干旱胁迫对福建山樱花和日本樱花叶片渗透调节物质的影响

江登辉,刘晓颖,陈 乾,荣俊冬,陈礼光,李士坤,郑郁善

(1.福建农林大学园林学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；3.漳平市林业局，福建 漳平 364400)

水分参与植物体内代谢过程，是物质吸收、运输的重要介质.当植物处于干旱条件时，植物吸水能力减弱，代谢过程受到抑制，生长速率减弱，有机物积累降低.植物适应和抵抗干旱的途径主要有两种[1]：一是通过自身内部结构变化与表型变化来适应干旱环境，如通过叶片的变化来控制气孔关闭以减少水分蒸腾来实现植物的节水和保水，相关研究表明水分条件对气孔导度、气孔宽度、蒸腾速率等有显著影响[2]；二是植物通过改变体内的渗透势，增加植株中渗透调节物质量的积累，使水分平衡，以抵抗干旱胁迫所造成的伤害，从而维持植物正常的生长代谢过程[3].

植物参与渗透调节作用的物质主要包括丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、可溶性糖、可溶性蛋白等.MDA是活性氧启动膜脂过氧化过程中产生的主要产物之一，通常用来衡量植物在逆境胁迫下活性氧伤害程度大小的指标[4]，水分缺失条件下，植物体内活性氧清除系统或抗氧化能力下降是引起活性氧和MDA大量积累的主要原因，王雨婷等[5]对葡萄幼苗进行干旱研究发现，葡萄幼苗叶片MDA含量显著下降.PRO是植物主要的渗透调节物质，是衡量植物抗旱性的指标之一，它可以维持细胞与环境渗透平衡，具有较强的亲水性，防止水分散失，并能直接影响植物体内蛋白质的稳定性.王启明等[6]在对不同品种大豆开花生理特性的影响研究中发现，PRO除了作为渗透调节物质外，在对保持细胞膜结构完整性上也有一定的作用.可溶性糖是干旱胁迫诱导的小分子溶质之一，在调节渗透平衡和保护细胞膜稳定性方面起重要作用，卢琼琼[7]等人对大豆幼苗胁迫处理后发现，干旱环境下可溶性糖含量显著上升.可溶性蛋白参与代谢过程，能增强细胞保水能力，对细胞与细胞膜产生保护作用.大量研究表明，可溶性蛋白在植物抗旱过程中发挥了重要的作用，严美玲等[8]通过研究干旱胁迫对不同品种花生苗期的生理特性、产量以及品质的影响发现，不同品种花生在干旱胁迫下可溶性蛋白含量均显著上升，花生抗旱品种农大818在适当干旱条件下，叶片可溶性蛋白质含量升高，且以中度干旱(灌水40～60 mm)时蛋白质含量最高，籽仁品质最佳.

福建山樱花(Prunuscampanulata)为蔷薇科樱属的落叶乔木，先花后叶，花期较早，每年春节前后开花，花期较长可达50 d[9]，花色艳丽呈钟状下垂展开，观赏价值极高，且抗逆性较强，适应性广，是园林中不可多得的优良观赏植物，主要分布于福建、台湾、广东、江西等省区[10].日本樱花(Prunusyedoensis)耐寒喜湿，花期较短，通常约15 d[11]，主要分布于我国长江流域以及华北地区.福建山樱花与日本樱花具有较高的观赏价值，在不同地区引种栽培过程中会遇到干旱情况，干旱会限制植物的存活和分布.目前，对福建山樱花与日本樱花的研究比较少，主要集中在园林观赏与应用方面，对其抗性研究鲜有报道.本研究探讨不同干旱胁迫处理下福建山樱花以及日本樱花叶片渗透压的变化，分析两者渗透物质含量的变化，以期了解其对干旱胁迫的反应机理，为园林栽植应用以及抗旱性研究提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为1年生的福建山樱花和日本樱花实生苗，将实生苗栽植于装有沙壤土的塑料花盆中，盆高21 cm，盆口直径25 cm，盆底直径20 cm，每盆种植1株.在阳光充足条件下进行正常的管理，缓苗30 d至定苗，使其适应移植环境.

1.2 试验设计

根据王锋堂等[12]与陈梦园等[13]的方法(略有改动)设置4个土壤干旱处理：土壤饱和含水率在75%～80%(正常水分)作为对照组(CK)，土壤饱和含水率在55%～60%作为轻度干旱胁迫(LS)，土壤饱和含水率在35%～40%作为中度干旱处理(MS)，土壤饱和含水率在15%～20%作为重度干旱(HS).试验开始前对实生苗进行充分浇水，使土壤饱和含水率保持一致，每天18：00通过称重法控制水分，直到土壤饱和含水率保持在胁迫范围内开始进行胁迫处理.每个处理20盆，重复3次.胁迫开始第5、10、15、20和25 天进行采样，采样时间为8：00—9：00，选择新梢3～5节成熟叶片进行测定.

1.3 测定项目及方法

丙二醛(MDA)含量采用TBA比色法[14]；脯氨酸(PRO)含量测定采用酸性茚三酮比色法[15]；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250比色法[16]；可溶性糖采用蒽酮比色法[17]，每个处理重复3次.

1.4 数据分析

采用EXCEL软件进行统计分析并绘制图表，采用SPSS 20.0进行方差分析、相关分析以及主成分分析.

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对福建山樱花、日本樱花MDA含量的影响

胁迫5 d时，对照处理的丙二醛含量为5.532 μmol·L-1，而重度干旱处理的丙二醛含量为8.963 μmol·L-1，福建山樱花丙二醛含量随着水分的降低不断升高.胁迫25 d时，对照处理的丙二醛含量为6.459 μmol·L-1，重度干旱处理的丙二醛含量约为对照的3.5倍.随着胁迫时间的延长，不同胁迫程度下的福建山樱花丙二醛含量显著升高，在胁迫25 d时重度干旱处理的丙二醛含量达到最大值.随着水分含量的下降，福建山樱花丙二醛含量在重度干旱时达到最大值(图1A).日本樱花在第5天时，对照处理丙二醛含量为5.875 μmol·L-1，而重度干旱处理的丙二醛含量为8.334 μmol·L-1，丙二醛含量随着水分降低呈现出升高趋势.25 d时丙二醛含量差异达到最大值，对照处理含量6.524 μmol·L-1，重度干旱处理下达到最大值19.449 μmol·L-1(图1B).

在干旱胁迫下，日本樱花丙二醛含量与福建山樱花呈现出相同的变化趋势(图1)，在中度干旱与重度干旱条件下，两种树种丙二醛含量呈现出显著相关(P<0.05)且福建山樱花丙二醛含量相比对照值上升幅度大于日本樱花.结果表明，丙二醛含量与胁迫时间呈正相关，与土壤水分呈负相关，随着胁迫时间与干旱程度的增加丙二醛含量呈现出上升趋势，福建山樱花叶片相比于日本樱花对水分更为敏感.

A：福建山樱花；B：日本樱花.不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图1 福建山樱花与日本樱花叶片MDA含量变化Fig.1 Changes of MDA content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

2.2 干旱胁迫对福建山樱花、日本樱花PRO含量的影响

MS以及HS处理下的福建山樱花脯氨酸含量随着胁迫时间的增长，呈现出先升高后下降的趋势，差异达到显著水平，轻度干旱条件下脯氨酸含量呈现出随时间缓慢增长的趋势，对照值则没有显著变化.在第10天，重度干旱条件下脯氨酸含量达到最大值(25.258 μg·g-1)，约为对照处理的8倍.第15天，重度干旱下脯氨酸含量呈现出下降趋势，而中度干旱含量则上升，差异达到显著水平(P<0.05)，且随着时间的增长中度干旱处理下的脯氨酸含量逐渐超越重度干旱处理；第20天，中度干旱处理与重度干旱处理脯氨酸含量呈现出下降趋势(图2A).日本樱花与福建山樱花脯氨酸含量呈现出相同的变化趋势，在第10天，达到最高值(29.229 μg·g-1).同样在第15天时中度干旱处理脯氨酸含量超过重度干旱处理脯氨酸含量，中度干旱处理在第15天达到最大值，且随着时间的增长，脯氨酸含量呈现出下降趋势(图2A).

在不同胁迫程度下，福建山樱花与日本樱花脯氨酸含量均达到显著差异水平(P<0.05)，福建山樱花与日本樱花两种树种间脯氨酸含量差异达到极显著水平(P<0.01)，日本樱花脯氨酸含量均值大于福建山樱花，说明日本樱花叶片在应对干旱胁迫时脯氨酸含量增长量较大(图2).

2.3 干旱胁迫对福建山樱花、日本樱花可溶性糖含量的影响

福建山樱花、日本樱花可溶性糖含量随着胁迫时间的增长，均呈现出先增加后减少的趋势(图3).在第10天时，重度干旱处理下两种树种可溶性糖含量均达到最大值，相比对照处理，福建山樱花可溶性糖含量增长138%，日本樱花增长140%；胁迫第15天，中度干旱处理下的两种树种可溶性糖含量达到最大值；胁迫结束时，轻度干旱、中度干旱、重度干旱处理福建山樱花可溶性糖含量相比对照处理分别增长39.8%、59.5%、18.3%，日本樱花相比对照处理分别增长37.6%、100%、4%.

A：福建山樱花；B：日本樱花.不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图2 福建山樱花与日本樱花叶片PRO含量变化Fig.2 Changes of proline content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

不同干旱程度下福建山樱花与日本樱花可溶性糖含量变化呈现出极显著差异(P<0.01)，两种树种间可溶性糖含量变化也呈现出极显著差异水平(P<0.01)，日本樱花叶片在干旱胁迫条件下可溶性糖含量变化较为明显(图3).

A：福建山樱花；B：日本樱花.不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图3 福建山樱花与日本樱花叶片可溶性糖含量变化Fig.3 Changes of soluble sugar content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

2.4 干旱胁迫对福建山樱花、日本樱花可溶性蛋白含量的影响

不同水分条件下福建山樱花可溶性蛋白含量均随时间的增加呈现出减少趋势(图4A).重度干旱处理可溶性蛋白含量在胁迫第15天达到最大值(18.792 mg·g-1)，相比对照处理增长182%，胁迫结束时可溶性蛋白含量相比对照值下降6.7%；中度干旱处理可溶性蛋白含量在胁迫第20 d达到最大值(16.227 mg·g-1)，相比对照增长152%，胁迫结束时，相比对照上升126%；轻度干旱处理下可溶性蛋白含量随胁迫时间的增长，出现缓慢上升的趋势，胁迫结束时，相比对照上升55.7%.日本樱花可溶性蛋白含量变化趋势与福建山樱花相同，第15天，重度干旱处理达到最大值(19.146 mg·g-1)，相比对照增长196%；第20天，中度干旱处理达到最大值(19.121mg·g-1)，相比对照升高184%；轻度处理随胁迫时间增长呈现出上升趋势.胁迫结束时，轻度干旱、中度干旱、重度干旱相比于对照分别上升70.4%、157%、84.5%(图4B).

水分条件不同时，福建山樱花与日本樱花可溶性蛋白含量呈现出极显著差异(P<0.01)，两种树种间可溶性蛋白含量表现出极显著差异(P<0.01)，干旱胁迫下日本樱花叶片可溶性蛋白含量积累较多(图4).

2.5 福建山樱花与日本樱花抗旱性综合评价

植物的抗旱性是各项指标的综合反映结果，主成分分析法通过系统分析各抗旱指标全面且准确地评价植物抗旱能力.各主成分得分是其加权值，主成分所对应的贡献率是其权重，根据主成分的特征向量计算出各抗旱指标的得分，按得分多少评定树种的抗旱能力[18].对两种樱花的4种生理指标进行主成分分析，前两个特征值的累积贡献率达92.472%，在一定程度上代表了原始指标的信息(表1).根据表2可知，第一主成分特征根为3.012，方差贡献率为75.310%，包括了丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白指标信息，其中可溶性蛋白含量系数最大，脯氨酸和可溶性糖其次，丙二醛含量系数最低，表明了可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖是反映两种樱花干旱胁迫的重要指标，丙二醛含量次之.通过对各项生理指标进行综合评定，两种樱花抗旱性强弱排序为日本樱花>福建山樱花(表3).

A：福建山樱花；B：日本樱花.不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图4 福建山樱花与日本樱花叶片可溶性蛋白含量变化Fig.4 Changes of soluble protein content in leaves of Prunus campanulata and Prunus yedoensis

主成分初始特征值合计方差贡献率/%累积贡献率/%提取平方和载入合计方差百分比/%累积贡献率/%13.01275.31075.3103.01275.31075.31020.68617.16292.4720.68617.16217.16230.1774.42196.89340.1243.107100.000

表2 福建山樱花与日本樱花干旱胁迫生理指标的主成分分析结果Table 2 Results of principal component analysis of physiological indexes of Prunus campanulata and Prunus yedoensis under drought stress

表3 干旱胁迫下福建山樱花与日本樱花综合评定结果Table 3 Comprehensive evaluation results of Prunus campanulata and Prunus yedoensis under drought stress

3 结论与讨论

干旱胁迫进程中，植物缺水导致的渗透压变化在一定限度范围内是通过自我调节来减缓外界对其的影响，超过自我调节限度则植物无法正常生长，植物改变体内渗透压主要通过渗透物质的合成，大量研究表明植物渗透调节能力的强弱和胁迫条件下渗透调节物质的累积量以及累积持续时间密切相关[19-22].

本研究结果显示，两种樱花MDA、PRO、可溶性糖、可溶性蛋白含量均高于对照处理，说明干旱胁迫会导致植物叶片可溶性渗透调节物质含量的变化，表明干旱胁迫下福建山樱花与日本樱花具有一定的渗透调节能力.

干旱胁迫下渗透调节物质含量随着胁迫时间的延长有不同的变化趋势.两种樱花渗透调节物质变化趋势一致，MDA含量在胁迫初期保持相对稳定的状态，随着胁迫时间的延长缓慢上升；脯氨酸含量在胁迫初期显著升高，第10天积累量最大，到后期逐渐降低；可溶性糖含量变化趋势与脯氨酸类似，在胁迫第10天达到最大值后逐渐降低；可溶性蛋白含量在胁迫第15天达到最大值，之后随着胁迫时间的延长不断降低.两种樱花的渗透调节物质脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白在胁迫前、中期大量积累，而后期逐渐降低，两种樱花在受到干旱胁迫时渗透调节物质迅速积累，以抵御外界干旱条件.

MDA含量高低能反映出细胞膜的受损程度，本研究中，MDA含量与胁迫时间表现出正相关，可能是由于干旱导致活性氧的积累速度大于保护酶的清除速度，活性氧可使细胞膜发生链式化学反应，丙二醛含量增加，最终引起植物代谢紊乱[23].脯氨酸是一种较为理想的细胞质渗透调节物质，可作为氮源与呼吸底物，逆境胁迫下植物体内原有的蛋白质合成会受阻，但会产生一些新的蛋白[24]，轻度干旱有助于PRO含量的积累但重度干旱其含量下降，可能是由于重度干旱限制了碳水化合物的合成导致谷氨酸生成受阻，进而影响PRO的合成[25].可溶性蛋白含量越高细胞水势就越低，细胞抵御干旱能力越强.一些研究认为，干旱胁迫会抑制蛋白质的合成并加速其水解，导致可溶性蛋白含量下降[26,27],但同时也有一定的证据表明，轻度胁迫能促进不溶蛋白在相关酶的作用下转化为可溶性蛋白，增加渗透调节物质，重度胁迫下植物生长代谢受阻，蛋白合成受阻，本研究结论与后者较为相似，干旱胁迫下可溶性糖的积累能增强部分生理代谢反应，如原生质黏度增大，细胞液浓度增大，有利于提高植物对水分的吸收能力和保水能力，提高原生质胶体束缚水含量，保持部分水解酶活性，从而保持原生质结构[28]；可溶性糖的积累可能与植物体内物质运输受阻有关，干旱胁迫导致植物体内的养分运输受阻，光合产物运输受阻，研究表明，在胁迫初期物质同化运输能力有所增强，持续的干旱会起抑制作用[29]，可溶性糖含量上升具有滞后性，主要在胁迫中期上升较快，后期逐渐下降，这与韩蕊莲[30]对干旱胁迫下沙棘(Hippophaerhamnoides)叶片渗透调节物质的研究结果相一致.通过主成分分析法对各项生理指标进行综合评定得出，日本樱花抗旱性强于福建山樱花，影响两种树种抗旱调节物质含量的具体原因仍不明确，还需后期进行大量试验验证，这些结果可为不同地区树种栽植选择提供建议，为树种筛选抗性基因研究提供理论依据，为选育抗性较好的樱花树种提供理论可能.