干旱胁迫对酸枣幼苗生理特性的影响

邹苗, 王月林, 李钢铁*, 冯斐, 麻云霞,赵雨兴, 石麟, 任余燕

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院, 呼和浩特 010018; 2.内蒙古自治区草原工作站, 呼和浩特 010017; 3.鄂尔多斯市林业治沙科学研究院, 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

在全球气候变暖日益加剧的大背景下，诸多国家和地区都面临着不同程度的干旱威胁[1]。在干旱、半干旱自然环境植物生长过程中最依赖的是水分[2]。频发极端高温天气和水资源匮乏威胁着植物的正常生长发育[3-4]，但植物在干旱胁迫时可以通过自我调节从而发生一系列生理生化反应或改变物质代谢从而去适应环境所带来的影响。筛选抗旱植物对干旱地区植物资源的发展有深远意义。目前对植物抗旱性的评价指标已经由形态解剖学发展到生理生化过程[5]。

酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)属于鼠李科(Rhamnaceae)枣属(ZizyphusMill.)落叶灌木或者小乔木，是一种对极端气候适应性较强的物种，具有耐瘠薄、耐旱、防风和根系发达等优点，是防风固沙、水土保持的先锋树种，也常作为枣的优良砧木[6]。酸枣原产于我国，广泛分布于三北地区和华东的向阳山坡、平原及荒漠丘陵地，从湿润的滨海至干旱荒沙地都有分布，已有1 300万年左右的历史。酸枣各器官均有很高的经济价值和药用价值[7]。目前，对酸枣的研究大多集中在化学成分、药理作用[8]和抗旱结构[7]等方面，对酸枣抗旱生理指标特性的研究较少[9]。本研究以1年生酸枣幼苗为研究对象，利用不同梯度土壤含水量对酸枣幼苗进行胁迫处理，测定酸枣幼苗的相对含水率、丙二醛(malondiadehyde，MDA)含量、游离脯氨酸(proline，Pro)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性、过氧化物酶(peroxidase，POD)活性、过氧化氢酶(catalase，CAT)活性和叶绿素荧光参数指标，探究干旱胁迫对酸枣幼苗的损伤机理及酸枣的抗逆机制，总结酸枣应对干旱胁迫的生理特性响应及其变化规律，为酸枣资源的开发利用提供基础资料。

1 试验内容和方法

1.1 试验材料

试验于2016年3—8月于内蒙古农业大学温棚中进行，地理坐标为：E111°73′29″，N40°83′35″，海拔高度为1 051 m，棚内日/夜均温为12～25 ℃，相对湿度为50%～90%，所用材料为乌拉特后旗林业科学研究所提供的1年年生酸枣健壮幼苗。2016年3月10日将酸枣苗种植于规格为21 cm×15 cm×18.5 cm的黑色聚丙烯花盆中，每盆装土量为4 kg，土壤为壤土、砂质土、腐殖质(1∶2∶1)的混合土，每桶种植6株。

1.2 试验方法

选取长势良好的酸枣苗进行栽培种植，首次浇透水，让植物缓苗生长，土壤水分进行自然消耗，当所消耗的水分达到固定标准时，用电子秤(香山，ACS-30-JC61D)对其称量，使其质量稳定在土壤含水量的固定界限内。在2016年6月下旬开始进行胁迫处理，共设置4个水分处理梯度，每种梯度的盆中土壤含水量分别为田间持水量的80%(适宜水分，CK)、60%(轻度胁迫，L)、40%(中度干旱，M)和20%(重度干旱，S)，每个梯度栽植15盆，共设60盆。在每天18:00时采用称重法测定花盆土壤含水量。指标测定均在开始试验30 d后进行，上午7:00时采集叶片，置于冰袋保存并带回实验室，在8:00—11:00进行各指标测定，每个处理设3次重复，每次重复测定3片叶。

1.3 指标测定

1.3.1相对含水率测定 从各个处理组随机抽取成熟且健康的叶片，称取其鲜重Wf，然后将叶片置于装有蒸馏水的培养皿中，在实验室浸泡24 h后，用滤纸吸干叶片表面全部水分，再称其饱和状态下的质量Wt，最后在恒定温度75 ℃的烘箱内烘48 h至质量不变，称得干重Wd[10]。

RWC=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%

式中,RWC为叶片相对含水率(relative water content)；Wf为叶片自然鲜重；Wd为叶片干重；Wt为叶片饱和鲜重。

1.3.2生理指标测定 MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法[11]，Pro含量的测定采用酸性茚三酮比色法[11]，SOD活性采用NBT法[11]，POD活性采用愈创木酚比色法[11]，CAT活性采用紫外线吸收法[11]。

叶绿素荧光参数测定采用PAM-2100便携式荧光测定系统(Walz, Effeltrich, Germany)，选用2030-B叶夹测定叶绿素荧光参数，试验样品暗处理30 min后，测定样品的最大荧光(Fm)、初始荧光(Fo)，再在光照下完全活化1 h，测定样品的最大稳态荧光(Fm′)、最小荧光(Fo′)、以及稳态荧光(Fs)，相继计算出光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(qN)、最大光化学速率(Fv/Fm)、和实际光化学效率ΦPSⅡ[12]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行计算和绘图，SPSS 17.0进行方差分析。

2 结果分析

2.1 干旱胁迫下酸枣幼苗相对含水率的变化

酸枣幼苗在干旱环境中亏缺水分的程度可用植物叶片的相对含水率直接反映。由图1可知，随着土壤含水率的逐渐减少，酸枣幼苗的相对含水率呈现逐渐下降的趋势。处理组M比CK显著下降26%；处理组S与CK显著下降39%。

注：不同小写字母表示处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.2 干旱胁迫下酸枣幼苗MDA和Pro含量变化

膜脂过氧化产物丙二醛常被用来表征植物细胞膜受干旱胁迫的伤害程度[13]。由图2A可知，随着干旱胁迫程度的增加，酸枣幼苗的MDA含量总体呈上升趋势。其中处理组L与CK差异不显著，处理组M和S分别比CK显著增加39%和56%。由此可见，干旱程度的增加使酸枣幼苗膜脂过氧化程度增加。

Pro作为细胞溶质参与渗透调节，其响应程度反映酸枣幼苗在逆境胁迫中的抗旱能力[14]。由图2B可知，随着干旱胁迫的加剧，酸枣幼苗体内Pro含量逐渐增加。各处理组Pro水平均高于CK处理，处理组M和S较CK显著增加1倍和1.55倍。由此得出，随着干旱胁迫程度的增加，酸枣幼苗叶片通过增加渗透调节物质Pro的含量来抵抗环境对植物的损伤。

注：不同小写字母表示处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.3 干旱胁迫下酸枣幼苗抗氧化酶活性的变化

植物体内抗氧化酶活性作为植物应对干旱胁迫响应的重要指标，可以一定程度上用来表征酸枣幼苗在胁迫条件下的响应程度[15-16]。POD是一种与光合作用、呼吸作用有紧密联系且活性较高的酶，用来反映叶片体内代谢程度。SOD的活性越大，叶片清除自由基的能力越强。CAT存在于植物的微体中，与POD一起作为H2O2的解毒剂，且与生长素、NADH、NADPH共同影响植物的氧化作用[17]。从图3可以看出，随着干旱胁迫程度的增加，POD、SOD和CAT活性均呈现逐渐上升趋势，但增长幅度相对较小，与CK相比，M处理下POD、SOD和CAT酶活性高出CK 8%、11%和8%，S处理下POD、SOD和CAT活性高于CK 10%、17%和19%，而L处理下3种酶均与CK差异不显著。说明干旱胁迫引起酸枣幼苗膜脂损伤，引发过氧化胁迫反应，诱导POD、SOD和CAT活性增加。

注：不同小写字母表示处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.4 干旱胁迫对酸枣幼苗荧光参数的影响

初始荧光(Fo)是完全暗适应的光系统Ⅱ(photosystem Ⅱ，PSⅡ)反应中心处于开放时的荧光强度，最大荧光(Fm)是完全暗适应PSⅡ反应中心处于关闭时的荧光强度，Fv/Fm是PSⅡ反应中心捕获初始光能的转化效率，反映植株所受光抑制的程度[18-19]。qP是PSⅡ反应中心天然色素接收光能分配给光化学电子传递总值的物理量，反映光系统的“开放”程度，qN是PSⅡ反应中心天然色素接收光能后通过热耗散形式的部分能量，反映光系统的“损伤”程度[20]。由图4可知，不同干旱胁迫对酸枣幼苗叶绿素荧光特性有显著影响，随着干旱胁迫的加剧，酸枣幼苗的Fm、Fv/Fm和ΦPSⅡ均逐渐减小，而Fo逐渐增大。其中，处理组M和S的Fo较CK分别显著增加18%和24%，处理组M与S间差异不显著；处理组M和S的Fm较CK分别显著下降12%和21%，处理组L与CK差异不显著；处理组M和S的Fv/Fm较CK显著下降，处理组L与CK差异不显著。ΦPSⅡ整体呈下降趋势，处理组M和S较CK分别显著下降32%和29%。qP随着胁迫程度的增加而逐渐降低，处理组M和S分别较CK显著下降37%和54%，处理组L与CK之间差异不显著。qN随着干旱胁迫程度增加而增加，处理组M和S分别较CK显著增加45%和63%，处理组L与CK之间差异不显著。

注：不同小写字母表示处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。

3 讨论

干旱胁迫影响着植物生长发育的各个时期，不仅使植物形态萎蔫，还会导致植物产生大量膜脂过氧化物MDA，进而破坏膜的结构和功能，严重时将导致植物死亡[21]。本研究表明，随着干旱胁迫程度的增加，MDA含量呈上升趋势，酸枣在轻度、中度干旱胁迫下MDA含量上升不显著，说明膜脂受伤害程度较轻，而重度干旱胁迫下MDA含量显著上升，说明叶片受伤害程度严重，膜脂发生过氧化。这与崔秀妹等[22]的研究结果一致，崔秀妹等[22]研究发现，片扁蓿豆(Melissilusruthenicus)叶片MDA含量在重度干旱胁迫条件下明显增大，而在轻度和中度干旱胁迫下增幅不显著。本研究表明，随着干旱胁迫的加剧酸枣幼苗体内Pro含量逐渐增加。这与朱广龙等[23]和薛盼盼[24]研究结果一致。表明叶片通过增加渗透调节物质Pro的含量来维持细胞代谢正常进行，在重度干旱胁迫中，酸枣产生高于适宜水分处理下2.55倍Pro含量的来维持细胞膨压，缓解干旱胁迫。

植物除产生抗氧化物质(抗坏血酸、谷胱甘肽、维生素E等)来减轻氧化损伤，还可通过启动抗氧化酶(POD、SOD、CAT)系统来消除自由基，进而减少膜脂过氧化，维持细胞膜稳定[25]。本研究说明，酸枣幼苗的保护酶随干旱胁迫程度的增加而增大，POD、SOD、CAT酶活性均在中度和重度干旱胁迫下显著增加，以抵御清除活性氧的损伤，表明酸枣有很强的抗旱能力。

叶绿素荧光动力学可以从微观视角来解释植物在光合作用过程中对光能的吸收传递、消耗利用和分配转换[26]，研究发现逆境胁迫程度与叶绿素荧光参数的测定值被抑制的程度呈正相关，因此也是评估植物抗逆性的指标之一[27-28]。作为PSⅡ稳定性的表征，Fo增大表示PSⅡ反应中心遭到破坏或可逆失活，而Fo减小表示PSⅡ天线色素的热耗散加剧[29]。本研究中酸枣幼苗各处理组的Fo均高于对照，Fv/Fm随干旱胁迫强度的增强逐渐下降，表示PSⅡ反应中心受到损伤，植物受到光抑制，在中度和重度胁迫时与对照间差异显著，表明干旱胁迫遏制了光合电子的传递过程，这与童小芹等[30]在黄瓜、番茄等作物上的研究结论相似。干旱胁迫下ΦPSⅡ下降，说明叶片长时间处于逆境环境中导致光合作用受到抑制，对光合PSⅡ反应阶段造成一定损伤，降低了PSⅡ反应中心实际的量子效率，这与杨锐[31]和王晓等[32]研究结果一致。本研究中光化学淬灭系数qP随着干旱胁迫程度的增强而降低，表明干旱胁迫导致PSⅡ天然色素捕捉光能分配给电子传递速率的值减少，而非光化学淬灭系数qN上升说明叶片在干旱胁迫下天然色素通过热耗散的方式释放过多的热量，来减少PSⅡ吸收的过多光能，从而减缓衰老，这是植物的一种保护机制[33]，与对赤霞珠葡萄[34]和棉花[35-36]中的叶绿素荧光参数规律类似。