核桃苗木对模拟降雨变化的生理响应

詹 瑾 种培芳 谢惠敏 贾向阳 沈永涛

(1甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2陇南市经济林研究院，甘肃 陇南 746000)

近半个世纪以来，由人类活动引起的温室气体排放导致的气候变暖已受到人们的广泛关注。 迄今为止，全球平均地面温度已上升0.74℃，这不仅改变了全球的大气循环和水循环，而且导致全球和区域性的降雨格局发生了变化，如降雨总量、降雨时间分布发生变化，降雨时间间隔延长、单次降水量增加为特征的降雨事件发生次数增加等，且这种趋势会越来越普遍[1]。 为适应气候条件的变化，植物需通过改变自身形态与生理响应机制适应环境。 因此，降雨变化与植物的关系已成为备受关注的研究热点，目前许多学者已从模拟降雨对群落结构[2]、光合特性及生物量[3-4]、生理生长[5]等方面开展了研究。

核桃(Juglans regia)又称胡桃、羌桃，为胡桃科胡桃属植物的统称。 近年来，科研工作者分别从核桃的栽植管理[6]、抗寒性[7]、花芽分化机制[8]及不同核桃品种光合特性的差异[9-10]等方面进行了研究，而对核桃在不同水分条件下生理调控机制方面的研究尚少[11-12]。 研究表明，水分调控可引起核桃生理指标的变化，干旱会造成过氧化物酶(peroxidase，POD)、过氧化 氢 酶 ( catalase， CAT )活性增加，丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量积累[13]，随着干旱程度加剧，相对含水量(relative water content，RWC)逐渐降低，可溶性糖(soluble sugar，SS)含量逐渐升高，可溶性蛋白(soluble protein，SP)、MDA 和脯氨酸(proline，Pro)含量轻微下降后逐步上升[14]。 为探明核桃对水分条件变化产生的生理机制响应，本研究通过人工控制降雨量，对3 种核桃苗木进行盆栽试验，对其生理指标进行测定，以期为核桃树种的选择及响应水分变化的生理机制研究提供有力的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验地概况

试验地设在陇南市经济林研究院成县试验基地，试验采用广泛种植的3 个核桃品种:香玲、清香和辽核1 号。 材料为该试验基地已培育好的3 年生核桃嫁接苗木。

1.2 试验设计

1.2.1 模拟降雨 根据选取核桃苗木种源成县生长季(4-8 月份)每月平均降雨(1987-2016 年近30 年这几个月的月平均降雨量为基准)设置降雨量。 成县气象局资料显示，1987-2016 年的年平均降雨主要集中在4-8 月，该时期总降雨量为403.00 mm，占年降雨量的66.37%，月均降雨量为80.60 mm；该地区1987-2016 年生长旺盛期(4-8 月)内最丰年的降雨量为617.50 mm，比平均水平高出约50%，最欠年的降雨量为192.80 mm，比平均水平低约50%。 因而设定试验期间降雨量增减50%的处理，并在中间设置增减25%2 个梯度，降雨控制试验共设置5 个梯度:降雨量减少50%(-50%，土壤含水量12.02%)、减少25%(-25%，土壤含水量17.73%)、CK(土壤含水量20.02%)、增加25%(＋25%，土壤含水量23.02%)和增加50%(＋50%，土壤含水量26.00%)。 CK 是以成县近30 年核桃生长旺盛期(4-8 月)每月的降雨量为基准，换算为各处理每月的总灌水量，分10 次灌水，每隔3 d 浇1次水，控水试验结束后采用烘干法测定控水梯度相对应的土壤含水量。

1.2.2 育苗 2017 年3 月初，挑选生长势基本一致，苗高30～35 cm，无病虫害的3 年生核桃苗木香玲、清香和辽核1 号各25 株，每个树种设有5 个灌水量梯度，每个梯度设5 个重复，随机排列。 选择某一阴天，将其分别移栽至上内径58 cm、高40 cm、下内径45 cm的圆形花盆中，每盆装入该试验基地无杂质土壤25 kg，在自然状态下缓苗30 d。

2017 年4 月13 日-8 月27 日进行控水。 持续3个晴天后，依据灌水量于2017 年4 月13 日20:00 采用量筒对苗木进行人工灌水，雨天及时遮盖防雨布。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生理指标的测定 控水试验结束后，采集核桃树叶片用于生理指标测定。 RWC 和水分饱和亏缺(water saturation deficit，WSD)的测定采用烘干称量法。 SS 含量的测定采用蒽酮比色法，SP 含量的测定采用考马斯亮蓝G-250 法，Pro 含量的测定采用磺基水杨酸提取法，CAT 活性的测定采用紫外吸收法，POD活性的测定采用愈创木酚法，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性的测定采用氮蓝四唑法，叶绿素含量的测定采用丙酮-乙醇法， MDA 含量的测定采用硫代巴比妥酸比色法[15]。

1.3.2 灰色关联度法 设参考数列为X0，比较数列为Xi(i＝1，2，…，n)， 则参考数列X0＝{X0(1)，X0(2)，…，X0(n)}。 利用下列公式对各指标进行处理:

用X′i(k)＝Xi(k)-XiSi对原始数据进行无量纲化处理，其中Xi(k)是原始数据，Xi和Si是指同一指标的平均值和标准差。

式中，ri(k)为关联系数；ri为灰色关联度Δi(k)＝｜X0(k)-Xi(k)｜为数列X0与数列Xi在第k点的绝对值；minminΔri(k)为二级最小差，maxmaxΔi(k)为二级最大差；ρ为分辨系数，取值范围为0 ～1，本试验取值0.5[16]。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 进行数据统计，SPSS 22.0 对数据进行ANOVA 方差分析和多重比较，Origin 8.0 进行作图。

2 结果与分析

2.1 模拟降雨对核桃苗木叶片RWC 和WSD 的影响

由图1 可知，香玲、清香和辽核1 号叶片RWC 大体表现为随着降雨量的增加而增加；叶片WSD 随着灌水量的增加而递减，且差异显著(除香玲的降雨量＋50% 处理外)(P＜0.05)。 说明在不同水分条件下，3种核桃苗木可通过调节体内水分吸收和消耗、增加WSD 来维持细胞体内水分的相对平衡，从而保障正常的生理功能[17]。 而香玲在降雨量＋50%时，可能是由于体内细胞损伤严重，不能通过调节叶片RWC 及WSD 来维持生长，导致其叶片RWC 及WSD 相比降雨量＋25%处理发生变化。

2.2 模拟降雨对核桃苗木叶片渗透调节物质的影响

图1 模拟降雨对3 种核桃苗木叶片RWC 及WSD 的影响Fig.1 Effect of simulated rainfall on leaf relative water content and water saturation deficit of three walnut seedlings

由图2 可知，SS、SP 和Pro 在清香和辽核1 号中的含量均随着降雨量的增加而递减，在不同水分条件下差异显著(P＜0.05)，在降雨量＋50%和＋25%之间不显著，辽核1 号中的含量均高于清香。 灌水量＋50%时，3 种渗透调节物质在香玲中的含量上升，说明水分条件较湿润时可促进香玲中3 种渗透调节物质合成，以维持正常生长；除降雨量＋50%外，3 种渗透调节物质在核桃苗木中含量均表现为辽核1 号＞清香＞香玲，说明辽核1 号对水分变化较敏感，可以快速积累渗透调节物质，从而适应环境进行生长。

2.3 模拟降雨对核桃苗木叶片保护酶活性的影响

由图3 可知，香玲、清香和辽核1 号叶片SOD、POD 和CAT 活性大体是随着降雨量的增加而递减，并且在不同水分条件的酶活趋势为辽核1 号＞清香＞香玲。 降雨量-50%时，香玲中SOD 和POD 的活性比降雨量-25%时有所降低，说明此时香玲机体受到了一定的损伤，超出了自身的代谢能力，使这2 种酶活性降低，即SOD 和POD 活性存在一定阈值[18]；降雨量-50%时，香玲叶片CAT 活性骤然降低，说明此时抗氧化酶系统中CAT 功能减弱，主要以SOD 和POD 为主。

2.4 模拟降雨对核桃苗木叶绿素含量的影响

由图4 可知，香玲、清香和辽核1 号叶片叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素的大体随着灌水降雨量的增加而增加，且在不同水分条件下均表现为辽核1 号＞清香＞香玲的趋势。 降雨量＋50%时，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素在香玲中的含量较降雨量＋25%时降低了14.17%、8.35%和12.93%。

2.5 模拟降雨对核桃苗木叶片MDA 含量的影响

由图5 可知，香玲、清香和辽核1 号的MDA 含量大体是随着降雨量的增加而递减，并且在不同水分条件下均表现为香玲＞清香＞辽核1 号的趋势。 降雨量＋50%时，MDA 含量在香玲中的含量较降雨量＋25%时了8.44%。

2.6 模拟降雨对核桃苗木生理指标的相关性分析

由表1 可知，3 种核桃苗木的RWC、总叶绿素含量、叶绿素a 含量和叶绿素b 含量与MDA 含量呈极显著负相关WSD、SS、Pro 与MDA 呈极显著正相关(rWSD3＝0.913，rSS3＝0.945，rPro3＝0.910，P＜0.01)，Pro 与SS 呈极显著正相关(rPro3＝0.957，P＜0.01)，总叶绿素、叶绿素a 和叶绿素b 与SS呈极显著负相关(r总叶绿素3＝-0.958，r叶绿素a3＝-0.957，，总叶绿素、叶绿素a 和叶绿素b 与Pro 呈极显著负相关(r总叶绿素3＝-0.977，r叶绿素a3，CAT 与各个指标相关性不显著。

2.7 灰色关联度分析

由表2 可知，各项生理指标与核桃苗木对水分适应性的关联顺序为:SOD＞MDA＞叶绿素b＞总叶绿素＞SP＞叶绿素a＞POD＞RWC＞WSD＞Pro＞SS＞CAT。 其中SOD 的关联度大于0.70；MDA 和叶绿素b 的关联度在0.65 以上，且极为接近；总叶绿素、SP、叶绿素a、POD、RWC 和WSD 的关联度在0.60 以上，较为接近；Pro、SS 和CAT 的关联度在0.50 以上，且CAT 的关联度最小，为0.525 9，远低于其他指标的关联度。 说明SOD 对核桃苗木的水分适应能力影响最大，MDA 和叶绿素b 的影响次之，总叶绿素、SP、叶绿素a、POD、RWC 和WSD 的影响介于中间，而CAT 可能在核桃苗木对水分适应能力中不占据重要地位。

图2 模拟降雨对3 种核桃苗木SS、SP 和Pro 含量的影响Fig.2 Effect of simulated rainfall on soluble sugar， soluble protein and proline content of three walnut seedlings

3 讨论

图3 模拟降雨对3 种核桃苗木SOD、POD 和CAT 活性的影响Fig.3 Effect of simulated rainfall on SOD， POD and CAT activity of three walnut seedlings

降雨和地下水是野外自然生长植物获取水分的两个主要来源，而地下水也是通过降雨积蓄获得，因此土壤水分在自然情况下主要通过降雨补充。 降雨不仅影响植物的生长，而且影响整个生态系统的生产力[19-20]。 降雨量的变化直接决定着一个地区的土壤水分状况，而土壤水分的变化直接影响着植物水分代谢的各环节，进而影响其生理与生态过程[21]。 本研究结果表明，核桃苗木的RWC、WSD 和叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量在不同降雨条件下均存在显著差异(P＜0.05)；3 种核桃苗木的叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量与RWC 呈显著正相关(P＜0.05)，与WSD 呈显著负相关(P＜0.05)；且香玲、清香和辽核1 号RWC均随着灌水量的增加而增加，WSD 均随着降雨量的增加而递减，叶绿素含量大体趋势是随着降雨量的增加而增加。 这与陕北风沙区4 种乡土树种及核桃苗木香玲受到水分胁迫时RWC 和WSD 的变化趋势一致[22-23]，与狭叶红景天在不同水分条件下叶绿素含量变化一致[24]。 这是因为当植物体内水分供应不足时，水分代谢受到抑制，WSD 明显升高，RWC 明显降低，导致单位鲜重叶片中叶绿素含量升高[25]；当降雨量＋50% 时，香玲叶片RWC 及WSD 相比降雨量＋25%并未发生变化，说明此时体内细胞损伤严重，已不能通过调节叶片RWC 及WSD 来维持生长。 有研究表明，较高的叶片RWC 还可以维持植物高效率的光合作用，保持叶绿体的完整结构[26]。 本研究中，香玲在降雨量

＋50% 时，叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量递减，说明此时较高的水分条件并不利于香玲进行高效率的光合作用。

表1 模拟降雨下不同品种[香玲(X)，清香(Q)，辽河1 号(L)]苗木生理指标间的相关性分析Table 1 Correlation analysis for physiological indexes of different seedlings[xiangling(X)，qingxiang(Q)， liaohe 1(L)]under simulated rainfall

图4 模拟降雨对3 种苗木叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量的影响Fig.4 Effect of simulated rainfall on chlorophyll a，chlorophyll b and total chlorophyll content of three seedlings

表2 模拟降雨下核桃苗木各生理指标与对水分适应性的关联度及排序Table 2 Correlolation and ranking of physiological indexes of walnut seedlings with water adaptability under simulated rainfall

图5 模拟降雨对3 种苗木叶片MDA 含量的影响Fig.5 Effect of simulated rainfall on MDA content of three seedlings

渗透调节是植物适应干旱及高温胁迫的一种重要生理调节机制，通过调节自身渗透调节物质含量并维持一定膨压来响应这种逆境胁迫，从而保护植物免受伤害[27-28]。 SS、SP 和Pro 作为重要的渗透调节物质，在植物受到胁迫时会通过增加或降低其含量来调节植物细胞渗透压[29]。 研究表明，水分胁迫下不同植物的渗透调节物质发挥着不同程度的作用，在山杏、沙棘和油松中，Pro 比SS 发挥更大渗透作用[30]，在巨能草中，SS 为主要的渗透调节物质[31]。 本研究表明，核桃苗木的SS、SP 和Pro 在不同降雨条件下均存在显著差异(P＜0.05)；其含量大体随降雨量的增加而递减，与王振元[32]研究结果变化趋势一致；不同水分条件下3 种渗透调节物质在核桃苗木中含量均表现为辽核1 号＞清香＞香玲的趋势，说明辽核1 号对水分变化较敏感，可以快速积累渗透调节物质，从而适应环境生长；3 种渗透调节物质与苗木水分适应性的关联度中SP 为0.63，而SS 和Pro 相近且较低，说明对于核桃而言，SP可能是其体内主要的渗透调节物质，SS 和Pro 次之。该研究结果与前人研究核桃苗木根中渗透调节物质的结论不一致[32]，可能是由于不同渗透调节物质在同一植物的不同器官中的作用效益不同[29]。

正常环境条件下，植物体内的抗氧化酶系统通常使活性氧维持在动态平衡状态[33]，而SOD、POD 和CAT 则是植物防止膜脂过氧化的酶促防御系统中的重要成分。 本研究表明，核桃苗木的SOD、POD 和CAT 活性在不同降雨条件下均存在显著差异(P＜0.05)，且香玲、清香和辽核1 号SOD、POD 和CAT 活性大体随着降雨量的增加而递减，这与姬江莉等[5]在红砂上研究结果一致，也与张静等[34]在齿助赤藓上的研究结果一致；降雨量-50%时，香玲中SOD 和POD活性比降雨量-25%有所降低，说明此时香玲机体受到了一定的损伤，超出了自身的代谢能力，致使这2 种酶活性降低；SOD 在苗木对水分适应能力中的关联度最高，而POD 和CAT 较低，说明对于核桃而言，在受到水分胁迫时其抗氧化酶系统是以SOD 为主体，POD 和CAT 协同工作。 MDA 是膜脂过氧化的主要产物，其含量能反映细胞膜系统受损害的程度[35]。 有研究表明，植株体MDA 含量会随着降雨量的减少而递增[6]，本研究中3 种苗木的MDA 含量大体随着降雨量的增加而逐步递减，其与苗木适应降雨变化能力的关联度为0.664 6。 这可能是因为随着降雨量降低，核桃苗木受到干旱胁迫，膜脂过氧化程度增强，MDA 含量增加，此时抗氧化酶活性也增强，以抵御MDA 含量增加造成的膜脂过氧化，其中以SOD 为主(SOD 与苗木适应降雨变化能力的关联度为0.745 2)； 降雨量＋50%时，MDA 含量在香玲中的含量比降雨量＋25%时有所上升，说明过涝导致细胞膜受害严重，无法通过调节MDA 含量适应水分条件，进行正常生长。

本研究结果显示有的品种在不同水分条件下一些生理指标差异不显著，这可能是由于本试验仅为一年试验，无法全面体现年际间的气候及核桃生长变异，尽管降雨处理梯度较大，但部分指标的差异可能不足以达到显著差异水平，在应用这一结论时应充分考虑这种影响，也需要在未来继续深入研究。

4 结论

本研究通过模拟降雨变化，对香玲、清香和辽核1号3 种核桃苗木进行盆栽控水试验，发现3 种苗木的生理反映机制受水分条件的调控，其RWC、叶绿素a含量、叶绿素b 含量和总叶绿素含量大体随着降雨量的增加而逐步递增，WSD、SS 含量、SP 含量、Pro 含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和MDA 含量随着降雨量的增加而逐步递减，并且存在种间差异。 结合灰色关联度法分析排名结果为SOD＞MDA＞叶绿素b＞SP ＞叶绿素a＞POD＞RWC＞WSD＞Pro＞SS＞CAT，说明核桃苗木对水分适应性是几种机理共同作用的结果，但每种机理所占程度不同。 结合本试验结果，在未来核桃栽植中应注意，香玲不适于较干旱以及较湿润地区，辽核1 号对水分适应性较强，清香次之。