干旱胁迫下薄壳山核桃实生苗内源激素的变化规律

廖健明，黄晓露，梁钟芳，李慈代，蓝金宣，李宝财，梁文汇

(1.广西壮族自治区林业科学研究院 广西特色经济林培育与利用重点实验室，广西南宁 530002；2.凤山县核桃科研开发中心，广西河池 5476000）

近年来，全球气候变化和水资源分布不均造成极端气候频发，旱灾发生的频率和强度增加[1]。植物对干旱胁迫的适应机制与自身抗性有关，并以生化代谢、生理功能、形态适应和生长发育等形式表现出来。内源激素是最敏感的生理活性物质，植物通过改变不同内源激素的浓度和激素间的比例控制生理反应及基因表达，对自身的生长发育进行多方面的调节[1-2]。关于干旱胁迫对猕猴桃（Actinidia）[3]、银杏（Ginkgo biloba）[4]、梨（Pyrus sorotina）[5]和柑桔（Citrus reticulata）[6]等果树内源激素的影响已有报道，其对薄壳山核桃内源激素的影响暂未见报道。薄壳山核桃（Carya illinoensis）为胡桃科（Juglandaceae）山核桃属落叶乔木，原产于美国和墨西哥北部。其种仁营养丰富，油脂和不饱和脂肪酸含量高，树形高大且树干通直，木材坚韧，有显著的生态和经济效益[7]。本试验以5 个不同种源的薄壳山核桃2年生实生苗为试材，研究干旱胁迫下薄壳山核桃叶片内源激素含量及比例的变化规律，评价其耐旱性，为其栽培品种的选育及砧木选择提供依据，也为其在广西地区的推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试验设计

试验地位于广西南宁市广西壮族自治区林业科学研究院试验苗圃（108°35'E，22°92'N），海拔120 m，年均气温21.6 ℃，年均降水量1 304.2 mm，年均相对湿度79%。供试的薄壳山核桃种子为绍兴、金华、贝克（Baker）、卡多（Caddo）和抛尼（Pawnee），由云南省林业和草原科学院漾濞核桃研究院提供。2018年2月将种子播种于以黄心土为基质的无纺布营养袋中，2019年5月下旬（生长旺盛期）将苗高30 cm 左右、胸径0.3 cm 左右的健康实生幼苗从营养袋中取出，清洗根系，放入直径15 cm、高20 cm 且盛有1/2 Hoagland 营养液的塑料桶内，进行3 天的平衡恢复处理。

以不加聚乙二醇（PEG-6000）的1/2 Hoagland营养液为对照（CK），将1/2 Hoagland 营养液和PEG-6000 配置成浓度为5%（50 g/L PEG）、10%（100 g/L PEG）和20%（200 g/L PEG）的胁迫溶液，水势值依次为-0.05、-0.09、-0.21 和-0.79 MPa[8-10]。将薄壳山核桃幼苗的根部完全浸入胁迫溶液中，进行干旱胁迫，每种源和浓度处理12株。

1.2 测定方法

胁迫处理3 天后，分别采集不同种源和不同处理成熟、健康的薄壳山核桃叶片，剪碎后取1 g 放入陶瓷研钵中，加入液氮速冻并磨碎，采用间接酶联免疫吸附分析法（ELISA）测定IAA、GA3、ZR 和ABA的含量。计算内源激素比例IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3。试剂盒由中国农业大学作物化学控制研究中心提供。

1.3 数据处理

采用IBM SPSS v20.0 软件对试验结果进行初步统计，并进行单因素ANOVA 方差分析和Duncan 多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同种源和干旱处理下内源激素含量的方差分析

不同种源下IAA、GA3和ZR含量的F值比不同干旱处理下和两者的交互作用下高，所以不同种源对3种促进型激素的影响较大；不同干旱处理下ABA 含量的F值比不同种源下和两者的交互作用下高，所以干旱程度对抑制型激素ABA 的影响较大（表1）。不同种源、不同干旱处理和种源×处理交互作用下幼苗的4 个内源激素和ABA 含量均差异极显著（P＜0.01），可见不同内源激素含量水平在不同种源内存在特异性，同时受到不同程度干旱处理的影响，需进一步对上述指标进行多重比较。

表1 内源激素含量的方差分析Tab.1 Variance analysis on endogenous hormone contents

续表1 Continued

2.2 干旱胁迫下内源激素含量的变化

随着干旱程度的增加，绍兴种源的IAA 含量表现较稳定，各处理间差异均不显著；金华种源的IAA 含量呈上升趋势，5%、10%和20%PEG 处理下分别比CK 高26.13%、31.36%和30.08%，均与CK差异极显著（P＜0.01），3 个干旱处理间差异不显著；贝克和卡多种源的IAA 含量呈下降趋势，贝克种源在5%、10%和20%PEG 处理下分别较CK 下降了4.41%、0.40%和11.05%，卡多种源分别下降了6.81%、24.67%和25.42%；抛尼种源的IAA 含量表现为先升高后下降的趋势，5%PEG 处理下最高，比CK 高12.45%，差异极显著（P＜0.01），10%和20%PEG 处理下，与CK 差异不显著（图1a）。

随着干旱程度的增加，绍兴种源的GA3含量逐渐升高，5%、10% 和20%PEG 处理下分别比CK高20.97%、53.24%和59.37%，均与CK差异极显著（P＜0.01）（图1b）。金华和卡多种源的GA3含量表现为先升高后下降的趋势，金华种源的GA3含量在10%PEG处理下达到最大值，比CK 高39.44%，20%PEG 处理下大幅下降，比CK 低44.30%；卡多种源的GA3含量在5%和10% PEG 处理下分别比CK 高17.62%和18.36%，20%PEG 处理下大幅下降，比CK 低56.17%。贝克和抛尼种源的GA3含量呈下降趋势，20%PEG处理下分别比CK低39.78%和20.13%。

随着干旱程度的增加，绍兴、贝克和卡多种源的ZR 含量呈先上升后下降的趋势（图1c）。绍兴种源的ZR 含量在10%PEG 处理下达到最大值，比CK高5.49%；贝克种源的ZR 含量在5%PEG 处理下达到最大值，比CK高33.82%，10%和20%PEG 处理下虽有所下降，但仍分别比CK 高22.22%和24.25%；卡多种源的ZR含量在10%PEG处理下达到最大值，比CK 高48.01%，20%PEG 处理下下降，但仍比CK高17.57%。金华和抛尼种源的ZR 含量持续上升；金华种源的ZR含量在10%PEG处理下大幅上升，比CK 高39.98%，并在20%PEG 处理下维持了较高的浓度；抛尼种源的ZR 含量在5%和10%PEG 处理下与CK 差异不显著，20%PEG 处理下大幅增加，比CK高44.20%。

随着干旱程度的增加，5 个种源的ABA 含量均持续上升（图1d）。绍兴种源的ABA 含量上升幅度最 小，5%、10% 和20%PEG 处 理下 分 别比CK 高8.12%、9.69%和21.29%，对比其他4个起源，其ABA含量受干旱胁迫影响相对较小。贝克种源的ABA含量在5%、10%和20%PEG 处理下分别比CK 高2.93%、13.82%和24.35%；卡多种源的ABA 含量分别上升了12.91%、29.69%和51.50%；抛尼种源的ABA 含量分别上升了10.53%、19.67%和59.86%。金华种源的ABA 含量受干旱胁迫影响最大，5%、10%和20%PEG 处理下分别比CK 高3.43%、37.39%和79.56%。

图1 不同干旱胁迫下内源激素含量的变化Fig.1 Content changes of endogenous hormones in different drought stresses

2.3 干旱胁迫下内源激素叶片的平衡变化

干旱处理既影响了植物叶片的内源激素含量，又对各激素间的平衡产生影响。绍兴、贝克、卡多和抛尼4个种源的IAA/ABA 整体表现为随着干旱程度的增加而下降的趋势（图2a）。绍兴种源下降幅度最小，5%、10%和20%PEG处理下分别比CK低6.81%、2.22%和12.96%；卡多种源下降幅度最大，分别下降了17.36%、41.94%和50.69%。金华种源表现为先上升后下降的趋势，在5%PEG 处理下达到最高值，比CK高21.80%，20%PEG处理下比CK低27.53%。

随着干旱程度的增加，绍兴和卡多种源的GA3/ABA 表现为先上升后下降的趋势，金华种源表现为先下降后上升再下降的趋势（图2b）。绍兴种源在10%PEG 处理下最高，比CK 高39.67%；20%PEG 处理下下降，但仍比CK 高31.37%。卡多种源在5%PEG 处理下最高，比CK 高4.21%；20%PEG 处理下大幅下降，达到最低值，比CK 低71.05%。金华种源在10%PEG 处理下最高，但较CK 增幅较小；20%PEG 处理下大幅下降，达到最低值，比CK 低69.01%。贝克和抛尼种源表现为随干旱程度增加持续下降的趋势；在5%、10%和20%PEG 处理下，贝克种源分别比CK 低6.91%、39.30%和51.58%，抛尼种源分别低8.03%、16.52%和50.03%。

绍兴、金华和抛尼种源的ZR/ABA 整体表现为随干旱程度增加而下降的趋势（图2c）。绍兴和金华种源均在5%和10%PEG 处理下与CK 差异较小，20%PEG 处理下大幅下降，分别比CK 低34.81%和19.82%，达到最低值；抛尼种源在各处理下的下降幅度均较小，表现较稳定，分别比CK 低6.30%、11.71%和9.91%。贝克和卡多种源表现为随干旱程度增加先上升后下降的趋势。贝克种源在5%PEG处理下最高，比CK高30.21%，20%PEG处理下与CK水平相持；卡多种源在10%PEG处理下达到最大值，比CK 高14.04%，20%PEG 处理下最 低，比CK 低22.81%。

随着干旱程度的增加，绍兴种源的ZR/GA3持续下降，5%、10% 和20%PEG 处理下分别比CK低1.48%、2.96%和4.44%；贝克种源则持续上升，分别比CK 高3.13%、6.25%和9.38%（图2d）。金华、卡多和抛尼种源在5%和10%PEG 处理下与CK 差异较小，20%PEG处理下大幅上升，分别比CK高12.07%、9.65%和5.41%。

图2 不同干旱胁迫下内源激素的平衡Fig.2 Balance of endogenous hormones in different drought stresses

2.4 不同薄壳山核桃种源内源激素抗性综合比较

参考杨梅等[11]桉树无性系内源激素抗逆性指标IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3进行坐标综合评定，判断5 个薄壳山核桃种源的抗逆能力。将观测值以Aij表示（i为1、2、3、4、5，即5个种源；j为1、2、3、4，即IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3），其相对值（Xij）的计算公式为：

结果组成Xij矩阵坐标，计算综合值（Pi2）：

IAA/ABA、GA3/ABA、ZR/ABA 和ZR/GA3与抗逆性皆呈正相关。式中，Kij为加权系数，根据各指标用十分法确定权重，分别为3/10、3/10、3/10 和1/10。3个干旱胁迫处理下，绍兴种源皆排名第一，抗旱性最好；贝克种源在5%和20%PEG处理下仅次于绍兴；抛尼种源在各处理下皆排名最后，抗性相对较弱（表2）。

表2 不同干旱胁迫下各种源抗性的综合评定Tab.2 Synthetic evaluation for resistance of different provenances to different drought stresses

3 结论与讨论

内源激素是植物体生长活动的调节者及痕量信号分子，在植物遭受逆境胁迫时，起着重要的调节作用[12]。IAA、GA3和ZR 为促进型激素；IAA 合成于植物顶端组织和生长的叶片中，能促进植物顶端生长和细胞伸长；GA3能促进植物茎节伸长，抑制生长素的氧化分解[1,13-14]；ZR是植物体内重要的细胞分裂素之一，其含量变化可体现植物对环境胁迫的响应[12,15]。干旱胁迫下，内源激素在不同植物中表现不同。李书平[16]研究表明，樱花（Cerasus serrulata）叶片的IAA 和GA3含量随着土壤含水量的减少呈先增加后降低的趋势；韩永芬等[17]研究发现，随着干旱程度的增加，菊苣（Cichorium intybus）的IAA 含量持续上升，GA3含量持续下降；敖红等[18]研究表明，云杉（Picea asperata）的IAA 含量在轻度干旱胁迫下升高，ZR 含量显著下降，GA3含量对干旱胁迫不敏感。本研究中，不同种源的薄壳山核桃在不同程度的干旱胁迫下，促进型激素的变化存在差异。绍兴种源的IAA 和GA3含量呈上升趋势，ZR 含量在轻度和中度干旱下上升，在重度干旱下下降；可见促进型激素在干旱调节下仍维持该种源植株的生长，随着干旱程度加剧ZR 首先做出响应，减缓了生长势，减缓水分的消耗[14]。金华种源则由IAA 和ZR 维持生长势，在重度胁迫下通过大幅降低GA3浓度来减缓生长，产生抗性。贝克种源在干旱胁迫下，ZR 含量虽有所上升，但变化较小，IAA 和GA3含量下降，生长呈持续受抑制状态，对干旱较为敏感。卡多种源通过持续降低IAA 的浓度来减缓生长势，GA3和ZR 含量在重度胁迫下也大幅下降。抛尼种源在重度胁迫下IAA 和GA3含量下降，ZR 含量大幅上升。ABA为抑制型激素，通常被称为胁迫激素，在水分胁迫下植物体内的ABA 含量会累积，这一结论已被研究证实[4,19]。本研究中，随着干旱程度的加剧，5个种源薄壳山核桃叶片的ABA 含量皆持续上升，李畅等[19]、满达等[20]和邬燕等[21]的研究也表明杜鹃花（Rhododendron simsii）、差巴嘎蒿（Melica transsilvanica）和葡萄（Vitis vinifera）在干旱胁迫下ABA 含量持续累积。ABA 累积的重要生理效应促使气孔关闭，减少不必要的水分消耗，可增强植物的保水能力[2]。各种源薄壳山核桃中，绍兴种源的ABA 含量变化幅度较小，对干旱胁迫不敏感，金华和抛尼种源变化幅度较大，对干旱胁迫较敏感。

植物生长发育中的生理过程是多种激素相互作用的结果，内源激素间的平衡比例反应了植物生长的现状[8]。IAA/ABA 和ZR/ABA 的比率影响植物的光合作用、叶片生长以及气孔运动等，GA3/ABA影响种子萌发和果树成熟[1]。本研究中，5 个种源薄壳山核桃叶片的IAA/ABA、GA3/ABA 和ZR/ABA 整体上随着干旱程度加剧而下降，干旱对薄壳山核桃的生长和发育表现出明显的抑制作用。除绍兴种源的ZR/GA3呈持续下降趋势外，其他4 个种源均呈上升趋势，且在重度胁迫下大幅上升，主要原因为GA3含量的减少。以各干旱处理下内源激素间的平衡比例为指标，对不同种源薄壳山核桃的抗旱性进行综合评价，轻度干旱下抗旱性表现为绍兴＞贝克＞卡多＞抛尼＞金华，中度干旱下表现为绍兴＞卡多＞贝克=金华＞抛尼，重度干旱下表现为绍兴＞贝克＞金华＞卡多＞抛尼。综合考虑，绍兴种源的抗旱性最优，其次为贝克种源，抛尼种源最弱。