干旱胁迫对元宝枫生理活性的影响

杨 涛，施智宝，任 俊，罗竹梅*，王海鹰，李 剑，边 磊

(1.陕西省林业科学院，西安 710082；2.国家林业和草原局长柄扁桃工程技术研究中心；3.国家林业和草原局长柄扁桃国家创新联盟，陕西 榆林 719000；4.巴彦淖尔市沙漠综合治理中心，内蒙古 巴彦淖尔市 015000；5.榆林市榆阳区林业局，陕西榆林 719000)

元宝枫(Acertruncatum)是槭树科槭属落叶乔木，因其翅果形状与“金元宝”相似而得名，主要分布在我国黄河中下游各省。元宝枫具有极强综合抗逆能力，而且还具有很高的经济价值，不仅是绿化造林和园林造景的普选树种，也是高产优质的油料树种[1]。干旱胁迫是干旱半干旱地区树木无法避免的生长环境，植物在干旱胁迫下，其自身的生理指标会随着胁迫程度和时间而自动调节，这是耐旱植物适应干旱环境的能力。渗透调节是耐旱植物适应干旱逆境的一种重要机制，在干旱条件下，植物通过细胞内主动积累的溶质进行渗透调节，以增强植物在干旱条件下的吸水能力，从而维持细胞的生长、气孔开放和光合作用等生理过程[2]。在这个过程中，植物体的生理活性会随着干旱程度而发生变化。丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物歧化酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)是几种经常用于表达植物生理变化的特征性指标[3-6]。实践证明元宝枫在干旱地区能够正常生长，说明元宝枫具有一定的渗透调节能力和耐旱性能。本文将通过分析元宝枫在干旱胁迫下的几种生理指标的变化，分析其干旱适应性能，为沙区造林及丰产栽培提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在陕西省榆林市榆阳区进行(109°43′E，38°18′N)，该区属温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温9.5 ℃，日均最高气温16 ℃，夜均最低气温4 ℃，年平均降水440 mm，干燥度1.4，无霜期150 d。土壤田间持水量22.9%，土壤的导电率0.40 ms·cm-1。为避免雨水对试验结果产生影响，该试验在遮雨棚中进行，遮雨棚四面通风。

1.2 试验材料与方法

将沙藏催芽露白的元宝枫种子播种于由砂子∶耕地表土∶腐殖质 = 1∶2∶1的基质中(基质最大持水量26.5%)，置于塑料棚内进行培育，正常浇水管护，待幼苗长到 6 对叶龄时，选取生长状况良好、无病虫害，且长势基本一致的1 a生元宝枫幼苗，植入上口径40 cm、下口径25 cm、高30 cm的栽植盆中，每盆栽2株。采用控水法控制栽培基质含水量，设置4个水分梯度T1、T2、T3、T4，对应干旱程度及占土壤最大持水量依次为极轻度干旱胁迫(75%～80%)、轻度干旱胁迫(55%～60%)、中度干旱胁迫(35%～40%)、重度干旱胁迫(15%～20%)；每个处理设置 3 次重复。水分控制采取人工称重的方法，即每天下午16∶00称重并补充散失的水分。分别在处理后第7 d、第14 d和第28 d称取元宝枫幼苗叶片样品进行相关测定。

用南京建成生物工程研究所研制的试剂盒测定元宝枫幼苗叶片的丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物歧化酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等指标。采用Excel 2013进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下元宝枫幼苗MDA含量的变化

MDA是细胞膜脂过氧化最重要的产物之一，它的产生会加剧膜的损伤，所以经常作为判断细胞膜受害程度的指标[7]。MDA含量升高时细胞膜系统受伤害程度加剧，MDA含量下降时细胞膜系统受伤害程度减缓。

在不同水分条件下，元宝枫幼苗 MDA含量随干旱天数的变化见图1。从3个检测时间点(7、14、28 d)的纵向对比看，干旱程度越高则MDA含量越高；但从各个干旱程度下随时间延续变化趋势看则有明显差异，在T1和T2干旱度下，MAD含量随时间的变化幅度都不大，7～28 d之间，其MDA含量的变幅分别只有0.29和0.56 nmol·mg prot-1；在T3干旱度下， MAD含量随时间的变化变幅开始加大，达到了1.18 nmol·mg prot-1；在T4干旱度下，MAD含量随时间的变化变幅剧增至3.28 nmol·mg prot-1。把7～14 d与14～28 d分段比较，T1、T2、T3从14 d到28 d之间的变幅小于7～14 d之间的变幅，而T4从14～28 d之间的变幅大于7～14 d之间的变幅，持续升高。说明随着干旱程度的增加，元宝枫幼苗的细胞膜从轻微损伤到重度损伤不断加剧，为应对干旱胁迫，元宝枫幼苗的MAD含量随时间不断提升，特别是在重度干旱胁迫下(T4)，从14～28 d之间，MAD含量持续升高。

图1 不同干旱程度下MDA含量随干旱天数的变化

2.2 干旱胁迫下元宝枫幼苗 SOD活性的变化

植物在长期干旱环境下，植物体内的活性氧自由基就会积累增多，从而导致细胞膜受损，但在短期干旱时，植物在自身的酶促清系统和非酶促清除系统共同作用下会自动过多的活性氧自由基的作用，以保护细胞膜的相对稳定性。酶促系统的保护酶包括SOD、CAT和POD等。植物在短期干旱胁迫下，其体内的SOD活性就升高并将过多的活性氧自由基转化为水[8]。

在不同干旱程度下，元宝枫幼苗的SOD活性随干旱持续天数发生变化(图2)。在初期(7 d)时，T1与T2之间，T2与T3之间的SOD活性值相差范围并不大，分别只有9 U·g-1和13 U·g-1，T3与T4之间的的SOD活性值相差显著(P<0.05)，达38 U·g-1。到14 d，4个干旱梯度之间的SOD活性值相差显著(P<0. 05)。到28 d，情况变得有些复杂，T1从14～18 d，SOD活性值只增加了26 U·g-1，这期间，T2的SOD活性值增加了84 U·g-1，T3增加了107 U·g-1，但T4仅仅增加了37 U·g-1，T4的活性值反而低于T3。说明元宝枫幼苗在极轻度干旱时，SOD活性值在短期干旱内保持在一个稳定水平；在轻度干旱胁迫和中度干旱胁迫时，SOD活性值在短期干旱内有一个突增，表明元宝枫幼苗对短期适度干旱有应急响应；但在重度干旱胁迫下，且干旱持续时间到了28 d时，这种应急响应的能力有所下降。

图2 不同干旱程度下SOD活性值随干旱天数的变化

2.3 干旱胁迫下元宝枫幼苗POD活性的变化

POD活性酶是一种氧化酶，广泛存在于植物体中，与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等都有关系，它能催化H2O2释放出新态氧从而氧化某些酚类、芳香胺和抗坏血酸等还原性物质，所以它在清除细胞内的有害物质H2O2，合成保护酶蛋白以及植物细胞木质素的过程中起着重要作用。在植物生长发育过程中它的活性不断发生变化，一般老化组织中活性较高，幼嫩组织中活性较弱，这是因为POD能使组织中所含的某些碳水化合物转化成木质素，增加木质化程度。

在不同干旱程度下，元宝枫幼苗的POD活性也随干旱持续天数发生变化(图3)。在初期(7 d)时，T1下的SOD活性值处在一个高位水平，到14 d略有升高，但在28 d时却下降到低于初期水平。T2下的SOD活性值变化趋势与T1有些相似，但变化幅度小，相对平稳。T3下的SOD活性值一直处于上升趋势，上升幅度达2.62 U·mg prot-1。T4的初期SOD活性值处于最低水平，只有8.38 U·mg prot-1，但到14 d时就迅速上升到11.35 U·mg prot-1，到28 d时继续上升，整个变化幅度高达3.95 U·mg prot-1。说明在干旱强度增加和干旱时间持续延长时，元宝枫幼苗为抵御干旱胁迫有明显的生理应急响应。

图3 不同干旱程度下POD活性值随干旱天数的变化

2.4 干旱胁迫下元宝枫幼苗CAT活性的变化

CAT是植物体所有组织普遍存在的一种抗氧化酶，是生物氧化过程中一系列抗氧化酶的终端，植物在不利生长环境，CAT活性也会增加，并与POD和SOD联合作用清除过多的活性氧自由基，防止细胞膜受害[8-9]。

在不同干旱程度下，元宝枫幼苗的CAT活性也随干旱持续天数发生变化(图4)。T1下的CAT活性值一直处在一个低位水平，且变化幅度非常小，只有0.81 U·mg prot-1，T2下初期CAT活性值最低，到14 d时就反超了T1的活性值，并继续升高，至28 d时已达到26.73 U·mg prot-1，增幅达5.08 U·mg prot-1，T2下的SOD活性值变化趋势与T1有些相似到14 d略有升高，但在28 d时却下降到低于初期水平。T3下各阶段的CAT活性值整体高于T2，但变化趋势与T2有些相似。T4的CAT活性值一直处于高位水平，且上升趋势上升幅度大，达9.86 U·mg prot-1。说明元宝枫幼苗在极轻度干旱时其正常生理几乎没有受到威胁，当当干旱强度增加和干旱时间持续延长时，元宝枫幼苗的CAT活性随之升高，且与SOD和POD的活性变化高度一致。

图4 不同干旱程度下POD活性值随干旱天数的变化

3 结论与讨论

植物在自然环境条件下，不可避免地会受到诸如干旱、高盐、高温、低温、养分缺乏和大气污染等多种逆境的胁迫。这些非生物的逆境胁迫会迫使植物直接或间接形成过量的活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)，而ROS对细胞膜系统、脂类、蛋白质和核酸等大分子具有很强的破坏作用。为了保护自身免受ROS的伤害，在长期进化过程中，植物体发展了一套完整的防御系统，包括酶促抗氧化体系和非酶促抗氧化体系[2,10]。植物保护酶系统实际上是一个抗氧化系统，它由许多酶和还原性物质组成，其中，SOD、CAT和POD是主要的抗氧化酶，植物通过抗氧化酶加强抗氧化作用以提高对逆境的抗性。同时，在干旱条件下，植物也通过渗透调节在细胞内主动积累溶质，使植物在干旱条件下的吸水能力增强，以维持一定的膨压，进而维持细胞的生长、气孔开放和光合作用等生理过程，所以植物渗透调节也是耐旱植物适应干旱逆境的一种重要机制[1]。

元宝枫能够在干旱地区正常生长，说明其具有一定的渗透调节能力和耐旱性能，这种能力可以通过体内的生物活性物质的变化得以体现。本次研究结果显示：元宝枫幼苗在不同的干旱程度下，MDA、SOD、CAT和POD的含量或活性值不同，且随着干旱时间的短期持续，也有着不同的变化趋势，特别是在重度干旱情况下，其各项数值的变化幅度更大，说明在干旱强度增加和干旱时间持续延长时，元宝枫幼苗为抵御干旱胁迫，生理应急响应变得更加强烈。由于本研究只进行了短期(28 d)的干旱胁迫试验，在长期重度干旱情况下，元宝枫幼苗对干旱胁迫的抵御能力是否存在阈值还不得而知，需要做进一步研究。