水分胁迫对幼苗期霸王叶片生理特性的影响

冯 燕，王彦荣，胡小文

(兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州 730020)

霸王(Zygophyllumxanthoxylum)为蒺藜科霸王属强旱生小灌木，广泛分布于我国西北部干旱荒漠草地，它不仅是干旱荒漠区天然草地的优良牧草,也是良好的固沙植物，具有重要的生态和饲用价值[1-3]。阿拉善荒漠地区长期的干旱环境使其在生理和形态上形成了一系列对水分亏缺的适应特性和调节能力。已有对霸王光合特性、种子萌发、幼苗生长和渗透调节的研究报道[4-9]。而对水分胁迫下霸王叶片维持水分平衡能力与提高水分利用效率的变化，及其与耐旱性关系的综合研究不多。本研究通过比较幼苗期霸王各叶片生理特性因子对水分胁迫的响应，从而进一步了解霸王对干旱环境的适应机理。

1 材料与方法

1.1材料与试验设计 供试霸王种子于2000年采自内蒙古阿拉善，贮藏于4℃待用。2005年6月25日开始进行盆栽试验，将种子播种于体积为4 L的塑料盆中，所用基质为2∶1(v∶v)混合的沙土(取自阿拉善)与粘土(取自兰州大学校园)，基质氮、钾和磷含量分别为48、102和112 mg/kg。称量法使土壤水分保持在40%的田间持水量，待种子出苗后15 d，每盆留大小一致的幼苗20株。

采用完全随机区组试验设计，2005年7月15日所有花盆被随机分成3组进行水分胁迫试验。设置3个水分处理，分别为正常供水(最大持水量的45%),中度干旱(最大持水量的30%)和重度干旱(最大持水量的15%)。每个水分处理15盆，共45盆。为避免水分蒸发散失，土壤表面覆盖一层沙子，试验期间采用称量法控制水分，每天浇水1次。同时为防止自然降水对处理的影响，试验在兰州大学草地农业科技学院实验楼的玻璃温室中进行，试验期间的日温在15～43℃。

1.2测定项目与方法 水分处理1个月后(2005年8月15日)开始指标测定。

1.2.1叶生长指标的测量 9月10日试验结束后，每个处理中选取15株生长一致的幼苗，将每个单株的叶片小心摘下。统计总叶数(TNL)，用称量法测定叶生物量(LDM)，采用Li-3100型叶面积测定仪(Li-cor，USA)测定叶面积(LA)。

比叶面积(SLA)=(TNL×LA)/LDM

1.2.2叶片水分特征的测定 每个处理中选取10个单株并做标记，摘下完全展开的第3叶放入自封袋。其中的5片叶用露点水势仪(Wescor,USA)测定叶清晨水势和中午水势，另5片叶用饱和称量法测定叶片相对含水量(RWC)。

1.2.3叶绿素的测定 按照李合生方法[10]，将所取叶片擦净称量后，剪碎加入5 mL 80%丙酮研磨提取叶绿素，转入刻度试管中，定容至20 mL，室温下于暗处提取1～2 h。把叶绿体色素提取液倒入比色杯中，用分光光度计在波长663和645 nm下测定吸光度，按公式计算叶绿素a(chla)和叶绿素b (chlb) 含量：

chla=12.72D663-2.59D645；

chlb=22.88D645-4.67D663。

1.2.4气孔特性 从每个处理中随机选取5个单株，撕下第3叶片靠近中间维管束的叶表皮，用配有40倍物镜和10倍目镜的光学显微镜观察统计表皮细胞数(ED)和气孔数(SD)，用Image Pro Plus软件测定了气孔的密度、长度、宽度，按照Meidner和Mansfield法计算气孔指数(SI)[11]：

1.2.5水分利用效率 长期水分利用效率(WUEt)为水分处理期间的生物量增量(试验末生物总量减去水分处理前生物总量)与生长期总水分消耗量的比值。

1.3数据统计与分析 试验数据采用SPSS 13.0进行统计分析，用单因素方差分析比较不同处理间各指标的差异，Excel作图。

2 结果与分析

2.1水分胁迫对叶片生长特性的影响 随着水分胁迫程度的加剧，幼苗期霸王的总叶面积和单叶面积逐渐减小，重度胁迫下与中度胁迫和对照之间均显著差异(P<0.05)。同时严重胁迫使总叶数急剧减少，与中度胁迫处理和对照相比，分别减少了51.2%和47.5%。重度胁迫时比叶面积下降，但各处理间无明显差异(P>0.05)(表1)。

2.2水分胁迫对幼苗叶水势和叶片相对含水量的影响 水分胁迫显著降低了幼苗期霸王的叶清晨水势和中午水势(P<0.05)，重度胁迫比对照分别下降39.5%和25.4%(图1)。同一水分梯度下，由于午间蒸腾失水，叶片水分亏缺，引起叶水势的下降，使得中午水势均低于清晨水势。水分胁迫时其叶片相对含水量也呈降低趋势，但中度胁迫下与重度胁迫和对照均无显著性差异(P>0.05)，重度胁迫比对照仅下降了11.3%(图2)。这说明水分胁迫引起土壤中可利用水分的减少，直接反映在叶水势和叶片相对含水量的降低上。

图1 不同水分胁迫下霸王的叶水势

图2 不同水分胁迫下霸王的相对含水量

2.3水分胁迫对叶片叶绿素含量的影响 随土壤可利用水分的降低，霸王幼苗期叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量增加，并且叶绿素a的增加小于叶绿素b的增加，表现为叶绿素a/b值减小(表2)，但各处理之间无显著差异(P>0.05)。

表2 不同水分处理下霸王叶绿素含量的变化

2.4气孔特性 水分胁迫显著增加了幼苗期霸王叶片的气孔数和表皮细胞数(P<0.05)，而气孔指数各处理间变化不明显(表3)。气孔长度、宽度对水分胁迫反应敏感，重度胁迫、中度胁迫、对照之间差异显著(P<0.05)。

表3 不同水分胁迫下霸王的气孔特性

2.5水分利用效率及其与叶片生理特征之间的相关性分析 幼苗期霸王的长期水分利用效率随水分胁迫程度的加剧逐渐提高。WUEt与叶片各生理指标的相关分析表明，WUEt与气孔密度极显著正相关(P<0.01)；WUEt与气孔指数极显著负相关(P<0.01)；WUEt与叶水势呈显著负相关(P<0.05)；而比叶面积、叶绿素含量与WUEt均无显著相关(表 4)。

表4 水分利用效率与叶片生理特征的相关系数

3 讨论与结论

叶片是植物体暴露在环境中面积最大的器官，对外界环境的反应最为敏感，最容易适应环境而改变它的形态和结构[12-13]。生长在干旱环境中的植物，叶片在结构上主要向着降低蒸腾、增强储水性和提高光合方面发展[14]。幼苗期霸王的总叶面积和单叶面积随水分胁迫程度的加剧而不断减小，严重干旱胁迫引起总叶数的急剧减少。单叶面积和叶数的降低，造成幼苗总叶面积减小，反映出幼苗期霸王在水分胁迫时通过减小蒸腾面积减少水分的丢失，从而维持水分平衡，这是植物对水分不足的一种适应机制。比叶面积能够反映植物获取资源的能力，严重干旱时比叶面积减小，低的比叶面积能更好地适应干旱环境[15]，同时比叶面积在各处理间无明显差异说明霸王幼苗比叶面积不易受叶片结构的影响[16]。

叶片水势可用来衡量水分移动的能量大小[17]。水分胁迫降低了幼苗期霸王的叶清晨水势和中午水势。较低的叶片水势建立起更高的土壤-植物-大气水分梯度，叶水势降低，有利于从土壤中吸收水分，减弱水分亏缺。水分胁迫显著降低了幼苗期霸王的叶清晨水势和中午水势，表现出较强的抗旱性。叶片相对含水量能真实地反映土壤缺水时植物体内水分的亏缺程度以及植物的保水能力[18]，叶片相对含水量高时，植物的保水能力强，细胞受环境的影响较小[19-20]。水分胁迫时，霸王幼苗叶片相对含水量也呈降低趋势，重度胁迫比对照仅下降了11.3%，降幅不大，表现出较强的保水能力。霸王作为荒漠生境中的强旱生植物，对干旱环境具有较强的适应性。

叶绿素是光能吸收的主要物质，直接影响植物光合作用的光能利用[16]。水分胁迫时霸王幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量增加，但无显著差异。干旱胁迫时，叶绿素含量增加，幼苗获取光能的能力增加，以保证高效能的光合来维持生长发育。叶绿素a较叶绿素b稳定[21]，致使叶绿素a的增加小于叶绿素b的增加，叶绿素a/b值减小。

气孔是植物与外界环境进行气体交换的主要通道，控制着水分的流出与CO2的流入，影响着蒸腾与光合的过程，起着十分重要的作用。气孔的调节能力是植物适应干旱逆境的重要方式之一[22-23]。有研究表明[24]，水分胁迫会引起气孔数的增多，气孔开口减小，气孔导度下降。与此一致，水分胁迫引起幼苗期霸王叶片气孔数的显著增多，同时气孔长度和宽度显著减小，气孔导度降低，减少了水分丢失。

水分利用效率是植物抗旱特性一个客观评价指标，高水分利用效率是分布在干旱区植物适应干旱环境的节水对策[25]。在干旱条件下，叶片的适应性变化主要有利于水分保持和水分利用效率的提高[26]。水分胁迫促使幼苗期霸王的长期水分利用效率提高，说明霸王以提高水分利用效率这种适应方式来忍耐水分胁迫。水分利用效率与气孔密度和气孔指数极显著相关，气孔成为影响霸王幼苗水分利用效率的最主要因素，一旦出现水分胁迫便通过增加气孔密度、减小气孔开度，降低气孔导度来提高水分利用效率。水分利用效率与叶水势呈显著负相关，叶水势越低，水分利用效率越高。

综上所述，霸王长期生长在阿拉善干旱荒漠区，已发展出一系列机制适应干旱胁迫。水分胁迫下幼苗期霸王通过减小叶面积，降低叶水势和叶片相对含水量，以减少水分散失，增强叶片储水性；通过增加叶绿素含量，降低气孔导度来保证高效的光合作用，提高水分利用效率。霸王作为干旱区强旱生小灌木对荒漠区干旱环境具有很强的适应性。

[1] 胡小文,王彦荣,武艳培.荒漠草原植物抗旱生理生态学研究进展[J].草业学报,2004,13(3):9-15.

[2] 余进德,胡小文,王彦荣,等.霸王果翅及其浸提液对种子萌发的影响[J].西北植物学报,2009,29(1):143-147.

[3] 吴彩霞,周志宇,庄光辉,等.强旱生植物霸王和红砂地上部营养物质含量及其季节动态[J]草业科学,2004,21(3):30-34.

[4] 曾彦军,王彦荣,庄光辉,等.红砂和霸王种子萌发对干旱和播深条件的响应[J].生态学报,2004,24(8):1629-1634.

[5] 曾彦军,王彦荣,保平,等.几种生态因子对红砂和霸王种子萌发与幼苗生长的影响[J].草业学报,2005,14(5):24-31.

[6] 杨鑫光,傅华,张洪荣,等.水分胁迫对霸王苗期叶水势和生物量的影响[J].草业学报,2006,15(2):37-41.

[7] 杨鑫光,傅华,牛得草.干旱胁迫下幼苗期霸王的生理响应[J].草业学报,2007,16(5):107-112.

[8] Wang S M,Wan C G,Wang Y R.The characteristics of K+、Na+and free praline distribution in several drought resistant plants of the Alxa desert,China[J].Journal of Arid Environments,2004,56:525-539.

[9] Wu Y P,Hu X W,Wang Y R.Growth, water relations,and stomatal development ofCaraganakorshinskiiKom.andZygophyllumxanthoxylum(Bunge) Maxim.seedlings in response to water deficits[J].New Zealand Journal of Agricultural Research,2009(2):52.

[10] 李合生.植物生理化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2000.

[11] Meidner H,Mansfield T A.Physiology of Stomata[M].London：McGraw-Hill,1968.

[12] Castro-Diez P,Puyravaud J P,Cornelissen J H C.Leaf structure and anatomy as related to leaf mass per area variation in seedlings of a wide range of woody plant species and types[J].Oecologia,2000,124:476-486.

[13] Kocsis M,Darok J,Borhidi A.Comparative leaf anatomy and morphology of some neotropicalRondeletia(Rubiaceae) species[J].Plant Systematics and Evolution,2004,248:205-218.

[14] 杨九艳,杨劼,杨明博,等.鄂尔多斯高原锦鸡儿属植物叶的解剖结构及其生态适应性[J].干旱区资源与环境,2005,19(3):175-179.

[15] 韦福民,张晓燕,刘鹏.不同海拔对七子花叶片色素含量、含水量及比叶面积的影响[J].亚热带植物科学,2007,36(1):1-4.

[16] 毛伟,李玉霖,赵学勇.3种藜科植物叶特性因子对土壤养分、水分及种群密度的响应[J].中国沙漠,2009，29(3):468-473.

[17] 蒲光兰,肖千文.水分胁迫下核桃叶片生理生化特性[J].安徽农业科学,2009,37(5):1909-1911.

[18] 单长卷,任永信,戚建华.土壤干旱对冬小麦幼苗生长和叶片生理特性的影响[J].干旱地区农业研究,2006,24(5):105-108.

[19] 祁娟,徐柱,王海清,等.旱作条件下披碱草属植物叶的生理生化特征分析[J].草业学报,2009,18(1):39-45.

[20] 宋海鹏,刘君,李秀玲,等.干旱胁迫对5种景天属植物生理指标的影响[J].草业科学,2010,27(1):11-15.

[21] 刘遵春,陈荣江,包东娥.干旱胁迫对金光杏梅叶片渗透调节物质和光合作用的影响[J].华北农学报,2008,23(1):119-122.

[22] Beeding D J,Chaloner W G.The impact of atmospheric CO2and temperature changes on stomatal density:observations from quercus robber lammas leaves[J].Annals of Botany,1993,71:231-235.

[23] Cowan I K.Stomatal physiology and gas exchange in the field[A].In：Steffen W L.Flow and Transport in the Natural Environment: Advances and Application[M].New York:Springer-Verlag,1982:160-172.

[24] Whitehead D,Beadle C L.Physiological regulation of productivity and water use inEucalyptus:a review[J].Forest Ecology and Management,2004，193:113-140.

[25] 邓雄,李小明,张希明,等.多枝柽柳气体交换特性研究[J].生态学报,2003,23(1):180-187.

[26] 蒋龙,尹俊,孙振中.4种画眉草抗旱性比较[J].草业科学,2009,26(11):64-72.