外源亚精胺防御红椿干旱胁迫生理损伤的最佳浓度筛选

刘 球，吴际友，杨硕知，陈明皋，程 勇，李志辉，杨 柳

（1.湖南省林业科学院 珍贵树种研究所，湖南 长沙 410004；2.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

多胺（Polyamines，简称PAs）是一种低分子量的脂肪族含氮碱，广泛存在于包括植物体在内的所有有机体中，对生长发育过程起着重要的调节作用[1-2]。高等植物中，最常见的3 种多胺是腐胺（Putrescine，Put）、亚精胺（Spermidine，Spd）和精胺（Spermine，Spm）。

近年来，越来越多的学者对多胺的研究颇有兴趣，关于多胺的抗逆调控方面的研究已见诸多报道，其中对亚精胺的研究不胜枚举。亚精胺作为高等植物体中一种非常重要的多胺，有研究证明其与植株抗逆的关系相较其他多胺更为密切[3]。亚精胺对植株的抗盐碱、抗高低温胁迫、抗重金属胁迫、抗水分胁迫等方面都具有极强的参与性。郭双等[4]研究发现，喷施0.1 mmol/L 或0.3 mmol/L 的外源亚精胺（Spd）溶液可提高颠茄的抗盐能力。张毅等[5]和杜红阳等[6]分别研究了外源Spd 对盐胁迫下番茄幼苗和大豆幼苗光合性能的影响，结果均显示亚精胺通过提高幼苗光合特性从而提高了植株的抗盐能力。梅燚等[7]和张永平等[8]分别就外源Spd 对萝卜和甜瓜幼苗在高温和低温条件下的生长调节进行了研究，发现外源Spd 可提高萝卜幼苗的抗高温能力和甜瓜幼苗的抗低温能力。申璐[9]系统研究了外源Spd 对铅胁迫条件下茶树生长的影响，从生长量、生理特性、光合特性等方面着手全面研究，得出喷施1 mmol/L 的外源Spd溶液可促进茶树在铅胁迫逆境中正常生长。袁菊红等[10]发现1 mmol/L 的外源Spd 溶液提高了美洲商陆对重金属污染城市污泥的修复作用。近年来，水分胁迫对植株的影响成为了科学家们研究的热点[11-12]，而外源Spd 对植株水分胁迫（包括水淹胁迫和干旱胁迫）的调节作用，可见诸多科研报道[13-17]。

红椿Toona cilliate，为楝科香椿属半常绿乔木，是国家II 级重点保护植物，是我国热带亚热带地区所特有的珍贵速生用材树种，也是湖南省优先重点发展的乡土珍贵树种之一[18-20]。湖南省对乡土珍贵树种红椿的研究已有多年历史，主要以湖南省林业科学院珍贵树种研究团队的研究成果为主要体现。该团队在红椿水分胁迫研究方面完成了系统而全面的工作[21-23]，并进一步系统地进行了多胺调节红椿干旱伤害的研究，得出了不少有价值的结论[24]，其中便有专门针对外源Spd 对干旱胁迫下红椿幼苗生理修复调节研究的相关报道[25]。在此基础上，进一步针对外源Spd 防御对红椿干旱胁迫生理损伤的最佳浓度进行了筛选试验，在原有理论研究基础上，进一步获得了更为实用的试验结论，为红椿苗木培育工作提出了更为有效的实践措施，意义广大而深远。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在湖南省林业科学院苗圃，海拔为110 m，地理坐标为东经112°59′、北纬28°05′，年平均气温16.8 ℃，年降水量1 400 ～1 900 mm，平均日照时数1 496 ～1 850 h，无霜期达264 d，属于中亚热带季风湿润气候区，雨量丰沛，光照充足；土壤为红壤，土层厚达60 cm以上，肥力中等，pH 值为6.2[19]。

1.2 材料与方法

本试验材料为2年生红椿家系盆栽苗。2014年3月，课题组开展田间育苗。2016年3月，选择苗高1.0 m、胸径1.8 cm 的长势均匀、无病虫害的健康红椿幼苗装盆，盆钵口径25 cm，深20 cm，每盆装土5 kg，比例为黄心土∶泥炭土= 2 ∶1，统一配盆垫，进行正常浇水管护。2016年6月—7月，在入盆植株中施入外源亚精胺，进行对红椿防御干旱胁迫生理损伤的最佳浓度筛选试验[19]。

1.3 试验设计

本试验为外源Spd 多浓度预处理+干旱胁迫处理试验，采用完全随机设计，植株喷施多胺预处理有4 种（0.1 、0.5 、1.0 和2.0 mmol/L），干旱胁迫梯度有3 种（轻度干旱、中度干旱和重度干旱），先对参试植株分别喷施外源Spd 多浓度溶液，然后再对其进行持续干旱胁迫并采样分析，同时设置对照（无干旱胁迫、不喷施多胺）。每种外源Spd 溶液浓度处理植株对应3 种持续干旱胁迫程度，每个处理5 株，重复3 次，共75 株。

多浓度外源Spd 溶液预处理：分别对参试植株喷施浓度为0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L 的外源Spd 水溶液，贴近植株叶片正反面进行雾状喷施，喷施量以叶片正反面水珠凝结滴落为限，连续喷施3 d。

干旱胁迫处理：0.1、0.5 、1.0 和2.0 mmol/L外源Spd 预处理后对植株进行持续轻度（持续干旱7 d）、中度（持续干旱14 d）和重度干旱胁迫（持续干旱21 d），并在胁迫结束日进行采样分析。试验时间为2016年6月。

1.4 指标测定方法

1.4.1 采 样

分别在干旱前、干旱后和多胺修复处理后第2天9:00 前对叶片进行采样，统一选择第3 轮或第4 轮成熟叶片。

1.4.2 生理指标的测定

本试验测定的指标包括相对含水量、叶绿素含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、游离脯氨酸含量和MDA 含量，指标测定均采用陈建勋的方法[26]。

1.4.3 干旱损伤修复能力综合评价

运用模糊隶属函数法[27]对4 种外源Spd 的干旱生理损伤修复能力进行综合评价。具体方法是：先求出各综合指标隶属值，然后累加求其平均值，即综合评价值。指标综合评价值越大，表示该种浓度的干旱修复能力越强。

若某指标与多胺干旱修复或干旱防御能力呈正向关系，则指标隶属值计算公式如下：

若某指标与多胺干旱修复或干旱防御能力呈反向关系，则指标隶属值计算公式如下：

式中：X表示某指标的测定值；Xmin和Xmax分别表示某指标的最小测定值和最大测定值。

1.5 数据分析与处理

数据采用Excel 2003 进行处理，用SPSS 17.0 进行方差分析和多重比较，采用模糊隶属函数法进行外源亚精胺最佳浓度筛选。

2 结果与分析

2.1 生理指标分析

2.1.1 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片相对含水量的防御调节

对照、外源Spd 预处理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱胁迫处理之间，红椿叶片相对含水量均在α=0.01 水平差异显著。由图1可知，随着干旱胁迫程度的加重，植株叶片相对含水量均降低，但是不同浓度外源Spd 预处理对植株叶片相对含水量的保水效果是不同的，1.0 mmol/L和2.0 mmol/L 外源Spd 预处理后，植株叶片相对含水量随着干旱胁迫程度加剧的下降幅度比其他2个浓度明显要低。

图1 不同浓度Spd 处理对红椿干旱胁迫下叶片相对含水量的防御作用Fig.1 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf relative water content of T.ciliata under drought stress

2.1.2 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片叶绿素含量的防御调节

对照、外源Spd 预处理（0.1 、0.5 、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱胁迫处理之间，红椿叶片叶绿素含量均在α=0.01 水平差异显著。由图2可知，随着干旱胁迫程度的加重，植株叶片叶绿素含量均呈现降低的趋势，但是不同浓度外源Spd 预处理对植株叶片叶绿素含量的保持效果是不同的。由图2可看出，1.0 mmol/L 外源Spd 预处理后，植株叶片叶绿素含量随着干旱胁迫程度加剧的下降幅度最低，其次是2.0 mmol/L 外源Spd 预处理，其余2 个处理效果相对较差。

图2 不同浓度Spd 处理对红椿干旱胁迫下叶片叶绿素含量的防御作用Fig.2 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf chlorophyll content of T.ciliata under drought stress

2.1.3 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片抗氧化酶活性的防御调节

2.1.3.1 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片

超氧化物歧化酶（SOD）活性的防御调节

对照、外源Spd 预处理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱胁迫处理之间，红椿叶片SOD 活性均在α=0.01 水平差异显著。由图3可知，随着干旱胁迫程度的加重，0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L 外源Spd 预处理下植株叶片SOD 活性均呈现升高—下降—升高的趋势，而1.0 mmol/L和2.0 mmol/L 外源Spd 预处理下植株叶片SOD 活性均呈现直线上升的趋势，但是不同浓度外源Spd预处理使植株叶片SOD 活性的提高幅度是不同的。

图3 不同浓度Spd 处理对红椿干旱胁迫下叶片SOD 活性的防御作用Fig.3 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf SOD activity of T.ciliata under drought stress

2.1.3.2 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片过氧化物酶（POD）活性的防御调节

对照、外源Spd 预处理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱胁迫处理之间，红椿叶片POD 活性均在α=0.01 水平差异显著。由图4可知，随着干旱胁迫程度的加重，0.1mmol/L 外源Spd 预处理下植株叶片POD 活性呈现升高—升高—降低的趋势，而0.5、1.0 和2.0 mmol/L 外源Spd 预处理下植株叶片POD 活性均呈现升高—降低—降低的趋势，但是不同浓度外源Spd 预处理使植株叶片POD 活性的提高幅度是不同的。

2.1.4 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片渗透调节系统的防御调节

2.1.4.1 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片游离脯氨酸含量的防御调节

图4 不同浓度Spd 处理对红椿干旱胁迫下叶片POD 活性的防御作用Fig.4 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf POD activity of T.ciliata under drought stress

对照、外源Spd 预处理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱胁迫处理之间，红椿叶片游离脯氨酸含量均在α=0.01 水平差异显著。由图5可知，随着干旱胁迫程度的加重，不同浓度外源Spd 预处理下，植株游离脯氨酸含量表现不同，从整体而言，都是上升的趋势，但是0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L 外源Spd 预处理下，植株游离脯氨酸含量上升幅度较大，尤其是到了重度干旱胁迫下上升极其显著；而在1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd 预处理下，植株游离脯氨酸含量随着干旱胁迫程度加重而升高的幅度相对缓慢很多。

图5 不同浓度Spd 处理对红椿干旱胁迫下叶片游离脯氨酸含量的防御作用Fig.5 Defense effects of different concentration treatments of Spd on leaf free proline content of T.ciliata under drought stress

2.4.1.2 不同浓度外源Spd 对红椿干旱胁迫下叶片MDA 含量的防御调节

对照、外源Spd 预处理（0.1、0.5、1.0 和2.0 mmol/L）和各干旱胁迫处理之间，红椿叶片MDA 含量均在α=0.01 水平差异显著。由图6可知，随着干旱胁迫程度的加重，不同浓度外源Spd 预处理下，植株MDA 含量表现不同，从整体而言，都是上升的趋势，但是0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L 外源Spd 预处理下，MDA 含量上升幅度较大，尤其是到了重度干旱胁迫下上升极其显著；而在1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd预处理下，MDA 含量随着干旱胁迫程度加重而升高的幅度相对较缓，此结论跟游离脯氨酸含量规律相似。

图6 不同浓度Spd 处理对红椿干旱胁迫下叶片MDA 含量的防御作用Fig.6 Defense effect of different concentration treatments of Spd on leaf MDA content of T.ciliata under drought stress

2.2 用模糊隶属函数法筛选外源Spd 防御红椿干旱生理损伤的最佳浓度

运用模糊隶属函数法，对4 种外源Spd 浓度的抗旱防御效果进行了综合评价和排序。

如表1所示，4 种外源Spd 浓度中，以2.0 mmol/L 外源Spd 溶液的综合评价值最大，随后依次是0.5、1.0 和0.1 mmol/L，说明2.0 mmol/L外源Spd 溶液防御红椿干旱生理损伤的能力最强，为4 种参试浓度中的最优浓度。然而，表中的综合评价值是依据6 个生理指标所求平均值，所得结论是综合性结论；如果侧重于植株规律性比较明显的相对含水量、叶绿素含量以及渗透调节方面，则1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L效果均为较佳浓度。

表1 4种浓度外源Spd防御红椿干旱生理损伤能力的综合评价Table1 Comprehensive evaluation of drought damage defense ability of 4 concentrations of exogenous Spd on T.ciliata

3 讨 论

研究结果显示，叶面喷施1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd 溶液，对保护红椿叶片相对含水量和叶绿素含量在干旱胁迫下不受损伤的防御效果比较显著，明显高于0.1 mmol/L 和0.5 mmol/L溶液的效果。李丽杰等[28]在玉米幼苗的试验中得出了相似结论，发现外源Spd 溶液可显著提高玉米叶片在干旱胁迫下的相对含水量和叶绿素含量。王强等[16]对白刺花幼苗的研究也得到类似结论。

本试验中叶面喷施外源Spd 溶液对保护红椿叶片SOD 活性和POD 活性在干旱胁迫下不受损伤的防御效果并未收获明显的规律性结果，但是仍可看出波动性影响。而吴旭红等[14]对燕麦幼苗的研究以及高志明[13]对葡萄的研究发现，外源Spd 溶液对干旱胁迫下植株的SOD 活性和POD 活性均起到了明显的提高作用，从而提高了植株的耐旱性。

叶面喷施1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd溶液，对保护红椿叶片渗透调节功能在干旱胁迫下不受损伤的防御效果非常显著，且规律性非常明显。逯明辉等[29]发现了外源Spd 对辣椒幼苗干旱胁迫的缓解效应非常明显，由MDA 含量等生理指标得以体现。吴旭红等[14]的研究也得出了相似结论。

4 结 论

本研究布置了外源Spd 多浓度预处理+干旱胁迫处理试验，对6 个生理指标进行采样分析，并结合模糊隶属函数法对6 个指标性状进行综合分析，以筛选出防御红椿干旱生理损伤的最佳外源Spd 浓度。不同的外源Spd 预处理对各个生理指标均产生了影响，对相对含水量、叶绿素含量、游离脯氨酸含量以及MDA 含量4 个指标的影响具有非常明显的规律性，且得出1.0 mmol/L 和2.0 mmol/L 外源Spd 溶液对这4 个指标均具有明显的干旱防御作用。结合6 个指标进行综合评分可知，2.0 mmol/L 的外源Spd 溶液防御红椿干旱生理损伤的能力最强，为4 种参试浓度中的最优浓度。由此可知，在红椿干旱防御措施方面，叶片喷施2.0 mmol/L 外源Spd 溶液是可行措施，试验得出其防御效果显著。在生产过程中，可先在田间验证其试验效果，然后结合生产成本核算，再酌情考虑在苗圃实践过程中的应用。