河西走廊6个唐古特白刺地理种群苗期叶片生理特性比较研究

王维芳，李毅，苏世平，王维睿

(甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州　730070)



河西走廊6个唐古特白刺地理种群苗期叶片生理特性比较研究

王维芳，李毅，苏世平，王维睿

(甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070)

摘要：【目的】 为唐古特白刺种质资源筛选及开发提供参考.【方法】 以河西走廊自东向西6个地理种群唐古特白刺幼苗为研究对象，分析了丙二醛、过氧化物酶、超氧化物歧化酶、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素a+b、叶绿素a/b 8个生理生化特征的差异及这些性状之间的关联.【结果】 保护酶系统POD、SOD均存在极显著差异(P<0.01)，具体表现为，酒泉2个种群地的保护酶指标均显著地高于武威和张掖的；渗透调节物质可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸均表现出极显著差异(P<0.01)，酒泉2个种群地的含量也高于其他两地；膜脂氧化产物丙二醛在种群间的差异不显著(P>0.05)； 6个种群的CHL(a+b)、CHL a/b含量差异极显著(P<0.01)；性状间的Pearson相关性分析表明，指标间有不同程度的相关性，多数指标随环境的变化趋势是一致的.【结论】 沿河西走廊自东向西唐古特白刺幼苗在生理生化特性所测得的结果与综合生态因子的变化存在着梯度变化与观察到生境类型相互吻合，反映出对不同环境的适应策略.

关键词：地理种群；唐古特白刺；生理特性；河西走廊

唐古特白刺(Nitrariatangutorum)为蒺藜科(Zygophyllaceae)白刺属(Nitraria)旱生、超旱生灌木，又名白刺、酸胖、白茨，属于潜水旱生植物,主要生长在荒漠草原地带及荒漠地带有风积沙的粘土上,以白刺沙包形式生长[1]，是地中海-中亚荒漠区系灌木层片中的优势种和建群种之一，也是我国特有种，分布于西藏东北部、甘肃、青海、新疆、内蒙古西部、宁夏西部、陕西北部的湖盆地区和风沙沿线[2].唐古特白刺有抗旱、抗寒、抗风沙、耐盐碱、抗热、耐贫瘠等生态适应特性，在稳定沙漠、保护绿洲中起着重要作用[3].近几年，中国学者对唐古特白刺属植物从化学成分的分析、分离及鉴定[4-6]、遗传多样性[7]、种源选择[8]进行了大量研究.

河西走廊气候为干燥少雨的温带沙漠气候，唐古特白刺天然分布区的生态环境异质化程度较高，不同地区由于生态条件(气候特点、地理环境、土壤条件和生物因素等)不同，使不同地理种群唐古特白刺的生理功能因环境不同存在差异，在长期的进化过程不同生态环境条件下的白刺逐步顺应生长环境，从而形成了唐古特白刺不同种群间生理遗传的差异性.本文拟通过对河西走廊不同地域的唐古特白刺实生幼苗叶片生理生化指标进行测定，分析其变化规律，以期为唐古特白刺种质资源筛选及开发提供理论参考.

1材料与方法

1.1研究材料

试验材料唐古特白刺来自于河西走廊，自东向西分别为武威民勤扎子沟(WW1)、武威民勤沙井子(WW2)、张掖甘州龙渠(ZY1)、张掖临泽(ZY2)、酒泉金塔(JQ1)、酒泉瓜州锁阳(JQ2).各采种地理位置及环境参数见表1.

表1　6个地理种群地理位置及环境参数

1.2幼苗培养及试验地概况

于2012年8月分别收集6个种群唐古特白刺的种子.所收集的种子在20 ℃下干燥保存.于2013年3月开始于武威市林业技术中心温室育苗，温室内温度25 ℃，湿度75%，挑选籽粒饱满无病虫害的种子，播种在盛有砂质土壤的塑料培育钵中，播种后定时定量浇水，使幼苗不受水分限制，在18～25 ℃的室温下培养.待幼苗苗龄6个月，按不同种群选取生长优良，无病害植株的叶片，每个种群选取10个单株，每个单株3次重复，采集样本后，立即放入液氮中保鲜，带回实验室后进行以下生理生化指标的测定.

1.3测定指标及测定方法

超氧物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性的测定采用江苏科铭试剂公司的试剂盒，按说明方法进行测定；游离脯氨酸(Pro)含量采用磺基水杨酸提取法[9]；可溶性糖含量(SS)采用蒽酮比色法[10]；丙二醛含量(MDA)采用硫代巴比妥酸比色法[9]；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法[10]；叶绿素(ChL)相关指标采用丙酮比法测定[11].

1.4数据处理

2结果与分析

2.1不同地理种群唐古特白刺SOD、POD活性比较

SOD、POD等酶类是细胞抵御活性氧伤害的重要保护酶系统，它们在清除超氧自由基、过氧化氢和过氧化物以及阻止或减少羟基自由基形成等方面起着重要作用.超氧化物歧化酶以催化O2-发生歧化作用起到清除O2-的解毒作用[12].6个地理种群唐古特白刺SOD、POD的活性差异性达极显著性水平(FSOD=5.89**，FPOD=11.21**).由图1可以看出，从东向西唐古特白刺2种酶活性变化均呈逐渐上升的趋势，JQ1的SOD、POD达到最大值.

2.2不同地理种群唐古特白刺3种渗透调节物质比较

6个地理种群唐古特白刺所测定的可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸含量在种群之间的差异性达到

极显著性水平(FSS=17.36**，FPro=31.75**，FSP=9.28**).如表2所示，可溶性蛋白含量和脯氨酸含量自东向西逐渐升高，但可溶性蛋白变化幅度比较小，从WW2到JQ1可溶性蛋白质量分数升高了7.239 mg/g，变化幅度不明显，而脯氨酸含量最低点WW2到最高点JQ1升高了99.153 μg/g，可溶性糖含量的变化总体趋势是自西向东降低的，而WW1可溶性糖质量分数比其余各点明显偏低，达到6个种群的最低点12 012.26 μg/g.

图1　6个地理种群唐古特白刺叶片抗氧化酶活性变化Fig.1　Change of anti-oxidative enzymes,activity in leaves of N.tangutorum from six populations

地理种群可溶性蛋白/(mg·g-1)可溶性糖/(μg·g-1)脯氨酸/(μg·g-1)JQ120.01±1.61cC12164.42±59.56cbB204.34±11.60cBJQ219.82±2.80cC12193.26±16.00cB194.69±10.98cbBZY118.75±0.41cCB12183.96±2.18cbB170.51±18.31bBZY217.07±1.44cbCB12165.03±5.44cbB176.02±8.91bBWW114.88±1.30baBA12012.26±19.68aA103.43±14.20aAWW212.77±1.37aA12134.68±19.94bB105.18±15.27aA

同列数据肩标不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)；同列数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

2.3不同地理种群唐古特白刺丙二含量比较

植物器官在逆境下受到伤害，通常发生膜脂的过氧化作用，产生脂类过氧化物、丙二醛等，其中丙二醛(MDA)是膜脂过氧化最重要的产物之一，其含量的高低反映了细胞膜脂过氧化水平[13].6个地理种群唐古特白刺丙二醛的差异性不显著(FMDA=36.31).如图2所示，唐古特白刺叶片含量自东向西不断升高，但上升的幅度不同，从WW2到WW1的MDA含量有较大幅度的增加，然而从ZY2到JQ1增加幅度较小，JQ1种群的MDA质量摩尔浓度最高，为1.81 μmol/g，WW2种群的MDA质量摩尔浓度最低，为0.46 μmol/g.

2.4不同地理种群唐古特白刺叶绿素含量及叶绿素a/b的比较

6个地理种群唐古特白刺叶绿素a+b和叶绿素a/b的差异性均达到极显著差异(Fa+b=5.12**，Fa/b=31.73**).如图3所示，自东向西，总体趋势是升高的，除WW2种群唐古特白刺叶片叶绿素a+b含量明显低于其他点外，其余各种群唐古特白刺叶片叶绿素a+b含量差异不明显；叶绿素a/b的变化自东向西总体趋势是下降的，但整体趋势不明显，变化幅度只有0.07.

图2　6个地理种群唐古特白刺叶片丙二醛含量变化Fig.2　Change of MDA contents in leaves of N.tangutorum from six populations

2.5生理指标的相关性分析

对6个地理种群唐古特白刺叶片生理指标进行Pearson相关分析，如表3所示，POD、SOD、可溶性蛋白、脯氨酸、丙二醛除与叶绿素a/b呈极显著负相关外(-0.689**、-0.692**、-0.640**、-0.759**、-0.529**)，与其他指标都呈极显著正相关(P<0.01)；可溶性糖与丙二醛和叶绿素a+b呈现正相关，但并不显著(P>0.05)；丙二醛与叶绿素a+b呈显著正相关(P<0.05)；叶绿素a+b与叶绿素a/b表现出负相关关系，但并不显著(P>0.05).

图3　6个地理种群唐古特白刺叶片叶绿素含量以及叶绿素a/b变化Fig.3　Change of chlorophyⅡcontent and Chla/b in leaves of N.tangutorum from six populations

表3　不同种群唐古特白刺幼苗生理指标的相关性分析

*表示显著相关，**表示极显著相关.

3讨论与结论

纬度的变化体现了温度的变化，即纬度越高温度越低，而经度的变化反映了水分状况的变化，即经度越小降水越少，不同地区由于生态条件(气候特点、地理环境、土壤条件和生物因素等)不同，在长期的进化过程使不同生态环境条件下的白刺逐步顺应生长环境[14]，形成了与气候因素(例如温度、降水、光照等)相适应的分布格局[15].通常认为，决定大尺度植被分布格局及植物形态结构差异的因素主要为温度和降水等气候因子[16].而在小尺度上，影响植物形态结构差异主要是由微环境导致，如地形条件(海拔)、土壤母质性质、土壤盐分含量、土壤水分条件及其他生物因素[17].

植物对环境的适应性与其保护酶含量密切相关[18]，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)能有效地清除自由基，是酶促防御体系的重要组成成分，能有效的保护植物并通过自身的调节最大可能的适应环境.从本文相关性分析也得出：POD、SOD分别于MDA呈极显著正相关，JQ1、JQ2种群的MDA含量较高，即膜脂过氧化程度高即对其膜脂过氧化反应敏感，表明环境异质性越高，膜脂过氧化反应积累的产物越多，清除自由基的酶活性越高.

渗透调节功能及其机制是植物在长期进化过程中所演化出的适应环境的机制和策略，是其能够忍耐长期不利环境的重要生理基础[19].基于渗透调节物质含量对唐古特白刺6个种群的研究结果发现，3个渗透调节物质的含量都呈上升的趋势，但是上升的幅度不同，可溶性蛋白的变化趋势最为平缓，而脯氨酸和可溶性糖的变化相对剧烈，具有“互补”的特点，这也是植物长期进化过程中应对环境的策略，这与冯祥元等在研究不同种源地云杉时也发现渗透调节物质具有补偿策略[20].

有研究认为，不同植物代谢产生不同渗透调节物质[21]，也有研究发现，同一植物的不同地理种群，其主要渗透物质存在差异[22].不同物种或同一物种不同种群，渗透调节产生的最终的结果使植物能够维持合适的渗透势来适应周围多变的环境.研究结果表明，可溶性糖、可溶性蛋白等有机溶质对细胞的渗透势的贡献率往往在50%以上，且在逆境下能够发生显著变化[23]，因而有机溶质含量的测定对于了解植物应对所处生境的渗透调节机制是非常重要的[19].除渗透调节外，脯氨酸还可作为自由基清除剂起保护作用，从而增强植物的抗旱性[13]，这也是在相关性分析中，这三种指标两两的相关性呈极显著相关的进一步解释.

MDA是脂质过氧化的最终分解产物[24]，且MDA的积累与膜透性的增加呈极显著的正相关.本实验发现，MDA含量较高的种群为JQ1、JQ2，与种群所在生境的降水量少，蒸发量有很大关系，这一结果充分说明了MDA含量与植株所在生境受干旱胁迫的程度相关，这与马成仓等在研究甘蒙锦鸡儿时也发现来源于更干旱生境中的种群具有较高的MDA含量的研究结果一致[25].

叶绿素是植物进行光合作用的主要物质，叶片叶绿素含量高，有利于植物捕获更多的光能为光合作用所利用[26].从东向西6个种群唐古特白刺叶片的叶绿素a+b含量变化趋势是上升的，含量高的种群JQ1、JQ2也许由于样地环境异质性高群落盖度小，物种种类少且密度低，植物来维持高的光合潜力，从而快速生长、快速恢复或维持其在群落中的地位.而WW1、WW2叶绿素含量低，也许由于降水的相对充分，群落植物种类多而密度高，植物对光和空间的竞争较大，植物将更多的能量用于竞争.不同地理种群唐古特白刺叶绿素含量的差异表明植物叶绿素含量与其对环境的适应是相关的，是环境敏感性指标.叶绿素a/b的变化范围只有0.07，但是方差分析的结果是6个种群间的差异性及显著，也说明叶绿素a/b是对外界环境反映的敏感指标.

参考文献

[1]赵振东,王常贵,尹林克，等.新疆白刺属植物的解剖观察[J].干旱区研究,1985(17):46-49

[2]李林芝,邵麟惠,于应文，等.柴达木荒漠草原4种灌木叶片解剖结构与其抗旱性的研究[J].草原与草坪,2009,134(4):20-23

[3]吴丽芝,刘果厚,马秀珍.蒺藜科四种旱生植物叶结构的比较解剖及其系统学意义[J].内蒙古林学院学报：自然科学版,1998,4(20):20-26

[4]努尔巴衣·阿布都沙力克,潘晓玲.白刺属植物的化学成分分析及系统学意义[J].新疆大学学报：自然科学版,2003,20(l):50-54

[5]孟红梅,李彩霞.唐古特白刺果实红色素稳定性研究[J].食品科学,2006,27(8):72-75

[6]段金廒,周荣汉,赵守训,等.唐古特白刺叶黄酮类及酚酸类成分的分离鉴定[J].植物资源与环境,1999,8(l):6-9

[7]张晓明.内蒙古白刺属植物遗传分化及其适应性的研究[D].内蒙古：内蒙古农业大学，2005

[8]高暝,李毅,苏世平,等.渗透胁迫下不同地理种源白刺的生理响应[J].草业学报,2011,20(3):99-117

[9]郝再彬,苍晶,徐仲.植物生理实验[M].哈尔滨:哈尔滨大学出版社,2004：101-108

[10]李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].高等教育出版社,2003：110-11

[11]张宪政.植物叶绿素含量测定方法比较研究[J].沈阳农业大学学报，1985,16(4):81-84.

[12]黄颜梅,张健,罗成德.西藏柏木抗旱生理研究[J].四川林业科技,1998,19(4):31-36

[13]沈业杰,尹光华,佟娜,等.玉米抗旱相关生理生化指标研究及品种筛选[J].干旱区资源与环境,2012,26(4):176-180

[14]陈志刚,谢宗强,郑海水.不同地理种源西南桦苗木的耐热性研究[J].生态学报,2003,23(11):2327-2332

[15]康萨如拉,牛建明,张庆,等.短花针茅叶片解剖结构及与气候因子的关系[J].草业学报,2013,22(1):77-86

[16]胡建莹,郭柯,董鸣.高寒草原优势种叶片结构变化与生态因子的关系[J].植物生态学报,2008,32(2):370-378

[17]邓彦斌,姜彦成,刘健.新疆10种藜科植物叶片和同化枝的旱生和盐生结构的研究[J].植物生态学报,1988,22(2):69-75

[18]王金龙,赵念席,徐华,等.不同地理种群大针茅生理生化特性的研究[J].草业学报,2011,20(5):42-48

[19]Quarrie SA,Stojanovic J,Pekic S.Improing drought resistance in small-frained cereals:A case study,progress and prospects[J].Plant Growth Regulation,1999,29:1-21

[20]冯祥元,于祝英,种培芳.不同种源地云杉的苗期抗旱性评价[J].甘肃农业大学学报,2012,47(1):95-102

[21]Patakas A,Nikolaou N,Zioziou E,et al.The role of organic solute and ion accumulation in osmotic adjustment in drought stressed grapevines[J].Plant Science,2002,163(2):361-367

[22]Mead J F.Free radical mechanisms of lipid damage and consequences for cellular membranes[M]∥Free Radical in Biology.NewYork:Academic Press,1976

[23]冯建灿,张玉洁,杨天柱.低温胁迫对喜树幼苗SOD活性、MDA和脯氨酸含量的影响[J].林业科学研究,2002,15(2):197-202

[24]朱新强,张新颖,师尚礼,等.干旱胁迫下 4个苜蓿品种根系抗旱性的比较[J].甘肃农业大学学报,2012,47(1):103-107

[25]马成仓,高玉葆,李清芳,等.内蒙古高原不同生境条件下甘蒙锦鸡儿水分调节特性和抗逆性的比较研究[J].应用生态学报,2006,17(2):187-191

[26]郭欧英,谢良生,雷江丽,等.遮荫对华南毛蕨叶绿素含量及荧光参数的影响[J].广东林业科技,2009,25 (2):23-25

(责任编辑李辛)

Physiological characters ofNitrariatangutorumfrom six geographical populations in Hexi corridor,Gansu

WANG Wei-fang,LI Yi，SU Shi-ping WANG Wei-rui

(College of Forestry ,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 In order to provides reference for germplasm resources and development of Nitraria tangutorum .【Method】Taking Nitraria tangutorum seedling from 6 populations in Hexi corridor as subject,Eight physiological characteristics including malondialdehyde (MDA),peroxidase activity,superoxide dismutase(SOD),proline content,soluble sugar,soluble protein,content of chlorophyll a + b and chlorophyll a/b were measured to analyze the difference and correlation among the indicators.【Result】 POD and SOD anti-oxidative enzyme,activity presented significant differences among six populations(P<0.01) and the POD and SOD activity of seedlings in two Jiuquan popultion were significantly higher than that in Wuwei and Zhangye.The Osmotic adjustment substance content including soluble sugar ,soluble protein ,proline all appeared significant differences among six populations(P<0.01) and the three indictors in two Jiuquan popultion were significantly higher than other two populations.The difference in MDA content was not significant(P>0.01).The content of chlorophyll a + b,chlorophyll a/b of six populations differed significantly (P<0.01) .【Conclusion】 The indexes had some degree of correlation and most of them changed consistently along environment tested by Pearson correlation analysis.Physiological characteristics of Nitraria tangutorum seedlings from east to west of Hexi corridor were identical with gradient change of comprehensive ecological factors and the habitat type reflecting adaptive strategies to different environment.

Key words：geographic populations;Nitraria tangutorum;physiological characteristics;Hexi corridor

通信作者：李毅，男，教授，博士生导师，主要从事林木遗传育种及西北抗旱灌木种质资源收集与保护研究.E-mail:liyi@gsau.edu.cn

基金项目：国家国际科技合作专项(2012DFR30830)；科技部农业科技成果转化资金项目(2014GB2G100134).

收稿日期：2014-10-29；修回日期：2014-11-20

中图分类号：Q 949.752.6

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)01-0102-05

第一作者：王维芳(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为西北抗旱灌木.E-mail：15095368195@163.com