持续干旱下4个柳树无性系生理生态适应性研究

台秀国，杨振亚，李波，曹振玉，曹帮华

(山东农业大学农业生态与环境重点实验室，山东 泰安 271000)



持续干旱下4个柳树无性系生理生态适应性研究

台秀国，杨振亚，李波，曹振玉，曹帮华*

(山东农业大学农业生态与环境重点实验室，山东 泰安 271000)

摘要：为比较柳树无性系对干旱胁迫生理生态适应性的差异，通过盆栽试验研究了持续干旱胁迫下4个柳树无性系一年生扦插苗渗透调节、保护酶活性等指标的动态变化。研究结果表明，随着干旱胁迫时间的增加，电导率、丙二醛逐渐增加；4个无性系渗透调节物质脯氨酸、可溶性糖和保护酶系统过氧化物酶、超氧化物歧化酶在胁迫过程中整体呈上升的趋势，随着胁迫程度的加强，抗旱性弱的无性系最先表现出下降的趋势。利用主成分分析所有生理生态指标，对4个无性系抗旱性进行综合评价。

关键词：干旱胁迫；渗透调节；保护酶；主成分分析；抗旱性

干旱是对植物生长影响最大的环境因素之一[1]。据统计，全世界由于干旱导致的作物和林木减产，超过了其他因素造成的减产的总和。而随着生态环境的不断恶化，更加剧了水分对树木成活与生长的制约。目前，世界上有1/3以上的土地经常遭受干旱胁迫[2]，要解决这些地区的造林技术难题，必须遵循适地适树的原则，因此木本植物抗旱性及其适应机制研究是其造林树种选择的基础，是关系到该地区造林成败的关键因素之一。

柳树(Salix)是我国四大用材树种之一，同时也是优良的能源林树种。柳树一年中生长期较长，对环境的适应性强，一些种较耐干旱和盐碱，能够在生态条件较恶劣的地方生长，是优良的水土保持树种[3]，因此，柳树是土地干旱地区造林的适宜树种。

目前，柳树干旱胁迫下的形态、生理适应性方面已有研究[4-6]，但关于比较不同柳树无性系对干旱胁迫的适应能力的综合评价研究较少。本试验通过研究4个柳树无性系在持续干旱胁迫下的生理生化指标变化，探索其生理生态适应机制及差异，为柳树抗旱品种的选育与应用提供了理论依据。

1材料和方法

1.1试验地概况

试验地设在山东农业大学林学站温室(E117°11′，N36°16′)，属于温带大陆性气候，年平均气温12.8℃，气温变幅为-14.2～37.5 ℃，年大于10℃的积温为4 283.1 ℃，无霜期186.6 d。年降水量600～700 mm，春季干旱严重，降水分布不均，年均相对湿度65%。土壤为沙壤土，容重1.307 g/cm3，pH=7.09，肥力中等。试验用温室大棚的温度可控制在20～30 ℃范围内，湿度可控制在60%～90%范围内。

1.2供试材料

选取了A87、A95、A44、A97四个柳树无性系1年生扦插苗为试验材料。4个柳树无性系及其采集地见表1。

表1　供试材料

1.3试验方法

1.3.1试验设计

于2015年5月10日进行扦插，花盆规格为35 cm×35 cm，7月20日选取生长状况良好且长势相似的幼苗移入温室中，正常管理。采用完全随机区组试验设计，每组5盆，3次重复。于7月30日17时将所有幼苗一次性浇透，之后不再浇水，7月31日上午8时开始，每隔2天取样测定其相对电导率、丙二醛(MDA)、脯氨酸、可溶性糖、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)及土壤含水量，共计4次，于8月9日结束。

1.3.2测量方法

用烘干法测土壤含水量：用铝盒在距盆底8 ～ 12 cm处取土样，铝盒开盖置于烘箱中，105 ℃下烘6 h；用环刀测定田间持水量。

土壤含水量(%)=(湿重-干重)/(干重-铝盒重)×100%，

土壤相对含水量(%)=土壤含水量/田间持水量×100%。

细胞膜透性的测定采用电导仪法；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)的测定采用氮蓝四唑(NBT)法； 过氧化物酶(Peroxidase ，POD)的测定采用愈创木酚法；丙二醛的测定采用硫代巴比妥酸法；脯氨酸的测定采用酸性茚三酮法比色法；可溶性糖的测定采用蒽酮乙酸乙酯法。以上测定方法参照文献[7]。

1.3.3数据处理

使用Excel对试验数据进行整理、作图；用SPSS进行无性系和胁迫时间的双因素方差分析，并进行最小显著性差异法(least-significant difference，LSD)检验(差异显著性为P<0.05)；利用主成分分析法对各个指标进行综合分析排序。

2结果与分析

2.1土壤含水量

土壤含水量的变化主要是由土壤蒸发和苗木蒸腾决定的。表2中相邻两次土壤相对含水量的变化分别降低了25.8%、19.45%、15.78%。因此，胁迫初始阶段相对含水量下降迅速，随着干旱时间的增加，相对含水量下降速度减缓，第10 d时，土壤相对含水量下降到25.48%。随着胁迫时间的增加，土壤含水量逐渐降低，胁迫程度不断加强。

表2　土壤含水量

2.2细胞膜透性

生物膜的结构和功能对植物逆境适应性起重要作用，在逆境条件下，往往导致细胞内电解质外渗，使植物组织浸泡液的电导率增长。因此可以根据测定植物组织浸泡液的电导率来反映生物膜的受损程度，衡量其抗旱性。

由图1可以看出，各柳树无性系在水分胁迫条件下其叶片的相对电导率的变化趋势相同，都是逐渐变大。方差分析表明，无性系(F=49.63，P<0.01)、胁迫时间(F=183.09，P<0.01)和交互作用(F=10.16，P<0.01)均差异极显著。多重比较发现，A95和A97两个无性系之间差异不显著(P>0.05)，其他无性系间差异显著(P<0.05)；在1～4 d，叶片相对电导率变化不大(P>0.05)；7～10 d，相对电导率迅速增大(P<0.05)。

图1　干旱胁迫下叶片相对电导率的变化Fig.1　Variation of leaf relative conductivity under drought stress

2.3丙二醛(MDA)含量

丙二醛(MDA)是植物在受到环境因子胁迫时质膜的过氧化产物之一，植物受到水分胁迫，导致活性氧积累和膜脂过氧化损伤，MDA含量明显增加。因此，在通常情况下MDA可作为干旱伤害的指标[8-9]，反映细胞膜脂过氧化程度和植物在逆境条件下反应的强弱。

图2　干旱胁迫下叶片MDA含量的变化Fig.2　Variation of leaf MDA content under drought stress

由图2可以看出，除A44的MDA含量在第1～4 d略有降低，随着干旱持续时间的增加，各无性系的MDA含量均呈现逐渐增多的趋势。方差分析表明，无性系(F=367.46，P<0.01)、胁迫时间(F=1 252.44，P<0.01)和交互作用(F=54.83，P<0.01)均差异极显著。多重比较发现，各无性系之间差异显著(P<0.05)，干旱时间之间差异显著(P<0.05)。A44的MDA含量最低，说明其活性氧的清除能力最强，具有较强的抗旱性。

2.4脯氨酸含量

脯氨酸是细胞中的一种重要的渗透调节物质，在植物受到逆境胁迫时，细胞内产生大量脯氨酸，从而降低渗透压，维持细胞的正常形态，保证植物的生命活动得以正常进行。

由图3可以看出，在干旱胁迫下，不同无性系之间游离脯氨酸的含量表现出差异，在1 ～ 4 d，变化较小且增减不一，但随着干旱持续时间的增加，游离脯氨酸累积量逐渐增多。到第10 d，各无性系脯氨酸含量从大到小依次为A44、A87、A95、A97，其中A44和A87为初始含量的3.9和4.8倍，说明抗旱性强的无性系在严重干旱胁迫下，脯氨酸累积量多，其含量变化率也大。方差分析表明，无性系(F=35.63，P<0.01)、胁迫时间(F=282.70，P<0.01)和交互作用(F=9.97，P<0.01)均差异极显著。多重比较发现，A87、A44、A95三个无性系之间差异不显著(P>0.05)，其他无性系间差异显著(P<0.05)；干旱时间之间差异显著(P<0.05)。

图3　干旱胁迫下脯氨酸含量的变化Fig.3　Variation of proline content under drought stress

2.5可溶性糖含量

可溶性糖是植物进行渗透调节最重要的有机物质，它也是合成别的有机溶质的碳架和能量来源，对细胞膜和原生质胶体亦有稳定作用，还可在细胞内无机离子浓度高时起保护酶类的作用。有人指出在干旱条件下，细胞内渗透调节物质特别是K+和可溶性糖的积累是反映抗旱性强弱的有效指标之一[10]。

图4　干旱胁迫下可溶性糖含量的变化Fig.4　Variation of soluble sugar content under drought stress

由图4可以看出，随着胁迫时间的增加，4个柳树无性系可溶性糖含量呈上升趋势。方差分析表明，无性系(F=13.70，P<0.01)，胁迫时间(F=69.18，P<0.01)和交互作用(F=3.07，P<0.01)均差异极显著。多重比较发现，除无性系A87和A44差异不显著(P>0.05)，其他无性系之间差异显著(P<0.05)；各无性系可溶性糖含量在第1～7 d均显著增加(P<0.05)，在7～10 d变化不明显(P>0.05)，A44、A87增长缓慢，而A95、A97可溶性糖含量减少。不同无性系在胁迫后期可溶性糖累积量低于干旱胁迫前、中期时的积累量，这表明了渗透调节作用的有限性。

2.6过氧化物酶(POD)活性

过氧化物酶(POD)是清除植物体内的H2O2的关键酶，与植物的抗逆能力密切相关。由于不同植物抗旱能力不尽相同，POD 活性变化幅度会产生差别，故可以将在水分胁迫条件下POD活性变化幅度作为品种间抗旱能力判断的生物化学指标[11]。

由图5可以看出，在1～4 d时各无性系POD活性变化表现不一，有增有减，但变化不大；4～7 d时，4个无性系的POD活性都有不同程度的增大；7～10 d时，A97的POD活性降低，其它三个无性系POD活性增大速率也减缓。方差分析表明，无性系(F=57.64，P<0.01)、胁迫时间(F=127.55，P<0.01)和交互作用(F=7.82，P<0.01)均差异极显著。多重比较发现，各无性系间差异显著(P<0.05)；在4～10 d时，各无性系POD活性变化差异不显著(P>0.05)。干旱胁迫下，各无性系POD变化率最大的是A95，也仅为初始值的1.82倍，因此POD对干旱胁迫的反应不敏感。

图5　干旱胁迫下叶片POD活性的变化Fig.5　Variation of leaf POD activity under drought stress

2.7超氧化物歧化酶(SOD)活性

超氧化物歧化酶(SOD)是以氧自由基为底物的第一个酶类，常被认为是关键酶[12]，能在逆境下清除O2-，保护膜结构，从而使植物在一定程度上忍耐、抵抗水分胁迫。

图6　干旱胁迫下叶片SOD活性的变化Fig.6　Variation of leaf SOD activity under drought stress

由图6可以看出，轻度胁迫下，SOD活性略有下降，但变化不大，证明植物具有一定的自我调节能力。随着胁迫时间的增加，各无性系均表现出先增后减的变化趋势，在胁迫的末期，SOD活性下降，说明随着胁迫程度的增强，SOD作为保护酶对植物的保护作用是有限的。方差分析表明，无性系(F=20.36，P<0.01)，胁迫时间(F=43.52，P<0.01)差异极显著，无显著交互作用(F=1.05，P>0.05)。多重比较发现，A95和A97差异不显著(P>0.05)，其他无性系间差异显著(P<0.05)；在第7～10 d时，SOD活性变化较小，差异不显著(P>0.05)。A44的SOD活性最强，说明其有较强适应干旱的能力。

2.84个柳树无性系抗旱性综合评价

本研究用4个柳树无性系的6个抗旱指标进行主成分分析，对各个无性系的抗旱性进行综合评价[13]，其中负相关性指标取其数值的倒数进行分析[14]。

由表3可知，第1、2主成分累积贡献率达86.511%。根据各个性状对应的特征向量值大小可知，对第1主成分影响较大的性状依次为脯氨酸、可溶性糖、过氧化物酶和超氧化物歧化酶，这4个性状的向量值均为正值，说明第1主成分值越大，无性系的这4个性状值就越大，该无性系抗旱性较强；对第2主成分影响较大的性状是相对电导率和丙二醛，这两个性状的向量值均为正值，说明第2主成分值越大，无性系的这两个性状值就越大，该无性系抗旱性较差。

表3　干旱胁迫处理对无性系生理指标的主成分分析

表4　4个无性系的抗旱能力

3讨论

渗透调节对水分胁迫的反应，是能使植物忍耐水分亏缺的一种重要的生理机制，是植物在低水势下抗干旱的一种重要方式。水分胁迫下，植物通过主动积累细胞内溶质以降低细胞渗透式，增加吸收土壤水分的能力，维持细胞正常生命活动的进行。本研究参与渗透调节的物质是脯氨酸和可溶性糖，虽然在干旱胁迫的各阶段有不同的变化规律，但整体上二者都呈现出上升的趋势，表明干旱胁迫下渗透调节能力增强。

脯氨酸累积与抗旱性之间的关系是一个复杂的问题，许多研究表明，脯氨酸作为渗透调节物质，在植物遭受逆境胁迫时不断积累，因此可以以脯氨酸的积累来衡量植物的抗旱性。但是，其他一些研究却发现，二者之间相关性并不明显。罗音等[16]在对银杏等5个树种干旱胁迫下脯氨酸含量变化的研究中发现，脯氨酸的累积更近乎是严重干旱胁迫下的一种反应特征。Hanson[17]也认为脯氨酸累积只是植株在严重缺水时的一种损伤表现。本研究中，各无性系在干旱胁迫下脯氨酸含量均不断增加，但是脯氨酸对于干旱胁迫的适应性意义并不十分明确，还需作大量深入细致的工作。

本研究发现，叶片可溶性糖含量在干旱胁迫第1天到第7天快速增加，在第10天增加缓慢甚至降低。这是因为干旱胁迫初期，由于光合速率的迅速下降，光合产物的运输受阻，使得叶片可溶性糖含量升高[18]；而随着干旱持续时间的增加，干旱胁迫程度不断加强，叶片光合速率下降，呼吸作用逐渐增加，光合产生的有机物被逐渐消耗，导致干旱胁迫后期可溶性糖含量迅速降低。

植物体内的酶保护系统能消除或减弱逆境条件下产生的活性氧对细胞质膜的破坏，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)是膜脂过氧化防御系统的主要保护酶。本研究可以看出轻度胁迫下SOD、POD活性略有降低，说明酶保护系统是一种反馈调节，植物对干旱胁迫具有一定的适应性。通常情况下，活性氧的累积与清除在细胞内能保持一定水平的动态平衡，随着胁迫强度的加大，细胞失水加重，氧自由基积累量远远超出POD、SOD 所能清除的能力，因此POD、SOD活性降低，膜脂发生强烈的过氧化作用，丙二醛大量积累，同时膜流动性降低，膜透性加强。因此MDA 和质膜相对透性是植物遭受逆境伤害的常用指标[19]。

4结论

在胁迫过程中，植物会经历不受影响阶段、积极的生理调整阶段和失去控制阶段[20]。随着干旱胁迫强度增加，柳树无性系通过脯氨酸含量、可溶性糖含量积累进行渗透调节；SOD、POD作为抗氧化酶消除活性氧对质膜的损坏，增强植物对干旱的适应性；相对电导率和丙二醛的变化指示植物生物膜遭到破坏的程度。通过主成分分析的综合评价得到，各无性系抗旱性强弱依次为A44、A87、A95和A97。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.017

收稿日期：2015-12-17

基金项目：国家林业公益性行业科研专项(201404107)；山东省重点研发计划(2015GNC111026)

作者简介：台秀国(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为柳树抗旱性和柳树种质资源遗传多样性。 *通讯作者，曹帮华。Email:caobanghua@126.com

中图分类号：S792.12

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)03-0097-08

Ecophysiological adaptation of fourSalixclones under persistent drought stress

TAI Xiu-guo,YANG Zhen-ya, LI Bo, CAO Zhen-yu, CAO Bang-hua*

(Key Laboratory of Agricultural Ecology and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an 271000, China)

Abstract∶To compare the difference of ecophysiological adaptation of four Salix clones, we addressed the dynamic variation of osmotic adjustment and protective enzyme activities of their annual cutting seedlings under persistent drought stress by pot experiments. Results show that relative electrical conductivity and malondialdehyde gradually increase with the increase of drought stress time. Their proline, soluble sugar and activities of peroxidase and superoxide dismutas totally increase. Drought resistance capability of poor drought resistance clones first decreases with the increase of drought stress. We comprehensively evaluate drought resistance of the four Salix clones with principal component analysis based ecophysiological indexes.

Key words∶drought stress; osmotic adjustment; protective enzyme; principal component analysis(PCA ); drought resistance