干旱脅迫對黃山紫荊生長形態(tài)和生理特性的影響

田曉明，陳新文，顏立紅，蔣利媛，向光鋒，李高飛，譚知虎

（1.湖南省森林植物園，湖南 長沙 410116；2.江永縣林業(yè)局，湖南 永州 431125）

植物所需養(yǎng)分來源于土壤。在不同的土壤類型上，植物的種類和生長狀況也不盡相同。南方巖溶區(qū)是石漠化廣為發(fā)生發(fā)展的生態(tài)脆弱地區(qū)，主要分布于云南、貴州、廣西、湖南、廣東、四川和湖北等9省[1]。石漠化地區(qū)由于土層瘠薄、水分流失嚴重、容易形成地表干旱，致使植株生長困難[2-3]。黃山紫荊Cercis chingii屬豆科Leguminosae紫荊屬Cercis落葉小喬木或叢生灌木，主要分布于安徽、浙江、廣東北部、湖南南部等地[4-5]，多發(fā)現在石漠化地區(qū)，是石漠化地區(qū)植被恢復的重要樹種之一。目前，已有學者對紫荊C.chinensis[6-8]、高山杜鵑Rhododendron lapponicum[9]、杏Armeniaca vulgaris[10]、青岡Cyclobalanopsis glauca[11]和酸棗Ziziphus jujubavar.spinosa[12]等在干旱脅迫下植物的形態(tài)特征、抗氧化酶活性和滲透調節(jié)物質含量等方面進行了比較深入的研究。本研究采用盆栽控水法對持續(xù)干旱脅迫下黃山紫荊形態(tài)和生理生化指標的動態(tài)變化進行了研究，并對其抗旱能力進行評測，以期為石漠化地區(qū)植被恢復造林樹種的選擇提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料選自湖南省森林植物園植物保育與利用研究所培育的黃山紫荊實生容器苗。于2015年3月，將1年生幼苗定植于規(guī)格一致的營養(yǎng)缽中（上口徑為16 cm，下口徑為12 cm，高為15 cm），每盆裝混合基質（1黃土∶2珍珠巖∶1蛭石）0.8 kg，放置于湖南省森林植物園溫室大棚中。試驗開始前常規(guī)管理。

1.2 試驗方法

自2015年8月26日開始，在溫室大鵬內采用盆栽控水法進行干旱脅迫試驗，室內外保持通風。設對照組（CK）和持續(xù)干旱組兩個處理，每個處理90盆，CK處理每隔3 d正常澆灌至水分飽和；持續(xù)干旱組則在試驗開始前充分澆灌，使土壤含水量基本保持一致，以后30 d內不再澆水，形成干旱脅迫。分別在第0天、第5天、第10天、第15天、第20天、第25天、第30天上午的同一時間，采集植株從下至上的第3至第7位葉片。每次采樣時隨機采5株植株的葉片，設3次重復，采樣后的植株在下一個采樣節(jié)點不再重復使用。將采集到的葉片裝袋編號，迅速放置于冰桶中帶回實驗室進行生理生化指標測定。同時，在試驗期間觀察黃山紫荊葉片形態(tài)特征的變化。

1.3 生理生化指標測定

可溶性糖采用蒽酮比色法測定[13]；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍法測定[13]；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）還原法測定[13]；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定[13]；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外線分光光度計吸收法測定[13]；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定[13]；游離脯氨酸含量采用用酸性茚三酮顯色法測定[13]；質膜相對透性采用相對電導率法[14]。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據管理，Sigmaplot 10軟件繪制圖表；SPSS 19.0軟件的獨立樣本T檢驗進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對黃山紫荊形態(tài)特征的影響

在持續(xù)干旱脅迫期間，黃山紫荊嫩梢和老葉最先做出反應。隨著干旱脅迫時間的增加，葉片逐漸出現萎蔫卷曲、下垂、直至枯黃掉落，持續(xù)干旱30 d時，老葉顏色變淡、嫩葉枯落、嫩枝干枯（圖1）。試驗結束后，將持續(xù)干旱脅迫組植株恢復正常水肥管理，所有處理組植株經過一段時間恢復后均能正常生長。

圖1 黃山紫荊葉片在持續(xù)干旱脅迫下不同時段的顏色變化Figure 1 Color changes of C.chingii leaf at different stage of drought stress

2.2 干旱脅迫對黃山紫荊葉片內滲透調節(jié)物質含量的影響

如圖2所示，隨著干旱脅迫時間的增加，黃山紫荊葉片中可溶性糖的含量逐漸升高。在持續(xù)干旱脅迫≤15 d時，持續(xù)干旱組與CK間差異不顯著，但干旱脅迫＞15 d后，植株葉片中的可溶性糖含量持續(xù)升高且與CK間達均顯著差異水平（P＜0.05），說明可溶性糖對抵御干旱脅迫有重要的調節(jié)作用，可溶性糖含量的變化可以在一定程度上反映黃山紫荊對外界環(huán)境的響應情況。

圖2 干旱脅迫對黃山紫荊葉片可溶性糖含量的影響Figure 2 Effect of drought stress on soluble sugar content in leaves of C.chingii

圖3 干旱脅迫對黃山紫荊葉片可溶性蛋白含量的影響Figure 3 Effect of drought stress on soluble protein content in leaves of C.chingii

由圖3可知，黃山紫荊葉片中可溶性蛋白含量在干旱脅迫期間整體呈現先升高后降低的趨勢。在干旱脅迫初期（0～10 d），持續(xù)干旱組和CK間的差異不顯著，從干旱脅迫第10天開始，可溶性蛋白含量急劇升高，至第25天時達到最大值，為CK的1.48倍。這可能是持續(xù)干旱促使一些與逆境脅迫相關的蛋白的合成和植物生理代謝的酶表達量的增加[15]，而這些蛋白含量的增加是植株受干旱脅迫時的一種應激反應。

圖4 干旱脅迫對黃山紫荊葉片游離脯氨酸含量的影響Figure 4 Effect of drought stress on free proline content in leaves of C.chingii

圖5 干旱脅迫對黃山紫荊葉片CAT活性的影響Figure 5 Effect of drought stress on CAT in leaves of C.chingii

從圖4可知，隨著干旱脅迫時間的增加，黃山紫荊葉片中的游離脯氨酸含量有顯著升高的過程，在干旱脅迫第25天時達到峰值（103.52 mg·g-1FW），隨后呈下降趨勢。黃山紫荊受干旱脅迫時，通過增加游離脯氨酸的含量來抵抗逆境環(huán)境，但這種抵抗能力有限，因此，當干旱脅迫強度超過植物所能承受的限度時，游離脯氨酸含量呈下降趨勢。

圖6 干旱脅迫對黃山紫荊葉片POD活性的影響Figure 6 Effect of drought stress on POD in leaves of C.chingii

圖7 干旱脅迫對黃山紫荊葉片SOD活性的影響Figure 7 Effect of drought stress on SOD in leaves of C.chingii

2.3 干旱脅迫對黃山紫荊葉片內抗氧化酶活性的影響

黃山紫荊CK處理葉片內的CAT、POD和SOD等抗氧化酶活性在不同時間的變化不顯著，干旱脅迫組則隨著干旱脅迫時間的增加整體呈先升后降的變化趨勢，且在干旱脅迫第20天時3種酶的活性均達到峰值（圖5至圖7）。其中，CAT活性在干旱脅迫第20天時達到最大值后緩慢下降，在干旱脅迫25 d后，急劇下降，但仍顯著高于CK。POD活性在干旱脅迫第20天時達到最大值后急劇下降，持續(xù)干旱30 d時，POD活性與CK之間差異不顯著。SOD活性在干旱脅迫0～10 d時與CK之間差異不顯著，在干旱脅迫15 d后急劇上升，干旱脅迫第20天時達到最大值后急劇下降。這說明黃山紫荊在干旱脅迫時通過增加抗氧化酶活性來去除逆境脅迫所產生的活性氧，因而在整個干旱脅迫期間黃山紫荊抗氧化酶活性均保持較高水平，以維持植株的正常生長；隨著干旱脅迫時間的增加，逆境環(huán)境超出了黃山紫荊可自我調控的閾值，抗氧化酶活性下降，植株受到傷害。

圖8 干旱脅迫對黃山紫荊葉片MDA含量的影響Figure 8 Effect of drought stress on MDA content in leaves of C.chingii

圖9 干旱脅迫對黃山紫荊質膜相對透性的影響Figure 9 Effect of drought stress on relative membrane permeability in leaves of C.chingii

2.4 干旱脅迫對黃山紫荊葉片內MDA含量和質膜相對透性的影響

由圖8表明，與CK相比，隨著脅迫時間的增加黃山紫荊葉片內的MDA含量呈上升趨勢。在干旱脅迫0～15 d時，MDA含量與CK之間的差異不顯著，脅迫＞10 d后，脅迫處理的MDA含量呈持續(xù)上升趨勢，且與CK間達顯著差異水平（P＜0.05）。這可能是因為黃山紫荊對逆境脅迫有一定的適應過程，在脅迫初期當抗氧化酶系統產生防御作用時，MDA含量變化不顯著。從圖9中可以發(fā)現，受到干旱脅迫時，黃山紫荊葉片的質膜相對透性隨著脅迫時間的延長而增大，到15 d以后（≥15 d），干旱脅迫處理與CK之間達顯著差異水平（P＜0.05），說明黃山紫荊葉片受到逆境傷害時脂膜過氧化程度逐漸升高。

3 結論與討論

3.1 討論

形態(tài)特征的改變是植物受逆境脅迫時產生應急響應最明顯的表征[16]。通過試驗觀測發(fā)現，隨著干旱脅迫時間的增加，黃山紫荊葉片、嫩枝逐漸出現萎蔫、枯落，干旱脅迫對黃山紫荊的生長產生一定程度的影響，但在極度干旱脅迫下（持續(xù)干旱脅迫30 d）黃山紫荊并沒有出現死亡的現象，復水后也能正常生長。可見黃山紫荊可通過調整自身生物量來適應逆境脅迫。

可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸是植物體內重要的滲透調節(jié)物質[17]，當植物遭受逆境脅迫時，誘導植物體內多種生理反應加速，滲透調節(jié)物質逐漸積累，細胞保水能力得到加強，從而維持細胞結構的穩(wěn)定和平衡[18]。在干旱脅迫伊始，黃山紫荊葉片中游離脯氨酸的含量明顯增加，說明黃山紫荊通過增加游離脯氨酸來抵抗逆境，提高滲透調節(jié)能力，防止細胞內水分過多的丟失，王毅敏等[19]在巴東木蓮Manglietia pat ungensis上的研究結果與此相同。可溶性糖和可溶性蛋白含量在脅迫處理初期與CK之間差異不顯著，隨著脅迫時間的延長，二者的含量逐漸升高，這與吳玲等[9]、黃燕等[20]和林偉通等[21]的研究結果相一致。脅迫處理后期，可溶性蛋白和游離脯氨酸含量降低，可溶性糖含量則繼續(xù)升高，這與孔維鵬等[15]對無花果Ficus ca rica、趙銀河等[22]對紫荊C.chinensis的研究結果一致。以上研究結果說明，隨著脅迫程度的加劇，植物體內的蛋白質表達、糖和脯氨酸合成增加，以增強其滲透調節(jié)能力；而在脅迫處理后期，干旱脅迫超過了植物所能忍耐的閾值，植物體內的合成代謝不能正常進行，細胞質濃度也有所降低，細胞內有機滲透調節(jié)物質逐漸減少，可溶性蛋白和脯氨酸含量逐漸減少，植物受到傷害，這是植物體對極端干旱脅迫的響應機制。

植物處于逆境脅迫時，植物體會積累過量的活性氧自由基，打破了活性氧代謝的平衡，細胞膜磷脂結構遭到破壞[18]。此時，植物組織防御系統中的重要抗氧化酶如CAT、POD和SOD等的活性大幅升高，加強了對活性氧的清除，使活性氧的產生和清除達到動態(tài)平衡，減少膜脂的過氧化，維護細胞膜的穩(wěn)定，減少細胞內有機滲透調節(jié)物質的滲出[23]。因此，膜脂的過氧化程度和抗氧化酶活性存在一定的相關性。逆境脅迫導致脂膜過氧化程度加劇、MDA積累，蛋白質和核酸等脂膜大分子結構發(fā)生變性，膜流動性降低，膜通透性增強。因而許多研究者將MDA含量和質膜相對透性來作為衡量細胞質過氧化程度和植物對逆境耐受能力的重要指標。通過研究發(fā)現，黃山紫荊的CAT、POD和SOD等活性隨著干旱脅迫時間的增加呈先升后降的趨勢，這與魏麗等[24]對紫荊、賴小蓮等[25]對黃檀Dalbergia hupeana的研究結果相一致。在干旱脅迫0～15 d時，葉片中的MDA含量與CK之間差異不顯著，15 d后，MDA含量才呈持續(xù)上升趨勢。這可能是因為在干旱脅迫前期黃山紫荊的抗氧化酶防御系統先啟動，而當干旱程度加劇，膜脂過氧化程度加深，防御系統逐漸失去作用，MDA含量開始上升，質膜相對透性逐漸增強，這與前人的抗旱性研究結果一致[23,26-27]。

3.2 結論

在持續(xù)干旱脅迫下，隨著脅迫時間的增加黃山紫荊植株萎蔫、嫩枝和老葉枯落，是葉片滲透調節(jié)物質、抗氧化酶活性和MDA等物質綜合響應干旱脅迫的結果。在干旱脅迫早期，黃山紫荊能夠通過自身調節(jié)維護體內的生理平衡，通過增加游離脯氨酸含量和抗氧化酶活性來適應逆境環(huán)境；在干旱脅迫中期，則需通過維持較高的滲透調節(jié)物質、抗氧化酶活性和MDA的含量來抵御干旱脅迫，減輕干旱傷害；在干旱脅迫后期，黃山紫荊體內代謝紊亂，各項指標值降低，植株受到傷害。黃山紫荊具有較好應對干旱脅迫的調節(jié)能力，這也是黃山紫荊在石漠化山地廣布的原因。