净风和风沙流对黑果枸杞叶片膜透性和膜保护系统的影响

党 绪，马 瑞，魏林源，张莹花，侍新萍，马彦军

（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）

植物抗风沙流同抗旱、抗盐一样均是植物逆境生理生态学问题。在逆境胁迫下，植物通过各种保护和修复机制来减轻伤害，包括形态改变和生理适应[1]。风沙流是由风及其搬运的固体颗粒组成的气固二相流。在沙漠地区，植物叶片暴露于风沙环境，过度的风沙流胁迫往往造成植物叶细胞水势降低[2]、气孔导度下降[3]、使其生长受限，严重时造成植物叶片枯黄脱落[4]。因此，只有适应风沙流胁迫的植物才能在该生境中正常生长并保持种群结构稳定。

关于风和风沙流对植物影响的研究起步较晚[5]，主要涉及风和风沙流对植物的生长状况[6-7]、光合蒸腾特性[4-5,8]、外部形态[5]、机械损伤程度[9]、生物量分配[10]等方面。在植物叶片膜透性和膜保护系统方面，赵哈林等[11]研究表明10 min风吹对玉米(Zeamays)幼苗细胞膜危害不明显，20 min风吹对膜透性有显著影响；李道明等[3]研究表明在轻度和中度的单次风沙流胁迫下，霸王(Zygophyllum xanthoxylum)叶片中过氧化物酶活性随胁迫强度的增强呈升高趋势，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性、可溶性蛋白和脯氨酸含量变化不明显。此前研究多针对单次风、风沙流胁迫对植物膜透性和膜保护系统的影响，而有关多次胁迫累积效应对植物叶片膜透性和膜保护系统影响的研究尚未见报道。

黑果枸杞(Lycium ruthenicum)是茄科枸杞属多棘刺灌木，适应性强，耐高温、耐寒耐旱，喜生于盐碱荒地、渠路两旁、河滩等生境，可作为干旱、半干旱区植被恢复重建及盐碱地改良的主要植物种[12-13]，野生黑果枸杞植株较小，全生育期均处在风沙流侵袭高度范围内。本研究以黑果枸杞为对象，通过风洞模拟试验，研究风、风沙流多次吹袭胁迫对黑果枸杞叶片膜透性和膜保护系统的累积效应，以期揭示黑果枸杞对风和风沙危害的逆境适应机制。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

民勤县位于河西走廊东部(101°49′～104°12′ E，38°30′～39°27′ N)，海拔1 298～1 936 m。属典型的温带大陆性干旱荒漠气候，年均气温8.3 ℃，年均降水量为115 mm。该区全年盛行西北风，沙尘天气频发，5.0 m·s-1以上起沙风占全年有风日数的13.8%，年平均风速为2.7 m·s-1[14]，最大风速为31.0 m·s-1，年均扬沙日数为16 d。

1.2 试验材料与设计

野生黑果枸杞种子于2018年采集于民勤县青土湖区，育苗钵中育苗，待其长至10 cm左右，带土移栽至塑料花盆中，放置在甘肃省武威市治沙所苗圃内进行正常田间养护，2019年7月中旬，选取长势良好、株高相对一致的黑果枸杞作为供试材料，搬至风洞外的通风、半阴蔽树冠下，统一浇等量水缓苗，于第3天进行净风、风沙流胁迫试验。

试验在甘肃省治沙研究所风沙环境风洞实验室进行，该风洞为直流下吹式，风速在4～30 m·s-1可调。根据民勤起沙风速以及以往研究中风速对植物的损伤程度[3,15-18]，选择9 m·s-1的净风和其对应强度的风沙流[输沙量为28.30 g·(cm·min)-1]作为胁迫因子。1)净风胁迫试验：于第1天的08:00选取4盆黑果枸杞放置在风洞试验段中部进行净风吹袭处理，处理时长为20 min，重复3次。第3、5天将第1天已受过胁迫处理的黑果枸杞进行第2次、第3次胁迫。考虑到植株对风的响应存在滞后，每次取样均在胁迫结束30 min后进行。取样时，随机采集各盆植株冠部上、中、下的叶片。第7天于相同时间点再取样一次。第1、3、5天每次取样后将黑果枸杞供试植株搬回缓苗区。2)风沙流胁迫试验：在风洞试验段铺满10～12 cm厚度的沙子，平整沙面后，另选取4盆黑果枸杞放置于风洞出风口，调整植株高度，使其冠部在风沙流吹袭范围内，重复3次。吹袭时间和采样时间与净风相同。试验前随机采集供试植株冠部上、中、下叶片作为对照(CK)。

1.3 指标测定

采集叶片，一部分立即带回实验室进行膜透性测定，剩余叶片包入锡纸用液氮罐转移至超低温冰箱保存，用于各指标的测定。测定时每个指标均做6个重复。

膜透性采用电导率法[18]测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[19]测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚染色法[19]测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑染色法[20]测定，过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法[19]测定，可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法[19]测定，可溶性蛋白(SP)含量采用考马斯亮蓝G-250法[19]测定，脯氨酸(Pro)含量采取酸性茚三酮法[19]测定。

1.4 数据统计分析

运用SPSS 19.0软件分析数据。采用独立样本T检验分析同一时间不同处理下的差异性(P＜ 0.05)，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较同一处理不同时间下的差异性(P＜ 0.05)。用Excel 2010制图。

2 结果与分析

2.1 黑果枸杞叶片形态变化

第1天净风和风沙流胁迫后叶片形态正常；第3天净风胁迫后叶片形态正常，风沙流胁迫后嫩叶出现褐色斑块；第5天净风胁迫后少量叶片出现褐色斑块、萎蔫，风沙流胁迫后褐色斑块叶片数量增多、叶色变深、萎蔫；第7天受过净风胁迫的叶片形态与第5天无明显差异，受过风沙流胁迫的叶片萎蔫较第5天严重；第1、3、5天胁迫时均有落叶(表1)。风沙流胁迫对黑果枸杞叶片伤害程度大于净风胁迫。

表1 黑果枸杞叶片形态变化Table 1 Morphological changes in the leaves of Lycium ruthenicum

2.2 黑果枸杞叶片丙二醛和膜透性的变化

净风和风沙流胁迫后，在第1、3、5、7天黑果枸杞叶片MDA含量均呈先增后减趋势；第1天净风和风沙流胁迫后MDA含量最大，分别较CK显著增加 了38.7%和84.4% (P＜ 0.05)，第3、5、7天 较CK含量高但差异不显著(P＞ 0.05)。净风和风沙流胁迫后，黑果枸杞叶片膜透性均呈增加趋势，第3、5、7天较CK显著增加，在第7天最大，分别较CK增加了127.4%和122.3% (图1)。

图1 黑果枸杞叶片的丙二醛含量和膜透性Figure 1 MDA content and membrane permeability in the leaves of Lycium ruthenicum

2.3 黑果枸杞叶片抗氧化酶活性的变化

净风和风沙流胁迫后，POD活性均先减后增(图2)，第1天最小，分别较CK显著下降了27.1%和47.3% (P＜ 0.05)，第5、7天较CK显著增加，风沙流胁迫后在第7天较CK显著增加了153.6%。净风胁迫后，SOD活性呈增加趋势，第7天最大，较CK显著增加了104.8%；风沙流胁迫后，SOD活性先减后增，第1、3天较CK减少了30.6%、45.0%，第7天较CK增加了90.8%，除第5天之外，均与CK存在显著差异。CAT活性在净风胁迫后持续增加，风沙流胁迫后先减后增，均在第7天最大，分别较CK显著增加了58.9%和45.8%，净风胁迫下第3、5、7天与CK差异显著，风沙流胁迫下第5、7天与CK差异显著。

图2 黑果枸杞叶片的保护酶活性和渗透调节物质含量Figure 2 Protective enzyme activity and osmotic regulation substances in the leaves of Lycium ruthenicum

2.4 黑果枸杞叶片渗透调节物质的变化

净风胁迫后，SS含量先增后减，在第3天达到最大值(图2)，较CK增加了51.4% (P＜ 0.05)；风沙流胁迫后SS含量先减后增再减，在第5天达到最大值，较CK显著增加了54.2%。净风胁迫后SP含量呈先减后增趋势，但均低于CK；风沙流胁迫后SP含量先减后增再减，第1、3天胁迫后SP含量显著低于CK。Pro含量均呈持续增加趋势，净风胁迫下和风沙流胁迫下第3、5和7天均显著高于CK，第7天均最大，分别为CK的3.35和3.25倍。

3 讨论

大量研究表明，当植物受到逆境胁迫时，其体内活性氧产生和清除的平衡被打破，活性氧大量积累，破坏细胞[21]。主要以两种方式进行，一种是发生膜脂过氧化作用，MDA是其主要产物，可以衡量膜脂过氧化程度；另一种是膜脂产生脱脂化作用，破坏细胞膜结构，通常用质膜透性衡量细胞膜结构和功能的完整性[22-23]。本研究中，第1天净风和风沙流胁迫后，MDA含量显著增加，发生明显膜脂过氧化作用，且风沙流胁迫后膜脂过氧化作用较净风更明显，第3、5天胁迫后，MDA含量下降至与CK无显著差异，这可能是黑果枸杞叶片较第1天更适应净风、风沙流胁迫，保护酶活性升高，清除活性氧，因此MDA含量下降。第1天净风和风沙流胁迫后，膜透性未明显变化，而第3、5天在净风、风沙流多次胁迫过程中导致细胞膜产生机械损伤，叶片脱脂化作用明显，膜透性显著增大。第7天膜透性仍继续增大，说明胁迫造成的机械损伤具有滞后性。净风、风沙流胁迫导致黑果枸杞叶片细胞受损可能主要源自脱脂化作用而非膜脂过氧化作用，这与在沙蒿(Nitraria tangutorum)和白刺(Artemisia sphaerocephala)中的研究结果[24]一致。

保护酶的活性和渗透调节物质的含量与植物的抗逆性密切相关[25]。在受到逆境胁迫时，植物增强酶活性以清除产生的活性氧和自由基等，从而保护细胞[26-27]，如SOD通过歧化作用使植物体内的O2-转化为H2O2，POD、CAT则能清除歧化作用产生的H2O2[28-29]。同时，渗透调节物质如SS、SP、Pro等可通过保持逆境下植物正常含水量和膨压来缓解植物所受伤害[30]。第1、3天净风胁迫后POD活性和风沙流胁迫后POD、SOD活性均低于CK，此时，POD和风沙流胁迫下SOD未发挥保护作用；第3天后POD、SOD、CAT活性升高，黑果枸杞启动保护酶系统对净风、风沙流胁迫进行积极地反馈。第1天风沙流胁迫后，叶片SS含量较CK显著下降，此时SS可能作为能量物质而被消耗[31]，第3天风沙流胁迫后，SS生成量大于消耗量而出现积累；SS含量在第1、3天净风胁迫后显著增加，在第5、7天风沙流胁迫下显著增加，发挥重要渗透调节作用。SP含量在净风、风沙流胁迫下较CK均未显著增加，其含量下降可能是因为植物体内蛋白质合成受阻，加速分解成各种氨基酸，通过降低叶片水势来减轻黑果枸杞叶片的受损程度[32]。Pro含量持续增加，起主要的渗透调节作用。总之，净风和风沙流胁迫会影响黑果枸杞叶片形态和膜透性，黑果枸杞会进行积极反馈，在未来黑果枸杞种植时，除考虑当地常年风速大小、风沙流强度外，还需结合光照、水分状况、气温条件、盐碱度等其他环境因子，保证其正常生长发育，使黑果枸杞能发挥生态和经济效益。

4 结论

9 m·s-1风速下多次净风和风沙流胁迫中黑果枸杞叶片形态发生变化，部分叶片出现褐色斑块、萎蔫，风沙流伤害较净风严重；叶片膜透性持续增大，细胞膜完整性受到破坏。黑果枸杞会逐渐启动保护酶系统，提高CAT、SOD、POD活性，增加渗透调节物质Pro和SS含量以减轻其所受伤害，MDA含量在第3天及之后均未显著升高，这反映出黑果枸杞对多次净风和风沙胁迫具有一定的耐受性，其保护酶系统和渗透调节能力是适应净风和风沙流的重要生理调控机制。