高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉生长和生理生化指标的影响

李文杨，陈亚飞，何辉，郑伟，孙耀清，尹娟

(信阳农林学院林学院/信阳市林木遗传育种重点实验室，河南信阳 464000)

自然界中植物的生长往往会经受多种逆境因子的共同影响。 植物在经受住某种逆境后，可能会改变自身对其它逆境的敏感性或耐受性，这被称为交叉适应性(cross adaptation)[1]。 干旱胁迫处理后，孕穗期水稻(Oryza sativaL.)的抗高温能力[2]提高；干旱可诱导茶树(Camellia sinensis)对低温胁迫的交叉适应性[3]；热激处理可提高水稻对干旱胁迫的抗性[4]；干旱胁迫下，高温预处理提高玉米(Zea mays)的抗旱性[5]；前期热激处理提高棉花(Gossypiumspp.)幼苗对后续渐进式土壤干旱的抗性并提高叶片的抗旱能力[6]。 可以看出，目前对植物交叉适应性的研究主要集中在农作物及部分常见经济林树种[7]，对珍稀濒危树种的研究及报道较少。

南方红豆杉(Taxus wallichianavar.mairei)为我国特有的一级重点保护濒危植物，生长缓慢，分布疆域狭小[8]，但树形优美，是园林绿化、高级家具和抗癌药物的原料树种[9-12]。 因其优良材性及较高观赏价值和药用利益的驱使，红豆杉天然资源遭到严重破坏，导致需求短缺[13]，因此，亟须提高红豆杉的栽培效率和扩大种植区域。 而人工锻炼诱导红豆杉产生交叉适应性、提高抗逆性是一种兼顾经济效益、环保与节能的有效措施。 本试验对南方红豆杉高温锻炼后(以25 ℃培养为对照)再进行干旱胁迫处理，观测其生长及生理生化指标的相应变化，研究高温锻炼对南方红豆杉抗旱性的影响，为珍稀濒危树种保护扩繁及干旱、半干旱地区高效种植南方红豆杉提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021 年7 月在信阳农林学院林学院所属信阳市林木遗传育种重点实验室开展，选择生长健康且修剪株型大小一致的五年生南方红豆杉为材料。

1.2 试验设计

高温锻炼:将供试南方红豆杉分别放置在40、45、50 ℃的人工气候箱中8 h 后转至25 ℃恢复64 h，此为一轮，连续重复3 次完成高温锻炼。以25 ℃培养的南方红豆杉为对照组(CK)。 各处理培养期间光周期和光照强度保持一致，均为光照12 h/黑暗12 h 和光照强度3 350 lx。 每个处理6 盆，每盆1 株，每个处理重复3 次。

对完成高温锻炼的南方红豆杉进行热害指数评定，同时和CK 一起开始停止供水。 当CK 和处理组土壤含水量达到田间最大持水量的30%±5%时记为干旱胁迫第1 天并开始取样，直到处理组红豆杉叶片出现明显萎焉时结束叶片取样，期间共采样7 次，分别在干旱胁迫第1、3、5、7、9、14、21 天。 采集的样品液氮速冻后放入-80℃低温冰箱中冷藏，用于后期生理生化指标测定；第21 天全株采样，测定南方红豆杉叶片含水量、叶片相对含水量、生物量和根冠比。

1.3 南方红豆杉热害指数的评定

参考李小玲[14]和尹贤贵[15]等的方法制定南方红豆杉热害指数的评定方法。 分级标准:0 级，无热害症状；Ⅰ级，嫩叶叶尖卷曲、发黄；Ⅱ级，新梢发黄、焦枯；Ⅲ级，半数以上叶片死亡；Ⅳ级，整株干枯甚至死亡。 热害指数(%)＝Σ(各级株数×级数)/(最高级数×总株数)×100。

1.4 指标测定及方法

叶片含水量和相对含水量采用烘干法测定[16]，根冠比参考吴地等[17]的方法测定，生物量参考赵楚等[18]的方法测定。 光合色素采用分光光度比色法测定[19]。 丙二醛含量参考王晓雯[20]的方法测定；过氧化物酶(POD)活性使用北京索莱宝POD 活性检测试剂盒测定；过氧化氢酶(CAT)活性使用南京建成生物工程研究所CAT可见光试剂盒测定。

1.5 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2019 软件进行数据统计与作图，SPSS 19.0 软件进行差异显著性分析(Duncan’s，P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 高温锻炼后南方红豆杉的形态变化及热害指数的评定

40 ℃处理后5/9 的南方红豆杉植株出现嫩叶叶尖卷曲发黄；45 ℃处理后4/9 的植株新梢整体发黄焦枯，3/9 的植株嫩叶叶尖卷曲发黄，2/9的植株嫩叶尖发黄；50 ℃处理后7/9 的植株叶片焦枯，仅2/9 的植株少量叶片存活。 综合上述表现来评定各组南方红豆杉在不同温度下的热害指数，结果显示，受热害程度最大的是50 ℃处理过的南方红豆杉，热害指数为94.44%。 各处理热害指数大小排序为50 ℃处理(94.44%)＞45 ℃处理(36.11%)＞40 ℃处理(13.89%)。 可见随着处理温度的升高，南方红豆杉热害程度不断加深。

2.2 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片水分状况和生物量的影响

由表1 可知，干旱胁迫后南方红豆杉的叶片含水量和相对含水量均受到前期锻炼温度的影响，表现为锻炼温度越高其含水量越低。 其中，25 ℃时，南方红豆杉的叶片含水量和相对含水量分别为75.64%和89.99%；40 ℃时，其叶片含水量和相对含水量与对照(CK)相比分别降了2.73 个和1.21个百分点，但差异均不显著；45 ℃时，其叶片含水量和相对含水量显著下降，分别降至59.81%和66.94%；50 ℃时，叶片含水量很低，仅为7.51%。干旱胁迫处理后，各组的根冠比出现差异，即随着锻炼温度的升高，根冠比逐渐增大:40 ℃处理南方红豆杉的根冠比与CK 差异不显著，50 ℃处理的根冠比与CK、40 ℃处理相比差异显著，根冠比值比两者分别高出63.64%和60.00%。

表1 干旱胁迫后第21 天南方红豆杉的叶片含水量和生物量

干旱胁迫第21 天时，40 ℃处理南方红豆杉的叶生物量最高，比CK 高8.74%，45 ℃处理叶生物量比CK 低21.61%；50 ℃处理比40 ℃处理叶生物量显著降低41.96%(P＜0.05)。 50 ℃处理茎和根生物量最高，但40、45、50 ℃处理南方红豆杉的茎生物量、根生物量与CK 相比无显著变化，只有叶生物量存在差异，因此南方红豆杉植株生物量的积累受到抑制，3 个处理比CK 分别降低4.64%、6.59%和3.60%。

2.3 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片光合色素含量的影响

2.3.1 对叶绿素a 含量的影响 由图1 可见，随着干旱胁迫时间延长，对照(CK)南方红豆杉叶片的叶绿素a 含量大致呈先增高后降低趋势。 干旱胁迫第1、3、14、21 天，40 ℃与45 ℃处理叶片叶绿素a 含量均高于CK；第21 天，40 ℃处理叶片叶绿素a 含量比CK 高41.11%，45 ℃处理比CK高45.49%。 第3 天始，50 ℃处理叶片叶绿素a 含量各个采样期均较低，与CK 和40、45 ℃处理相比均显著减少。

图1 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片叶绿素a 含量的影响

2.3.2 对叶绿素b 含量的影响 从图2 可以看出，干旱胁迫第21 天与第1 天相比，对照(CK)和50 ℃处理南方红豆杉叶片叶绿素b 含量明显下降，分别降低66.69%和62.12%。 胁迫第1 天时，CK 和50 ℃处理叶绿素b 含量最高，均与40 ℃处理差异显著。 干旱胁迫第14 天、第21 天，40 ℃和45 ℃处理叶片叶绿素b 含量均高于CK，且第21 天时比CK 分别高66.11%和123.39%(P＜0.05)。

图2 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片叶绿素b 含量的影响

2.3.3 对类胡萝卜素含量的影响 随着干旱胁迫时间延长，对照(CK)和50 ℃处理南方红豆杉叶片的类胡萝卜素含量出现先降低后升高再下降的变化趋势(图3)。 干旱胁迫第1 天，CK 类胡萝卜素含量显著高于各高温处理组，分别高26.06%、24.94%和20.23%。 第21 天时，40 ℃和45 ℃处理的类胡萝卜素含量显著高于CK，分别高出40.24%和46.09%。 从干旱胁迫第3 天开始，50 ℃处理的类胡萝卜素含量大幅降低，且显著低于其它处理组。

图3 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片类胡萝卜素含量的影响

2.3.4 对叶绿素总含量的影响 在干旱胁迫第9天后，对照(CK)南方红豆杉叶片叶绿素总含量呈下降趋势，而40 ℃和45 ℃处理的叶绿素总含量则呈上升趋势(图4)。 CK 和40、45 ℃处理的叶绿素总含量分别在第5、3、21 天时达到各组叶绿素总含量的最大值；第21 天，40 ℃和45 ℃处理的叶绿素总含量与CK 差异显著，分别比CK 高40.84%和48.18%。 50 ℃处理的叶绿素总含量在整个干旱胁迫过程中几乎处于不断下降的趋势，其中第21 天比第1 天的叶绿素总含量降了65.99%。

图4 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片叶绿素总含量的影响

2.4 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片丙二醛含量的影响

从图5 可以看出，干旱胁迫可使南方红豆杉叶片丙二醛含量上升，但随着干旱胁迫时间延长，50 ℃处理的丙二醛含量呈先降后升的变化趋势。40 ℃和50 ℃处理的丙二醛含量在干旱胁迫第1天时达到最大，比CK 分别高27.36%和67.07%(P＜0.05)。 45 ℃处理的丙二醛含量第7 天时达到最大，比CK 高39.67%(P＜0.05)。 第21 天时，40 ℃和45 ℃处理的丙二醛含量显著低于CK，分别低8.44%和11.46%。

图5 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片丙二醛含量的影响

2.5 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片抗氧化酶活性的影响

2.5.1 对POD 活性的影响 如图6 所示，对照(CK)南方红豆杉叶片POD 活性从干旱胁迫第1天至第14 天呈缓慢上升趋势，第21 天下降。40 ℃处理的POD 活性随着干旱胁迫时间延长呈先降后增的变化趋势，并在第21 天达到峰值，此时比CK 和45、50 ℃处理分别高79.08%和58.13%、91.60%(P＜0.05)。 45 ℃处理的POD 活性呈“升-降-升”的变化趋势，也在第21 天出现峰值，比CK 高50.03%(P＜0.05)。 50 ℃处理的POD 活性呈“降-升-降”的变化趋势，且在干旱胁迫第5天至第21 天内POD 活性都显著低于CK。

图6 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片POD 活性的影响

2.5.2 对CAT 活性的影响 由图7 可知，随着干旱胁迫时间延长，对照(CK)南方红豆杉叶片CAT活性基本呈逐渐上升趋势，第21 天时显著高于其他处理；40 ℃处理的CAT 活性表现出先增加后降低的趋势，第3 天时最高，第1 天至第21 天其CAT 活性均高于45、50 ℃处理。 45 ℃处理的CAT 活性干旱胁迫第1 天、第3 天与CK 差异不显著，第5 天至第21 天显著低于CK。 50 ℃处理的CAT 活性在整个干旱胁迫过程中均低于其他处理。

图7 高温锻炼对干旱胁迫下南方红豆杉叶片CAT 活性的影响

3 讨论

干旱胁迫下，植物叶片含水量是衡量植物抗旱能力比较稳定的一个指标[21]，植物叶片相对含水量下降的幅度越小，说明其保水能力越强，同时也表现出较强的干旱胁迫适应能力[22]。 本试验中，不同高温锻炼后的南方红豆杉在干旱胁迫下叶片含水量、相对含水量均低于对照(CK)，其中40 ℃处理与CK 差异不显著；不同处理南方红豆杉的叶片含水量与正常水分管理的南方红豆杉[23]相比，40 ℃处理的叶片含水量、相对含水量降幅最小，相对稳定。 植物可以通过调节地上部器官和地下部器官的生物量来增加根冠比，以便适应干旱环境[24]。 干旱胁迫下植物生物量分配偏向于根部。 干旱胁迫结束后，各处理南方红豆杉的根冠比与CK 相比均较大，推测干旱胁迫之后其生物量更多地分配到了根部。 各处理南方红豆杉生物量一般会随着干旱程度的加大而不断减少，但50 ℃处理较40、45 ℃处理的高，推测可能是温度过高导致其失水过快、叶片干枯较早而来不及过多消耗积累的有机物便发生萎蔫所致。

干旱胁迫会降低植物光合色素合成酶的活性，减少光合色素合成的量，从而使叶片中的光合色素含量降低[25]。 本试验中，对照(CK)的南方红豆杉叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素以及叶绿素总含量在干旱胁迫21 天时降至最低，而40 ℃和45 ℃处理的叶片光合色素含量变化相对稳定，干旱胁迫后期还出现升高趋势，第21 天时各光合色素含量显著高于CK。 这与经过非生物逆境锻炼的作物在后期胁迫中表现出较高光合能力[26]的结果相符。 推测经过高温锻炼的南方红豆杉更能保持较稳定的光合能力以适应干旱环境。

丙二醛会破坏细胞膜的结构与功能，其积累量越高伤害程度越深，植物保护能力越低[27]。 本试验中，干旱胁迫第21 天时，40、45 ℃处理南方红豆杉叶片丙二醛含量低于CK，表明经过适度高温锻炼的南方红豆杉更能适应持久的干旱环境，能够缓解细胞膜脂过氧化的程度。

植物在长期适应干旱的过程中逐渐形成了抗氧化酶保护系统，产生防御响应，抗旱性得到提高[28-29]。 本研究发现，40 ℃高温处理南方红豆杉叶片POD 活性高于CK 和其他锻炼温度并持续高表达，其CAT 活性与CK 相比表现出干旱胁迫前期高后期低的现象，但始终高于45、50 ℃处理；高温锻炼的南方红豆杉CAT 活性最大值表现较早，CK 的表现较晚。 有研究发现，在高温和干旱胁迫下马铃薯(Solanum tuberosumL.) 幼苗POD、CAT 活性呈先降低后升高趋势[30]。 不同高温处理再干旱胁迫的绣球[Hydrangea macrophylla(Thunb.) Ser.]POD 活性变化趋势不一致，其CAT 活性均呈先上升后下降趋势[31]。 逆境胁迫的类型和植物的种类不同，都会导致植物抗氧化系统响应的差异[32]。 适宜高温锻炼后，南方红豆杉面对持久干旱环境能够较好地保护膜以降低过氧化，保护酶POD 的高表达起到关键作用。

4 结论

本试验从高温锻炼影响南方红豆杉抗旱性的角度进行研究，结果表明:南方红豆杉叶片含水量和相对含水量以及生物量(除50 ℃高温锻炼)随着温度和干旱程度的上升而不断下降；南方红豆杉的根冠比随着锻炼温度和干旱程度的上升而不断增大；干旱胁迫21 天时，40 ℃和45 ℃高温处理叶片光合色素含量、POD 活性显著高于对照、50 ℃处理，MDA 含量显著低于CK；CAT 活性呈现干旱胁迫前期高后期低的现象。 综上认为，南方红豆杉存在温度和干旱交叉适应现象，适宜高温锻炼后的南方红豆杉比未经高温锻炼的更能适应干旱环境。