱Pn,單位μmol/(m2·s)]、氣孔導度[stomatal conductance,簡稱Gs,單位mol/(m2·s)]、蒸騰速率[transpiration rate,簡稱Tr,單位mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,簡稱Ci,單位μmol/mol)。

1.4 數據處理

全部數據均至少測量3次,采用Excel 2020對數據進行處理,SPSS 22對數據進行單因素方差分析和相關性分析,采用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱-復水處理對文冠果幼苗根系活力的影響

由圖1可知,整個試驗期間,正常處理組(CK)的文冠果幼苗根系活力一直穩定在4.0～4.5 mg/(g·h),而干旱-復水處理組中,隨著干旱脅迫程度的增加,根系活力呈現下降趨勢,與同時間節點的CK組相比,D5、D7、D10時的根系活力分別下降了10.48%、50.69%、75.34%,D5時的根系活力與CK組差異不顯著,而D7和D10時的根系活力與CK組存在極顯著差異,可見,文冠果幼苗具一定的耐輕度干旱作用,而中度干旱和重度干旱則會嚴重抑制根系活力。復水處理后的R3、R5、R10時,根系活力隨著復水天數的增加逐漸升高,此時R3、R5、R10時的根系活力分別為1.13、1.86、2.89 mg/(g·h),與重度干旱時相比,分別提高了4.63%、72.22%、167.60%。R10時的根系活力與CK組相比,仍存在極顯著差異,未恢復到干旱脅迫前水平,可見,復水能逐漸緩解干旱對根系活力的抑制,起到一定的補償作用,但根系活力的恢復需要一定的時間。

2.2 干旱-復水處理對文冠果幼苗葉片滲透調節物質的影響

由圖2-A可知,CK組文冠果葉片內Pro含量維持在20～30 μg/g,含量相對穩定;在干旱-復水處理組中,隨著干旱脅迫程度的增加,葉片內Pro含量顯著增加,與同時期CK組相比,D5、D7、D10分別增加了34.49%、142.28%、313.06%。復水處理后,R3、R5、R10時,Pro含量呈直線下降,在R10時,葉片內Pro含量恢復到了脅迫前的水平,與CK組差異不顯著。

由圖2-B可知,文冠果葉片中SS含量的變化趨勢與Pro大致相同,土壤干旱程度越大,SS含量越高,與CK相比,D5、D7、D10分別增加了33.02%、74.79%、141.69%。復水處理后,R3、R5、R10時,Pro含量均下降,同樣在R10時,葉片內Pro含量與CK組差異不顯著。

由圖2-C可知,葉片中SP含量的變化趨勢與Pro和SS存在一定的差異,土壤干旱程度從輕度到中度時,葉片中SP含量顯著增大,然而在重度脅迫時,葉片中SP含量顯著下降,出現這一原因可能是在干旱初期,葉片中氧化自由基逐漸增多,為清除自由基,細胞內一些抗氧化酶和蛋白質隨之增多,然而在脅迫程度繼續增大時,大量的自由基抑制了抗氧化酶和蛋白質的活性,使之急劇下降,從而導致葉片內SP含量顯著降低[12]。在復水處理后,R3時SP含量立即恢復到了脅迫前水平,在R5時,葉片內SP含量出現了超補償性增加,顯著大于同期CK組,在R10時,又恢復正常。

2.3 干旱-復水處理對文冠果幼苗葉片MDA含量的影響

研究表明,干旱脅迫會使植物體內產生大量的氧自由基,尤其是葉片細胞內氧自由基會大量堆積,進而攻擊細胞膜產生脂質過氧化物丙二醛(MDA),一定程度上破壞葉片的光合作用,從而抑制植物的生長[13]。由圖3可以看出,在試驗期間,CK組文冠果葉片內MDA含量有小幅的上升,但變化不顯著,而干旱-復水處理組文冠果在干旱脅迫階段,MDA含量呈現陡坡勢增加,與同期CK組相比,D5、D7、D10分別顯著或極顯著增加了59.89%、123.01%、198.06%。經過復水處理后,從R3到R10,MDA含量顯著降低,與D10相比,R3降低了11.51%,R5降低了33.83%,R10降低了39.90%,此外,復水處理階段,R3、R5、R10與同期CK相比,仍存在顯著或極顯著差異。結果表明,干旱對文冠果的脅迫作用使葉片內MDA含量顯著增加,通過復水處理可以降低MDA含量,然而需要一定恢復時間。

2.4 干旱-復水處理對文冠果幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

對干旱脅迫下體內積累的氧自由基,植物有一套完整的抗氧化酶系統,SOD、CAT、POD等組成了抗氧化酶系統,在清除氧自由基過程中發揮著重要作用[14]。由圖4可以看出,CK組中文冠果葉片內SOD、CAT、POD活性處在一個較穩定的動態平衡中,而干旱-復水處理組中SOD、CAT、POD活性變化趨勢相似,在干旱脅迫階段,先升高后降低,在復水處理階段,同樣是先升高后降低。

在干旱脅迫階段,與同期CK相比,D5時,SOD、CAT、POD活性分別顯著或極顯著升高了18.04%、62.62%、22.59%,D7時,SOD、CAT、POD活性分別極顯著升高了43.23%、74.22%、44.54%,而在D10時,SOD、CAT、POD活性均呈現斷崖式下降,與D7時相比,分別降低了37.13%、31.99%、21.92%,這一結果與同期葉片內SP含量下降趨勢相似,也進一步驗證了SP含量下降的原因。

在復水處理階段,R3、R5、R10時,葉片內SOD、CAT、POD活性均高于同期CK組,R3和R5時,SOD、CAT、POD活性均呈現升高趨勢,在R5時達到最大值,分別為177.63、612.47、21.85 U/mg,在R5到R10時,又呈下降趨勢,此時的SOD、POD均略高于CK組,但差異不顯著,而CAT則與CK組存在極顯著差異。出現這一結果原因可能是重度干旱期葉片內氧自由基和MDA大量積累,使抗氧化酶活性顯著降低,在復水恢復階段,干旱脅迫逐漸解除,抗氧化酶活性逐漸增強以清除大量積累的氧自由基和MDA,當細胞內積累的代謝產物被逐漸分解后,細胞的氧化應激作用得到恢復,從而使體內抗氧化酶活性下降,慢慢恢復到正常水平[15]。上述結果表明,干旱脅迫初期顯著提高了抗氧化酶活性,在重度脅迫時,抗氧化酶活性顯著降低,這一結果在一定程度上反映了文冠果幼苗難以抵抗重度干旱,而復水處理可以緩解干旱的脅迫,通過提高抗氧化酶活性,使細胞內氧化和抗氧化逐漸恢復到動態平衡,從而改善干旱對葉片細胞造成的氧化應激損傷。

2.5 干旱-復水處理對文冠果幼苗葉片葉綠素含量的影響

植物的生長發育離不開光合作用,而葉綠素是光合作用的機器,可以將光能轉化為碳水化合物,為植物生長提高能量,在受到環境脅迫時,植物可以動態地調節葉綠素含量和比例,協調控制光合作用強弱[16]。因此,植物體內葉綠素含量變化在一定程度上可以反映環境的脅迫作用。由圖5可以看出,葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量變化趨勢大致相同,隨著土壤干旱程度增加,其含量均先升高后降低,在輕度干旱時達到最高,分別為1.55、0.38、1.93 mg/g,與CK組相比,均存在顯著差異,在重度干旱時,含量均最低,分別為1.32、0.26、1.58 mg/g,同樣與CK組相比,均存在顯著差異。在復水處理后,R3到R10之間,葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量均先增加后降低,在R5時,其含量均出現了超補償效應,與CK組相比,分別增加了6.18%、12.9%、7.26%,在R10時,其含量又恢復到了CK組水平?？梢?文冠果在干旱-復水處理期間,葉片內葉綠素含量一直在進行動態調整,經過干旱脅迫后,復水處理可以促進幼苗葉片內葉綠素的合成,從而維持正常的光合作用。

2.6 干旱-復水處理對文冠果幼苗葉片光合參數的影響

由圖6-A可知,CK組的Pn在試驗期間波動較小,而干旱-復水處理組中,干旱和復水處理均對文冠果葉片Pn產生了較大影響。在干旱脅迫階段,隨著干旱脅迫程度的增加,Pn呈顯著下降趨勢,D5、D7、D10分別較同期CK組下降了20.65%、54.35%、67.49%?？梢?干旱對文冠果葉片的光合作用具有顯著負影響。在復水處理階段,從D10開始復水到R10期間,Pn顯著增加,與D10相比,R3、R5、R10的Pn分別增加了1.05、1.64、2.24倍,在R10時,干旱-復水處理組Pn甚至高于CK組,但差異不顯著?？梢?復水處理能充分緩解干旱對文冠果造成的脅迫作用,在經過10 d的復水處理后,Pn出現了超補償現象。

由圖6-B可知,文冠果葉片的Gs變化趨勢與Pn相似,干旱和復水處理均對Gs造成了顯著影響。在干旱脅迫階段,土壤干旱程度越大,葉片Gs越小,這意味著葉片可通過關閉氣孔降低光合作用來響應干旱脅迫作用。與同期CK組相比,D5、D7、D10的Gs分別下降了27.08%、58.82%、77.77%,與Pn相比,干旱脅迫下Gs的下降速度較快,說明在干旱脅迫過程中,葉片氣孔的關閉速度大于光合作用的下降速度。在復水處理階段,復水處理顯著或極顯著提高了葉片的Gs,隨著復水時間的增加,Gs逐漸升高,在R10時,干旱-復水處理組的Gs高于同期的CK組,可見,復水處理下文冠果葉片Gs同樣出現了超補償效應。

由圖6-C和圖6-D可知,干旱處理下,葉片的Tr和Ci均顯著或極顯著降低,同樣隨著干旱脅迫程度的加深,Tr和Ci下降程度越大。在D5、D7、D10時,與同期CK相比,Tr和Ci分別下降了17.61%、58.28%、80.43%和17.17%、37.64%、63.31%。復水處理下,D10到R5時,葉片Tr和Ci呈現陡坡勢上升,在R5到R10時,葉片Tr和Ci上升幅度較小,與D10相比,R3、R5、R10時Tr和Ci分別提高了2.09、4.15、4.34倍和0.62、1.61、1.85倍,在R5、R10時,Tr和Ci與同期CK差異不顯著。可見,復水處理5 d后,能使干旱脅迫下的Tr和Ci恢復到CK組水平。

2.7 干旱-復水處理下文冠果幼苗生理特性和光合參數的相關性分析

由圖7可知,4個樣本A、B、C、D分別在4個不同的象限內,組間樣本比較分散,而各組內樣本之間距離很短,且所有樣本均在95%置信橢圓內,說明組間樣本可以通過變量區分開,組內樣本間的重復性比較好,均具有統計學意義。從坐標軸上可知,PC1的變異系數為70.4%,PC2的變異系數為23.8%,總共可以解釋94.2%以上的方差,說明主成分圖里顯示的文冠果生理特性指標和光合參數指標能夠比較好地對干旱-復水處理作出響應。

從表1可以看出,SS含量與葉綠素含量、光合參數呈現極顯著負相關,SP與葉綠素含量呈現一定的正相關,但相關系數均低于0.5,而與光合參數相關系數均低于0.25,顯示出較差的相關性;Pro、MDA含量均與葉綠素含量、光合參數呈顯著或極顯著負相關,SOD、CAT活性與葉綠素含量呈正相關而與光合參數呈現負相關,但相關性均不顯著。結果表明,葉綠素含量、光合參數、SS含量、Pro含量、MDA含量對干旱-復水處理下文冠果的響應較大,干旱-復水處理下葉綠素含量、光合參數和SS、SP、MDA含量是耦聯在一起的。

3 討論

3.1 滲透調節作用對文冠果幼苗干旱-復水處理的響應

滲透調節作用是植物應對逆境脅迫維持正常生長的主要響應機制之一,植物體內的滲透調節有2種,一種是由Pro、SS和SP組成的有機滲透調節物質,其主要通過調節細胞質的滲透勢來緩解外界環境的脅迫作用;另一種是由大量無機離子組成的無機滲透調節物質,其主要通過調控無機離子濃度維持細胞的膨壓,從而提高植物的抗逆性[17]。研究表明,植物葉片中的滲透調節作用主要依靠有機滲透調節物質,而植物根系中的滲透調節作用主要依靠無機離子[18]。干旱對植物造成的滲透脅迫,會使葉片中Pro、SS大量積累,從而提高細胞內的滲透勢,保護細胞內正常的活性代謝[19]。Wang等在研究干旱對番茄的脅迫作用時,發現干旱脅迫提高了葉片中Pro、SS含量,干旱程度越大,滲透物質的積累越高[20];Shen等在研究干旱對越南紅山茶的作用機制時同樣發現,干旱下葉片內滲透調節物質含量明顯升高[21]。本研究的結果同樣顯示,干旱脅迫程度越大,文冠果葉片內Pro、SS含量越高,這與上述學者研究干旱對植物葉片滲透的作用相似。另外,本研究中文冠果葉片中SP含量隨著土壤脅迫程度的升高而出現先升高后降低的趨勢,這主要是由于在重度干旱脅迫下,葉片內積累的大量活性氧抑制了細胞內抗氧化酶和一些活性蛋白活性,從而導致SP含量下降,這一結果與Song等[22]、馬亞珺等[23]研究大豆、紫花苜蓿對干旱脅迫的響應機制結果相同。結果表明,文冠果幼苗在受到干旱脅迫時,可通過調節葉片內Pro、SS和SP的含量來響應干旱的脅迫作用。

當植物所處的逆境脅迫解除后,其獨特的自我調節能力和相應的作用機制會發揮作用。研究表明,植物在干旱脅迫后進行復水處理,一定程度上可以緩解幼苗的生長發育能力[24]。徐珍珍等研究顯示,紫花苜蓿在干旱脅迫后通過復水處理,其體內Pro、SS、SP可以恢復到正常水平[25];胡艷等研究表明,在干旱脅迫后進行復水處理,黑果腺肋花楸可通過自身調節作用來調控葉片內滲透物質含量,使其適應土壤的干旱脅迫[26]。本研究結果與這些研究結果相似,在本研究中,文冠果在干旱復水處理后,葉片內的Pro、SS和SP含量均逐漸恢復到正常對照組水平,結果表明,文冠果幼苗在受到一定程度的干旱脅迫后可通過復水處理進行緩解,可見,文冠果具有一定的干旱適應能力。

3.2 氧化應激作用對文冠果幼苗干旱-復水處理的響應

植物在干旱脅迫下,細胞內會積累大量的氧自由基,產生氧化脅迫,使細胞內氧化應激水平急劇升高,另外,氧自由基還會誘發膜脂過氧化產生脂質過氧化物丙二醛(MDA),導致細胞膜結構出現一定程度的損傷,從而導致植物的生長發育受到抑制。本研究中,文冠果幼苗在受到不同程度的干旱脅迫時,葉片內MDA含量隨著干旱程度加深而逐漸升高,抗氧化酶活性則出現先升高后降低趨勢,這主要是因為在輕度干旱和中度干旱時,文冠果葉片內積累的活性氧,使細胞內氧化和抗氧化平衡被打破,氧化應激水平升高,MDA含量隨之升高,為防止細胞受到氧化損傷,體內的抗氧化防御系統會被激活,從而提高抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性來清除過多的活性氧,而當文冠果在重度干旱脅迫時,大量積累的活性氧導致細胞受到嚴重的氧化損傷,抗氧化酶活性反而被抑制。邢鈺坤等研究顯示,干旱脅迫下內蒙古文冠果幼苗葉片內抗氧化酶活性會急劇上升[27];權伍榮研究同樣顯示,文冠果幼苗的抗氧化酶活性隨干旱程度的加深,抗氧化酶活性會逐漸降低[28]。本研究結果與上述學者的研究結果相似。

研究表明,植物經過干旱脅迫后,采用復水處理,在短期內可以提高抗氧化酶活性,清除過多的活性氧,降低細胞的氧化應激水平,表現一定的緩解干旱脅迫的自我修復能力[29]。本研究結果顯示,文冠果在重度干旱后經復水處理,葉片內抗氧化酶活性急劇升高,隨著復水時間的延長,抗氧化酶活性又恢復到正常對照組水平。Mu等發現,干旱脅迫初期激活了冬小麥的抗氧化酶活性,在脅迫后期抗氧化活性呈下降趨勢,在復水處理后,抗氧化酶活性先升高后降低[30];謝志玉等以二年生文冠果苗為試驗材料研究干旱和復水處理,結果顯示,隨著干旱脅迫程度提高,CAT活性先升高后降低,復水處理后,CAT活性顯著升高,后逐漸降低[31]。本研究結果均與這些研究結果一致。

3.3 光合作用對文冠果幼苗干旱-復水處理的響應

在干旱脅迫下,保持較高的光合作用對維持植物的生長發育和作物產量具有重要意義。在逆境脅迫下,光合系統活性會被抑制,主要體現在水分利用率下降、光合速率下降、葉片氣孔導度關閉,蒸騰作用減弱,胞間CO2濃度降低等。研究表明,干旱脅迫會顯著降低植物的光合性能,且脅迫作用越強,光合性能下降趨勢越明顯,然而在復水后光合性能會產生過補償或補償效應[32]。植物在輕度的干旱脅迫下,光合作用下降主要是葉片氣孔關閉所致,而在重度干旱時,則是由非氣孔因素引起。為了適應干旱脅迫環境,植物通過降低蒸騰作用、關閉氣孔等來降低光合作用,對體內的能量進行重新分配。本研究結果顯示,隨著干旱脅迫程度增加,文冠果葉片的Pn、Gs均顯著降低,在輕度脅迫時,Gs的下降速度明顯快于Pn,此時氣孔因素是導致文冠果光合作用下降的主要因素,在重度脅迫時,觀察到Pn、Gs的下降速度較一致,這可能是由于體內復雜的抗旱機制起著主要作用。Tr和Ci同樣隨著干旱程度的加大而逐漸降低,說明文冠果在受到干旱脅迫后可通過降低Tr和Ci來減少植物體內水分的喪失,從而維持一定的光合作用,本研究結果與Hao等[33]、Wang等[34]對干旱復水下小?？Х群涂购档镜墓夂献饔媒Y果相似。在干旱后的復水處理階段,隨著復水時間的增加,文冠果Pn、Gs、Tr和Ci均逐漸恢復到同期對照組水平,可見,短期的重度干旱對文冠果的脅迫作用是可逆的。此外,文冠果在干旱脅迫下,葉綠素含量還會出現一定變化。本研究結果顯示,文冠果在干旱脅迫后,葉片內葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量均發生了不同程度的變化,輕度干旱時,葉綠素含量出現小幅上升,在中度干旱和重度干旱時,葉綠素含量為下降趨勢,在復水處理后,葉綠素含量又呈現上升趨勢,在復水后10 d時,葉綠素含量維持在正常對照組水平。南思睿等研究表明,新疆大葉苜蓿在干旱7 d時,葉綠素含量隨著干旱脅迫程度升高而降低,在復水后3 d時,葉綠素含量與對照組差異不顯著[6],本研究結果與之類似。可見,復水處理對干旱后文冠果葉綠素含量的恢復具有一定作用。

4 結論

隨著土壤干旱脅迫程度的增加,吉林文冠果幼苗的根系活力逐漸下降,葉片中Pro、SS、MDA含量逐漸升高,SP含量和SOD、CAT、POD活性以及葉綠素含量均先升高后降低,葉片光合參數Pn、Gs、Tr和Ci則逐漸下降,另外,通過相關性顯示,葉綠素含量、光合參數和SS、SP、MDA之間的耦聯較好。在復水后,根系活力逐漸上升,MDA含量逐漸下降,SOD、CAT、POD活性先升高后降低,但在復水10 d時,根系活力、MDA含量、CAT活性均未恢復到正常對照組水平,而葉片中Pro、SS、SP、葉綠素含量和SOD、POD活性以及光合參數均恢復到了同期對照組水平。結果表明,文冠果幼苗在復水處理后,其生理特性指標均出現了補償或過補償現象,由此反映出吉林文冠果幼苗具有較強的干旱適應性和復水后的自我調節能力。