干旱胁迫下丽豆抗旱性评估

武红柱,韩丽君,武玉斌，贾 军

(1.山西省林业种苗管理总站,山西 太原 030012；2.山西省林业科学研究院，山西 太原 030012；3.山西省太行山国有林管理局，山西 和顺 032700)

水资源短缺是一个全球性生态问题，特别是在干旱半干旱地区，严重制约着作物生产与植被恢复。山西省位于黄土高原，属于典型的半干旱地区。近年来，山西干旱化日趋严重，严重影响了当地特别是困难立地的植被恢复，如何解决这一问题已成为当地林业发展的关键。

乡土植物是经过长期的生存竞争和自然选择，在经受当地极端气候变化和各种病害、虫害侵袭等自然逆境后仍能健康生长的植物，具有较强的适应性。因此，选择适宜的乡土植物对山西省困难立地进行植被恢复是一条行之有效的途径，不仅可以节约大量的财力和物力，还能使当地的生态系统更加稳定。

丽豆为豆科丽豆属，是典型的山西省乡土植物，分布于太原、交城、离石等地。由于丽豆野外种群数量少，呈现极度濒危之势，已被建议列为山西省二级濒危保护植物。豆丽不仅具有独特的观赏价值和经济价值，还具有较强的水土保持功能。目前，对丽豆的生物学特征、遗传、形态、种群生态等方面的研究已经开展。但有关丽豆抗旱性的研究未见相关报道。因此，笔者通过盆栽试验，研究丽豆在干旱胁迫下的外部形态及生理变化，并以另外2种具有较强抗旱能力的山西省乡土灌木野皂荚(Gleditsiamicrophylla)和连翘(Forsythiasuspensa)为参照，利用模糊数学隶属函数法综合评价它们的抗旱性，揭示丽豆抗旱生理机制，为丽豆的保护和开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设置

试验地点为太原市山西省林业科学研究院内，地理坐标37°26′N，111°29′E.试验灌木均来自于山西省，各灌木特征见表1.

表1 试验灌木

选择长势一致的苗木，于2015年5月初植入高约25 cm，上口径35 cm，下口径22 cm的塑料花盆中。栽培基质为沙壤土(园土∶细沙=2∶1)，重量为5 kg.栽植苗木后正常浇水，生长3个月后，于7月29日进行水分胁迫处理。每种灌木选取30盆长势一致的植株置于可移动防雨棚下，1次性浇透水，均浇至盆底托盘中有水渗出，以保证每盆土壤含水量一致。试验期间不再浇水，使其自然持续干旱。如遇雨天，将防雨塑料膜拉开遮雨，以避免雨水浇灌中断自然干旱胁迫。7月30日开始，分别在第0天、7天、14天、21天、28天采集当年生新梢部第4片～6片成熟叶片，观察记录各树种的叶片形态，共采样5次。采样完成后将样品放入冰盒带回实验室进行生理指标测定。

1.2 指标测定

叶片含水量采用重量差法进行测定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定，脯氨酸采取磺基水杨酸浸提法测定，超氧化物岐化酶活性采取氮蓝四唑(NBT)比色法测定，过氧化物酶活性采用愈创木酚法测定，叶绿素含量采用浸提法测定。

1.3 数据处理

采用因素方差分析法(one-way ANOVA)对不同灌木之间的生理指标差异进行分析。3种灌木抗旱性采用模糊数学隶属函数法评价，具体计算方法如下：

与抗旱性正相关指标：

X(μ)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

与抗旱性负相关指标：

1-X(μ)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中：X(μ)——i种植物指标隶属函数值；

Xij——i种植物j指标值；

Xmin——j指标中最小值；

Xmax——j指标中最大值。

计算3种灌木各指标下每个胁迫阶段测定值的隶属函数值，并求出平均值。分别将3种灌木各个生理指标求得的隶属函数值进行累加，并求得平均值，平均值即为该灌木抗旱性的综合评估值。

2 结果

2.1 叶片形态和含水量变化

在干旱胁迫下，3种灌木叶片表现出不同症状，见表2.

表2 叶片形态变化

在干旱胁迫7 d时，所有灌木没有出现任何症状，均能正常生长。在14 d时，只有连翘出现症状。在21 d时，只有野皂荚没有症状。而28 d后，所有灌木均出现症状。可见，从外部形态来看，干旱胁迫对植物的影响，野皂荚较轻，其次是丽豆，连翘最严重。

干旱胁迫对叶片相对含水量的影响，见第3页图1.

随着持续干旱胁迫，3种灌木叶片相对含水量都呈现下降趋势，但下降幅度不同。试验结束后，丽豆、野皂荚、连翘相对含水量分别下降了19%，31%，33%.可见，丽豆叶片含水量下降最小，说明其保水能力较高，抗旱能力较强。

2.2 叶绿素含量

干旱胁迫对植物叶片叶绿素含量的影响，见第3页图2.

图1 叶片相对含水量的变化

图2 干旱胁迫对叶绿素含量的影响

随着干旱胁迫时间的延长，叶绿素含量呈现先上升后下降的趋势，但上升持续时间长短不同。野皂荚和连翘的叶绿素含量在第7天已上升到最大值，而丽豆在第21天才达到最大值。说明丽豆在经过较长时间后才受到干旱胁迫的影响。试验结束后，丽豆、野皂荚、连翘中叶绿素含量分别下降了25%，10%，80%，说明丽豆、野皂荚在干旱胁迫下叶绿素的降解程度较轻，抗旱性较强。

2.3 丙二醛和脯氨酸含量

干旱胁迫对3种灌木丙二醛含量的影响，见图3.

由图3可以看出，3种灌木的丙二醛(MDA)含量均随着干旱胁迫时间的延长而增加，均在28 d时达到最高值。方差分析表明，丽豆与野皂荚的MDA含量种间差异性不显著(P>0.05)，但两者均显著低于连翘(P<0.01)。从MDA增幅来看，连翘增幅最大(增加2.1倍)，丽豆(0.50倍)和野皂荚增幅(0.37倍)较小。表明在干旱胁迫下，丽豆、野皂荚的膜系统比较稳定，受损较轻。

干旱胁迫对3种灌木脯氨酸含量的影响，见图4.

由图4可以看出，3种灌木的脯氨酸(Pro)含量在试验期间也一直呈现上升趋势，并在28 d时达到最大值。然而，不同灌木增幅不同，丽豆、连翘增幅最大(增加2.2倍)，野皂荚增幅最小(1.6倍)。表明在干旱胁迫下，野皂荚渗透调节能力更强，抗旱性更强。

图3 干旱胁迫对丙二醛含量的影响

图4 干旱胁迫对脯氨酸含量的影响

2.4 抗氧化酶活性

3种灌木在干旱胁迫下叶片抗氧化酶活性的变化，见图5和图6.

图5 干旱胁迫对叶片超氧化物歧化酶的影响

图6 干旱胁迫对叶片过氧化物酶的影响

总体上，2种抗氧化酶在3种灌木中均呈现先升后降的变化趋势，但不同的树种变化不一样。对于超氧化物歧化酶(SOD)，野皂荚在7 d时达到最大值，而丽豆与连翘在14 d时达到最大值。试验结束后，丽豆、野皂荚、连翘的SOD活性分别增加了1.9倍、1.7倍、0.5倍。对于过氧化物酶(POD)，丽豆和连翘都在14 d时达到最大值，野皂荚在21 d时达到最大值。试验结束后，丽豆、野皂荚、连翘的POD活性分别增加了1倍、1.8倍、0.6倍。可见，从抗氧化酶角度来看，野皂荚抗旱能力更强。

2.5 抗旱性综合评价

选取相对含水量、MDA，Pro，SOD，POD和叶绿素等6项生理指标，采用模糊数学中的隶属函数法对丽豆、野皂荚、连翘3种灌木的抗旱性进行评价，见表3.

结果表明，3种灌木中，抗旱性最强的是野皂荚，

表3 抗旱性综合评估

其次是丽豆，最低的是连翘。可见，丽豆抗旱性较强，可以作为优良乡土抗旱树种用于山西省的植被恢复。

3 结论与讨论

在干旱条件下，植物代谢平衡失调，生长受到抑制，导致植物体外部形态和内部生理都发生显著变化。在本研究中，随着干旱的持续，3种灌木的叶片都表现出不同的症状。这些症状是植物对干旱的一种应对策略。蒸腾作用会导致植物体水分丧失，而蒸腾作用又与叶面积相关。叶片面积大，水分丧失快。本研究中，在干旱胁迫下，植物叶片发生卷曲甚至干瘪，减少了叶面积，有效地减少水分的蒸腾。从表1可以看出，连翘在干旱胁迫的第14 d就开始出现症状，而丽豆和野皂荚分别在21 d和28 d才出现症状，这表明丽豆具有较强的抗旱能力。

在干旱胁迫下，植物体的相对含水量明显降低。在本研究中，丽豆、野皂荚、连翘相对含水量在干旱胁迫下均有不同程度的下降，但丽豆下降最小，说明其具有较高的保水能力，也进一步证明其具有较强的抗旱能力。

叶绿素是植物叶绿体内参与光合作用的重要色素，是光合色素的主要成分。相关研究表明，干旱胁迫下，植物组织细胞叶绿素的合成通常会受到抑制，已经合成的叶绿素会被加速分解，导致叶绿素含量下降，从而影响植物的光合作用。在本研究中，3种灌木在干旱胁迫下，随着胁迫时间的延长，叶绿素含量均呈先上升后下降的趋势。这表明在较轻干旱胁迫下，3种灌木叶绿素的合成不受影响，均能正常合成叶绿素，因而表现为上升的趋势。而在干旱胁迫后期，3种灌木的叶绿素都开始下降，说明叶绿素的合成开始受到抑制，但丽豆和野皂荚叶绿素合成受抑制的时间较连翘晚。试验结束后发现，丽豆的叶绿素含量降幅最低，说其在干旱胁迫时叶绿素的降解程度较轻。由此可见，丽豆具有较强的抗旱能力。

通常，在干旱胁迫下，植物叶片细胞膜透性和MDA含量增加，同时植物体会通过积累一些可溶性糖、脯氨酸等可溶性物质来进行渗透调节。本研究证明了这一点，随着干旱胁迫时间的延长，3种灌木的MDA和脯氨酸含量逐渐增加，在试验结束时达到最高。MDA是植物组织细胞膜脂过氧化作用的产物之一。这些膜脂过氧化物具有毒性，会导致膜脂过氧化水平提高，膜脂成分改变和膜的透性增加。而脯氨酸可以通过渗透调节维持细胞膨压，减少逆境对植物造成的伤害。因此，MDA和脯氨酸的含量都与植物抗旱性密切相关。抗旱性强的品种MDA和脯氨酸含量的增幅相对较小。在本研究中，丽豆的MDA增幅最小，但它的脯氨酸增幅最大。从MDA和脯氨酸很难判定丽豆的抗旱性。然而，相关研究表明，尽管MDA和可溶性蛋白都可以反映干旱胁迫对植物所造成的膜脂过氧化损伤程度,但MDA含量仍被作为膜脂过氧化最重要的指标之一,表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱。基于这一点，丽豆的抗旱能力在3种灌木中最高。

植物的抗旱性是受多种因素影响，单从一个抗旱指标难以客观、准确地反映植物的抗旱性，只有采用多指标的综合评价，才能比较客观地反映植物的抗旱性。从上述分析可以看出，不同的指标得出的抗旱性结论不同。隶属函数法是一种综合评价方法，它提供了一条在多指标测定基础上对特性进行综合评价的途径，已被运用于多种植物的抗旱性研究中。在本研究中，综合评价结果显示丽豆的抗旱性低于野皂荚，高于连翘。野皂荚和连翘是已被公认的具有较强抗旱能力的灌木，而丽豆的抗旱能力在两者之间，表明丽豆也具有较强的抗旱能力。而且丽豆与野皂荚、连翘均为山西省乡土灌木，因此，丽豆可以作为山西省植被恢复的优先灌木种。