沙棘無性系對干旱脅迫的響應(yīng)研究

胡建忠，劉麗穎

(1.水利部沙棘開發(fā)管理中心，北京 100038；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

干旱是我國“三北”地區(qū)常見的一種自然現(xiàn)象。植物對干旱的適應(yīng)能力不僅與干旱強度、速度有關(guān)，更受其自身基因的調(diào)控[1]。在一定干旱閾值脅迫范圍內(nèi)，很多植物能夠進行相關(guān)抗旱基因的表達，隨之產(chǎn)生一系列生理、生化及形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的變化，從而顯現(xiàn)出抗旱性的綜合性狀[2]。限于盆栽研究手段的制約，國內(nèi)目前對作物或牧草等草本植物干旱脅迫的研究[3-4]較多，而對林木開展的較少，且只能以苗期研究[5-6]為主。沙棘屬Hippophae植物是我國“三北”地區(qū)廣為栽培的一類生態(tài)經(jīng)濟型樹種，深入研究沙棘的抗旱機理，揭示其抗旱特性，科學(xué)選育適宜廣大干旱半干旱地區(qū)種植的優(yōu)良沙棘無性系品種，已顯得十分重要。但就沙棘而言，有代表性的研究論文涉及到對西藏分布的云南沙棘H.rhamnoidesssp.yunnanensis、江孜沙棘H.gyantsensis和肋果沙棘H.neurocarpa3種沙棘屬植物干旱脅迫下光合特性研究[7]，對引進大果沙棘“太陽”和中國沙棘H.rhamnoidesssp.sinensis優(yōu)選類型“豐寧”開展的干旱脅迫下分子機制研究[8]，以及對干旱脅迫下中國沙棘脯氨酸含量變化[9]的研究。可見沙棘屬植物干旱脅迫領(lǐng)域還有許多工作要做，有鑒于此，本文就5個雜交沙棘無性系開展了干旱脅迫響應(yīng)的有關(guān)研究探討。

1 材料與方法

試驗地設(shè)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗場，5個沙棘無性系為“雜雌優(yōu)1號”、“雜雌優(yōu)2號”、“雜雌優(yōu)10號”、“雜雌優(yōu)12號”和“雜雌優(yōu)54號” ，是用不同蒙古沙棘Hippophaerhamnoidesssp.mongolica亞種做母本、中國沙棘做父本雜交選育而成。

采用盆栽試驗方法。3月下旬，將當(dāng)年早春采集的沙棘硬枝插條經(jīng)過生根粉浸泡4 h后，插在深33 cm、容積約8 L的花盆中，每個無性系30盆，共150盆，每盆扦插2株。所用土壤為培養(yǎng)土與石英砂1∶1(體積比)的混合物，培養(yǎng)土為采自東北針葉林林下的自然土壤。扦插后將花盆隨機擺放到溫室大棚中培養(yǎng)。

經(jīng)過4個多月的生長，從8月16日起，對5個參試沙棘無性系進行干旱脅迫處理。設(shè)計3個水分處理，分別為正常水分(對照)、中度干旱、重度干旱，其對應(yīng)的土壤含水率分別為田間持水量的80%、50%和30%。

測定指標：葉面積和干質(zhì)量，分別采用掃描儀和稱重法測定；葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和氣孔限制值等光合特性值，采用Li-6400光合儀(美國，Li-Cor公司)測定；長期水分利用效率，即葉片的穩(wěn)定碳同位素比值(δ13C值)采用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀MAT-253型(Finigan公司)測定；超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)4類抗氧化酶的活性，采用Chakraborty等[10]和李忠光等[11]的方法測定。所有數(shù)據(jù)均用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉性狀響應(yīng)

葉面積、葉干質(zhì)量等性狀是沙棘適應(yīng)環(huán)境所體現(xiàn)在葉片上的特征參數(shù)，對環(huán)境變化具有重要指標意義。干旱脅迫造成沙棘無性系葉干質(zhì)量及葉面積的下降，結(jié)果見表1。

表1 不同干旱脅迫條件下沙棘無性系葉片性狀

從表1可以看出，在中度干旱條件下，葉干質(zhì)量占正常水分條件下的88%(74%～94%)；在重度干旱條件下，葉干質(zhì)量僅占正常水分條件下的67%(62%～73%)。同樣，在中度干旱條件下，葉面積占正常水分條件下的87%(71%～98%)；在重度干旱條件下，葉面積僅占正常水分條件下的68%(63%～78%)。葉干質(zhì)量和葉面積在中度、重度條件下的占比較為接近。

2.2 光合特性響應(yīng)

從表2可以看出，5個沙棘無性系凈光合速率平均值，正常水分條件下為20.59 μmol·m-2·s-1，中度干旱條件下為12.32 μmol·m-2·s-1，重度干旱條件下為5.40 μmol·m-2·s-1，中度、重度分別相當(dāng)于正常水分條件下的60%和26%?？梢娫诟珊得{迫條件下，凈光合速率隨脅迫程度高低而相應(yīng)有所下降。

5個沙棘無性系蒸騰速率平均值，在正常水分條件下為4.74 mmol·m-2·s-1，在中度干旱條件下為2.41 mmol·m-2·s-1，在重度干旱條件下為1.02 mmol·m-2·s-1，分別相當(dāng)于正常水分條件下的51%和21%。在干旱脅迫條件下沙棘無性系部分氣孔關(guān)閉，降低了蒸騰速率，蒸騰拉力下降，用于光合作用的水分減少，生長量也隨之減少。

5個沙棘無性系氣孔導(dǎo)度平均值，在正常水分條件下為0.22 mol·m-2·s-1，在中度干旱條件下為0.11 mol·m-2·s-1，在重度干旱條件下為0.04 mol·m-2·s-1，中度、重度分別相當(dāng)于正常水分條件下的50%和19%。

5個沙棘無性系胞間CO2濃度平均值，在正常水分條件下為212.67 μmol·mol-1，在中度干旱條件下為169.98 μmol·mol-1，在重度干旱條件下為199.20 μmol·mol-1，中度、重度分別相當(dāng)于正常水分條件下的80%和94%，不降反升，主要原因是此時凈光合速率低，對CO2利用較少。

5個沙棘無性系胞間氣孔限制值，在正常水分條件下平均值為0.46，在中度干旱條件下平均值為0.56，在重度干旱條件下平均值為0.54。結(jié)合不同干旱脅迫下沙棘胞間CO2濃度和氣孔限制值的變化，可以判斷沙棘在中度干旱脅迫下凈光合速率的下降主要由氣孔限制引起。而重度干旱脅迫下，參照有關(guān)研究[12]，主要由非氣孔限制引起，如葉綠體結(jié)構(gòu)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合色素和酶活性、活性氧代謝等。

表2 不同干旱脅迫條件下沙棘無性系的光合特征

表3 不同干旱脅迫條件下沙棘無性系葉片δ13C值

從表3可以看出，在正常水分條件下，沙棘無性系δ13C值按從大到小的排序為“雜雌優(yōu)1號”>“雜雌優(yōu)2號”>“雜雌優(yōu)12號”>“雜雌優(yōu)10號”>“雜雌優(yōu)54號”。5個沙棘無性系在受到中度干旱脅迫時均會提高水分利用效率，表明其有較強的抗旱性。在受到重度干旱脅迫時，“雜雌優(yōu)1號”和“雜雌優(yōu)12號”的δ13C值會降低，而 “雜雌優(yōu)2號”、“雜雌優(yōu)10號”和“雜雌優(yōu)54號”的δ13C值還會繼續(xù)增加，表明這3個沙棘無性系抗旱性能較強。

2.3 酶活性響應(yīng)

從表4可以看出，5個沙棘無性系在中度干旱脅迫下，均會提高SOD、APX、CAT、POD等抗氧化酶活性，表明在干旱條件下這5個沙棘無性系均具有較敏感的應(yīng)激反應(yīng)，能夠通過提高抗氧化酶活性以抵抗干旱脅迫對自身帶來的損傷。隨著干旱程度的加劇，在重度干旱脅迫時，“雜雌優(yōu)1號”和“雜雌優(yōu)12號”的抗氧化酶活性較中度干旱脅迫時有所下降(但仍高于正常水分條件下酶活性)，這可能是由于沙棘體細胞受到了一定傷害使得抗氧化酶活性降低，或其他原因所致；而“雜雌優(yōu)2號”、“雜雌優(yōu)10號”和“雜雌優(yōu)54號”的抗氧化酶活性仍繼續(xù)升高，表明這3個沙棘無性系在持續(xù)干旱的條件下仍具有較高的抗性。

表4 不同干旱脅迫條件下沙棘無性系葉片的酶活性

3 結(jié)論與討論

5個沙棘無性系葉片干質(zhì)量在中度干旱條件下，占正常水分條件的88%(74%～94%)；在重度干旱條件下，占正常水分條件的67%(62%～73%)。同樣，葉面積在中度干旱條件下，占正常水分條件下的87%(71%～98%)；在重度干旱條件下，占正常水分條件下的68%(63%～78%)。葉干質(zhì)量、葉面積在中度、重度干旱條件下占比基本相同。

5個沙棘無性系的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度都以正常水分條件下最高，重度干旱條件下最低。在田間持水量80%以下，隨著土壤水分含量的減少，這些指標也隨之減少。胞間CO2濃度在中度干旱脅迫下會顯著降低，而在重度干旱脅迫下反而上升，接近對照處理，并未像凈光合速率一樣隨著干旱加劇而持續(xù)降低。這表明在重度干旱脅迫下沙棘光合速率的下降并非完全是由于氣孔關(guān)閉引起CO2不足所致，應(yīng)該是非氣孔因素在起作用。氣孔限制值在中度干旱條件下會增加，重度干旱條件下降低。在重度干旱脅迫時， “雜雌優(yōu)2號”、“雜雌優(yōu)10號”和“雜雌優(yōu)54號”的長期水分利用效率(δ13C值)、抗氧化酶活性仍繼續(xù)升高，表明這3個沙棘無性系在持續(xù)干旱條件下仍具有較強的抗旱性，可用于“三北”地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟型沙棘林建設(shè)。

研究干旱條件下沙棘生理生化特征變化，對今后培育抗旱沙棘新品種具有非常重要的理論和實踐意義。干旱脅迫下導(dǎo)致沙棘無性系葉面積和干質(zhì)量下降，主要是通過降低氣孔導(dǎo)度和抑制葉綠體光合活性造成的。沙棘對干旱信號的最先反應(yīng)是調(diào)整氣孔開度，防止水分散失，本文的研究結(jié)果也證明了這一點。而在重度干旱條件下，是否會使沙棘生物膜結(jié)構(gòu)與功能遭到破壞，隨之葉綠素、核酸和蛋白質(zhì)等大分子遭到破壞和損傷，進而引起一系列生理生化功能的改變，最終導(dǎo)致光合器官活性下降[13]，本文沒有涉及，將是需要后續(xù)開展研究的重要內(nèi)容。