外源调节物质对干旱胁迫下格木幼苗生理特性的影响*

孙明升 胡 颖 陈 旋 罗群凤 杨章旗,

(1.广西大学林学院 南宁 530000；2.广西壮族自治区林业科学研究院 南宁 530002)

格木(Erythrophleumfordii)为常绿乔木，国家二级重点保护树种，分布于广西、广东、福建和台湾等热带和南亚热带地区，是常绿阔叶林的重要组成部分。格木具有极高的经济、观赏和生态价值，木材是高档珍贵用材，具有材质坚硬、强度大、耐水耐腐、抗虫蛀、边材心材区分明显等特点，是家具制造、船舶工业和建筑业的理想用材(唐继新等，2015；杨保国等，2017)，同时也是优良的绿化和观赏树种，是生态公益林营建的重要树种之一(赵志刚，2009)，格木分布区年降水量1 500～2 000 mm，相对湿度78%，年均温19.2～22.1 ℃，但其对土壤要求较严苛，造林地宜选择土层深厚、肥沃、湿润的酸性砂壤土或轻黏土(韦菊玲，2018)。在干旱胁迫下，土壤的有效水分缺失，格木的叶片蒸腾失水得不到补偿，致使原生质脱水，细胞水势不断下降，膨压降低，生长发育受到抑制(胡新生等，2009)。因此，探索缓解干旱胁迫带给格木的伤害的方式，对格木的栽培和推广具有重要意义。

植物生长调节物质可以有效提高植物的抗逆性，如外施茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)能够有效提高植株叶片的相对含水量、叶绿素含量以及抗氧化酶的活性，从而缓解干旱胁迫对植物造成的伤害(朱家红等，2006；李红利等，2009；Wuetal.，2012)。草莓(Fragaria×ananassa)叶片经过MeJA处理能够增加过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性及氨基酸的水平，从而提高其组织的抗旱性(Wang，1999)；在逆境情况下，喷施甜菜碱(betaine,BT)能降低细胞渗透势，保护和维持生物大分子结构的完整性，甜菜碱及其诱导产生的脯氨酸(PRO)能提高干旱胁迫下叶片的抗氧化能力，减轻过氧化损伤，保护细胞结构(Arakawaetal.，1990；Sakamotoetal.，2000；Quanetal.，2010)；水杨酸(salicylic acid,SA)可诱导多种植物体内H2O2积累而诱导发生防卫反应，进而抵抗病毒、细菌及真菌性病害，在气孔闭合和光合速率及相关渗透调节等方面具有重要的生理功能(Khanetal.，2003；Vlotetal.，2009；回振龙等，2014；叶松涛等，2015)。外施SA能提高茄子(Solanummelongena)种子吸水率和α-淀粉酶相对活性，增强茄子幼苗渗透调节物质的含量和抗氧化酶活性，缓解茄子在干旱胁迫下所遭受的氧化损伤，增强抗旱性(张小微等，2019)；SA浸种能够抑制黑麦草(Loliumperenne)幼苗质膜透性，促进保护酶活性提高，从而提高抗旱能力(刘杰等，2011)。Ca2+作为植物细胞偶联细胞外信息和细胞内生理生化反应的第二信使参与干旱信号的传递，在启动、调节和诱导植物对干旱胁迫适应机制的一系列生理生化反应中具有重要作用(关军锋，2001；郭秀林等，2002；Xiongetal.，2002)。CaCl2溶液浸种和喷施叶片，能够减缓棉花(Anemonevitifolia)水量散失，减缓叶绿素和保护酶降低幅度，并增加丙二醛(MDA)和膜透性，从而提高抗旱能力(程林梅等，1998)。

目前，对于格木响应干旱胁迫的生理特性和提高抗旱能力的研究较少。本研究通过喷施不同浓度MeJA、BT、SA和 CaCl2溶液，研究格木幼苗在干旱胁迫下生理生化特性影响，探索利用外源物质提高格木幼苗抗干旱能力的可行性，以期为格木的栽培和推广提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理方法 格木幼苗来自广西壮族自治区林业科学研究院，为1年生实生苗。于2018年6月选取生长基本一致、无病虫害、高50 cm左右的格木幼苗栽种于营养杯中，栽培基质为营养土与蛭石以2∶1混合，基质体积约为营养杯容积的80%，每盆1株。常规水肥管理，每5天浇水1次，培育1个月后进行外源调节物质和干旱胁迫处理，在苗高54.3 cm左右、平均基茎为0.62 cm时，进行外源调节物质和干旱胁迫处理。栽培和处理在广西大学苗圃进行。

1.2 试验设计 选用MeJA、BT、SA和CaCl24种外源调节物质处理格木幼苗，同时设置2组对照(CK)。CK1为置于正常土壤环境，喷施蒸馏水；CK2为置于浓度为30%的聚乙二醇(PEG-4000)溶液环境中，喷施蒸馏水。SA设25、100、200 mg·L-13个浓度；BT设100、500、1 000 mg·L-13个浓度；MeJA设0.1、1、3 mmol·L-13个浓度；CaCl2设5、20、40 mmol·L-13个浓度。于2018年7月9—11日，每日上午9:00对格木进行叶面喷施外源调节物质，以叶片正反面浸润、有液滴下落为统一标准，连续喷施3天，每个处理有20棵格木幼苗。在处理结束后2 h，将幼苗连同营养杯放入浓度为30%的PEG-4000(北京索莱宝科技有限公司)干旱模拟溶液中进行干旱胁迫处理。干旱胁迫第10天，采取所有处理组合的每株格木幼苗相同部位的6～10个成熟羽状复叶(幼苗中部)，进行相关生理指标测定。

1.3 试验方法 用试剂盒(苏州科铭生物技术有限公司)对可溶性蛋白、可溶性糖、PRO、MDA含量进行测定；对SOD、CAT、POD活性进行测定，用酶标仪(Tecan公司生产的INFINITE 200 PRO，奥地利)测量吸光值；SPAD值测定采用手持便携式叶绿素仪(Minolta公司生产的美能达SPAD-502，日本)进行测定。每处理选取3株长势一致的格木幼苗，在同一部位选取3片长势一致的叶片，共9片叶子，并将所有叶片做上标记，每次测定同一片叶子。用叶绿素仪测定叶片读数，在叶缘和叶脉中间无损伤的部位测定。同时，在测定部位上用打孔器取材，并将打孔圆片及时带回实验室采用电导仪法测定(上海精密科学仪器有限公司生产的DDB-303 A型便携式电导率仪，中国)和计算相对电导率(李合生，2000)。所有指标进行3次重复测定。

1.4 数据分析 用Excel 2007软件对数据进行处理，用SPSS23.0对不同干旱胁迫下格木幼苗生理生化指标数据进行方差分析，用单因素方差分析和最小显著差数法(LSD)多重比较分析不同胁迫水平之间各个参数的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下外源调节物质对格木幼苗叶片细胞膜透性的影响 1) MDA含量变化 由表1可知：根据CK1与CK2，在正常水分供给情况下生活的植株，其MDA含量较低；在不喷施外源调节物质的前提下，将格木置于干旱胁迫中，格木的MDA含量显著上升(P<0.05)；喷施清水不能有效缓解干旱胁迫对格木幼苗造成的伤害，CK2格木幼苗叶片MDA含量相比CK1显著增加228.19%。喷施4种外源调节物质后，格木幼苗叶片MDA含量较CK2均显著降低，说明叶面喷施外源调节物质能显著降低膜脂过氧化的程度，从而有效抵御干旱胁迫对格木幼苗的伤害。其中500 mg·L-1的BT、100 mg·L-1的SA、1 mmol·L-1的MeJA、5 mmol·L-1的CaCl2处理效果最为显著，相对于CK2分别降低33.20%、59.72%、50.88%和53.63%。

2) 相对电导率变化 由表1可知，CK2比CK1叶片相对电导率显著升高195.82%(P<0.05)，说明干旱破坏了格木幼苗的细胞膜系统。喷施4种外源调节物质后，与CK2相比均不同程度降低格木幼苗叶片相对电导率，浓度为500 mg·L-1的BT、100 mg·L-1的SA、1 mmol·L-1的MeJA、5 mmol·L-1的CaCl2处理的格木幼苗叶片相对电导率显著下降，分别降低61.24%、56.65%、64.24%和47.76%。

2.2 干旱胁迫下外源调节物质对格木幼苗叶片保护酶系统的影响 与CK1相比，在干旱胁迫下CK2的POD、SOD酶活性显著降低(P<0.05)，分别降低48.96%和44.70%，表明干旱胁迫显著抑制POD、SOD酶活性。与CK2相比，叶面喷施外源调节物质显著提高格木幼苗叶片POD、SOD和CAT的活性，除CaCl2处理外，均随着外源调节物质浓度的增加呈现先升高后降低的趋势(表1)。与CK2相比，格木幼苗叶片抗氧化酶POD、SOD和CAT活性均为浓度500 mg·L-1的BT、100 mg·L-1的SA、1 mmol·L-1的MeJA和5 mmol·L-1的CaCl2处理之后提高的效果最为显著。喷施500 mg·L-1的BT，格木幼苗叶片POD、SOD 和CAT酶活性分别提高61.06%、70.06%、152.03%；喷施100 mg·L-1的SA，分别提高73.07%、88.82%、39.57%；喷施1 mmol·L-1的MeJA，分别提高128.50%、86.47%、139.22%；喷施5 mmol·L-1的CaCl2，分别提高90.40%、65.98%、46.35%。

表1 外源调节物质对干旱胁迫下格木幼苗叶片细胞膜透性、保护酶系统、渗透调节物质与叶绿素含量的影响①Tab.1 Effects of growth regulators on cell membrane permeability,protective enzyme system,osmoregulation substances and chlorophyll content in leaves of Erythrophleum fordii seedlings under drought stress

①同一列不同英文字母表示差异显著(P<0.05)。The different letters within the same column mean the significance at the 0.05 level.

2.3 干旱胁迫下外源调节物质对格木幼苗叶片渗透调节物质的影响 1)PRO含量变化 由表1可知，格木幼苗经干旱胁迫处理后，叶片中PRO含量较CK1显著增加(P<0.05)，这说明干旱胁迫下格木幼苗能自发产生某种适应干旱胁迫的机制，诱导并积累PRO，缓解干旱胁迫对自身造成的伤害。与CK2相比，对格木幼苗叶面喷施不同浓度的外源调节物质可明显提高格木幼苗叶片PRO含量。经500 mg·L-1的BT、100 mg·L-1的SA、1 mmol·L-1的MeJA、5 mmol·L-1的CaCl2处理的格木幼苗，叶片PRO含量分别显著提高69.38%、207.59%、166.83%、80.76%。

2) 可溶性蛋白含量变化 可溶性蛋白也是植物体内重要的渗透调节物质。由表1可知，干旱胁迫下，格木叶片可溶性蛋白含量的变化趋势与PRO含量一致，可溶性蛋白含量与CK1相比明显增加。除了CaCl2，随着其他3种外源调节物质(BT、SA、MeJA)浓度的增加，均呈先升后降的趋势。与CK2相比，叶面喷施500 mg·L-1的BT、100 mg·L-1的SA、1 mmol·L-1的MeJA、5 mmol·L-1的CaCl2后，格木幼苗可溶性蛋白含量分别显著提高126.22%、119.86%、102.20%、77.61%。

3) 可溶性糖含量变化 干旱胁迫下，格木叶片可溶性糖、PRO和可溶性蛋白含量的变化趋势一致，可溶性糖含量与CK1相比明显增加。除了CaCl2，随着其他3种外源调节物质(BT、SA、MeJA)浓度的增加，处理后的叶片中可溶性糖含量均呈现先升高后降低趋势。相对于CK2，叶面喷施500 mg·L-1的BT、100 mg·L-1的SA、1 mmol·L-1的MeJA、5 mmol·L-1的CaCl2后，格木幼苗可溶性糖含量分别显著提高158.77%、147.36%、120.23%、137.20%(表1)。

2.4 干旱胁迫下外源调节物质对格木幼苗叶片叶绿素含量的影响 由表1可知，在经干旱胁迫处理之后，格木幼苗叶片叶绿素含量显著下降。与CK2相比，叶面喷施100 mg·L-1的BT、1 000 mg·L-1的BT、200 mg·L-1的SA、20 mmol·L-1的CaCl2和40 mmol·L-1的CaCl2都使SPAD值下降，其中喷施20和40 mmol·L-1的CaCl2更是使SPAD值显著下降(P<0.05)；其他处理的SPAD值均不同程度上升，其中喷施500 mg·L-1的BT、100 mg·L-1的SA、1 mmol·L-1的MeJA和5 mmol·L-1的CaCl2后，SPAD值显著上升，在本试验涉及的各外源调节物质的不同浓度中，效果最显著。

3 讨论

3.1 干旱胁迫对格木幼苗的伤害 干旱可使格木幼苗萎蔫和生长抑制，长期干旱胁迫会导致原生质严重脱水、生理生化代谢紊乱、减缓或停止细胞分裂，进而影响生长(胡新生等，2009)。本研究发现，格木幼苗经10天干旱胁迫后，与CK1相比，CK2格木幼苗叶片的MDA含量和相对电导率均显著提高，可能是干旱胁迫使格木幼苗叶片细胞膜结构和功能受损，导致细胞膜透性增大，引起电解质外流。PRO、可溶性蛋白和可溶性糖含量的高低也能反映干旱胁迫伤害程度大小。CK2叶片的PRO、可溶性蛋白和可溶性糖含量显著高于CK1，一定程度上说明干旱胁迫对格木幼苗叶片造成了严重伤害；与CK1相比，CK2叶片POD、SOD活性显著下降，可能是由于长期干旱胁迫抑制光合作用碳反应的酶活性，导致叶绿体中有过多光能的积累，进而引起细胞大量产生活性氧(ROS)(刘强等，2014)。过量ROS超出细胞自身的系统清除能力，从而破坏细胞膜系统的结构与功能，致使细胞代谢紊乱，抑制抗氧化酶活性(蒋明义等，1994)。干旱胁迫下过量产生的ROS会破坏叶绿体的结构、损伤光合膜结构，同时导致叶绿素降解，影响光合作用光反应，使格木的光合能力下降，最终表现为CK2格木叶片SPAD值较CK1显著下降。

3.2 外源调节物质对干旱胁迫下格木幼苗的渗透调节作用 渗透调节是植物响应干旱的适应性反应。在干旱条件下，细胞会通过积累渗透调节物质来维持膨压，以保持植物正常生理活动(Lietal.，2018)。长期干旱胁迫使植物体内缺水，引起叶片及嫩枝的萎蔫甚至死亡(胡新生等，1998)。本研究发现，格木幼苗顶部新叶在干旱处理第2天就出现萎蔫，而格木幼苗下部叶片在干旱胁迫处理完成后仍没出现严重萎蔫，这可能是因幼嫩的新叶比幼苗下部叶片对干旱胁迫更敏感。植物细胞缺水会促使植物主动积累PRO、可溶性蛋白和可溶性糖等渗透物质，以降低细胞渗透势，增加细胞持水量。因此，干旱胁迫下格木幼苗体内渗透调节物质含量水平对维持体内水分含量、减轻格木幼苗的干旱伤害具有重要意义。与CK2相比，干旱胁迫下用BT、SA、MeJA和CaCl2处理，PRO、可溶性蛋白和可溶性糖含量显著提高，4种外源调节物质都使格木幼苗叶片细胞PRO、可溶性蛋白和可溶性糖含量增加，减少细胞水分损失，同时稳定格木幼苗叶片细胞膜结构与功能，减轻膜脂过氧化程度，显著降低格木幼苗叶片的MDA含量和相对电导率，提高格木幼苗的抗旱性。

3.3 外源调节物质对干旱胁迫下格木幼苗抗氧化酶活性的影响 POD、SOD和CAT是植物体内清除ROS和自由基的抗氧化酶，是植物抵抗逆境的第一道防线。干旱胁迫打破了植物细胞自由基产生和清除的动态平衡，进而出现ROS的过量积累，这种积累超过一定阈值就会破坏植物细胞膜系统的结构与功能，发生膜脂过氧化，导致植物死亡(孙国荣等，2003；柯世省等，2007)。抗氧化酶活性越高，植物对逆境的适应能力就越强，本研究发现，叶面喷施一定浓度的MeJA、BT、SA和CaCl2能显著提高干旱胁迫下格木幼苗叶片POD、SOD和CAT抗氧化酶活性。因此，可推断4种外源调节物质的合适浓度可提高格木幼苗抗逆能力，增强干旱抵抗力。4种外源调节物质对抗氧化酶活性的诱导效果不同，可能是因其对格木的作用机制不同：BT是通过其对植物细胞内大分子的保护作用来保护抗氧化酶和膜系统的结构，维持其功能正常运行(郭启芳等，2004)；SA可通过增加细胞内保护酶的含量或提高其活性，在一定范围内调节活性氧代谢，维持膜系统的稳定，提高抗旱能力(孟雪娇等，2010)；MeJA显著诱导愈伤组织脂肪氧化酶(LOX)活性，并增加内源JA和H2O2的含量，H2O2含量增加诱导抗氧化系统酶活性的增加，包括：POD、SOD和CAT(马超，2013)；当植物受到外界胁迫时，细胞内Ca2+浓度升高，并与钙调蛋白结合成激活态复合体，激活基因表达，启动一系列反应使植物适应胁迫环境(Whiteetal.,2003；Kaderetal.，2010)。4种外源物质通过其特有作用方式减少产生ROS，提高抗氧化酶的活性，维持植物体内ROS代谢的平衡，以减轻干旱胁迫对格木幼苗的伤害。

3.4 外源调节物质对干旱胁迫下光合色素的保护作用 在干旱胁迫情况下，植物光能容易过剩，进而对植物器官存在潜在危害。光保护主要是依靠叶黄素循环所产生的热耗散，同时为了阻止光合器官受损，酶促进与非酶促进系统也同时对此进行保护(裴斌等，2013)。研究发现，干旱胁迫下的格木的光合特性指标都呈下降趋势，在开始复水后各项指标上升(熊忻欣等，2016)。本研究发现，与CK2相比，喷施一定浓度的MeJA、BT、SA和CaCl2能显著提高格木幼苗叶片的SPAD值，可能是因BT保护光合作用的碳反应酶和光合色素合成酶的结构，使碳反应能快速并顺利进行(郭启芳等，2004)；SA诱导抗氧化酶产生和保护光合色素合成酶的活性；MeJA对干旱胁迫下PSⅡ反应中心有一定保护作用，提高了电子传递速率，并通过提高光合电子传递过程中的热耗散能力减少过剩激发能的产生，减轻干旱给植物带来的伤害(金微微等，2011)。外源Ca2+能在一定程度上弥补干旱胁迫导致的Ca2+亏缺，使植物维持较正常的生理活动，稳定细胞膜结构与体内离子吸收平衡，维持较高的光合速率并保护植物的光合结构(李强等，2010)。一定浓度的4种外源调节物质通过对格木幼苗细胞的调节作用，最终可减少格木幼苗叶片细胞中ROS含量，避免ROS对叶绿体的破坏，在促进光合色素合成的同时，保护光合色素的结构，使格木幼苗叶片细胞内光合色素含量维持在较高水平，减轻干旱胁迫对格木幼苗的伤害。

4 结论

干旱是影响格木幼苗生长的重要环境胁迫因子之一，在格木栽培过程中应采取措施降低干旱对格木树苗伤害。为减少干旱胁迫危害，可在叶面喷施500 mg·L-1的甜菜碱(BT)、100 mg·L-1的水杨酸(SA)、1 mmol·L-1的茉莉酸甲酯(MeJA)或5 mmol·L-1的氯化钙(CaCl2)，从而显著降低格木幼苗叶片的MDA含量，提高渗透调节物质含量，减轻叶绿素下降趋势，显著提高POD、SOD和CAT等多种抗氧化酶活性，并最终提高苗木的抗干旱胁迫能力。