5种造林树种对干旱胁迫的抗性应答

洪 震，刘术新，洪琮浩，雷小华

(1.华东药用植物园科研管理中心，浙江 丽水 323000；2.丽水职业技术学院，浙江 丽水 323000；3.北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083；4.丽水市莲都区城区林业工作中心站，浙江 丽水 323000)

水分是植物正常生存和代谢的基础，土壤含水量是影响植物体内水分状况的重要因素[1]。植物在干旱胁迫下，不仅会在外观形态上表现出一系列的变化，还会在生理、形态特性方面产生响应，导致植物光合作用受抑、呼吸紊乱、代谢异常[2-4]等，直接影响植物的生长发育和生存[5-6]。不同的植物在干旱胁迫处理下表现出来的形态、生理代谢等特征变化情况差异，反映出各植物抗干旱的能力也不尽相同。

枫香(Liquidambarformosana)、黄连木(Pistaciachinesis)、长序榆(Ulmuselongata)、黄山栾树(Koelreuteriabipinnata)是我国优良的乡土树种。娜塔栎(Quercustexana)原产于北美，由于其适应性强和观赏价值得到人们的关注，近年来在我国市场上备受欢迎。目前，国内外对枫香、黄连木、长序榆、黄山栾树和娜塔栎的研究主要集中于苗木培育[7-9]、栽培技术[10-12]、品种选育[13-16]等方面，而对5个造林树种干旱胁迫方面的比较研究还未见报道。本研究通过盆栽控制试验研究了枫香、黄连木、长序榆、黄山栾树和娜塔栎1年生实生苗在不同干旱胁迫下的生理响应，以探讨5个造林树种对不同土壤水分条件的适应能力，旨在为苗木培育、城乡绿化美化及困难立地造林和生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为枫香、黄连木、长序榆、黄山栾树和娜塔栎1年生实生苗，材料来自浙江省丽水市林业科学研究院碧湖竹溪苗圃(119°54′13.27″E，28°28′41.26″N)。试验地设在丽水职业技术学院的温室大棚，海拔为 100 m，属中亚热带季风气候，温暖湿润，雨水充沛。棚内温度为20～30 ℃，相对湿度60%～80%[17]。栽培基质为壤土和泥炭，体积比为3∶1，有机质含量为2.135 mg/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为165.42、60.58、75.24 mg/kg，pH为5.92。

1.2 试验方法

采用盆栽控水试验，盆栽容器规格为高17 cm、上口径14 cm、下口径19 cm，装入基质3.5 kg，选用植株生长状况良好、无病虫害、大小基本一致的5种植物的苗木，于2018年3月将其无损移栽到花盆中，每盆1株。5种苗木设置4个土壤水分处理，即CK(对照，适宜水分，土壤含水量为田间持水量的75%～80%)、T1(轻度干旱，土壤含水量为田间持水量的55%～60%)、T2(中度干旱，土壤含水量为田间持水量的40%～45%)和T3(重度干旱，土壤含水量为田间持水量的30%～35%)，每个处理5株，3次重复。控水处理30 d后采集植株中部叶片进行测定。

1.3 相关指标测定

相对电导率(relative electrical conductirity,REC)、叶片相对含水量(LRWC)、叶绿素含量的测定采用分光光度比色法，丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸比色法，游离脯氨酸含量采用茚三酮比色法，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝比色法，过氧化氢酶(CAT)活性测定紫外吸收法测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[18]。

1.4 隶属函数法综合评价植物的抗旱性

抗旱性综合评价采用模糊数学隶属函数值法[19]，将各项抗旱生理指标换算成隶属函数值，然后对各项指标的隶属函数值求平均值。平均值越大，说明抗旱性越强。隶属函数计算公式如下：

若指标与抗旱性成正相关，则

Zij=(Xij-Xi min)/(Xi max-Xi min)；

若指标与抗旱性成负相关，则

Zij=1-(Xij-Xi min)/(Ximax-Xi min)。

式中：Zij表示i树种j指标的抗旱隶属函数值；Xij表示i树种j指标的测定值；Xi min和Xi max分别表示各树种中对应指标的最小值和最大值。

1.5 数据分析

采用Micarosoft Excel 2010和SPSS 17.0软件对数据统计分析，采用Duncan法进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对5个树种苗木形态特征的影响

干旱胁迫对苗木形态特征的影响见表1。由表1可知，胁迫至第10天时，枫香各处理均表现正常，黄连木T1和T2处理表现正常；娜塔栎、长序榆、黄山栾树以及黄连木的T3处理均出现了叶片萎蔫、失绿变色及焦边等症状，并随胁迫程度的增加而加深，受害范围也不断扩大。胁迫至第20天时，枫香T1处理老叶出现黄斑，T2和T3处理叶片萎蔫下垂，顶部叶片脉间褶皱；黄连木各处理出现老叶变黄的症状；长序榆T1处理两株出现老叶叶缘干枯，T2处理5株叶片全部黄化叶斑，叶片不完整，T3处理5株老叶全部脱落，顶部叶片萎蔫；黄山栾树T1处理6株叶片失绿出现黄色叶斑，T2处理叶片脉间失绿严重，叶斑增多，T3处理下部叶片出现干枯；娜塔栎T1处理下部老叶叶缘失绿，T2处理3株下部老叶枯黄，T3处理4株中下部叶片变黄，下部老叶干枯。胁迫第30天时，5个树种各处理受害范围进一步扩大，黄连木T1处理两株全部叶片变黄，T2处理4株全部叶片变黄变红，T3处理1株枝条顶端干枯；长序榆T1处理两株叶片全部黄化，T2处理两株死亡，T3处理3株死亡；黄山栾树T1处理全部植株脉间失绿出现黄斑，T2处理两株死亡，T3处理4株死亡。T2条件下，长序榆和黄山栾树各有两株死亡，其余树种均未死亡；而在T3条件下，长序榆、黄山栾树分别有3株、4株死亡。死亡数最多的是黄山栾树；其次是长序榆；黄连木出现全部叶片变黄变红，没有整株死亡；枫香和娜塔栎中下部叶片黄化干枯，没有整株叶片变黄。

表1 干旱胁迫对5个树种苗木形态特征的影响Table 1 Effects of drought stress on morphological characteristics of five tree species

2.2 干旱胁迫对5个树种叶片相对含水量、相对电导率和叶绿素含量的影响

干旱胁迫对叶片相对含水量、相对电导率和叶绿素含量的影响见表2。由表2可知，胁迫处理30 d时，T3处理下枫香、黄连木、长序榆、黄山栾树和娜塔栎叶片相对含水量分别为67.40%、58.84%、63.03%、59.23%和54.26%，与各自CK相比分别下降了5.67%、11.56%、8.48%、12.95%和9.36%，5个树种叶片相对含水量较CK处理下降幅度大小依次为：枫香<长序榆<娜塔栎<黄连木<黄山栾树，由此可推断出枫香叶片保水能力最好。

5个树种叶片相对电导率均随干旱胁迫程度的加剧而上升(P<0.05)。胁迫处理30 d，T3处理下5个树种叶片细胞膜透性增幅由小到大排序为：枫香(37.82%)<黄连木(39.93%)<黄山栾树(40.10%)<长序榆(43.78%)<娜塔栎(43.96%)。

5个树种叶绿素总含量随干旱胁迫程度的加深而下降，与叶片相对含水量的变化趋势一致。胁迫处理30 d，T3处理5个树种叶片叶绿素总含量降幅由小到大排序为：娜塔栎(25.31%)<枫香(28.07%)<黄山栾树(41.06%)<长序榆(44.03%)<黄连木(46.14%)，其中娜塔栎的降幅最小，为25.31%，黄连木的幅度最大，达到46.14%。

2.3 干旱胁迫对5个树种叶片渗透调节物质的影响

干旱胁迫对叶片渗透调节物质的影响见表3。从表3可以看出，5个树种叶片游离脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖的含量均随干旱胁迫程度的加剧而增加，其中黄山栾树游离脯氨酸含量随着胁迫程度的加剧表现出先升后降的趋势。

表3 干旱胁迫对5个树种渗透调节物质含量的影响Table 3 Effects of drought stress on contents of osmolyte of five tree species mg/g

T3处理下，枫香和娜塔栎两个树种的渗透调节物质以游离脯氨酸含量增幅最大，分别是适宜水分处理下的3.35倍和3.03倍，可溶性糖含量增幅分别是适宜水分处理下的1.97倍和1.36倍，可溶性蛋白含量增幅最小，增幅分别为1.74倍和1.24倍；长序榆和黄山栾树两个树种的渗透调节物质以可溶性糖含量增幅最大，分别是适宜水分处理下的3.21、2.46倍，游离脯氨酸含量增幅分别是适宜水分处理下的1.52、1.56倍，可溶性蛋白含量增幅分别为1.26、1.40倍；黄连木的渗透调节物质以可溶性蛋白含量增幅最大，是适宜水分处理下的1.75倍，可溶性糖含量增幅次之，是适宜水分处理下的1.27倍，游离脯氨酸含量增幅最小，是适宜水分处理下的1.03倍。

综上可知，不同植物种类抵御干旱胁迫的最敏感渗透调节物质不同，枫香和娜塔栎两个树种抵御干旱最敏感的渗透调节物质是游离脯氨酸，长序榆和黄山栾树两个树种抵御干旱最敏感的渗透调节物质是可溶性糖，黄连木抵御干旱最敏感的渗透调节物质是可溶性蛋白。

2.4 干旱胁迫对5个树种叶片丙二醛含量和保护酶活性的影响

干旱胁迫对叶片丙二醛含量及保护酶活性的影响见表4。由表4可知，在干旱胁迫下，5个树种叶片MDA含量均随着干旱胁迫程度的增加而升高。重度干旱胁迫下，5个树种叶片MDA含量分别是适宜水分处理下的2.29、1.89、2.85、9.52和1.98倍。说明随着干旱胁迫程度增加，5个树种叶片的膜脂过氧化作用均显著加剧，黄山栾树膜系统受到破坏的相对程度最大，其次是长序榆。随干旱胁迫程度的增加，枫香、黄连木、黄山栾树3个树种的保护酶活性均呈现先升高后降低的变化趋势，长序榆的SOD和CAT活性呈现先升高后降低的变化趋势，而POD活性则是随着胁迫程度的增加而升高。娜塔栎的保护酶活性则持续升高，说明娜塔栎保护酶系统对干旱胁迫的主动适应能力较强，其余4个树种保护酶系统在重度干旱胁迫下先达到能调节的极限值，随后抗氧化能力减弱。

表4 干旱胁迫对5个树种叶片保护酶活性和丙二醛含量的影响Table 4 Effects of drought stress on protective enzyme activity and MDA content of five tree species

2.5 5个树种抗旱性的综合评价

植物对干旱胁迫的响应是一个由多因素控制的复杂性状，利用某一指标单独评价树种的抗旱能力有很大的局限性。利用模糊数学隶属函数法是目前被普遍应用于树种抗旱性评价的一种方法。通过对上述10个生理指标的隶属函数加权平均，综合评价了5个树种的抗旱性(表5)。T1处理下，耐旱性强弱顺序：娜塔栎>枫香=黄连木>黄山栾树>长序榆。T2处理下。耐旱性强弱顺序为：娜塔栎>枫香>黄连木>长序榆>黄山栾树，T3处理下，耐旱性强弱顺序为：娜塔栎=枫香>黄连木>长序榆>黄山栾树。娜塔栎干旱条件下耐旱性最强；黄山栾树在中度和重度干旱胁迫下的综合隶属函数值分别为0.46和0.47，耐旱性较差。

表5 5个造林树种隶属函数值比较及综合评价Table 5 Comparison and comprehensive evaluation of the subordinate function values of five afforestation tree species

3 讨 论

干旱胁迫导致植物形态发生变化，生长受到抑制，严重的导致死亡，随着胁迫强度的加剧，受抑制现象越显著。本研究的结果表明，随着干旱胁迫程度的增加，5个树种地上部形态特征出现不同程度的变化，叶片脉间失绿变黄出现黄斑，叶片萎蔫下垂，枝条顶端干枯，严重的死亡。通过对胁迫30 d后的5种植物的叶片出现症状情况、死亡数及出现死亡现象的时间分析，娜塔栎的抗旱能力要比其他树种更强。

水分是植物活细胞的重要组成成分，是各种代谢活动的重要物质，抗旱性强的树种其叶片结构特征更有利于减少水分损失。因此，叶片的保水力直接体现植株的抗旱能力[20-21]。研究表明，叶片相对含水量的下降幅度与植物叶片保水能力有重要的关系，叶片相对含水量降幅越小，其叶片保水能力越强，植物的抗旱性越强[22]。5个树种叶片相对含水量随着胁迫程度的加深而逐渐减小。在胁迫处理30 d时，T3重度干旱处理下各树种叶片相对含水量达最小值，5个树种叶片相对含水量较CK处理下降幅度大小顺序为：枫香<长序榆<娜塔栎<黄连木<黄山栾树，由此可推断出枫香叶片保水能力最好。

树种在干旱胁迫下，由于细胞膜功能受损或结构破坏使其透性增大，细胞内的水溶性物质有不同程度的外渗[23]，耐旱性强的植物，胁迫时其质膜相对透性增加的幅度相对较小[24]。植物受干旱胁迫下，会发生膜脂过氧化作用，MDA是膜脂过化的产物之一。植物体内 MDA 越多，说明过氧化作用越强，从而造成植物体伤害的程度越高[25]。抗旱性强的植物 MDA含量增幅小[26]。本研究表明，随着干旱胁迫程度的增强，5个树种叶片细胞膜透性和MDA含量均呈现逐步上升的趋势，这与小叶蚊母(Distyliumbuxifolium)、厚皮香(Ternstroemiagymnanthera)和轮叶蒲桃(Syzygiumgrijsii)[1]、木本滨藜(努塌滨藜Atriplexgardneri、三角滨藜A.tridentata、四翅滨藜A.canescens)[27]、黄枝槐(Sophorajaponica)[28]、柏木(Cupressusfunebris)[29]等的研究结果一致。胁迫处理30 d时，T3处理下5个树种叶片细胞膜透性较CK处理增幅由小到大排序为：枫香<黄连木<黄山栾树<长序榆<娜塔栎。叶片MDA含量较CK处理增加幅度大小依次为：黄连木<娜塔栎<枫香<长序榆<黄山栾树。黄连木膜质过氧化程度为5个树种中最弱，抗旱性较强，在抗旱性综合评价的结果中也体现了黄连木在5个树种中属于较强抗旱性的树种之一。

干旱环境下会抑制植物体合成叶绿素，随着干旱程度的加深，抗旱能力越强的植物，叶绿素总含量的下降幅度会随之变小[21]。5个树种叶绿素总含量随干旱胁迫程度的加深而呈现下降的趋势，当含水量达到重度干旱时，各树种叶绿素含量达到最低值。游离脯氨酸是植物对胁迫有较敏感反应的渗透调节物质之一，脯氨酸的含量与植物的抗旱能力成正比[30-31]。本研究结果表明，枫香、娜塔栎、黄连木、长序榆体内游离脯氨酸含量会随着干旱程度的加剧逐渐增加，这与润楠(Machilusnanmu)[32]、欧李(Cerasushumilis)[33]、侧柏(Platycladusorientalis)[34]、江南油杉(Keteleeriafortunevar.cyclolepis)[20]等树种的研究结果一致。当干旱胁迫达到重度时，各树种的游离脯氨酸含量达到最大值，其中黄连木的游离脯氨酸含量增幅最小。可溶性糖具有降低细胞水势的作用，与植物在逆境下的渗透调节具有较大关系，可提高植物吸水和保水能力，有利于增强植物的抗逆性[35]。在干旱胁迫下，可溶性蛋白质能够提高细胞内原生质渗透压，维持原生质胶体的稳定[32]。本研究中，5个树种的可溶性糖和可溶性蛋白的含量均随干旱胁迫程度的加剧而呈现升高的趋势，水分胁迫使各树种缺水严重，可溶性糖和可溶性蛋白含量的增加可引起其他生理代谢的响应，如原生质黏度增大等，从而提高植物的保水能力和吸水能力，有利于适应缺水的环境，维持水解类酶如蛋白酶等的稳定性，进而保持原生质体结构[36]。

SOD、POD和CAT是进行植物体内活性氧代谢主要的酶，具有清除植物体内因胁迫积累的活性氧，对细胞膜结构起到保护的作用，以缓解胁迫环境对植物的损伤，SOD、POD和CAT活性的变化能较好地反映植物对逆境的适应能力[37]。娜塔栎3种保护酶活性均在重度胁迫时达峰值，枫香、黄连木、黄山栾树3树种的3种保护酶活性在中度胁迫时达峰值，长序榆的SOD和CAT活性在在中度胁迫时达峰值，POD活性在重度胁迫时达峰值。本研究表明，干旱胁迫下，膜脂过氧化物MDA含量增加，但是酶促防御系统的SOD、POD 和CAT活性提高。在重度胁迫下，枫香、黄连木、黄山栾树3个树种叶片SOD、POD和CAT 保护酶活性下降与 MDA积累有关，一方面，由于树种叶片 SOD、POD和CAT活性下降，使有害自由基积累，当超过伤害阈值时，可能直接或间接地启动膜脂过氧化作用使MDA含量增加，膜完整性被破坏；另一方面，随着 MDA含量的增加又抑制了植物叶片 SOD、POD和CAT 的活性，从而丧失了保护酶系统的功能，进一步导致膜系受损加重。而娜塔栎在重度胁迫下，SOD、POD和CAT 3种保护酶活性达峰值，表明娜塔栎保护酶系统对干旱胁迫的主动适应能力较强。

植物抗旱性是植物体内复杂的抵抗逆境的生理过程，而且不同树种间抗旱机理不同，因而不能用单一的指标指标反映植物抗旱性的状况，应对多个生理生化指标进行综合分析与评价，以对植物抗旱性进行全面系统的研究[38]。本研究采用模糊数学的方法，对所测定的各项指标进行隶属函数分析，结果表明：中度胁迫下耐旱性强弱顺序为娜塔栎>枫香>黄连木>长序榆>黄山栾树；重度胁迫下耐旱性强弱顺序为娜塔栎=枫香>黄连木>长序榆>黄山栾树。

植物抗旱特性是一个综合且复杂的生理过程，本研究的试验苗圃属于开放式环境，无法精确对温度、空气湿度等环境因子进行控制，试验过程中可能存在较短时间的干旱和高温的复合胁迫，需要在下一步的研究中对环境因子尽可能地进行精确控制，以期为5个树种繁育、水肥管理与造林困难地的推广应用提供理论参考。