持续干旱对油茶叶片及根系生理生化指标的影响

许彦明， 陈永忠， 陈 勇, 陈隆升， 彭嘉栋

(1.湖南省林业科学院 国家油茶工程技术研究中心, 湖南 长沙 410004； 2.浏阳市林业局, 湖南 长沙 410300； 3.湖南省气候中心, 湖南 长沙 410007)

持续干旱对油茶叶片及根系生理生化指标的影响

许彦明1， 陈永忠1， 陈 勇2, 陈隆升1， 彭嘉栋3

(1.湖南省林业科学院 国家油茶工程技术研究中心, 湖南 长沙 410004； 2.浏阳市林业局, 湖南 长沙 410300； 3.湖南省气候中心, 湖南 长沙 410007)

以“湘林52” 2年生油茶嫁接苗为材料，采用盆栽的试验方法，利用自然干燥法获得控水梯度，测定持续干旱条件下油茶苗叶片光合色素，叶片及根系(D≤2 mm)丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶生理生化指标，研究其对干旱胁迫的生理响应。结果表明：随着干旱程度的增加，叶片光合色素含量持续降低(P<0.05)；叶片及根系丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量均持续增加(P<0.05)，叶片可溶性蛋白含量持续降低(P<0.05)，根系可溶性蛋白含量先增加后下降(P<0.05)；叶片及根系超氧化物歧化酶活性持续增加(P<0.05)，过氧化物酶和过氧化氢酶活性均呈先升高后降低的变化趋势(P<0.05)。当土壤相对含水量高于30.6%时，复水后油茶苗能恢复正常生长；当土壤相对含水量低于21.1%时，复水后油茶苗不能恢复正常生长。

油茶； 持续干旱； 生理生化； 盆栽试验

水分是影响植物生长发育的重要因子之一，也是影响植物生产力和经济效益的限制因子[1]。研究发现，短期或轻度的土壤干旱会引起植物叶片气孔导度下降，影响光合作用[2]；长期而严重的干旱会破坏叶片的形态结构，引起植物落花落果[3]，进而影响植物的产量和品质[4-5]。因此，深入了解植物的干旱适应能力，对增加植物产量和提高其品质具有重要的意义。油茶(Camelliaoleifera)是我国南方主要的经济树种，与油棕(Verniciafordii)、油橄榄(Oleaeuropaea)和椰子(Cocosnucifera)并称世界四大木本食用油料树种，多分布于南方低山丘陵地区[6]。已有研究表明，在干旱环境下，油茶通过叶片和根系形态结构的变化，以及改变体内保护酶活性、渗透性调节物质和内源激素含量来增强对不良环境的适应和抵抗能力[6-8]。目前，油茶造林多以轻基质嫁接苗为主，而关于油茶轻基质嫁接苗在持续干旱胁迫下叶片和根系生理特性变化的研究尚不多见。为此，作者研究了持续干旱胁迫时间不同的油茶叶片和根系生理特性的变化，以期为油茶抗旱措施的制定提供科学依据。

1 试验区概况

湖南省林业科学院试验林场位于113°01′30″E、28°06′40″N。该区气候属亚热带季风湿润气候，其气候温和，四季分明，年平均气温17.5 ℃，1月平均气温4.6 ℃，7月平均气温28.6 ℃，年日照时数1841.8 h，年无霜期275天，年均降雨量1378 mm，年均相对湿度81%；土壤系第四纪红色粘土网纹层母质发育的酸性红壤，土层深厚，多在1 m左右，但石砾较多，pH值在4.5～5.5之间。

2 材料与方法

2.1试验材料

试验材料为油茶“湘林52” 2年生轻基质(草炭∶珍珠岩∶椰糠=5∶3∶2)嫁接苗。3月底选择生长健壮、长势一致的油茶苗进行盆栽(28 cm×30 cm)，每盆栽1株，盆中装风干土壤4 kg。土壤田间持水量40.2%，pH值4.3；全N、全P含量分别为2.68、0.48 g/kg，碱解氮、有效磷含量分别为86.8、10.15 mg/kg。盆栽苗放置在四侧通风透光的大棚下正常栽培管理。试验期间大棚内气温为19.3～39.0 ℃，平均全天气温为26.9 ℃。

2.2试验方法

2.2.1 干旱胁迫和复水试验 于2015年6月选择长势一致的盆栽苗，试验前1天每盆幼苗均浇透水，使土壤充分吸水达到饱和，以后不再浇水，让其自然变干。在浇水后的第1天、7天、14天、21天、28天分别观测油茶苗形态的变化。由于第28天油茶叶片失绿变褐，只在第1天、7天、14天和21天采集了样品。采集的样品为成熟的叶片和直径≤2 mm的根系。每次采样均选取9盆油茶苗，每3盆油茶苗的样品混合为1份样品，共计3份样品，即3次重复。样品放入冰盒迅速带回实验室，用去离子水清洗后擦干，放于-70 ℃冰箱中保存。另在干旱胁迫的第7天、14天、21天和28天进行复水试验，以观测油茶苗是否能恢复生长。复水试验是取样后选取9盆油茶苗每天均浇透水，连续观测油茶苗生长变化情况。室内样品测定均重复3次。

土壤含水量采用烘干法测定，土壤田间持水量采用环刀法测定。土壤相对含水量为土壤含水量与土壤田间持水量的比值。

2.3数据处理

用Excel对数据进行整理，采用SPSS 16.0对数据进行统计分析；用单因素方差分析( one-way ANOVA) 和最小显著差异法( LSD) 比较不同干旱胁迫程度各处理的差异。用sigmaplot(SYSTAT公司，10.0)作图。

3 结果与分析

3.1干旱胁迫对叶片外部形态的影响

油茶叶片第1天至第7天颜色逐渐变浅，由深绿变为绿色；第14天叶片及新梢出现萎蔫现象；第21天下部叶片及嫩芽变褐；第28天叶片失绿变褐，植株出现死亡现象。复水试验发现，第7天、第14天复水油茶能恢复正常生长，此时土壤相对含水量分别为51.0%、30.6%，第21天以后复水油茶苗不能恢复正常生长，此时土壤相对含水量低于21.1%。

3.2干旱胁迫对叶片光合色素含量的影响

图1结果表明： 油茶叶片光合色素含量随着干旱胁迫时间的增加表现出相似的变化趋势。叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和类胡萝卜素(Car)含量均随胁迫时间的增加而减少，均在第21天达到最低值，含量分别为1.18±0.06、0.39±0.03和0.24±0.01 mg/g。干旱胁迫处理1天的Chla、Chlb、Car含量与7天、14天、21天的差异均达显著(P<0.05)，14天的与21天的差异不显著。

图1 持续干旱胁迫下叶片光合色素含量的变化Figure 1 Change of photosynthetic pignent content under drought stress注：不同字母表示不同胁迫时间之间差异显著(P<0.05)。

3.3干旱胁迫对丙二醛及渗透调节物质含量的影响

图2结果显示： 油茶叶片和根系丙二醛及渗透调节物质含量随着干旱胁迫时间的增加表现出相似的变化趋势。叶片和根系丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量均随胁迫时间的增加而增加，均在第21天达到最大值，丙二醛含量分别为20.60±0.66、17.67±1.48 nmol/g，脯氨酸含量分别为19.41±0.40、42.43±3.66 μg/g，可溶性糖含量分别为235.18±11.28、102.66±6.47 nmol/g。叶片可溶性蛋白含量随着胁迫时间的增加而减少，在第21天达到最低值，其含量为7.15±0.88 mg/g；根系可溶性蛋白含量表现为先升高后下降的变化趋势，在第14天达到最大值，其含量为17.08±0.27 mg/g。经检验，干旱胁迫处理时间对叶片和根系丙二醛、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响显著(P<0.05)。

图2 持续干旱胁迫下MDA及渗透调节物质含量的变化Fig.2 Changes of MDA and osmoregulation substance content under drought stress注：不同小写字母表示叶片的渗透调节物质含量在不同胁迫时间之间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示根系的渗透调节物质含量在不同胁迫时间之间差异显著(P<0.05)。下同。

3.4干旱胁迫对保护酶活性的影响

油茶叶片和根系酶活性随着干旱胁迫时间的增加表现出相似的变化趋势(见图3)。叶片和根系SOD酶活性均随胁迫时间的增加而增加，在第21天均达到最大值，SOD酶活性分别为494.26±6.80、509.71±16.75 U/g·FW。叶片和根系POD、CAT酶活性均表现为先升高后下降的变化趋势，均在第14天达到最大值，POD酶活性分别为802.05±87.08、590.64±71.48 U/(g·min)·FW，CAT酶活性分别为328.04±12.30、182.18±1.40 U/(g·min)·FW。经检验，干旱胁迫处理时间对叶片和根系SOD、POD和CAT酶活性的影响显著(P<0.05)。

图3 持续干旱胁迫下保护酶活性的变化Fig.3 Changes of protective enzyme activities under drought stress

4 结论与讨论

本研究发现，持续干旱使油茶叶片出现卷曲、逐渐失绿变褐的现象。这与其它油茶品种在不同干旱程度下叶片形态变化规律相似[11]。叶片卷曲使其气孔导度下降，明显降低了蒸腾强度及水分的损失[2]。同时也发现，油茶叶片光合色素Chla、Chlb和Car含量均随干旱胁迫程度增加而减少，与王新建等对楸树[12]以及王宇超等对滨藜及沙棘[13]研究的结果相似。这可能是由于干旱胁迫抑制了叶绿体片层中Chla/b-Pro复合体的合成[14]，或是由于干旱胁迫程度的增加引起植物体内活性氧的累积，进而引发叶绿素的破坏[12]。

干旱胁迫会引起植物体内产生大量O2-和H2O2等具有强氧化能力的活性氧，从而造成膜脂过氧化反应生产MDA，使氧化膜的有序性降低、结构破坏，最终影响细胞的物质代谢[15]。本研究表明，随着干旱胁迫程度的加深，油茶叶片及根系MDA含量均增加，与已有研究的结果相似[8,16]。这说明干旱胁迫使油茶叶片及根系发生膜脂过氧化，而且干旱程度越大质膜损害程度越大，进而影响叶片细胞内叶绿素的结构和含量及根系对水分的吸收能力[16-17]。

干旱胁迫下，植物细胞会主动增加渗透调节物质来增强植物的吸水和保水能力[18]。本研究表明，随着干旱程度的增加，油茶叶片及根系脯氨酸和可溶性糖含量均不断积累，与已有研究的结果相似[8,16]。这说明，当植物遭受干旱胁迫时，细胞会通过作为植物体内重要有机渗透调节物质的脯氨酸和可溶性糖的积累进行渗透调节，从而增强细胞保水能力[19]。干旱胁迫处理初期，油茶根系可溶性蛋白含量表现出增加趋势。这说明根系细胞内不溶性蛋白质变为可溶性蛋白质以增强渗透调节能力，有利于细胞维持较低的渗透势水平，从而增加根系吸水保水能力，这是油茶苗在干旱环境下的一种保护性反应。根系在胁迫后期以及叶片在整个胁迫时期，可溶性蛋白含量均随着干旱胁迫的加剧而下降。一方面可能是由于蛋白酶活性升高，使其水解加快，降解后的蛋白质形成脯氨酸等其他具有调节功能的氨基酸[16]；另一方面可能是由于膜脂过氧化作用，抑制细胞内蛋白质合成代谢，造成蛋白质含量下降[17]。

SOD、POD和CAT是植物体内清除活性氧的重要抗氧化酶，多数研究表明，抗氧化酶的活性越高，植物的抗旱性越强[19-20]。本研究中，在干旱胁迫初期，油茶叶片和根系SOD、POD和CAT酶活性均升高，以增强对植物体内O2-和H2O2等活性物质的清除；到胁迫后期，SOD酶活性持续升高，而POD和CAT酶活性均下降。这表明SOD对O2-具有较强的清除能力，以降低O2-对膜脂的过氧化作用，但其所转化的H2O2需通过POD、CAT等其他抗氧化酶清除[16]，此时POD和CAT酶活性下降，表明随着干旱胁迫的加重，细胞抗氧化能力逐渐降低，从而增加了体内活性氧的积累及膜脂的氧化程度。

[1] Lewandowski I,Kicherer A,Vonier P.CO2Balance for the cultivation and combustion of Miscanthus[J],Biomass and Bioenerg,1995,8(4):81-90.

[2] 金千瑜,欧阳由男,禹盛苗，等.土壤干旱胁迫对不同水稻品种叶片卷曲的影响[J].中国水稻科学,2003，17(4):60-65.

[3] 陈永忠,罗健,陈隆升，等.湖南省油茶旱害及防治对策[J].经济林研究,2014，32(3):22-29+53.

[4] 王瑞辉,钟飞霞,廖文婷，等.土壤水分对油茶果实生长的影响[J].林业科学,2014，50(12):40-46.

[5] 刘洋,梁红霄,史薪钰，等.干旱胁迫对薄皮核桃果实品质的影响[J].北方园艺,2015(7):17-19.

[6] 霍佩佩,李小燕,林萍，等.干旱胁迫对油茶优良无性系渗透调节物质和叶片水分状况的影响[J].内蒙古农业大学学报:自然科学版,2012，33(4):54-58.

[7] 陈博雯,刘海龙,蔡玲，等.干旱胁迫对油茶组培苗与实生苗内源激素含量的影响[J].经济林研究,2013，31(2):60-64.

[8] 刁兆龙,陈辉,冯金玲，等.水分胁迫对油茶苗生理生化特性的影响[J].安徽农业大学学报,2014，41(4):642-646.

[9] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10] 王妍,胡胜,付文成，等.一种快速测定可溶性糖的新方法:TBA法[J].井冈山大学学报:自然科学版,2013，34(3):37-40.

[11] 冯士令,程浩然,李倩倩，等.3个油茶品种幼苗对干旱胁迫的生理响应[J].西北植物学报,2013，33(8):1651-1657.

[12] 王新建,何威,杨淑红，等.干旱胁迫下4种楸树嫁接苗叶绿素含量的变化[J].经济林研究,2008，26(1):20-24.

[13] 王宇超,王得祥,彭少兵，等.干旱胁迫对木本滨藜生理特性的影响[J].林业科学,2010，46(1):61-67.

[14] Alberte R S,Thomber J P,Fiscs E L.Water stress effects on the content and organization of chlorophyll and bundle sheach chloroplasts of maize[J].Plant physiology.1977,58:351-353.

[15] 喻晓丽,邸雪颖,宋丽萍.水分胁迫对火炬树幼苗生长和生理特性的影响[J].林业科学,2007，43(11):57-61.

[16] 吴敏,张文辉,周建云，等.干旱胁迫对栓皮栎幼苗细根的生长与生理生化指标的影响[J].生态学报,2014，34(15):4223-4233.

[17] 陈少裕.膜脂过氧化对植物细胞的伤害[J].植物生理学通讯,1991(2):84-90.

[18] Valliyodan B,Nguyen H T.,Understanding regulatory networks and engineering for chanced drought tolerance in plants [J],Current Opinion in Plant Biology,2006(9):189-195.

[19] 黄承玲,陈训,高贵龙.3种高山杜鹃对持续干旱的生理响应及抗旱性评价[J].林业科学,2011，47(6):48-55.

[20] 郭贵华,刘海艳,李刚华，等.ABA缓解水稻孕穗期干旱胁迫生理特性的分析[J].中国农业科学,2014，17(22):4380-4391.

EffectsofdroughtstressonphysiologicalandbiochemicalindexesoftheleavesandrootsofCamelliaoleifera

XU Yanming1, CHEN Yongzhong1, CHEN Yong2,CHEN Longsheng1, PENG Jiadong3

(1.National Engineering Research Center for Oil-tea Camellia, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004，Chian; 2.Forestry Bureau of Liuyang City, Liuyang 410300, China; 3.Climate Center of Hunan Province, Changsha 410007, China)

By the natural drying method to control water gradient, the photosynthetic pigments in leaves and the MDA, proline, soluble sugar, soluble protein, superoxide dismutase, peroxidase, peroxide catalase physiological and biochemical indices in leaves and roots (D≤2 mm) of two-year-oldCamelliaoleifera′Xianglin 52′ grafted seedling were investigated with pot experiment simulating continuous drought.The results showed that: with the development of drought stress, the photosynthetic pigment was decreased (P<0.05).MDA, proline and soluble sugar content were increased in leaves and roots (P<0.05).Leaf soluble protein content decreased constantly (P<0.05), soluble protein content in root increased after the first drop (P<0.05).SOD activity raised constantly in leaves and roots (P<0.05), then POD and CAT were higher before the tendency of the lower (P<0.05).During the experiment, when the soil water content was higher than 30.6% after re-watering,C.oleiferacould grow back to normal, when soil water content lower than 21.1% after re-watering, it could not resume normal growth.

Camelliaoleifera； persistent drought stress； physiology and biochemistry； pot experiment

2016-04-07

中国气象局气候变化专项“气候变化对油茶产量的影响研究”(CCSF201525)。

许彦明(1987-)，男，河南省驻马店市人，硕士，研究实习员，主要从事油茶栽培技术研究。

S 794.4；S 603.8

A

1003 — 5710(2016)04 — 0007 — 05

10.3969/j.issn. 1003 — 5710.2016.04.002

(文字编校：唐效蓉)