大青杨对不同干旱胁迫强度的形态和生理响应

金胶胶 宋子文 马晓雨 孙国语 李开隆

(东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室,哈尔滨 150040)

水分是林木成活和生长的关键性因子，高等植物的生长、发育和分布很大程度上受水分的影响[1]，然而在非生物胁迫中，干旱是最常见的气候灾害[2]。随着全球变暖，气温升高，水资源的缺乏导致干旱危害日益加重[3]，严重抑制了林木的成活和成材。了解林木对干旱胁迫的适应性和耐受性，对林木的种植和利用具有重要意义。

在干旱的环境下为减轻缺水造成的危害，林木体内会发生一系列生理生化变化。了解林木在干旱情况下生理生化应答特征是评价林木对干旱胁迫抗性的重要指标[4]。近年来，对杨树在干旱条件下的形态、光合特征、生理生化应答机制的研究日益深入。光合作用是绿色植物物质生产和积累最重要的生命活动，是植物生长的基础。干旱胁迫会使光合速率下降，对生长有明显的抑制作用[5～6]。细胞膜为植物细胞维持正常的生理代谢活动提供相对稳定的内环境。干旱胁迫会对植物细胞膜造成损伤，质膜相对透性增强[7]，大量内溶物外渗，内环境遭到破坏导致细胞生理功能丧失。干旱胁迫也会使蛋白质和核酸变性失活，从而破坏细胞膜的结构和功能。可溶性蛋白等有机渗透调节物质的积累可以维持细胞膨压，增强细胞和组织的保水能力以增强植物抗旱性[8]。因此研究细胞渗透调节物质与抗旱性的关系尤为重要。大青杨(PopulusussuriensisKom.)是东北林区主要的更新树种，干形通直，木材洁白，是造船、建筑、造纸的好材料[9]。然而，大青杨在干旱胁迫下生物量的积累和分配，光合特征，渗透调节物质变化却鲜有报道。幼苗期是决定树木成活和森林更新的重要时期，对于林木幼苗期干旱胁迫耐受性的研究具有重要意义[10]。本试验使用聚乙二醇(PEG-6000)处理大青杨扦插苗，对其在逆境下的生长状态、叶片的净光合速率、相对含水量、相对电导率、可溶性蛋白和可溶性糖的含量，叶绿素荧光参数进行测定分析，以探究大青杨对干旱胁迫的生长及生理响应，为大青杨的选育和推广种植奠定基础。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

2018年4月18日，在东北林业大学塑料大棚进行营养杯(直径21 cm×深度21 cm)扦插育苗。培养条件如下：相对湿度50%～65%；温度(日/夜)：26～30℃/22～25℃；光周期：自然光照条件，104 d后(8月1日)选择长势一致，生长健康的幼苗进行试验。试验共四个处理，分别用5%(50 g·L-1，轻度干旱胁迫)、15%(150 g·L-1，中度干旱胁迫)、25%(250 g·L-1，重度干旱胁迫)的PEG 6000溶液对幼苗进行干旱胁迫处理，以浇水处理作为对照，分别在处理的2、4、6、8、10 d取样。取样时间为每天上午的8：30，每个单株选取第3～6片功能叶，设置3个生物学重复，每个植株只在一个时间点采样1次，以避免机械损伤，将取下的叶片放入液氮中固定后置于超低温冰箱中待用。处理结束后进行生长指标的测定。

1.2 试验方法

生长指标(苗高、地径、生物量和根冠比)的测定参照李墨野[11]的方法。

叶片相对含水量、相对电导率的测定参照王学奎[12]的方法进行。脯氨酸含量的测定采用苏州科铭生物技术有限公司试剂盒。可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝G-250法[13]，可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[14]。

叶绿素荧光参数的测定采用Handy PEA植物效率分析仪(Hansatech，英国)进行，分别于上午9：30，每个单株选取第6～7片功能叶。叶片暗适应20 min后测定初始荧光(Fo)，随后以饱和白光脉冲(6 000 μmol·m-2·s-1，0.8 s)激发测定最大荧光(Fm)，叶片的荧光变量Fv=Fm-Fo，而叶绿体PSⅡ的光化学效率=Fv/Fm。

净光合速率日变化的测定采用Li-6400便携式光合仪。干旱胁迫6 d后，时间为6:00～18:00，每个单株选取第6～7片功能叶在自然条件下进行测定，每个叶片重复读数3次。

1.3 统计分析

采用SPSS 22.0统计软件进行单因素方差分析和多重比较(Duncan法)。

2 结果

2.1 不同强度干旱胁迫对大青杨表型和生长的影响

正常水分条件下植株叶片表型一直呈正常状态，随着胁迫强度的增加和时间的延长，植株叶片开始出现枯黄斑点，随后枯黄面积逐渐变大。胁迫后期，中度、重度胁迫下植株叶片发生卷曲，直至叶片凋零(图1)。

图1 不同强度干旱胁迫下大青杨动态观测Fig.1 Dynamic morphologic observation on P.ussuriensis under different drought stress conditions

干旱胁迫10 d后，轻度、中度、重度胁迫处理的苗高生长量分别下降了17.71%、20.29%、45.96%，苗高生长受到抑制，但不同胁迫强度处理下无显著差异。轻度、中度胁迫并未引起地径生长的变化，但重度胁迫导致地径的显著下降，与对照相比下降了17.29%(表1)。

干旱胁迫10 d后，重度胁迫下植株生物量的积累受到抑制。轻度、中度胁迫并未引起根冠比的变化，但重度胁迫引起根冠比显著增大，与对照相比增大了64.13%(表2)。

表1 调查不同强度干旱胁迫后幼苗苗高和地径

Table 1 Investigation on height and ground diameter of seedlings after different degrees of drought stress

指标Traits胁迫强度Different degrees of drought stress(%)051525苗高Seedling height(m)1.65±0.19a1.40±0.10b1.37±0.11b1.29±0.07b地径Ground diameter(mm)7.77±0.67a7.42±0.72ab6.86±1.18ab6.63±0.37b

注：表中不同字母代表差异显著性，下同。

Note:Different letters in the table indicate significant difference among different drought stress conditions,the same as below.

表2 不同强度干旱胁迫对幼苗根冠比的影响

Table 2 The influences that different drought stress conditions made on biomass and root ratio of seedlings

胁迫强度Different degrees of drought stress(%)干重Dry weight(g)地下部分Aboveground地上部分Underground根冠比Root ratio07.14a23.20a0.3067b56.84a20.46a0.3433b156.69a16.92ab0.4067ab255.94a11.87b0.5033a

图2 不同强度干旱胁迫对大青杨相对含水量的影响图中不同字母代表差异显著性，下同。Fig.2 The influences of different drought stress conditions on relative water content of P.ussuriensis Different letters in the figure indicate significant difference among different drought stress conditions,the same as below.

图3 不同强度干旱胁迫对大青杨相对电导率的影响Fig.3 The influences of different drought stress conditions on relative conductivity of P.sussuriensis

2.2 不同强度干旱胁迫对大青杨叶片相对含水量、相对电导率的影响

随着干旱胁迫时间的延长，不同强度胁迫下的大青杨叶片相对含水量均呈下降趋势(图2)。胁迫初期(2 d)、中期(6 d)，轻度胁迫与对照间无显著差异，但中度和重度胁迫引起相对含水量的显著下降。胁迫末期(10 d)，不同胁迫强度与对照均有显著差异，分别比对照低23.60%、38.56%和66.78%。

不同强度胁迫下的大青杨叶片相对电导率均呈上升趋势(图3)。胁迫初期，轻度胁迫对相对电导率无显著影响，但中度和重度胁迫引起相对电导率的显著上升。胁迫中、末期，不同胁迫强度与对照均有显著差异。与胁迫初期相比，胁迫末期轻度、中度、重度胁迫下植株相对电导率上升了83.54%、110.02%、137.92%。随着胁迫强度的增加，相对电导率上升幅度越大。

图4 不同强度干旱胁迫对大青杨叶片中脯氨酸含量的影响Fig.4 The influences of different drought stress conditions on proline content of P.ussuriensis

图5 不同强度干旱胁迫对大青杨叶片中可溶性蛋白含量的影响Fig.5 The influences of different drought stress conditions on soluble protein content of P.ussuriensis

图6 不同强度干旱胁迫对大青杨叶片可溶性糖含量的影响Fig.6 The influences of different drought stress conditions on soluble sugar content of P.ussuriensis

2.3 不同强度干旱胁迫对大青杨细胞渗透调节物质的影响

随着干旱胁迫时间的延长，不同强度胁迫下的大青杨叶片中脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量均呈现先上升后下降的趋势，重度胁迫先于轻度、中度胁迫达到峰值。胁迫初期，中度、重度胁迫脯氨酸含量与对照间存在显著差异，比对照高39.33%、71.63%，但干旱胁迫对可溶性蛋白和可溶性糖并无显著影响。胁迫中期，不同胁迫强度脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量均显著高于对照，脯氨酸含量分别比对照高55.66%、103.76%、88.69%，可溶性蛋白含量比对照高10.39%、31.49%、15.26%，可溶性糖含量比对照高33.33%、59.03%、51.62%。胁迫末期，轻度胁迫脯氨酸含量与对照间存在显著差异，比对照高21.64%。但不同强度胁迫下可溶性蛋白、可溶性糖含量与对照无显著差异，且有小于对照的趋势。在整个胁迫处理过程中，轻度胁迫下细胞内溶物含量变化趋势较缓。

2.4 不同强度干旱胁迫对大青杨光合生理的影响

随着胁迫强度的增加和胁迫时间的延长，大青杨叶片的Fv/Fm呈下降的趋势。在胁迫初、中期，重度胁迫引起Fv/Fm的显著下降。在胁迫末期，不同强度胁迫与对照均存在显著差异，分别下降了22.16%、45.20%、53.93%。与胁迫初期相比，胁迫末期轻度、中度、重度胁迫下Fv/Fm下降了19.10%、52.75%、39.47%，随着胁迫强度的增加，下降程度增加。

图7 不同强度干旱胁迫对大青杨绿素荧光参数的影响Fig.7 The influences of different drought stress conditions on Fv/Fm of P.ussuriensis

大青杨叶片的净光合速率(Pn)明显呈现双峰模式(图8)。在正常水分条件下，Pn最大值出现在上午9:00，10:00时Pn明显下降，到下午3:00时出现又一个高峰。幼苗进行干旱胁迫处理时，Pn日变化模式与对照基本一致，且轻度胁迫下Pn显著高于中度、重度胁迫。图9显示，大青杨叶片的气孔导度(gs)日变化与Pn日变化趋势相似，干旱胁迫处理后叶片气孔导度与对照差异明显。

图8 不同强度干旱胁迫对大青杨净光合速率日变化的影响Fig.8 The influences of different drought stress conditions on the diurnal variation net photosynthetic rate of P.ussuriensis

图9 不同强度干旱胁迫对大青杨气孔导度日变化的影响Fig.9 The influences of different drought stress conditions on the diurnal variation stomata conductance of P.ussuriensis

3 讨论

在植物受到干旱胁迫时，根系吸水量减少[15]，细胞膜被破坏导致膜透性增大，胁迫强度的增加和胁迫时间的延长会对植株造成更大的损害[16]。本研究表明，随着干旱胁迫时间的延长，大青杨叶片的相对含水量持续下降，相对电导率持续上升，并对叶片造成了明显的形态学上的伤害。而且，干旱胁迫抑制了大青杨幼苗苗高、地径的生长、以及生物量的积累，且随着胁迫强度的增加和胁迫时间的延长，抑制作用明显增加。这些结果与杨敏生[17]对白杨杂种无性系水分胁迫的研究结果相似，大青杨幼苗在中度、重度胁迫下受到的损伤较轻度胁迫更大。随着干旱胁迫强度的增加，大青杨的根冠比增大，生物量的分配逐渐向根部倾斜，这说明水分缺乏的环境促进幼苗根系的生长以期汲取更多的水分[18]。

在干旱胁迫过程中，植物体内的渗透调节物质会增加，但不同物质增加的幅度不同，不同强度胁迫下渗透调节物质的增加幅度也不同[19～20]。细胞内溶物的积累可以使细胞保持一定的膨压，阻止细胞失水[21]，从而增强植物对干旱胁迫的耐性和细胞适应性[22]。本研究中，脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量随着干旱胁迫时间的延长呈现先上升后下降的趋势，可溶性糖和可溶性蛋白含量的增幅比脯氨酸含量小。干旱胁迫初期，大青杨叶片中的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量比对照高，相对含水量、相对电导率、Fv/Fm下降幅度小，以上结果都说明大青杨有一定的抗干旱胁迫能力。在胁迫后期，大青杨叶片中的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量显著下降，且中度、重度胁迫低于轻度胁迫，此时相对含水量、相对电导率、PSⅡ的光化学效率下降幅度增大，净光合速率明显低于对照，这说明大青杨细胞、组织等在干旱胁迫处理中受到了不可逆转的损伤。

大青杨能在短时间内抵御轻度干旱的环境，在中度和重度干旱胁迫环境下抵抗能力是有限的。大青杨不适合在严重干旱的地区种植，此外，在其幼苗期应保持充足的水分以减少干旱胁迫带来的损伤。