干旱對馬尾松幼苗光合作用及相關生理的影響

張金鳳，陳佩珍，孫曉波，胡興峰，季孔庶

（南京林業大學林木遺傳與生物技術教育部重點實驗室/南方現代林業協同創新中心，南京 210037）

0 引言

隨全球氣候變暖，干旱地區、半干旱地區的水分短缺問題日益凸顯，干旱問題已嚴重影響國內干旱地區、半干旱地區的農林生產[1]，使植物生長受限，達不到栽培的預期效果，影響其生態、經濟及景觀價值。通常情況下，植物通過自身的形態變化和生理反應來降低干旱傷害以適應環境[2-7]。比如超氧化物歧化酶、過氧化物酶作為植物的抗氧化性酶，對植物細胞起保護作用[8]；丙二醛是衡量膜質過氧化的一個重要指標，能反映膜系統的受損傷程度[9-10]；脯氨酸作為植物體內重要的滲透調節物質，具有較強的水合力，其積累可增加植物的抗旱或抗滲透脅迫能力[9,11]；氣孔導度反映氣孔張開的程度，直接影響凈光合速率和蒸騰速率[12]。干物質積累量和根冠比作為衡量植物生長的重要指標，反映了植物地上、地下的生長情況[13]。植物在受到干旱脅迫時，保護酶超氧化物歧化酶、過氧化物酶的活性明顯提高[14]，脯氨酸、丙二醛含量增加[15-16]，干物質積累受到抑制[13]，根冠比增大[17]，凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率下降[18]，從而減少干旱傷害。因此，探明干旱、半干旱地區植物的響應機制和適應性以及培育更多抗旱性植物具有重要的意義。

馬尾松(Pinus massoniana)是國內南方主要鄉土造林樹種和改善環境綠化荒山先鋒樹種，具有速生、豐產、耐貧瘠等優良特性，在工業用材、林產品加工、森林資源發展及生態服務功能中具不可替代的作用[19]。馬尾松產區分布廣，年降雨量時空分布不均勻限制了馬尾松人工林的大面積擴展?？蒲腥藛T對不同種源[20]和家系[16]馬尾松苗木對干旱的響應作過研究，為其耐旱種質的篩選與評價提供了一定的理論基礎和參考依據，但在抗旱指標的選擇上仍存在一定的局限性，各種生理響應的機理尚待深入研究。本研究以馬尾松1年生實生盆栽幼苗為試驗材料，研究不同程度控水脅迫下幼苗的生理傷害，探討馬尾松幼苗對不同土壤水分條件的適應能力，旨在為研究馬尾松抗旱機制及抗旱良種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

馬尾松苗于2017年在貴州省都勻市馬尾松國家林木良種基地繁育，氣候條件為當地正常條件。室內土培盆栽試驗于2018年在南京林業大學林木遺傳與生物技術教育部重點實驗室溫室進行。

1.2 試驗材料

馬尾松是來源于貴州省都勻市馬尾松國家林木良種基地1年生馬尾松半同胞家系幼苗，于2018年3月移栽至南京林業大學溫室，共200盆，每盆1株。土壤取自南京林業大學后山馬尾松林下黃壤(pH 5.0～5.5)，每盆土壤量一致。

1.3 試驗設計

盆栽緩苗3個月后隨機選取健康長勢一致的幼苗120盆，于6月20日在溫室內采用稱重法進行土壤含水量控制。水分處理分正常(CK)、輕度(T1)、中等(T2)、嚴重(T3)4個梯度，為田間持水量的(80±5)%、(65±5)%、(50±5)%和(35±5)%。每個處理10盆，3次重復。每天16 h光培養（光照強度35000 lx），8 h暗培養，室內溫度控制在15～22℃，濕度約75%。干旱脅迫持續60天。

1.4 指標測定

1.4.1 生長指標 馬尾松幼苗脅迫前0天和脅迫后60天時，每個梯度各選3株苗木，取整株苗木分地下和地上部分烘干稱重得苗木干重，處理前后干重之差為苗木干物質積累量，苗木地下、地上部分干重比值為根冠比。苗高和地徑每15天測量一次，10次重復，苗高采用直尺測定，地徑采用電子游標卡尺測量。

1.4.2 光合指標 選擇晴朗天氣，在上午10:00左右采用CIRAS-3光合儀隨機選擇不同處理條件下的馬尾松幼苗各3株進行光合測定，6月20日設定為脅迫0天，7月5日為第15天脅迫，7月20日為第30天脅迫，8月5日為第45天脅迫，8月20日為第60天脅迫，測定時運用緩沖瓶使得CO2濃度處于相對平穩狀態，測定的主要指標包括凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率 (transpiration rate，Tr)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs)等，3次重復。

1.4.3 生理指標 在特定波長下，運用黃嘌呤氧化酶-氮藍四唑(NBT)法檢測超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性，過氧化物酶(peroxide，POD)活性用愈創木酚法測定，用酸性茚三酮比色法測定脯氨酸(proline，Pro)的含量，脂類氧化損傷丙二醛(malonaldehyde，MDA)含量用硫代巴比妥酸法檢測，所用試劑盒均購自南京建成生物公司并嚴格按照說明書操作。每個指標3次重復（每10株苗混合采樣為1次重復），測定時間與光合指標測定時間一致。

1.5 數據分析

采用Excel和R語言ggcorrplot包對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對馬尾松幼苗生長指標的影響

2.1.1 干旱脅迫對苗高、地徑的影響 干旱脅迫下馬尾松幼苗生長受到不同程度的抑制。由表1可以看出，干旱脅迫60天后T1與CK苗高、地徑的生長均無顯著差異(P＞0.05)，苗高分別增長了1.95、1.76 cm，增長率分別為5.32%、5.03%；地徑分別增長0.45、0.41 mm。T2、T3生長緩慢，且與CK均有顯著差異(P＜0.05)，苗高分別增長了0.74、0.53 cm；地徑分別增長0.21、0.12 mm，T1的苗高和地徑增長量約是T3的3.3倍，說明干旱脅迫對馬尾松幼苗生長造成嚴重影響。

2.1.2 干旱脅迫對干物質積累和根冠比的影響 植物在逆境脅迫下，干物質積累反映了其對外界環境的適應能力。如表1所示，生物量的積累隨著脅迫加劇而受到抑制，使馬尾松幼苗生長減緩，60天后T3根生物量較CK降低69.49%，莖生物量較CK降低89.69%，說明根系對干旱脅迫的敏感程度略低于莖葉部分。T1干物質積累(0.74 g)與CK(0.86 g)差異性不顯著(P＞0.05)；隨干旱脅迫加劇，T2與T3干物質積累均受到抑制，較CK分別降低了53.49%、75.58%。水分充足條件下，地上部分生長旺盛，遠大于地下部分的生長，根冠比較?。籘1的苗高生長量、地徑生長量、干物質積累量及根冠比均略高于CK，但差異性均不顯著(P＞0.05)；T3苗高生長量、地徑生長量及干物質積累比CK分別降低了69.89%、70.73%、75.58%，差異性均達到顯著水平(P＜0.05)；T3根冠比為0.42，較CK提高30.95%，說明干旱脅迫能夠引起了馬尾松地上和根系生物量重新分配，根系生物量積累增多，根冠比增大。

2.2 干旱脅迫對馬尾松幼苗光合特性的影響

2.2.1 干旱脅迫對馬尾松幼苗氣孔導度(Gs)的影響 氣體交換參數是判斷植物應對不同水分梯度的重要指標之一。通過圖1可看出，在0～15天，馬尾松幼苗的氣孔導度隨干旱脅迫程度加劇和脅迫時間延長而急劇下降，且差異性顯著(P＜0.05)；處理45～60天，氣孔導度變化相對穩定，可能是經過一段時間的干旱脅迫，苗木能短期適應干旱脅迫的表現；處理60天之后，與0天相比，CK、T1、T2、T3的氣孔導度分別下降了5.08%、19.93%、56.12%、73.13%，其中T2和T3下降幅度高于CK和T1。

2.2.2 干旱脅迫對馬尾松幼苗蒸騰速率(Tr)的影響 從圖1可看出，干旱脅迫下馬尾松幼苗蒸騰速率與CK相比呈下降趨勢。CK的蒸騰速率基本保持不變，T1與CK之間差異性不顯著(P＞0.05)。處理15～60天，T2和T3蒸騰速率明顯下降，與CK差異性均達到顯著水平(P＜0.05)，說明馬尾松幼苗受到干旱脅迫影響，以減少水分蒸發的方式來平衡體內滲透壓，維持細胞的正常形態。

表1 干旱脅迫（60天）馬尾松幼苗形態生長指標及生物量的變化

圖1 干旱脅迫對馬尾松幼苗光合速率及相關參數的影響

2.2.3 干旱脅迫對馬尾松幼苗凈光合速率(Pn)的影響從圖1可看出，干旱脅迫后，馬尾松幼苗凈光合速率呈均勻下降趨勢。整體來看，T1與CK相比下降不明顯，T2下降趨勢相對緩和，提前進入穩定期，而T3在脅迫0～45天凈光合速率急劇下降，與CK呈顯著性差異(P＜0.05)；45天后，T3的凈光合速率趨于零水平，說明若長期處于重度干旱狀態下，馬尾松苗木生產力會下降，甚至出現死亡現象。

2.3 干旱脅迫對馬尾松幼苗生理特性的影響

2.3.1 干旱脅迫對超氧化物歧化酶活性的影響 從圖2A可以看出，隨著干旱脅迫加劇，馬尾松幼苗保護酶SOD的活性逐漸增強，隨處理時間延長，SOD活性呈先上升后下降的趨勢。處理15天時，T2和T3開始顯著上升，30天時T2和T3均達峰值699.81、817.82 U/(g·FW)，與CK及T1差異顯著(P＜0.05)，比CK分別上升75.57%、104.01%；45天時SOD顯著下降(P＜0.05)，但仍表現出較高的活性，60天時SOD活性依然高于脅迫0天時。因此，隨著干旱脅迫時間的延長，馬尾松幼苗通過提高SOD活性來清除植物體內產生的自由基，以適應干旱環境。

2.3.2 干旱脅迫對過氧化物酶活性的影響 過氧化物酶作為判斷植物被傷害程度和抗性大小的指標。干旱脅迫下，馬尾松幼苗POD活性隨干旱脅迫程度加劇而增強（圖2B），30天后緩慢下降，處理30天時各梯度的差異最大，隨后差異逐漸縮小。隨脅迫時間延長，各處理POD活性呈先升后降的趨勢，與SOD活性變化趨勢一致；處理30天時，T2與T3的POD活性均達峰值232.67、319.00 U/(g·min)，與CK差異顯著(P＜0.05)，比CK分別高98.30%、171.88%；隨后POD活性緩慢下降，處理45天和60天時仍表現出較高酶活性，T2、T3間差異不顯著(P＞0.05)，與CK和T1有顯著差異(P＜0.05)。

2.3.3 干旱脅迫對丙二醛的影響 丙二醛含量是植物細胞膜質過氧化程度的體現。隨干旱脅迫加劇，馬尾松幼苗MDA含量逐漸上升（圖2C）；0～15天MDA含量增速緩慢，差異不顯著(P＞0.05)，15天后顯著上升，30天時達至峰值，且T3、T2與CK、T1有顯著差異(P＜0.05)，表明重度干旱脅迫下，細胞膜開始出現過氧化傷害。處理60天時，T3和CK、T1、T2之間仍有顯著差異(P＜0.05)，說明植物體內活性氧的產生與清除的平衡狀態遭到了破壞，脂質過氧化程度升高，引起過氧化產物MDA的產生和積累。

圖2 干旱脅迫對馬尾松幼苗生理特性的影響

2.3.4 干旱脅迫對脯氨酸的影響 作為植物細胞質內滲透調節物質，脯氨酸含量一定程度上反映了植物的抗逆性。由圖2D可知，隨干旱脅迫程度加劇，15天后馬尾松幼苗Pro含量快速升高，且在同一水平處理條件下，Pro含量隨脅迫時間延長呈上升趨勢。處理15天后，T3、T2與CK、T1差異顯著(P＜0.05)；處理30天后，T3與CK、T1、T2均存在顯著性差異(P＜0.05)，T3比CK高258.86%；處理60天時，T1、T2、T3的Pro含量較45天時有所上升，其中T2和T3尤為明顯，T3的Pro含量達峰值，說明馬尾松幼苗在逆境中通過產生較多的Pro來維持細胞的滲透調節能力，以此來響應逆境條件下的脅迫，是馬尾松實現自我保護的一種策略。

2.4 干旱脅迫下馬尾松生長、生理指標與光合特性間的相關分析

干旱脅迫下馬尾松生理指標與光合特性間的相關性分析如圖3。整體來看，除根冠比外，生理指標與生長指標和光合指標呈均負相關，生長指標與光合指標呈正相關，且大多數呈現顯著正相關(P＜0.05)；正相關的各指標間呈高度線性相關，r均在0.90以上；負相關的各指標相關系數r在-0.82以下，且生理指標POD與除根冠比外的其他生長指標和光合指標均呈顯著負相關(P＜0.05)。生長指標根冠比與生理指標MDA，Tr、莖生物量、Gs之間，Gs與根生物量均呈高度正相關(r=1)；但Pro與Pn呈高度負相關(r=-1)。

3 結論

持續干旱脅迫下，馬尾松幼苗通過抑制地上部分生長而促進地下根系生長，調整植物生長和生物量分配以抵御逆境；水分虧缺時，可引起馬尾松幼苗葉片氣孔開度減少及葉綠體類囊體膜結構受損，致使蒸騰作用和光合作用減弱；干旱脅迫初期，馬尾松幼苗快速增加SOD、POD抗氧化性酶活性以保護過氧化傷害，中后期則增高滲透調節物質Pro維持細胞滲透壓以降低膜質的損傷；基于生長、生理及光合等各項指標分析，發現生長與光合指標呈正相關，而生長與抗逆生理指標、根冠比呈負相關，光合與抗逆生理指標呈負相關，說明馬尾松各部位間通過相互制約與協調應對干旱脅迫。

圖3 干旱脅迫下馬尾松生長生理指標與光合特性間的相關性分析

4 討論

4.1 馬尾松抗旱性與生長指標之間的關系

植物抗旱性是植物適應逆境的一種基本反應。本研究結果表明，干旱脅迫對馬尾松幼苗生長指標產生直接影響，隨干旱脅迫加劇，馬尾松幼苗苗高生長量、地徑生長量、根生物量和莖生物量出現了不同程度的下降，根生物量和莖生物量各組間存在顯著差異(P＜0.05)，這與靳月等[21]的研究結果一致。有研究發現，在干旱脅迫下，植物常會通過增加地下部分生長、減少地上部分生長應對干旱造成的傷害[13]。本研究中，根生物量積累比莖生物量積累多，說明馬尾松幼苗的根系對干旱脅迫的敏感程度可能略低于莖葉部分，也可能是干旱脅迫引起的生物量重新分配，生物量更多流向根部導致根冠比增大，或者根系深扎汲取土壤深處水分并積累更多的生物量。

4.2 馬尾松抗旱性與光合指標之間的關系

氣孔導度作為植物葉片與外界氣體交換程度的指標，影響著植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用[22]。馬尾松幼苗在不同干旱脅迫下，Gs、Tr和Pn等逐漸下降，與宋學貴等[18]對竹柳光合特性的研究結果一致。這表明干旱一方面引起氣孔開度減小甚至關閉，蒸騰作用減弱，影響CO2的吸收，光合速率下降，另一方面低水勢造成植物葉綠體類囊體膜結構受損，光系統Ⅱ活力下降，電子傳遞和磷酸化作用減弱，光合速率下降[23]。

4.3 馬尾松抗旱性與生理指標之間的關系

植物受到不同程度干旱脅迫時會通過自身調節機制平衡細胞內環境，使植物免受過分傷害。隨干旱脅迫加劇，馬尾松幼苗SOD和POD酶活性增強，MDA和Pro含量增加，隨脅迫時間延長，SOD和POD酶活性均呈先升后降趨勢，MDA和Pro含量升高，與黃華[24]、崔豫川[25]、宋麗梅[26]和 Nguyen-Queyrens等[27]在不同植物中的研究結果相似。這表明干旱脅迫初期會誘導增強SOD、POD酶活性保護馬尾松免受傷害，隨脅迫程度加劇，30天后酶活性開始降低，自由基大量產生，造成馬尾松膜系統受到破壞，膜質過氧化程度加重，MDA含量上升；脅迫后期，Pro仍大量積累，以此增強滲透調節和細胞吸水能力來維持細胞水勢，減輕脅迫造成的傷害，從而維持幼苗的生命活動。

4.4 馬尾松抗旱性指標間的相關性

植物各部位間存在相互制約與協調的相關性。本研究中，馬尾松幼苗莖生物量與根生物量呈高度正相關，其與靳月等[21]對閩南幼苗的研究結果一致，這表明植物地上和地下生長相互促進，地上生物量積累所需的水分、礦物質元素、細胞分裂素及植物堿等含氮化合物由根系提供，對根系的生長及生物量積累有促進作用，糖類及部分維生素只能由地上部分合成運輸至根系。但在一些情況中，地下、地上部分的生長也會相互抑制，本研究中也有此結論，隨著干旱脅迫的加劇，馬尾松幼苗增加了根部物質積累，減少了地上部分的物質積累，使得根冠比值增大。蒸騰速率(Tr)、根生物量與氣孔導度(Gs)之間均呈高度的正相關(r=1)，這與嚴青青等[28]對海島棉的研究結論一致。而脯氨酸(Pro)與凈光合速率(Pn)呈很強的負相關(r=-1)，與呂春華等[29]對小葉紅葉石楠的研究結果一致，這表明馬尾松通過調節細胞質基質與環境之間的滲透壓，以減緩水分散失速率，維持較弱的光合作用。

本研究以馬尾松幼苗為試材，從生長指標、光合特性和生理特性3個方面探究馬尾松在受到干旱脅迫時的響應及其兩兩間的相關性，較全面地分析了不同程度控水脅迫下幼苗的生理傷害，并彌補了馬尾松在抗旱指標選擇上的不足。在試驗過程中欠缺對幼苗生長狀態的拍照記錄及更多光合指標和生理指標的檢測；其次在試驗60天結束后，缺少復水處理及其生長、生理指標測定，這樣可能利于更全面地了解馬尾松幼苗對不同土壤水分條件的適應能力。在今后的研究工作中，在補充上述試驗的同時，將研究馬尾松抗旱的分子機制，從而更深入地揭示馬尾松抗旱機理。