PEG 模拟干旱条件下木麻黄幼苗的生理变化

卢雅莉，吴杨熙，陈红跃

(1.广东省林业调查规划院，广东 广州 510520；2.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635；3.华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642)

木麻黄Casuarina equisetifolia是高大乔木树种，天然分布于澳大利亚、东南亚和太平洋群岛地区[1]，是我国热带和亚热带地区重要的生态和用材等多用途树种，对防台风、沿海沙丘固定和贫瘠干旱的沿海沙地生态系统恢复有不可替代的作用[2]。当前，木麻黄人工林面临着种质资源贫乏、品种单一、衰老低效林分增多、病虫害严重、更新改造困难等严重问题[3]。华南和东南沿海现有90%以上木麻黄防护林使用无性系造林，长期使用单一的无性系导致木麻黄防护林的保存率、抗性等显著下降，严重影响沿海防护林的生态和经济效益[4]。

木麻黄具有耐旱、抗贫瘠、抗盐碱等特性[5]，而水分是影响沙地木麻黄生长发育的主要因子之一[6]。干旱条件下，植物体内会产生一系列生理和生化变化来适应干旱胁迫生境。丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)活性、脯氨酸含量是研究植物抗逆性的常用指标[7—8]。本研究利用聚乙二醇(PEG-6000)人工模拟干旱条件，测定木麻黄15个家系的幼苗在干旱胁迫下生理指标的变化，通过主成分分析法对各家系的抗旱性进行综合评价，探讨木麻黄的耐干旱机理，并从中筛选出耐旱性强的优良家系，为木麻黄防护林家系的选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验地设在华南农业大学林学与风景园林学院教学苗圃内，试验用苗为广东省林业科学研究院提供的2 月龄木麻黄营养袋实生苗，共15 个家系，分别是59、601、701、A13、东山2、东山短、惠2、抗1、抗3、龙4、南山7、平5、莆20、千头、粤杂交。实生苗平均地径2.1 cm，平均苗高45.1 cm。2008 年8～10 月，采用长60 cm、宽37 cm、深17 cm 的塑料盆作水培器材，在塑料泡沫板打孔后置于盆表面，将幼苗插于盆内营养液中。营养液选用霍兰格营养液配方。

1.2 方法

1.2.1干旱胁迫处理在新鲜营养液内加入PEG-6000 配制成不同浓度的胁迫溶液：轻度胁迫(50 g·L-1PEG)、中度胁迫(100 g·L-1PEG)、重度胁迫(150 g·L-1PEG)。将苗根部浸入胁迫溶液进行干旱胁迫处理，以不加PEG-6000 霍兰格营养液的幼苗作为对照。各个胁迫强度持续处理时间为6 d，然后采集叶片，测定各项生理指标。

1.2.2幼苗培养与取样选取形态长势基本一致的幼苗，剥落营养袋泥土并洗净根部，插入打好孔的泡沫板中，置于盛有营养液的塑料盆上，每孔一株苗，植株用海绵固定。水培苗在营养液中恢复2 d，再移入用营养液配制的具有不同渗透势的PEG-6000 溶液中进行干旱胁迫处理。各处理均在室温下进行，室内温度28 ℃，相对湿度75%～85%，处理期间每天通气1 次。幼苗处理6 d 后，选择生长良好，大小均一的叶片为供试材料。不同幼苗的样品均在上午8:30 采集，每个指标用4 株幼苗采样，取每棵幼苗第3 位至第8 位功能叶(完全舒展且成熟的叶)，用自来水冲洗叶片表面污物，再用蒸馏水冲洗2～3次，吸水纸吸干表面水分。混合采集叶片后测定生理指标。

1.2.3生理指标测定参照陈建勋等[9]的方法，MDA 含量用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定，SOD 活性用氯化硝基四氮唑蓝(NBT)光化还原法测定，脯氨酸含量用茚三酮法测定。每指标3 次重复。

1.3 数据统计

用Microsoft Excel 软件进行数据统计分析，采用SAS8.1 软件系统进行多重比较和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同干旱胁迫强度对叶片MDA 含量的影响

经干旱胁迫处理后，相同胁迫水平下，各家系间叶片MDA 含量存在一定差异(表1)。总体上各家系叶片MDA 含量随胁迫强度增大而上升，但各家系增幅差异明显，其中东山短和龙4 重度胁迫后的增幅分别达到827.44%和595.39%，而701 只有71.06%。轻度和中度胁迫后，多数家系叶片MDA 含量明显增加，而家系601 的变化趋势表现为先减少再升高。重度胁迫后，除701、抗3 增幅较小外，其余家系MDA 含量都大幅增加，其中家系601、东山短、龙4、平5 和千头的增幅显著。

2.2 不同干旱胁迫强度对叶片SOD 活性的影响

相同干旱胁迫水平下，各家系SOD活性存在一定差异(表2)。总体上看，随着PEG 浓度的增加，家系59、601、龙4、平5 的SOD 活性呈先下降后上升再下降趋势，重度胁迫后SOD 活性比CK 分别下降4.9%、14.9%、9.1%、20%；东山2、惠2、抗3 则呈上升趋势，升幅不大；抗1、莆20、千头、粤杂交则呈先上升再下降趋势；南山7 则是呈先下降再上升趋势；而701、A13、东山短呈小幅波动。对农作物的相关研究表明，因植物种类不同或抗逆性强弱不同，其SOD 变化也有差异，多数植物在水分胁迫下SOD 活性下降，但有的植物表现出先上升后下降的趋势[10]，本研究也出现这一情况。

2.3 不同干旱胁迫强度对叶片脯氨酸含量的影响

不同家系木麻黄叶片脯氨酸含量存在一定差异(表3)。总体上看，随着PEG浓度的增加，家系59、抗1、龙4、平5、千头和粤杂交呈现先上升后下降的趋势；家系601、东山短、南山7 和莆20呈现先上升后下降再上升的趋势；家系701、A13、东山2、惠2 和抗3 呈现上升趋势。其中，当重度胁迫时，粤杂交脯氨酸含量低于对照，降幅达59.88%，其余家系脯氨酸含量皆比对照高，其中，家系701、601 和东山短的增幅最大，分别为555.05%、435.32%和378.62%；家系59、抗3、南山7、平5、莆20、千头的脯氨酸含量增幅都超过100%。

2.4 木麻黄15 个家系幼苗抗旱性评价

为了全面准确地利用各种指标对植物的抗逆性进行综合评价，采用主成分分析法评价不同植物在不同环境胁迫下的抗逆性。主成分分析在保持原资料大部分信息的基础上，将多个指标划归为少数几个相互独立的综合指标，每个综合指标代表一个分量，以累积贡献率达0.85 以上为条件，确定主成分个数[11]。分析表明，第1、2、3 主成分特征根的累积方差贡献率已达99.89%，保留第1 个主成分足以代表原变量大部分信息(表4)。

表1 干旱胁迫下不同家系叶片MDA 含量(µmol·g-1 FW)Table 1 MDA content of leaves of different families under drought stress

表2 干旱胁迫下不同家系叶片SOD 活性(U·g-1 FW)Table 2 SOD activity of leaves of different families under drought stress

表3 干旱胁迫下不同家系叶片脯氨酸含量(µmol·g-1 FW)Table 3 Proline content of leaves of different families under drought stress

第一主成分叶片MDA 含量系数最大(表5)，说明叶片MDA 含量是反映水分胁迫的最重要指标，其次为SOD 活性和脯氨酸含量。

轻度胁迫时，惠2、南山7、莆20 的 MDA 含量增幅较大为第三类，抗旱性中等；东山短、抗3、龙4、东山2、平5、A13、59、粤杂交增幅中等为第二类，抗旱性较好；701、抗1、千头、601 增幅较小，为第一类，抗旱性最好。中度胁迫时，惠2、粤杂交、抗3、莆20、南山7 MDA 含量增幅较大为第三类，抗旱性中等；龙4、601、东山2、东山短、平5 增幅中等，为第二类，抗旱性较好；A13、59、701、抗1、千头增幅较小为第一类，抗旱性最好。重度胁迫时，龙4 的MDA 含量增幅最大，抗1、粤杂交、平5、增幅较大为第三类，抗旱性较差；东山短、惠2、莆20、千头、南山7、601、抗3、东山2 增幅中等第二类，抗旱性中等；A13、701、59 增幅最小为第一类，抗旱性最好。

综上所述，701、莆20、抗3、惠2、南山7 和东山2 随着胁迫水平的增加，MDA 含量增幅较小，抗旱性较好。601、A13、东山短在轻度和中度胁迫时，MDA 含量增幅较小，在重度胁迫时增幅较大，抗旱性较差。千头、粤杂交、抗1、龙4 和平5 在重度胁迫时MDA 含量较大，抗旱性较差。

表4 水分胁迫处理后主成分的贡献率Table 4 Contribution rate of principal components after water stress treatment

表5 水分胁迫处理后各因子的负荷量Table 5 The load of each factor after water stress treatment

3 讨论

丙二醛是植物脂质过氧化的产物，其含量表示脂膜过氧化的程度和植物对逆境条件反应的强弱[12]。在干旱胁迫下，植物MDA含量增幅越小，抗旱性越强，反之抗旱性越弱[13]。本研究表明，干旱胁迫处理后，各家系木麻黄幼苗叶片MDA含量上升，表明干旱胁迫使脂质过氧化水平加重，细胞膜系统结构在一定程度上遭到破坏，干旱胁迫程度与MDA增加程度具一定相关性。不同家系MDA含量升高的幅度不同，说明其抗旱性存在差异。701、抗3的MDA含量增幅较小，反映其膜系统从适应到破坏的过程，与保护酶系统的作用有关。其余家系的增幅较大，表明组织的保护能力弱，细胞膜受到明显的伤害，抗旱性较弱。

植物的抗旱性与其体内保护酶系统对活性氧的清除能力直接相关[8]。水分胁迫下，抗旱品种或种类具有较高的SOD 活性[14]。一般在干旱胁迫诱导下，植物叶片SOD 酶活性提高，增强抗氧化能力，减少脂质过氧化，稳定膜的透性[15]。重度胁迫处理叶片SOD 活性与对照相比的增幅可以作为种源间抗旱性比较的依据。本研究中，抗旱性强的有东山2、惠2、抗3、南山7，抗旱性较强的有701、A13、东山短，其余家系抗旱性较差。

脯氨酸是重要的渗透调节物质，可以作为氧化还原的活化剂，消除植物体内氨积累所造成的毒害，增强植物对干旱的适应能力[16]。叶片脯氨酸含量增加，可提高细胞溶质含量，有助于细胞组织的持水，提高其渗透调节能力，对干旱胁迫起到缓冲保护作用[17]。本研究中，重度胁迫时粤杂交脯氨酸含量比对照低，说明此时达到了耐受极限，脯氨酸含量显著下降；抗1、龙4、平5 和千头在重度胁迫时脯氨酸含量比中度胁迫处理低，说明干旱胁迫较严重时，渗透调节能力有所减弱或丧失；其余家系脯氨酸含量虽然有波动但总体呈升高趋势，可能是胁迫水平还不够，或是对水分胁迫的适应性较强，具体原因有待进一步研究。

植物对水分胁迫的适应性反应是复杂的生理生态学问题[18]，对MDA含量、SOD活性和脯氨酸含量三个指标的讨论都只是从各个侧面反映种源的抗旱性。单一的抗旱性指标难以充分反映植物对干旱适应的综合能力，采用多项指标的综合评价能更准确地反映植物的抗旱水平[19]。本研究运用主成分分析对15个木麻黄家系的3个生理指标进行综合评定，从而较为全面准确地评价各家系耐旱性的强弱。主成分中各因子的负荷量大小说明，干旱胁迫下抗旱性强的树种可维持较高的组织含水量，水分亏缺少，细胞膜伤害率低，对活性氧的清除能力强[20]。MDA含量可作为木麻黄抗旱性评价的有效指标。从主成分分析结果来看，15个木麻黄家系中，701、莆20、抗3、惠2、南山7和东山2抗旱性较好；东山短、601、59、A13抗旱性中等；千头、粤杂交、抗1、龙4和平5抗旱性较差。

PEG-6000是一种较为理想的渗透调节剂，其诱导水分逆境所得效果与将土壤逐步干旱是一样的，可用于模拟土壤干旱来研究植物对水分亏缺的反应[21]。目前，聚乙二醇溶液已广泛应用于各种植物的抗旱性鉴定[22]。但不同植物抗旱机制不同，同一植物在不同生长期或不同生境条件下，抗旱能力和方式也不尽相同[19]。本研究模拟水分胁迫条件，与野外生长环境存在差异，所得结论有待在实际栽培中进一步验证。本研究用苗为2月龄苗，木麻黄幼苗的抗旱性与成年植株抗旱性差异程度也有待研究。