脯氨酸对干旱胁迫下白榆扦插苗生长的影响

张 晓，曹慧芬，赵建国*，王海雁，姚建忠，孙 欣，王宇晴，翟小娜，王 浩

（1.山西大同大学炭材料研究所，山西大同 037009；2.山西大同大学生命科学院，山西大同 037009；3.山西省桑干河杨树丰产林实验局，山西大同 037006）

随着全球变暖以及异常气候出现的越来越频繁，干旱已成为限制全球农林业发展的重要因素[1]。我国西北地区属于干旱、半干旱气候，占该地区约83%的土地常年受干旱威胁[2]。研究干旱条件下促进植物生长的技术手段对于促进西北地区农林业发展、保障国家粮食安全、保护生态环境具有重要意义。

脯氨酸是目前最为熟知的渗透保护物质。当植物遭遇高温、高盐、干旱等逆境胁迫时，植物体内脯氨酸含量明显升高，从而提高植物的渗透调节能力。脯氨酸的积累主要是由于脯氨酸合成增加、降解减少、利用率下降或蛋白水解引起[3-4]。除了自身合成外，植物根系或者叶片可以吸收外源脯氨酸，一般将此视为植物对逆境的响应[5]。大量研究表明：外源脯氨酸处理对于提高植物的抗逆性具有重要作用。外施脯氨酸可以缓解盐胁迫对甜瓜[6-7]、萝卜[8]、青杨[9]、水稻[10]的伤害；脯氨酸浸种可以提高黄瓜幼苗的抗冷能力[11]；叶面喷施脯氨酸可以提高玉米抗旱能力[12]。然而，干旱条件下土壤中脯氨酸处理对木本植物生长的影响目前并无确切证据。

为了研究干旱环境条件下促进植物生长的技术手段，我们以北方常见的树种白榆为实验材料，通过盆栽实验研究干旱条件下外施脯氨酸对植物生长的影响。

1 材料和方法

1.1 试验材料与处理

供试白榆枝条由山西省桑干河杨树丰产林实验局科技服务中心提供，在山西大同农业嘉年华温室中利用无纺布袋扦插成活。挑选扦插成活的生长状态一致的白榆植株在山西大同大学炭材料研究所温室完成后续脯氨酸处理及干旱胁迫实验。脯氨酸用蒸馏水配制成25 mg/L 浓度，实验组按照每株植物200 mL 的量将白榆扦插苗生长的栽培土壤浇透，对照组每株植物浇200 mL蒸馏水。所有白榆扦插苗置于光照周期为8 h 黑暗/16 h 光照，温度为23 ± 2 ℃，湿度约为50%的培养室中继续培养。实验开始前2周不浇水，此后以4 周为一个实验周期，前2 周每株植物浇50 mL 蒸馏水，后2 周实验组和对照组分别浇50 mL 的25 mg/L 脯氨酸和蒸馏水，此后重复此操作。扦插苗生长16 周后对各种性状进行观察、检测以及统计分析工作。

1.2 测定方法

1.2.1 生物量测定

植物新生枝条长度利用卷尺测量，每个数据取5个植株的平均值。将新生枝条取下，在电子天平上称量，作为新生茎叶的质量；统计每一个枝条上的叶片数量，每个数据取5个植株的平均值。将叶片取下并用玻璃压平，用照相机拍照后利用Image J 软件测量叶片长度、宽度和面积，每个植株测量5个叶片，每个数据取5个植株的平均值。

1.2.2 光合荧光分析

植物光合荧光指标（包括最大光能转换效率、PSⅡ实际光化学效率、光化学淬灭系数和非光化学淬灭）利用德国WALZ 公司PAM-2500 便携式调制叶绿素荧光仪测定。测定开始前将叶片进行至少半小时暗适应，每个数据测5 株植物，每株植物选位置相似的5片叶子。测量时间为上午8时到12时，测量地点为室内。

1.3 数据分析

数据采用单因素方差分析和Duncan 检验，所有统计分析均利用SPSS 22.0 软件进行，并利用Excel做图。

2 结果与分析

2.1 干旱条件下脯氨酸处理对白榆生长状态的影响

水分是植物生长的必须物质，然而自然条件下植物常常处于缺水状态。干旱胁迫可以影响林木的生物量[13]。为了研究脯氨酸处理对于干旱条件下林木生长的影响，我们观察了干旱条件下脯氨酸处理后白榆扦插苗的生长情况。根据前期预实验结果，白榆扦插苗每周至少需要浇灌100 mL水才能保证其正常生长。在第一次浇足水或25 mg/L 脯氨酸溶液后，此后每2 周浇50 mL 水或25 mg/L 脯氨酸溶液，从而模拟干旱胁迫环境。由图1 可知，经过16 周处理干旱胁迫下施加脯氨酸可以明显促进白榆扦插苗的个体生长。脯氨酸处理组白榆扦插苗的株高、新生枝条长度、叶片大小相比对照组都明显增加。

图1 干旱条件下脯氨酸处理白榆生长状态

通过对扦插苗新生器官进行测量发现，与对照相比干旱条件下脯氨酸处理使新生茎叶的鲜重显著增加了95.4%（图2A）。对于构成植物鲜重的因素进行统计分析发现，脯氨酸处理使新生枝条长度显著增加了170.9%，而每个枝条上的平均叶片数量增加了39.9%（图2B，C）。除了叶片数量增加外，脯氨酸处理使叶片平均叶长、叶宽和叶面积分别增加了39.7%、29.1%和89%（图2D-F）。

图2 植株器官大小指标

2.2 干旱条件下脯氨酸处理对白榆扦插苗光和荧光参数的影响

干旱胁迫下植物的光合作用受到抑制，光合荧光参数中最大光能转换效率（Fv/Fm）、PSⅡ实际光化学效率（Y(Ⅱ)）和光化学淬灭系数（qP）显著下降，而非光化学淬灭（NPQ）显著上升[14]。为了研究干旱环境下脯氨酸处理对白榆扦插苗光合作用的影响，我们分析了扦插苗叶片的光合荧光参数。结果表明，与对照相比脯氨酸处理后扦插苗叶片光合荧光参数中的Fv/Fm、Y(Ⅱ)和qP分别显著下降了10.4%、9.44%和6.6%，同时使NPQ 显著上升了6.6%。这一结果表明：脯氨酸处理后植物所受胁迫影响更加严重，这一结果与脯氨酸处理组植物叶片黄化现象相互印证（图1A,B）。

图3 脯氨酸处理对白榆扦插苗叶片光合荧光参数的影响

但是，这一结果与脯氨酸处理促进植物生长的结果矛盾。我们认为脯氨酸处理后植物生物量几乎增加了一倍，因此需水量比对照组更大。而两组植物都是始终用剂量明显不足的50 mL溶液处理，因此随着两组植物生物量的差别越来越大，脯氨酸处理组植物所受干旱胁迫也就更为严重。

3 讨论与结论

植物的生长中受到周围不同环境的影响，在外界胁迫条件下植物的生物量积累受到抑制，表现为株高、叶片数、叶片大小等指标的显著减少[9,15]。

干旱胁迫是对我国经济发展和粮食安全的重大威胁之一，我国目前每年因旱灾造成的粮食减产达到50 亿kg[16]。目前人们常用控制浇水量和PEG6000处理两种方法模拟干旱环境[14]，本研究采用在土壤中控制浇水量模拟干旱胁迫，并分析脯氨酸处理对植物抵抗干旱胁迫的能力，对于指导林业生产具有很大的参考价值。

脯氨酸促进植物生长可能有几种机制：首先脯氨酸可以作为植物的一种营养剂，在植物受到逆境胁迫而影响光合作用的合成能力时作为一种外源营养补充为植物生长提供能量；其次脯氨酸的积累可能提高了植物渗透调节能力，从而使植物的各项生理功能尽可能保持稳定。

由于脯氨酸处理组植物个体地上部分更大，植物包括蒸腾作用在内的生理活动需水量相比对照组更多。在封闭的环境体系中，虽然我们对于对照组和实验组浇灌同样的水分，实际上实验组干旱胁迫的程度更为严重。因此，在开放体系中或者在更早时间点检测，可能会有不同的结果。

通过本研究我们可以得到以下结论：脯氨酸处理可以显著促进干旱胁迫下白榆的生长，这种效应与植物光合作用没有明确的关系。