干旱胁迫对闽楠幼苗的生长和生理特性的影响

靳 月，李铁华，文仕知，王 波，谢亚斌

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

干旱问题已经成为农林生产最严重的问题之一[1]。植物在生长过程中往往因为干旱胁迫达不到栽培的预期价值，不能充分发挥生态、经济和景观作用[2]。所以探讨植物抗旱机制、认识植物抗旱本质和提高植物的抗旱能力已成为目前备受关注的研究方向。闽楠Phoebe bournei属樟科，是我国珍贵用材树种和优良园林绿化树种，干形通直，木材芳香耐久，材质致密坚韧，具有重要的经济价值。现主要针对闽楠苗木繁育和盐碱胁迫研究较多[3-7]，研究发现，随着盐碱浓度的增加，闽楠幼苗的MDA含量增加，SOD、POD、CAT的活性增强，具有一定的耐盐碱能力，但关于闽楠抗旱性方面的研究还比较少[8-9]。闽楠是耐荫树种，对水分条件要求较高，所以研究闽楠的抗旱性对提高造林成活率和幼树管理非常重要。本实验以闽楠实生幼苗为试验材料，通过盆栽试验研究了不同干旱胁迫对闽楠幼苗生长和生理生化特性的影响，探讨闽楠幼苗对不同土壤水分条件的反应和适应能力，了解该树种的抗旱性及其抗旱机理，为闽楠干旱研究和造林提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与处理

选取生长健壮、无病虫害、长势基本一致的2015年3月所育闽楠实生幼苗为试验材料，试验前保持田间持水量的80%左右。于2016年7月27日采用称重法进行土壤含水量控制，分为4个组，分别为：对照组CK，土壤含水量为田间持水量的80%；轻度胁迫T1，土壤含水量为田间持水量的60%；中度胁迫T2，土壤含水量为田间持水量的40%；重度胁迫T3，土壤含水量为田间持水量的20%。每个组40盆，共160盆，水控处理15 d后进行测定。试验在塑料大棚中进行，大棚保持良好的通风，只起挡雨的作用。

1.2 指标及测定方法

1.2.1 生理生化指标

干旱胁迫处理15 d后，对苗木开始第一次的指标测定，每次间隔15 d，共测定4次。测定试样均取成熟叶片，混合取样，液氮保存后带回实验室进行相关指标的测定：

（1）组织相对含水量（RWC）

先测定植物鲜质量（FW），然后测定植物的饱和鲜质量（SFW），最后测定干质量（DW）；

（2）叶绿素含量

采用紫外分光光度计比色法测定[10]；

（3）可溶性蛋白含量

采用考马斯特亮蓝G-250染色法测定[11]；

（4）丙二醛（MDA）含量

采用硫代巴比妥酸法测定[11]；

（5）游离脯氨酸含量

采用磺基水杨酸提取茚三酮比色法测定[11]；

（6）过氧化物酶（POD）

采用愈创木酚显色法测定[11]；

（7）超氧化物歧化酶（SOD）

采用氮蓝四唑光化还原法测定[11]；

（8）过氧化氢酶（CAT）

采用紫外吸收法测定[11]。

1.2.2 生长指标

苗高（H，cm）和地径（D，cm）每个处理测定2次，分别为处理前和干旱处理60 d后，苗高利用卷尺测量，地径利用电子数显游标卡尺测量；处理60 d后用流水冲松盆土，取出幼苗，洗净泥土，晾干后于分析天平称取根、茎、叶和单株鲜质量，后放入烘箱在105℃杀青10 min，然后温度降至85 ℃烘至恒质量，分别称取根、茎、叶的干质量，并进一步计算生物量和根冠比，每个处理重复6次。

1.3 数据处理

利用SPSS 20.0和Excel 2003软件对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对闽楠幼苗生长的影响

从表1可以看出，随着干旱胁迫的加剧，闽楠幼苗的苗高、地径和根、茎、叶的生物量都在逐渐减少：苗高，T1、T2组与CK组无显著差异，T3组和CK组有显著差异（P＜0.05），且下降了9.82%；地径，T1组与CK组之间无显著差异，T2、T3组与CK组有显著差异（P＜0.05），且T2和T3组分别比CK组下降了11.67%和22.17%；根生物量，CK组与T1、T2、T3组之间有显著差异（P＜0.05），T1、T2和T3组分别比CK组下降了25.01%、47.52%和75.61%；茎生物量，CK组与T1、T2组相比均无显著差异， T3组与CK组有显著差异（P＜0.05），下降了66.38%；叶生物量和总生物量，CK组与T1组无显著差异，与T2、T3组之间有显著差异（P＜0.05），且T2、T3组分别下降了54.16%、64.04%和42.92%、69.06%；根冠比，各组之间无显著差异。

表1 干旱胁迫下闽楠幼苗平均生物量及形态生长指标的变化Table1 Changes of individual biomass and growth ofPhoebe bournei under drought stress

2.2 干旱胁迫对闽楠幼苗植物组织相对含水量的影响

水分状况对植物的生理活动有重要的意义。干旱最直接的作用就是引起植物组织失水，导致各种生理代谢紊乱。叶片相对组织含水量是衡量植物体内水分情况的一个常用指标。如图1所示，闽楠幼苗叶片组织的相对含水量随着干旱胁迫程度的加剧有所下降，并且在同一处理水平随着干旱胁迫时间的延长，叶片的组织相对含水量也有所下降；在处理的前30 d，各组均无显著差异；处理45 d，T2、T3组与CK和T1组分别存在显著差异（P＜0.05），T2、T3组比CK分别下降13.04%和9.57%；处理60 d，CK组与T1、T2、T3组之间均有显著差异（P＜0.05），分别比CK组下降13.04%、18.48%和32.61%。

图1 干旱胁迫下闽楠幼苗叶片相对含水量的变化Fig.1 Changes of relatives content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

2.3 干旱胁迫对闽楠幼苗叶绿素含量的影响

如图2所示，随着干旱胁迫程度的加剧，闽楠幼苗叶绿素有上升的趋势，并且在同一处理水平随着干旱时间的延长，闽楠幼苗叶绿素含量整体呈现一个先上升后下降的趋势，处理15 d闽楠幼苗的叶绿素水平相对一致，各处理组之间无显著性差异；处理30 d，T3组与T2、CK组有显著差异（P＜0.05），T3组比CK组高50%；处理45 d，T1组与T2、CK组有显著性差异（P＜0.05），T1比CK高70.83%，这时各处理组的叶绿素含量均达到最大值，随后下降；处理60 d，T1、T2组与CK组有显著差异（P＜0.05），分别高31.66%、42.21%。

图2 干旱胁迫下闽楠幼苗叶绿素的变化Fig.2 Change of pigment content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

2.4 干旱胁迫对闽楠幼苗可溶性蛋白的影响

图3 干旱胁迫下闽楠幼苗可溶性蛋白的变化Fig.3 Change of soluble protein content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

随着干旱胁迫的加剧和干旱时间的延长，闽楠幼苗的可溶性蛋白含量增加（见图3），45 d后开始缓慢下降。处理30 d以后各处理组之间存在显著性差异：处理30 d，T2、T3组与CK差异极显著（P＜0.01），分别高310.14%和567.39%；处理45 d，T1、T2、T3组与CK差异极显著（P＜0.01），比CK组分别高125.77%、239.88%和 509.82%（P＜0.01）；处理60 d，T2、T3组分别比CK组高78%和277.64%（P＜0.01），差异达到极显著水平；处理45～60 d，除CK组外，其它处理的可溶性蛋白含量缓慢下降。T2、T3组在处理30 d的可溶性蛋白含量与处理15 d存在极显著差异（P＜0.01），前者比后者分别高420.86%和625.20%，T3组在整个试验过程中的可溶性蛋白含量均高于其它组。

2.5 干旱胁迫对闽楠幼苗丙二醛（MDA）的影响

如图4所示，随着干旱胁迫的加剧，闽楠幼苗MDA的含量逐渐上升。 在处理30 d后T3组的MDA含量到达一个峰值， 并且与CK、T1、T2组有显著差异（P＜0.05），比CK组高46.17%；处理45 d， T3和CK、T1组之间有显著差异（P＜0.05）；处理60 d， T3组与CK组有显著差异（P＜0.05），比CK组高47.04%，T3组在整个试验过程MDA的含量最高。

图4 干旱胁迫下闽楠幼苗MDA的变化Fig.4 Change of MDA content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

2.6 干旱胁迫对闽楠幼苗脯氨酸（Pro）的影响

如图5可知，随着干旱胁迫的加剧，闽楠幼苗的脯氨酸含量增加，并且在同一水平处理条件下，脯氨酸的含量随着胁迫时间的延长也呈现一个上升的趋势。处理30 d后，T3组与CK组差异极显著（P＜0.01），T3组比CK组高150.84%；处理45 d， T2、T3组比CK组差异极显著（P＜0.01），T2、T3组与CK组的脯氨酸含量分别高242.42%和414.45%，并且T3组与其它各组均差异极显著（P＜0.01）；处理60 d，各处理间差异均极显著（P＜0.01），T1、T2、T3组比CK组的脯氨酸含量分别高309.47%、528.18%和747.41%。T1、T2、T3组脯氨酸的含量都随干旱胁迫时间的延长逐渐升高，其中T3组尤为明显，处理60 d比处理15 d时极显著上升了555.85%。

图5 干旱胁迫下闽楠幼苗脯氨酸含量的变化Fig.5 Change of praline content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

2.7 干旱胁迫对闽楠幼苗保护酶活性的影响

2.7.1 过氧化物酶（POD）的活性

从图6可以看出，闽楠幼苗的POD活性随着干旱胁迫程度的加剧而升高，30 d后又缓慢下降。处理30 d，各处理间的差异最大，随后各处理间的差异逐渐缩小，随着胁迫时间的延长，各处理的POD活性呈现先上升后降低的趋势。处理30 d，T2、T3组POD含量达到峰值，与CK组有显著差异（P＜0.05），分别高了119.15%和139.16%；处理45 d， T1、T2、T3组与 CK组有显著差异（P＜0.05），分别上升了71.55%、68.18%和45.11%。

图6 干旱胁迫下闽楠幼苗POD的变化Fig.6 Change of POD content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

2.7.2 超氧化歧化酶（SOD）的活性

图7可以得出，在干旱胁迫程度加剧的情况下闽楠幼苗保护酶SOD的活性增强，随着处理时间的延长，SOD的活性先增加后下降。处理30 d，T3组处于峰值，与CK组有差异显著（P＜0.05），上升134.51%；处理45 d，T2达到高峰值，与其它处理组差异显著（P＜0.05），比CK组上升187.53%；处理60 d，SOD的活性下降，且各处理无显著差异。

图7 干旱胁迫对闽楠幼苗SOD的变化Fig.7 Change of SOD content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

2.7.3 过氧化氢酶（CAT）的活性

如图8所示，在干旱胁迫程度加剧的情况下，闽楠幼苗保护酶CAT的活性增强，随着干旱胁迫时间的延长呈现先上升后下降的趋势，与SOD总体变化趋势基本相似。处理30 d和45 d，T1、T2、T3组与CK组有显著差异（P＜0.05），比CK分别上升了78.13%、64.12%和103.30%；处理45 d，T1、T2、T3组比CK分别上升74.51%、88.17%和111.66%；处理60 d，各组间无显著差异。

图8 干旱胁迫下闽楠幼苗CAT的变化Fig.8 Change of CAT content in leaves of Phoebe bournei under drought stress

3 结 论

（1）随着干旱强度的增加，植物幼苗总生物量、根生物量、茎和叶的生物量出现不同程度的降低；闽楠幼苗叶片组织相对含水量随着干旱胁迫程度的加剧下降，并且在同一处理水平随着干旱胁迫时间的延长，叶片组织的相对含水量有所下降。干旱胁迫60 d，T3组比CK组显著下降了32.61%；随着干旱胁迫程度加剧，闽楠幼苗叶绿素有上升的趋势，并且同一处理水平随着干旱时间的延长闽楠幼苗叶绿素整体呈现一个先上升后下降的趋势。

（2）干旱胁迫前45 d，可溶性蛋白含量上升，后期可溶性蛋白含量降低，处理30 d以后各处理组之间存在显著性差异；随着干旱胁迫的加剧，闽楠幼苗的脯氨酸含量增加，并且在同一水平处理条件下，脯氨酸的含量随着时间的延长也呈现一个上升的趋势。在试验期间各试验组与对照组之间存在显著差异；闽楠幼苗MDA的含量逐渐上升，变化幅度比其它指标小。

（3）闽楠幼苗的POD活性随着干旱胁迫程度的加剧而升高，随着胁迫时间的延长，各处理的POD活性呈现先上升后降低的趋势。处理30 d POD活性达到最大值，在处理后期POD的活性下降，但T2、T3处理仍比CK处理高；SOD和CAT的变化趋势相似，在干旱胁迫程度加剧的情况下闽楠幼苗保护酶的活性增强，随着处理时间的延长，保护酶的活性先增加，后下降。重度胁迫下，处理30 d和处理45 d时T3组CAT活性与其他各组有显著差异，并且在30 d后均高于其他组。

4 讨 论

4.1 干旱胁迫下闽楠幼苗生长指标的变化

大量研究表明：在植物的生长发育中，植物要适应环境必须要不断调整其生长和生物量的分配。干旱胁迫下，植物生长受到抑制，并且胁迫时间越长、程度越高，受抑制现象越明显[12]。本实验研究结果得出，随着干旱强度的增加，植物幼苗总生物量、根生物量和地上生物量出现不同程度的降低，其根和茎的生物量各组之间存在显著差异（P＜0.05），与毛永成等[13]的研究结果一致。通过以上研究分析得出干旱条件抑制幼苗单株生物量的积累，对根茎生物量的影响尤为显著，并在一定程度上促进地下部分的生长，抑制地上部分的生长，调整根、茎、叶的生物量分配来适应干旱逆境。

干旱胁迫下会强烈影响植物叶片的水分供应状况。植物在干旱胁迫下体内水分情况的变化，是首先要面临的问题，所以不少学者的研究集中在对叶片水分饱和亏、相对含水量和束缚水/自由水比值指标方面[14-15]。胡学华等[16]在研究4种经济树木的干旱响应时得出干旱胁迫下李、桃、杏和梨4种树种的相对含水量减少，与本试验研究结果一致，说明干旱胁迫会影响闽楠幼苗的相对含水量，并随着干旱程度的加剧，闽楠幼苗的相对含水量降低。处理30 d前闽楠幼苗各水平处理组的相对含量维持在80%左右，是因为脯氨酸的含量较高，保持膨压，减少水分流失。 处理60 d T3组的相对含水量显著下降，说明闽楠幼苗能忍受轻度干旱胁迫， 一定程度上可以利用组织相对含水量来判断闽楠幼苗的抗旱性。

叶绿素含量的高低在一定程度上反映了光合作用的水平，因此测定苗木叶片中叶绿素含量对评价植物的生长状况和受胁迫程度具有重要的意义[17]。本实验结果与吴玲等[18]和潘昕等[19]的研究结果一致，研究表明干旱胁迫下闽楠幼苗叶绿素含量呈现一个先上升后下降的趋势，说明干旱胁迫刚开始时，闽楠幼苗能维持植物正常光合作用的一个响应机制；随着干旱胁迫时间的延长，叶绿素含量降低，是因为干旱逆境下闽楠幼苗产生大量活性氧POD，MDA的含量上升，细胞膜遭到破坏，原生质泄露，加速了叶绿体的降解并抑制叶绿素的合成。

4.2 干旱胁迫下闽楠幼苗渗透调节的变化

渗透调节作用是植物忍耐和抵御干旱胁迫时重要的生理机制，这一理论最早由Hsiao提出后随即成为抗旱生理研究最活跃的领域[20]。可溶性蛋白是重要的渗透调节物质，它能提高植物细胞的保水能力。

本实验得出干旱胁迫初期可溶性蛋白含量上升，一方面是因为幼苗体内保护酶活性增加导致的，另一方面是可溶性蛋白主动累积来降低植物水势，使细胞处于比较低的渗透势；胁迫后期可溶性蛋白含量降低，是由于植物受到干旱胁迫，保护酶POD、SOD和CAT的活性受到抑制，影响蛋白质的合成，并且胁迫会诱导蛋白质的分解，所以胁迫后期蛋白质的含量降低。本实验研究结果与樟树幼苗、短梗大参在干旱胁迫下可溶性蛋白含量变化相类似[21-22]。

脯氨酸作为最重要的渗透调节剂，参与渗透调节。在干旱胁迫下，通过积累脯氨酸含量，保持膨压，减少水分流失，维持机体正常代谢[23]，并能够稳定膜系统，与叶绿素的合成有关，含量与植物抗旱能力呈正比。通过本实验得出，干旱胁迫下闽楠幼苗脯氨酸含量不断地累积，通过脯氨酸来保持膨压，减少水分流失，保护酶系统，即闽楠幼苗在干旱逆境下可以通过脯氨酸的积累来维持机体的正常代谢。

4.3 干旱胁迫下闽楠幼苗保护酶指标的变化

MDA是膜脂过氧化产物，植物组织处于胁迫状态时，细胞中活性氧会大量积累，促使MDA含量增加，并能与蛋白质氨基酸残基或核酸反应生成碱，降低细胞膜的稳定性,使细胞膜的透性增大，电解质外渗，而细胞膜系统稳定性与植物抗旱能力密切相关。因此，含量的多少可作为衡量脂质过氧化作用强弱和检测植物膜伤害的一个主要指标。本实验结果表明闽楠幼苗随着干旱胁迫的加剧，MDA的含量缓慢上升，总体波动较小，变化幅度不大。对润楠[24]和女贞[25]研究得出随着干旱胁迫时间的延长，MDA 含量一直呈上升趋势相一致。综上表明，干旱胁迫下闽楠幼苗叶片细胞中活性氧大量积累，膜脂过氧化作用在增强，细胞膜受到破坏，细胞膜的透性增加，导致MDA含量增加。在干旱胁迫中期，MDA含量到达一个高峰后逐渐平稳，说明闽楠幼苗在自我调整，但T3组一直处于上升趋势，说明在重度干旱胁迫时，闽楠幼苗抗旱性变得越来越弱。

植物受到干旱胁迫后植物体内活性氧产生与清除的相对平衡状态被打破，因此引起植物体内活性氧积累，导致细胞伤害现象的发生。SOD、POD、CAT是植物清除活性氧的保护酶，研究表明，一般情况干旱胁迫下植物体内的SOD活性与抗氧化能力呈正相关[26]。蒋明义等[27]研究发现轻度或短期的干旱胁迫会使植物体内的SOD 活性增加，而重度或长期胁迫下呈下降趋势。CAT是一种四聚体酶， 负责清除过氧化物酶体产生的过氧化氢。POD一方面可以催化分解有毒物质过氧化氢，另外也可以使脂质过氧化物转变为脂肪酸，从而阻止过氧化作用带给植物的伤害，保护植物通过逆境。桑子阳等[28]利用红花玉兰进行干旱胁迫研究，发现在干旱胁迫下红花玉兰叶片的POD活性增强，以此来抵御干旱逆境对其所造成的伤害[29-30]。

实验结果与刁俊明等[31]、张寅媛等[32]和夏红明[33]等的研究相一致。实验结果表明，干旱逆境下保护酶POD、SOD、CAT的活性整体呈现一个先上升后下降的趋势，变化趋势相似，具有协同性。在处理前期，为清除干旱逆境下产生的大量活性氧，保护酶的活性和脯氨酸的含量增加，降低膜脂过氧化作用对植物造成的伤害，保护酶系统。在处理后期保护酶的活性下降，是因为闽楠幼苗细胞代谢失调，产生大量自由基，膜脂过氧化作用增强，导致保护酶活性下降， 说明在轻度干旱胁迫下闽楠幼苗可以通过保护酶系统来维持幼苗的正常代谢，但在中度和重度干旱下会影响幼苗正常生长。

综上所述，本实验只针对干旱胁迫对闽楠幼苗生长和生理特性进行了研究，并未对光合作用、根系和植物营养等方面进行研究，还不够全面，为了更加深入地了解干旱胁迫对闽楠幼苗的影响，需要进一步进行光合作用等一系列的指标研究，为建立闽楠树种的抗旱体系、筛选优树、选育造林提供理论依据和参考。