栾树无性系抗旱性差异研究

刘金秋,曹帮华,段正洪,孔雨光,崔凤华,郝明慧,陈 珍,赵联秀,栾 艳

（1.山东省地质科学研究院，山东济南250013；2.山东农业大学林学院，山东泰安271001；3.滕州市国有西岗苗圃，山东滕州277519；4.山东省林业监测规划院，山东济南250014）

水分是植物的重要组成部分，是植物赖以生存的必要条件之一，无论是长时期的干旱还是短时间的水分亏缺都可能对植物的生长发育产生不同程度的影响[1]。干旱胁迫会引起植物脱水，降低细胞和组织水势，影响植物各种生理过程，同时植物主动适应外界变化，积极的进行生理生化代谢变化[2]。在林业生产中，普遍存在着因为土壤干旱造成成活率不高和人工林生产力低下等问题[3]。研究植物在干旱胁迫下的抵抗能力对林业生产、良种选育具有重要意义。

栾树（Koelreuteria paniculata）在园林绿化中应用较多，其观赏性较高，抗逆性较强，是优良的园林绿化行道树树种[4]。栾树在我国生长地域广阔，国内东北南部、长江流域、甘肃一带都有栽植。近年来对栾树的培育、病虫害防治皆有研究，抗旱性的研究多集中在生长速率、叶片生理生化特征上，对干旱胁迫下形态学、光合作用影响研究较少，且多是与其他树种间的比较，而栾树种间抗旱性研究较少[5-8]。本文以滕州西岗国有苗圃选育的栾树优良观赏无性系“滕选”4 号、5 号以及北栾为研究对象，通过盆栽试验，研究了持续干旱条件下，各个供试无性系苗木形态及生理生化指标的变化，并对其抗旱性进行比较，为良种选育和生产应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为栾树优良无性系“滕选”4 号、5 号1年生扦插苗，以北栾实生树扦插苗为对照。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

试验地位于山东省滕州市西岗国有苗圃。试验设干旱和对照(正常浇水)2 个处理，每个处理每个无性系5 株，3 次重复，计15 株。2019年4月，将植株定植在35 cm×30 cm(高×内径)的塑料营养盆中。7月25日试验开始，胁迫前2 d 对所有植株浇透水2 次，之后停止浇水，对照组正常浇水。逐日测定土壤含水量，每隔5 d 进行形态观测统计，苗高测量，并取各供试材料相同位置叶片测定相关生理生化指标，至第40 d 停止取样，共取样9 次。

1.2.2 指标及测定方法

（1）形态观测

记录不同无性系叶片萎蔫、黄叶、枯叶数量及时间。

（2）土壤含水量

采用称重法测定，土壤相对含水量=土壤绝对含水量/田间持水量。

（3）生理生化指标

苗高用卷尺测量,生长率=（干旱胁迫末期苗高-干旱胁迫前苗高）/干旱胁迫前苗高；叶绿素用SPAD-502 叶绿素仪测定；净光合速率用Li-6400XT 光合仪测定；脯氨酸、超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)采用的分光光度法[9]。

1.2.3 数据的处理与分析

利用Excel 软件进行数据归整理、作图，SPSS 20.0 软件对实验数据采用单因素方差分析，邓肯（Duncant）方法进行多重比较。运用模糊数学中隶属函数法[10]，分别根据试验测定的指标情况，对其抗旱能力进行排序。

与植物抗旱性呈正相关的生长率、叶绿素含量、净光合速率、SOD 的隶属函数值计算采用公式：

R（Xi）＝（Xi－Xmin）／（Xmax－Xmin）

与植物抗旱性呈负相关的丙二醛含量的隶属函数值计算采用公式：

R（Xi）＝1-(Xi－Xmin）／（Xmax－Xmin）

式中，Xi为第40 d 某项指标测定值，Xmax、Xmin为某一指标的最大值和最小值。将各无性系隶属函数值进行计算，然后取平均值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下不同栾树无性系土壤含水量变化

各无性系土壤含水量变化见表1，干旱胁迫初期土壤相对含水量分别为4 号65.17%、5 号65.3%、北栾65.51%，至胁迫结束分别降至14.15%、13.91%、11.35%，土壤含水量在相同胁迫时间不同无性系间差异不显著（P＞0.05），但同一无性系在不同干旱胁迫时间下差异极显著（P＜0.01）。

随着干旱胁迫时间的延长，土壤相对含水量逐渐下降，但是下降幅度又有所不同，前15 d 各个无性系土壤含水量下降较快，以北栾下降幅度最大，至第10 d 土壤含水量已降至24.24%，达到严重干旱水平，而4 号、5 号在第10 d 仍维持到43.42%、37.15%，至15 d 才分别降至26.42%、28.42%，接近对照第10 d 的干旱水平，表明北栾在前期苗木蒸腾大于无性系4 号、5 号。第10 d 后所有无性系土壤含水量下降较为平缓，此时苗木蒸腾能力下降，土壤含水量由高到低依次为“滕选”4 号＞“滕选”5 号＞北栾。

2.2 干旱胁迫下3 个栾树无性系苗木形态特征

干旱胁迫下3 个无性系形态特征见表2，在干旱胁迫前5 d 所有无性系生长正常；干旱胁迫至第10 d 对照北栾2 株叶片萎蔫下垂但“滕选”4 号、“滕选”5 号仍基本正常；干旱胁迫第15 d 对照北栾11株叶片萎蔫下垂，叶片开始脱落，“滕选”4 号5 株叶片萎蔫下垂，8 株底部叶片出现黄叶，部分出现黄叶，“滕选”5 号3 株萎蔫下垂，2 株底部出现黄叶；干旱胁迫第20 d 对照北栾所有植株萎蔫，6 株底部叶片失绿变红；“滕选”4 号（12 株）、“滕选”5 号（5株）叶片萎蔫下垂；干旱胁迫第25 d 对照北栾（9株）、“滕选”4 号（6 株）、“滕选”5 号（4 株）下部出现枯叶；干旱胁迫第30 d 对照北栾所有植株下部枯叶，“滕选”4 号、5 号所有植株叶片萎蔫下垂，叶片干枯加剧；干旱胁迫第35 d 对照北栾13 株上部出现枯叶，“滕选”4 号、“滕选”5 号所有植株下部出现黄叶；干旱胁迫第40 d 对照北栾叶片萎蔫严重，茎变细软，落叶严重，“滕选”4 号、5 号均14 株枯叶，叶片干枯严重，茎变细软。相比而言，“滕选”5 号叶片萎蔫程度较轻，4 号次之，北栾叶片萎蔫及脱落情况最严重。

表1 干旱胁迫下不同栾树无性系土壤相对含水量（%）的变化

表2 干旱胁迫对3 个栾树无性系苗木形态特征的影响统计表

2.3 干旱胁迫下不同栾树无性系苗高的变化及生长率

植物高生长受生长环境影响，高生长与其抗逆性具有相关性，一般情况下逆境胁迫增强，生长速度随之减慢，甚至停止。因此，高生长指标是衡量树种生长状况的重要形态指标之一[11]。不同栾树无性系苗高的变化见表3，相同胁迫时间不同无性系间差异不显著(P＞0.05)，同一无性系不同胁迫时间差异显著(P＜0.05)。各无性系前20 d 生长量变化较大，表明生长相对迅速，第25 -40 d 变化不显著，表明随着干旱胁迫的加深，各无性系苗高增长变缓，干旱胁迫极大地影响了植株生长。各无性系生长率分别为0.4、0.41、0.39，从高到低排序为“滕选”5 号、“滕选”4 号、北栾。

表3 干旱胁迫下不同栾树无性系苗高的变化

2.4 干旱胁迫下不同栾树无性系叶绿素含量的变化

SPAD-502 叶绿素仪可以直接测定叶绿素值，在不损害叶片的前提下可以较好的反映植物叶片的叶绿素浓度[12]。各无性系叶绿素含量变化如表4所示，3 个无性系叶片叶绿素含量变化趋势表现出一定规律性，都呈先降低再升高再降低的趋势，相同胁迫时间下不同无性系差异不显著。4 号在第5 d、第20-30 d 叶绿素含量降低，其余升高；5 号在第0-15 d 降低，至第20 d 含量最高，之后降低；北栾对照0-10 d 降低，10-20 d 升高，20 d 之后降低。变化幅度上，4 号、5 号、北栾叶绿素相对含量分别为11.24、14.67、12.4，变化幅度“滕选”5 号＞北栾＞“滕选”4 号。

表4 干旱胁迫下不同栾树无性系叶绿素含量的变化

2.5 干旱胁迫下不同栾树无性系净光合速率的变化

持续干旱第32 d 对各无性系净光合速率影响见表5，结果表明，栾树各无性系随干旱胁迫强度增加净光合速率均显著降低，且各无性系间差异极显著（P＜0.01），而各无性系对照净光合速率差异不显著，表明干旱胁迫对植物叶片造成损伤，叶片光合作用下降。4 号、5 号、北栾与CK 相比分别降低了4.14 mmoL·m-2·s-1、3.81 mmoL·m-·2s-1、5.15 mmoL·m-·2s-1，各无性系净光合速率值分别为对照的20%、30%、4%。3 个栾树无性系叶片净光合速率较对照下降幅度大小依次为：北栾＞“滕选”4 号＞“滕选”5 号。

表5 干旱胁迫下不同栾树无性系净光合速率的变化

2.6 干旱胁迫对渗透调节物质脯氨酸含量的影响

各无性系脯氨酸变化从表6 可以看出，相同干旱胁迫时间下，各无性系脯氨酸含量第0 d“腾选”4号同5 号、北栾之间差异不显著，5 号同北栾差异显著，干旱第20 d“滕选”4 号同5 号差异显著，北栾同4 号、5 号之间差异不显著，第35 d“滕选“4 号同北栾差异显著，5 号同4 号、北栾之间差异均不显著；第40 d“滕选”4 号、5 号之间差异不显著，但与北栾差异显著。同一无性系不同胁迫时间上，差异极显著（P＜0.01）。“滕选“4 号在前10 d 差异不显著，第0 d、5 d、15 d 之间差异不显著，第20-40 d 差异不显著。“滕选”5 号第0 -20 d 之间差异不显著，第25-40 d 之间差异不显著。北栾第0-5 d 差异不显著，第10-25 d 差异不显著，第30 d 同40d 差异不显著，第35 d 同其他所有胁迫时间差异显著。

表6 干旱胁迫下不同栾树无性系脯氨酸含量（mg·g-1）的变化

持续干旱胁迫下，随着土壤含水量的降低，栾树3 个无性系的脯氨酸含量变化前35 d 总体呈现增加的趋势，第35 d 往后北栾下降，“滕选”4 号、5号变化不明显。“滕选”4 号前10 d 变化不大，第10 d 后迅速增加，表明4 号在前10 d 受伤害并不是很严重，随着干旱胁迫的加剧，脯氨酸含量迅速升高，表明植物受到伤害逐渐加重。“滕选”5 号前20 d 增加不明显，至第20 d 迅速增加，北栾对照从胁迫开始至第35 d 近乎直线增加，之后迅速下降，脯氨酸含量下降说明干旱对其造成的伤害突破了其自身的渗透调节能力，植物生理机能下降。

2.7 干旱胁迫对超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

各无性系SOD 含量变化由表7 可知，通过方差分析与多重比较，相同时间不同无性系间，干旱胁迫第0 d“滕选”5 号同4 号、北栾差异显著，4 号同北栾之间差异不显著；第10 d 北栾同4 号、5 号差异显著，4 号、5 号差异不显著；第15 d 5 号同4 号、北栾差异显著，4 号同北栾差异不显著，第20 d 北栾同4 号、5 号差异显著，4 号、5 号之间差异不显著，其余相同胁迫时间下各无性系间差异不显著（P＞0.05）。同一无性系不同胁迫时间比较，差异极显著（P＜0.01）。“滕选”4 号第20 d 同第35 d 之间差异不显著，第20 d 同第30 d 之间差异不显著，第25 d、30 d 之间差异不显著，第5 d、10 d、40 d 之间差异不显著，第0-10 d、第0 d、5 d、15 d 之间差异不显著。“滕选”5 号第0 d、5 d、15 d 之间差异不显著，第5-15 d、第40 d 之间差异不显著，第20 d-35 d 之间差异不显著。北栾第0-15 d 差异不显著，第0 d、5 d、15 d 差异不显著，第20 d、25 d、40 d 之间差异不显著，第35 d、第40 d 分别同其他所有胁迫时间差异显著。

表7 干旱胁迫下各无性系SOD 含量（u·g-1）的变化

持续干旱胁迫下，随着土壤含水量的降低，所有栾树无性系SOD 活性呈降低-升高-降低-升高-降低趋势。在增加幅度上，前15 d 变化不明显，至第20 d 快速上升，至第25 d 快速上升至第35 d 峰值后下降。

2.8 干旱胁迫对丙二醛含量（MDA）的影响

各无性系MDA 含量变化由表8 可知，随着干旱胁迫加深，相同胁迫时间不同无性系间的MDA含量差异不显著，各无性系MDA 含量不同胁迫时间下差异显著（P＜0.05）。“滕选”4 号第0 d、5 d 之间差异不显著，第10-25 d 之间差异不显著，第30-40 d 之间差异不显著；“滕选”5 号第0-25 d 之间差异不显著，第10-30 d 之间差异不显著，第15-35 d 之间差异不显著，第30-40 d 之间差异不显著；北栾第0-30 d 之间差异不显著，第20-40 d 之间差异不显著。

表8 干旱胁迫下各无性系MDA 含量（μ moL·g-1）的变化

在持续干旱胁迫的条件下，3 个栾树无性系的丙二醛（ MDA）含量随着干旱胁迫的增强总体呈现增加趋势，至40 d 胁迫末期北栾降低。“滕选”4 号、5号、北栾分别上升了6.706 μmoL·g-1、6.870 μmoL·g-1、6.273 μmoL·g-1，增加幅度排序为“滕选”5 号＞“滕选”4 号＞北栾。

2.9 不同无性系栾树无性系抗旱能力排序

试验研究了在干旱胁迫期间，“滕选”4 号、“滕选”5 号、北栾的5 个生理生化指标的变化情况，不同的生理指标在对同一种源下抗旱能力排序不尽一致。运用隶属函数法能能克服单个指标的片面性，使评定结果更全面地反应无性系的实际抗旱能力[10]。隶属函数值及综合评价结果见表9。

表9 干旱胁迫下各无性系隶属函数值及综合评价

结果表明，3 个无性系抗旱能力排序为“滕选”5号＞“滕选”4 号＞北栾，其中4 号、5 号抗旱能力比较接近。

3 讨论

试验研究了在干旱胁迫下，“滕选”4 号、“滕选”5 号、北栾3 个栾树无性系形态变化、生长率、叶绿素含量、净光合速率、脯氨酸、超氧化物歧化酶、丙二醛的变化情况。结果表明，随着干旱时间的延长，各无性系叶片均萎蔫下垂，从植株底部往上开始出现黄叶、枯叶。萎蔫严重程度从高到低排序为北栾、“滕选”4 号、“滕选”5 号。随着干旱胁迫加深，各无性系生长变缓，生长率排序为“滕选”5 号、“滕选”4号、北栾。

在干旱胁迫下，叶片的叶绿素发生降解而降低，抗旱性较强的种类叶绿素含量较高[13]。本试验各无性系叶片叶绿素含量总体略有降低但变化不大，表明各无性系抗旱性均较强，在栾树不同无性系抗旱性比较中叶绿素含量比较差异并不明显。

植物光合作用将CO2和水转化为有机物，蓄积太阳能并提供氧气，光合作用是植物适应环境最重要的特征和物质积累代谢的基本单元，也是植物生长发育的基础和生产力高低的决定性因素[14]。干旱胁迫下各无性系净光合速率均显著下降，表明持续干旱影响了叶片的光合能力和生理机能，“滕选”4 号、5号、北栾与CK 相比分别降低了4.14 mmoL·m-2·s-1、3.81 mmoL·m-2·s-1、5.15 mmoL·m-2·s-1，处理测定值分别为对照的20%、30%、4%。光合下降幅度结果与最终抗旱性比较结果一致，体现了净光合速率与抗旱性的正相关关系。

脯氨酸是重要的渗透调节物质，干旱胁迫下积累脯氨酸能够增加植物的吸水、保水能力，维持各项代谢正常进行[13]。干旱胁迫时植物会产生伤害植物细胞的活性氧，植物体内具有清除活性氧的防御保护体系可以提高细胞膜的稳定性，SOD 等酶活性的高低一定程度上反映了植物的抗逆境能力[15]，SOD 升高说明植物抗旱体系通过酶的升高应对干旱胁迫。丙二醛（MDA）反映了植物的脂膜过氧化，逆境下会大量累积[16]，MDA 值越高，说明植物伤害越严重。脯氨酸含量、SOD、丙二醛含量在整个干旱胁迫过程中变化较大，反映了这些指标在干旱逆境中的敏感性。各无性系变化趋势也有所不同，脯氨酸含量“滕选“4 号、5 号升高，北栾先升高后降低；SOD 活性均呈升高-降低-升高-降低趋势；MDA 含量“滕选”4 号、5 号总体呈升高趋势，北栾先升高后降低。北栾脯氨酸含量、SOD 活性在胁迫末期都降低，而“滕选”4 号、5 号仅SOD 活性降低，可能是由于北栾最先到达干旱胁迫的最大承受能力导致生理机能下降，“滕选”4 号、5 号叶片生理机能还未达到生理机能紊乱的最大限度，同时也说明了SOD 活性相比较MDA、脯氨酸对干旱带来的损伤反应更加迅速。

本试验干旱胁迫时间为40 d，从第15 d 重度干旱至胁迫结束所有植株皆未死亡，体现了各无性系抗旱能力。各无性系抗旱水平受多种因素共同影响，单一指标无法准确判断抗旱性，本文以胁迫末期第40 d 数值比较，运用隶属函数法判断植物的抗旱性差异，各无性系抗旱能力排序为” 滕选”5 号＞“滕选”4 号＞北栾，其中4 号、5 号抗旱能力比较接近，此结果与外部形态观测、生长率排序一致。在实际生产应用中，可对各个不同干旱胁迫阶段抗旱指标抗旱性综合评定，以提高抗旱性鉴定的全面性以及实用性。

本试验确定干旱胁迫强度是通过盆栽控水实现的，在整个试验过程中，脯氨酸、SOD、MDA 等生理指标并非呈现持续性地增高或降低，而是出现上下波动，其原因一方面与不同取样植株存在单株差异性导致数值波动有关，另一方面，与试验期间降水较多，导致空气湿度变化增大缓解了植物干旱胁迫程度有关。如需更精确的抗旱比较，可从延长胁迫时间、复水恢复性、植株根系等方面加强研究。