白刺、沙蒿幼苗膜透性和膜保护系统对不同历时风沙流吹袭的响应

侍新萍，马彦军，马 瑞，魏林源，杨永义，张莹花，唐卫东

（1. 甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃省治沙研究所 荒漠化与风沙灾害防治重点实验室，甘肃 兰州 730070）

风沙流是干旱、半干旱地区地表疏松裸露的沙粒在风力作用下短暂运动的现象[1]。风沙流破坏性极强，可通过击打、折损、磨蚀等机械作用，使植物顶芽、叶片和茎叶等幼嫩表皮组织受损，对植物的分布范围、多样性、形态特征、光合生理特征等均有显著影响，强烈的风沙流甚至会引起植物生理代谢紊乱而导致植株死亡[2-4]。因此，在风沙流活动强烈地区，植被稀少，且多以耐干旱、耐风蚀的灌木及草本植物为主[1,5]。

近年来，国内学者借助风洞试验对风沙流胁迫下植物体的机械损伤程度、生长状况、生物量分配、表型结构、光合蒸腾特性等进行了初步研究[6-8]。但有关植物膜透性和膜保护系统对风沙流的响应研究报道较少。赵哈林等[9-10]分别研究了不同强度和时间风沙流胁迫对玉米(Zea mays)和樟子松(Pinus sylvestnis var. mongolica)幼苗逆境生理指标的影响；李道明等[11]研究了不同胁迫程度的风沙流条件对霸王(Zygophyllum xanthoxylum)幼苗生理特征的影响。这些研究表明，植物叶片膜透性和膜保护系统对风沙流的响应不仅与风沙流的处理方式及处理水平有关，也与植物种有关。

白刺(Nitraria tangutorum)和沙蒿(Artemisia sphaerocephala)为典型沙生植物，前者是优良的固沙先锋植物之一，后者是荒漠草原和荒漠沙地的重要建群种之一，二者皆对风沙环境具有极强的适应性，具有防风固沙、保持水土的优良特性，是荒漠地区的重要植物种。两种植物在风沙区均有大量分布，其中，白刺主要以灌丛堆的形式分布于风沙前沿，在应对风沙流上具有群体效应；沙蒿则处于相对下风向，分布具有随机性，这也是由两种植物不同的生理特征和生态适应性决定的[12-14]。目前，对白刺、沙蒿的抗逆性研究主要集中在抗旱性和耐盐性等方面[15-16]，而对其在风沙流胁迫下的生理响应尚不清楚。本研究以白刺和沙蒿实生苗为试验材料，研究不同历时的风沙流胁迫对其幼苗叶片膜透性和膜保护系统的影响，分析两种植物在风沙流胁迫下生理响应的差异及其适应能力，探讨白刺和沙蒿对风沙危害的逆境适应策略，研究结果对揭示风沙环境中白刺和沙蒿受损过程和生理生态适应机制具有重要的科学意义。

1 研究方法

1.1 研究区概况

民勤县位于河西走廊东部，石羊河流域下游，地理坐标为101°49′ − 104°12′ E、38°03′ − 39°27′ N，海拔1 298～1 936 m。研究区属温带大陆性气候，年均降水量为115 mm，年均蒸发量2 623 mm，年均气温8.3 ℃，无霜期162 d，昼夜温差较大，是我国西北内陆典型的干旱荒漠区。该区风沙大，沙尘天气频发，全年盛行西北风，5.0 m·s−1以上起沙风占全年有风日数的13.8%，年均最大风速8.4 m·s−1，年均扬沙时间16 d。

1.2 试验设计

试验材料为盆栽一年生白刺和沙蒿幼苗。种子采自民勤县野生白刺和沙蒿植株。试验当年3 月在民勤治沙站的温室大棚内将种子播种在拌有适量羊粪和荒漠风沙土的育苗钵中，待幼苗高度为10 cm左右时，转移到甘肃省治沙研究所武威绿洲站的试验苗圃内，并择优带土移栽到口径22 cm 的花盆中继续培养，每盆2～3 株。当幼苗高度为20 cm 左右时进行试验，试验前测定其株高、冠幅等生物学特性，然后选择长势良好且生物学特征无显著差异的白刺和沙蒿植株作为试验材料。

试验在甘肃省治沙研究所武威绿洲站的风洞实验室完成。该风洞为直流下吹式，洞体总长38.9 m，试验段长16 m，横截面为1.2 m × 1.2 m，风速在4～30 m·s−1连续可调。风沙流胁迫试验于2018 年8 月19 日进行。吹袭试验前，在风洞试验段内铺设厚度为10 cm 左右的沙漠沙，测定风洞实验室内实时温度和实时压强并录入主控系统。由文献[1,3,9-10,17]可知，不同的风沙流强度对植物叶片的损伤程度有显著差异。本试验选择能引起胁迫效应但又不至于造成植株严重损伤的中等强度的风沙流，即12 m·s−1的风沙流对白刺和沙蒿幼苗进行10、20 和30 m in的胁迫。胁迫结束后，将受损植株放置在通风、阴凉的地方静置30 m in，之后快速剪取适量植株迎风面的叶片，将部分叶片即刻带回实验室测定电导率，另一部分叶片用锡纸包裹于液氮罐速冻，转移至超低温冰箱保存，用于抗氧化酶活性、丙二醛和渗透调节物质含量的测定，每个处理6 个重复。以未受吹袭的植株为对照。

1.3 指标测定

膜透性采用电导率法，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法测定，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别采用氯化硝基四氮唑蓝(NBT)光还原法、愈创木酚法和过氧化氢碘量法测定，脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量分别采用酸性茚三酮比色法、蒽酮比色法和考马斯亮蓝G-250 溶液测定[18-20]。

1.4 数据处理与分析

数据采用SPSS 24.0 软件中的one-way ANOVA进行统计分析，采用Duncan 法对各指标在不同胁迫时间下的差异性进行比较(P ＜ 0.05)，并在Excel 2010中制图。

2 结果与分析

2.1 白刺丙二醛含量和膜透性变化

随着风沙流胁迫时间的增加，白刺叶片中MDA含量依次较CK 降低了8.86%、20.68%和20.25%，除10 min 处理外，20 和30 m in 处理与CK 间存在显著差异(P ＜ 0.05) (表1)。膜透性除30 min 处理增加了9.19%外，10 和20 m in 处理均低于CK，且20 m in处理与CK 存在显著差异(P ＜ 0.05)。

表 1 不同历时风沙流胁迫对白刺叶片内丙二醛含量和膜透性的影响Table 1 Effects of different durations of w ind-sand flow on malonaldehyde and membrane permeability in leaves of Nitraria tangutorum

2.2 白刺抗氧化酶活性变化

随风沙流胁迫时间增加，白刺叶片内SOD 活性呈波动变化，10 m in 处理的SOD 活性较CK 显著增加了25.54% (P ＜ 0.05)，30 m in 处理的SOD 活性较CK 增加了4.87% (P ＞ 0.05) (表2)，20 m in 处理较CK显著降低了18.71% (P ＜ 0.05)；POD 活性在20 和30 m in 处理下分别较CK 显著增加了48.42%和41.93%(P ＜ 0.05)；CAT 活性在10 和30 m in 处理下分别较CK 显著增加了14.54%和34.78% (P ＜ 0.05)，在20 min处理下较CK 显著降低了18.41% (P ＜ 0.05)。

2.3 白刺渗透调节物质含量变化

胁迫10 m in 处理下的白刺叶片内SS 含量与CK 接近，20 和30 m in 处理下较CK 分别显著增加了71.86%和91.92% (P ＜ 0.05)；SP 含量在10 m in 处理下无明显变化，在20 和30 m in 处理下较CK 显著减少了17.96%和15.48% (P ＜ 0.05)；Pro 含量在10 和30 m in 处理下分别较CK 显著增加了47.91%和76.37%(P ＜ 0.05) (表2)。

2.4 沙蒿丙二醛含量和膜透性变化

随着风沙流胁迫时间的增加，沙蒿叶片中除30 m in 处理的MDA 含量较CK 增加了27.66%外，10 和20 m in 处理的MDA 含量均低于CK，但各处理与CK 相比均无显著差异(P ＞ 0.05)；10、20 和30 min处理的膜透性分别较CK 增加了6.70%、11.55%和11.64%，而各处理均与CK 无显著差异(P ＞ 0.05) (表3)。

表 2 不同历时风沙流胁迫对白刺抗氧化酶活性和渗透调节物质含量的影响Table 2 Effects of different durations of w ind-sand flow on the activity of antioxidant enzymes and the content of osmotic regulation substances in Nitraria tangutorum

2.5 沙蒿抗氧化酶活性变化

随风沙流胁迫时间的增加，沙蒿叶片内SOD 活性在10、20 和30 m in 处理下较CK 分别降低了9.42%、22.10%和9.65%，除20 m in 处理外，其他处理与CK 间差异均不显著(P ＞ 0.05)；10 m in 处理的POD 活性较CK 显著增加了41.26% (P ＜ 0.05)，其他处理分别较CK 增加了7.26%和1.64%，但与CK 无显著差异(P ＜ 0.05)；CAT 活性在20 m in 处理下较CK 显著增加了49.23% (P ＜ 0.05)，在10 和30 m in 处理下分别较CK 减少了15.14%和16.03% (P ＞ 0.05) (表4)。

2.6 沙蒿渗透调节物质含量变化

随风沙流胁迫时间增加，沙蒿的SS 含量在10 min处理下无明显变化，在20 和30 m in 处理下较CK 分别降低了31.24%和28.87%，且与CK 间差异均显著(P ＜ 0.05)；SP 含量在10、20 和30 m in 处理下较CK依次降低了37.73%、43.57%和39.17%，与CK 间差异均显著(P ＜ 0.05)；Pro 含量呈先降后升的趋势，除10 m in 处理下较CK 降低了10.90%外，20 和30 m in处理下均高于CK 3.13%和18.69%，但各处理与CK间均无显著差异(P ＞ 0.05) (表4)。

表 3 不同历时风沙流胁迫对沙蒿叶片内丙二醛含量和膜透性的影响Table 3 Effects of different durations of w ind-sand flow on malonaldehyde and membrane permeability in leaves of Artem isia sphaerocephala

表 4 不同历时风沙流胁迫对沙蒿抗氧化酶活性和渗透调节物质含量的影响Table 4 Effects of different durations of w ind-sand flow on the activity of antioxidant enzymes and the content of osmotic regulation substances in Artemisia sphaerocephala

3 讨论

MDA 作为膜脂过氧化的主要产物之一，其含量的高低反映膜脂的过氧化程度[21-22]。研究表明，植物在受到干旱、盐碱等逆境胁迫时，其体内活性氧产生与清除的平衡被破坏，进而使氧自由基大量积累导致膜脂过氧化，并造成细胞膜损伤和MDA 大量累积[23-26]。本研究表明，随风沙流胁迫时间延长，白刺MDA 含量呈下降趋势，膜透性先减后增，其细胞膜结构在30 m in 处理下才开始受损；沙蒿MDA含量先降后升，膜透性小幅度增加，MDA 在20 和30 m in 胁迫下有所积累，细胞膜却在10 m in 处理下就开始有损伤，表明30 m in 处理下沙蒿出现了膜脂过氧化而且其膜透性增加幅度大于白刺，这可能是其耐风沙能力不如白刺的主要生理原因之一。这也表明风沙流吹袭对白刺幼苗无明显的膜脂过氧化作用，沙蒿的膜脂过氧化作用较低，其细胞膜受损可能并非源自膜脂过氧化，而是由于膜脂脱脂化作用或其他因素的影响[23,27]。这与干旱、盐碱等逆境胁迫下植物的膜透性和MDA 含量同步增加的趋势不同，一方面可能是因为干旱、盐碱等胁迫通常对植物产生水分胁迫，而风沙流逆境使沙粒击打、磨蚀植物的顶芽、茎干或叶片，导致细胞膜受机械损伤而引起膜透性增大，同时叶面周围气流交换速率加快，叶温降低，蒸腾速率增加，不利于氧自由基的产生，因而膜脂过氧化作用不明显[10,28]。因此，在风沙胁迫下不同植物的受损程度不仅要考虑膜透性的变化，而且还需要结合膜脂过氧化程度和细胞膜忍受膜脂过氧化的能力。

研究表明，在逆境胁迫下，植物体内的保护酶系统会通过调节被激活并发挥协同或单独作用防御活性氧或其他过氧化物自由基对细胞膜系统的破坏，维持代谢平衡[21-22,29]，但抗氧化酶活性增加的幅度及所起作用的大小因植物种类、胁迫强度和胁迫时间不同而有一定差异[30]。本研究表明，随吹袭时间的增加，白刺POD 活性逐渐上升，SOD 和CAT活性波动变化。其中，10 m in 胁迫下SOD 和CAT 活性显著增加，说明SOD 和CAT 在胁迫初期起到一定的保护作用，但其能力有限，在20 m in 胁迫下显著降低，此时POD 活性显著增加，这说明SOD 和CAT 活性的显著降低可能是因为此时的膜透性显著减小，POD 活性、SS 和Pro 含量明显增加，对细胞膜起到了保护作用，这与李瑾等[30]研究结果一致。30 m in 胁迫下膜透性无明显变化，MDA 含量仍降低，SOD、CAT 和POD 活性均增加，说明这3 种酶活性在30 m in 胁迫下协同增强对逆境的抵抗力，保护细胞膜结构[9,31]，从而使白刺在一定范围内逆境胁迫下正常生长发育。沙蒿POD 活性波动增加，但均高于CK 且胁迫10 m in 时活性最强，SOD 活性逐渐降低，CAT 活性波动变化。其中，10 m in 胁迫下MDA含量降低，膜透性增加不明显，SOD 和CAT 活性减弱，POD 活性显著增强，说明SOD 和CAT 活性降低可能是因为此时沙蒿受到的膜脂过氧化作用较小，POD 在减轻细胞膜受伤害过程中起一定的保护作用。20 m in 胁迫下SOD 活性显著低于CK，CAT 活性显著高于CK，说明CAT 起到一定的保护作用，但因其能力有限[30,32]，在30 m in 胁迫下呈下降趋势，POD 亦无显著变化，对细胞结构未起到保护作用，导致30 m in 处理的MDA 含量和膜透性增加到最大值。说明其膜透性增大可能是由较低的膜脂过氧化作用和机械损伤引起的，也说明SOD 活性下降可能是细胞膜结构受损的因素之一[22,24]，而CAT 活性提高可能对SOD 活性降低有一定的补偿作用，这与赵哈林等[10]研究一致。

植物在受到逆境胁迫时，通常会通过增加SS、SP 和Pro 等渗透调节物质含量或调节K+、Na+等的含量进行渗透调节，保持细胞的渗透压，保证细胞各种生理活动正常进行，并对细胞膜起保护作用[26,33]。本研究表明，白刺和沙蒿对风沙流胁迫的反应既有相同之处也有差异。随风沙流吹袭时间延长，白刺和沙蒿SP 含量显著降低，而且白刺SP 含量的降幅小于沙蒿，这可能是由于植物体内蛋白质合成受阻，加快分解以调节水势来减轻其受损程度[34]。白刺Pro 和SS 含量均有所增加，而沙蒿的SS 含量减少，Pro 含量在10 m in 胁迫下减少，在20、30 m in 胁迫下增加，这与赵哈林等[10,28]研究结果一致。说明受风沙流胁迫时，SP 未发挥调节作用，白刺通过增加Pro 和SS 含量来维持细胞内渗透压以适应风沙环境，20 和30 m in 处理下的Pro 和SS 含量显著增加，对提高其抗风沙能力起着重要作用[9]；而沙蒿SS 也未发挥调节作用，Pro 含量在10 m in 胁迫下降低可能是因为在胁迫初期对风沙环境不适应，因而未激发渗透调节作用，随胁迫时间延长逐渐适应环境，因此，20、30 m in 胁迫下Pro 含量表现出上升趋势，起到一定的渗透调节作用，这与王进等[29]研究一致，说明白刺在风沙流胁迫下的渗透调节能力强于沙蒿。

植物抵御逆境胁迫的耐受能力与其体内酶活性和渗透调节能力有关，抗逆性强的植物在逆境条件下保护酶活性和渗透调节物质含量维持在一个较高的水平，清除多余活性氧，减轻膜受伤害和细胞质外泄程度，提高植物抗逆能力[31]。本研究表明白刺和沙蒿幼苗的酶活性和渗透调节物质含量对风沙流胁迫的响应具有差异性。在30 m in 胁迫下，白刺SOD、POD 和CAT 活性仍同时增强，Pro 和SS 含量显著增加，沙蒿仅POD 一种酶的活性升高，Pro含量略有增加，说明这种酶活性和渗透调节物质含量变化可能是风沙流胁迫下白刺耐风沙能力强于沙蒿的一种重要逆境生理机制，这与赵哈林等[26]研究结果一致。两种沙生植物在长期风沙环境自然选择及其对环境的不断适应中，形成减缓和防止风沙危害的特殊适应机制。其中，白刺作为优良固沙先锋植物，分枝多而密，沙埋后能向上萌发不定芽、长出不定根，匍匐近地面丛生于流动、半流动沙地，积聚风沙形成固定的丘状沙堆起防风阻沙和维持荒漠区环境稳定的重要作用[35]。而沙蒿作为荒漠草原和荒漠沙地的主要建群种之一，具有明显主干，侧根少，构型空隙度大透风，基部不会形成沙堆，沙埋影响其存活生长的同时会促进其生根[36]，是固定半固定沙地、半流动沙丘喜适度沙埋植物，其灌丛阻沙能力有限，随着沙地的逐渐固定开始衰退[37]，这可能也是风沙流胁迫下白刺抗风沙能力强于沙蒿的主要原因之一[26]。

4 结论

随着12 m·s−1风沙流吹袭时间的增加，白刺MDA含量呈下降趋势，膜透性无明显变化，20 min 胁迫下仅POD 活性显著增加，10 和30 m in 胁迫下POD、SOD 和CAT 均起到保护作用，Pro 和SS 起主要的渗透调节作用。沙蒿MDA 含量在30 m in 胁迫下上升，膜透性和POD 活性呈上升趋势，CAT 活性仅在20 m in 胁迫下显著增加，Pro 含量在20 和30 min 胁迫下略有升高，起一定程度的保护作用。说明在30 min以内的风沙流胁迫下，白刺的适应能力强于沙蒿是因为其膜透性受损程度较低，保护酶活性和渗透调节物质含量增幅较大。