干旱脅迫及復水對 3種苔蘚植物生理指標的影響

胡 浩， 王 娟

(陜西省西安植物園/陜西省植物研究所，陜西 西安 710061)

苔蘚植物在地球上分布極為廣泛，全球約有2.3萬余種，我國分布有2 000余種[1]，許多苔蘚能夠耐受極端的自然環境，干旱地區的苔蘚植物資源抗逆性更強，是脆弱生境修復的關鍵物種，可用于荒漠和生境退化地區的植物生態系統修復。劉潤等[2]研究發現，在干旱地區撒播耐旱型苔蘚，能夠加速形成土壤生物結皮，促進戈壁荒漠地區植被的恢復與生態重建。

苔蘚植物在漫長的進化過中為了適應干旱環境，形成了特殊的形態結構，許多苔蘚植物通過卷曲葉片或改變葉片方向減少水分損失[3]。部分苔蘚植物葉片的毛狀葉尖能通過減少入射光而有效減少水分蒸發[4]。苔蘚葉片上凸起的疣可反射紫外輻射，有利于植物葉片內部的水分傳導，促進苔蘚表皮細胞的水分吸收[5]。苔蘚植物還能耐受極端的干旱脅迫，并在復水后仍能正常生長。在干旱環境中，苔蘚植物會與土壤以相同的速度喪失水分，但能耐受脫水和干旱，隨著環境變旱可迅速降低體內含水量，進入休眠狀態以維持生存[6]；如果環境水分增加，苔蘚植物會迅速吸收水分，恢復正常的生理代謝活動。耐旱能力極強的苔蘚植物在含水量降至干重的10%～20%時仍能存活，雨季來臨之后代謝活動恢復正常[7]；干旱脅迫下土生苔蘚的配子體在60～90 min內喪失20%的水分，而在復水之后的60～90 s內恢復所失水分[8]。

耐旱型苔蘚植物在我國西北地區分布廣泛，從中篩選耐旱型苔蘚種質并開展其耐旱機理研究，對苔蘚植物的保護和開發利用具有重要意義[1，5]。鑒于此，以大灰蘚、白發蘚和細葉小羽蘚為研究材料，通過人工模擬干旱并進行生理指標檢測，定量評價不同苔蘚對干旱脅迫的耐受程度，然后再進行充分復水，測定不同苔蘚恢復活力的程度和速度，以期為耐旱型苔蘚在干旱區植被恢復與生態重建應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 苔蘚 大灰蘚(Hypnumplumaeforme)、白發蘚(Leucobryumglaucum)和細葉小羽蘚(Haplocladiummicrophyllum)，采自陜西省安康市石泉縣。

1.1.2 試劑 Hoagland營養液、PEG溶液、丙酮-乙醇混合液(V/V為2∶1)，市購。

1.1.3 栽培基質 為草炭土與種植土按6∶4(V/V)混合而成。

1.2 方法

1.2.1 材料預處理 將3種苔蘚植物帶回人工溫室，用栽培基質栽種于恒溫25℃的人工環境中，采用室內自然光線環境進行培養、備用。

1.2.2 試驗設計

1) 干旱脅迫對3種苔蘚植物生理指標的影響。將3種苔蘚植物材料清洗干凈后，在Hoagland營養液中緩苗培養2 d。然后將實驗材料浸入20 PEG溶液中模擬干旱脅迫進行試驗。每種參試苔蘚植物6塊，每塊面積40 cm2，5個重復，分別于0 h、6 h、12 h、18 h、24 h和30 h測定植物的葉綠素含量、脯氨酸、丙二醛(MDA)、可溶性蛋白、相對電導率、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)。

2) 復水處理對3種苔蘚植物生理指標的影響。為了進一步探討干旱脅迫30 h后苔蘚植物的生命力及恢復情況，在解除干旱脅迫后，將3種苔蘚植物進行復水處理，復水時將苔蘚植物材料浸入Hogland營養液中，每種處理1塊，3次重復，于充分復水處理30 h后，測定葉綠素和丙二醛含量。

1.2.3 指標測定 葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合液提取比色法測定[9]，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法測定，游離脯氨酸用磺基水楊酸硏磨提取比色法測定，可溶性蛋白含量參照李合生等[9]的方法測定，細胞質膜透性測定參照王宇超等[10]的方法測定，過氧化物酶活性用愈創木酚法，超氧化物歧化酶活性采用氮藍四唑(NBT)法測定[11]，過氧化氫酶活性參照楊蘭芳等[12]的方法測定。

1.3 數據統計與分析

采用SPSS 19.0對數據進行處理及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫3種苔蘚植物生理指標的變化

從圖1看出，干旱脅迫下，3種苔蘚植物的生理指標均有不同程度的變化。

2.1.1 葉綠素 干旱脅迫下，隨處理時間延長3種苔蘚植物葉綠素含量均呈逐漸下降趨勢，其中在干旱脅迫的最初6 h內3種苔蘚植物的葉綠素含量緩慢下降；在干旱脅迫6～24 h，白發蘚和細葉小羽蘚葉綠素含量逐漸降低，且白發蘚葉綠素含量的下降幅度大于細葉小羽蘚；在24～30 h，白發蘚的葉綠素含量趨于穩定，而細葉小羽蘚葉綠素含量繼續降低；大灰蘚葉綠素含量較穩定，在6～30 h其含量無顯著變化。

2.1.2 脯氨酸 干旱脅迫下，3種苔蘚植物的脯氨酸含量變化趨勢各不相同。其中，白發蘚和細葉小羽蘚的脯氨酸含量在0～18 h開始逐漸增加，二者脯氨酸含量分別增加13.44%和37.26%；在18～30 h，白發蘚脯氨酸含量逐漸增加，細葉小羽蘚脯氨酸含量逐漸降低，其含量在30 h時仍較脅迫前高26.91%；在0～30 h，大灰蘚的脯氨酸含量較穩定，無顯著變化。

2.1.3 丙二醛 干旱脅迫下，隨處理時間延長3種苔蘚植物的MDA含量變化趨勢存在差異。其中，在干旱脅迫0～6 h，大灰蘚和細葉小羽蘚的MDA含量呈下降趨勢，而白發蘚呈增加趨勢；在6～30 h，大灰蘚和小白發蘚的MDA含量呈逐漸增加趨勢，分別增加215.23%和48.37%，但細葉小羽蘚的MDA含量變化呈先增后減再增趨勢，即在6～18 h逐漸增加，18～24 h略有降低，24～30 h又升高，其在30 h時MDA含量較初始時增加37.14%。總體看，3種苔蘚植物的MDA含量均呈增加趨勢。

2.1.4 可溶性蛋白 干旱脅迫下，在0～24 h，白發蘚和大灰蘚可溶性蛋白含量逐漸增加，分別增加30.70%和35.71%；在24～30 h，二者含量降低，但仍較初始時提高12.86%和23.81%。細葉小羽蘚可溶性蛋白含量變化趨勢與白發蘚和大灰蘚不同，其可溶性蛋白含量在0～18 h逐漸降低，在18～24 h有所增加，隨后逐漸降低；其在干旱脅迫30 h后，可溶性蛋白含量較初始時顯著降低34.56%。

2.1.5 相對電導率 干旱脅迫下，0～30 h白發蘚和細葉小羽蘚的相對電導率逐漸增加，其中細葉小羽蘚的增幅較大，較初始時顯著增加112.55%；白發蘚的增幅較小，且在24～30 h逐漸趨于穩定，但整個過程其顯著增加(51.95%)。0～30 h大灰蘚的相對電導率較為穩定，無明顯變化趨勢，但在30 h時其含量仍然較初始時增加10.39%。

2.1.6 過氧化物酶活性 干旱脅迫下，3種苔蘚植物的過氧化物酶(SOD)活性整體呈逐漸降低趨勢，但不同時段其活性變化有所不同。在0～12 h，3種苔蘚SOD活性均呈下降趨勢，其中細葉小羽蘚的下降趨勢最顯著，大灰蘚和白發蘚的變化較平緩。在12～18 h，大灰蘚和白發蘚的SOD活性較為穩定。在18～24 h，大灰蘚的SOD活性顯著降低，其余2種苔蘚植物的SOD活性的變化較平緩。在30 h時，大灰蘚、白發蘚和細葉小羽蘚的SOD活性分別較初始時降低43.49%、42.99%和68.96%。

2.1.7 過氧化物酶活性 干旱脅迫下，3種苔蘚植物的過氧化物酶(POD)活性變化不同，其中，細葉小羽蘚的POD活性逐漸降低，且不同脅迫時段的趨勢均一致。大灰蘚的POD活性在0～6 h顯著增加，在6～18 h逐漸降低，隨后在18～24 h逐漸增加，并在24～30 h保持穩定。白發蘚的POD活性在0～6 h緩慢降低，在6～18 h逐漸增加，隨后在18～24 h顯著降低，并在24～30 h階段有所增加。

2.2 復水后3種苔蘚植物生理指標的變化

從圖2看出，脅迫復水后，3種苔蘚植物的葉綠素和丙二醛(MDA)含量均有不同程度的變化。葉綠素，脅迫復水后，大灰蘚葉綠素含量增加17.37%，而白發蘚和細葉小羽蘚葉綠素含量分別減少13.14%和17.09%。丙二醛，復水后，3種苔蘚植物的丙二醛含量均有所降低，但是其降幅存在差異。其中，白發蘚的降幅最大，降低28.76%；其次為大灰蘚，降低11.97%；細葉小羽蘚僅降低2.42%。

3 結論與討論

干旱脅迫使植物形成特殊的生理代謝機制，并產生特殊的形態結構以減少失水，逐漸適應干旱環境[13]，部分植物通過減小葉表面積或改變葉片方向以減少水分蒸發[14]。SEEL等[15]研究發現，耐旱型苔蘚植物外部水分運動主要集中在葉片的毛細管內，以及干絨毛假根和葉片表面系統的突起上。細胞外的毛細管空間和葉片的凹部積累的水分最多。進一步觀察發現，大灰蘚葉片具有疣狀突起，白發蘚和細葉小羽蘚的葉片上也有少量突起，此特征有利于苔蘚植物減少水分蒸發[16]。此外，植物還可通過氣孔調節和滲透調節等措施耐受干旱脅迫，或改變葉綠素、游離脯氨酸、丙二醛等含量和酶活性以提高植物對干旱環境的耐受能力。

研究表明，干旱脅迫后，3種苔蘚植物葉綠素含量均呈下降趨勢，其中大灰蘚降幅最小，為29.44%，白發蘚降幅最大，為50.24%。在充分復水30 h后，大灰蘚的葉綠素含量明顯上升，而白發蘚和細葉小羽蘚的葉綠素含量卻降低。說明，30 h的水分虧缺已對其葉綠素合成系統產生不可逆傷害；3種苔蘚中白發蘚和細葉小羽蘚對水分脅迫更為敏感，且干旱產生的傷害并不能通過復水逆轉。

滲透調節對于植物的耐旱性具有重要意義[15]，脯氨酸含量與植物耐旱性呈顯著正相關，即耐旱性強的植物其脯氨酸含量更高。也有研究認為，二者并無直接關系，如小麥[17]、大豆[18]和高粱[19]等耐旱植物在干旱脅迫下脯氨酸含量并無顯著增加。研究表明，干旱脅迫下白發蘚積累的脯氨酸含量最多，其含量變化為185.22～243.42 μg/g，其次為細葉小羽蘚，其脯氨酸含量變化為110.32～151.42 μg/g，而大灰蘚積累的脯氨酸含量相對較少，為33.71～40.47 μg/g。由此看出，耐旱性較強的大灰蘚脯氨酸含量最低，且含量變化較小；耐旱性較弱的白發蘚和細葉小羽蘚脯氨酸含量更高，且變化較大。

植物細胞膜系統是干旱脅迫的直接受害器官，干旱脅迫下膜的傷害與膜脂過氧化增強有關。有研究發現，MDA含量的增加不僅可以反映膜脂過氧化程度，也可以間接反映植物耐旱能力[20]。研究表明，干旱脅迫下3種苔蘚中大灰蘚的 MDA增長率最大，為116.34%，而脯氨酸和電導率的變化最小，分別為9.65%和10.39%。復水后3種苔蘚的MDA含量不同程度降低，白發蘚的MDA含量顯著降低，細葉小羽蘚含量降低但不顯著。說明，白發蘚和大灰蘚耐旱性較強，細葉小羽蘚耐旱性較弱。

干旱脅迫下不同苔蘚的不同生理指標變化不同，白發蘚在受到水分脅迫時，可溶性蛋白含量相對穩定，大灰蘚的可溶性蛋白含量顯著增加23.80%，而細葉小羽蘚的可溶性蛋白含量顯著降低34.56%。在干旱脅迫下不同時段的含量并無顯著差異。其中，大灰蘚和白發蘚在干旱脅迫過程中可溶性蛋白含量呈緩慢增加再降低趨勢，細葉小羽蘚則呈顯著降低趨勢，說明前二者的耐旱性相對較強。

植物受到干旱協迫時其細胞中活性氧自由基增加，為清除這些活性氧，植物會產生酶促活性氧自由基清除系統[21]。研究表明，SOD和POD等保護酶活性隨干旱脅迫時間的延長而降低。大灰蘚和白發蘚在干旱脅迫下，2種酶活性的變化較為平緩，但細葉小羽蘚的酶活性變化極顯著。說明，大灰蘚和白發蘚的耐旱性更強，細葉小羽蘚的耐旱性相對更弱。植物對干旱脅迫的耐受性受多因素影響，其不同生理指標在水分脅迫下的反應不同，可依據植物生理指標變化評價植物耐旱性。本試驗結合干旱和復水后測定的指標分析發現，白發蘚耐旱性較強，其次為大灰蘚，細葉小羽蘚的耐旱性弱。